大同礦區(qū)5#煤層煤巖煤質(zhì)特征及其清潔利用方式

趙 彥，李春蘭，張 寧，孔慶虎

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局，河北邯鄲 056004)

0 引言

當(dāng)今形勢(shì)下我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)一直在轉(zhuǎn)型，但煤炭仍是我國(guó)的重要能源基礎(chǔ)，在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中占有很大比例，由于煤炭利用方式粗放、污染重的問題一直存在，尋找煤炭的清潔利用方式，提高煤炭產(chǎn)品的質(zhì)量，構(gòu)建低碳、安全、清潔、高效的煤炭清潔利用方式成為煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要舉措[1-3]。煤氣化、液化是煤炭清潔利用的重要方式，而煤巖、煤質(zhì)特征是研究煤炭清潔利用方式的重要依據(jù)[4-6]。系統(tǒng)分析5#煤層的煤巖煤質(zhì)特征，對(duì)大同礦區(qū)煤炭資源分質(zhì)分級(jí)和選取適合的清潔高效利用方式具有指導(dǎo)意義。

1 礦區(qū)概況

大同礦區(qū)位于山西省大同市西南，地跨大同、朔州兩市，礦區(qū)東西長(zhǎng)30km，南北寬85km2，包括40個(gè)井田和6個(gè)煤礦重組整合區(qū)。礦區(qū)位于大同市西南部，總面積62 km2(圖1)。

圖1 交通位置

大同礦區(qū)主要含煤地層為侏羅紀(jì)大同組和石炭二疊紀(jì)山西組、太原組，現(xiàn)在主要開采8、12、14煤層，侏羅系各煤層屬弱黏煤，除14煤灰分均值為16.3%屬中灰外，其余煤層均屬低灰至特低灰煤，除8煤屬中硫煤外，其余各煤層屬特低硫煤，特低磷-低磷煤，是高熱值良好的動(dòng)力和作氣化原料及民用燃料。石炭二疊紀(jì)主要開采山西組3#、太原組5#、8#煤層，礦區(qū)各煤層以氣煤為主，個(gè)別地段出現(xiàn)長(zhǎng)焰煤、1/3焦煤的多煤類，東北部變質(zhì)程度和煤類差異性大，中南部基本為氣煤。

2 5#煤層的煤巖特征

礦區(qū)內(nèi)5#煤以半亮-半暗煤為主，鏡質(zhì)組平均含量為56.46%，惰質(zhì)組平均含量為34.18%，殼質(zhì)組平均含量9.36%，大部分凝膠化作用較好，植物結(jié)構(gòu)保存程度不一，該煤層的主體煤相以干燥森林沼澤相和湖沼相為主。

2.1 5#煤的物理性質(zhì)

5#煤層以弱玻璃光澤為主，瀝青-油脂光澤次之。多為貝殼狀斷口，少量階梯狀斷口，煤層裂隙被黃鐵礦薄膜或方解石脈充填，內(nèi)生裂隙均不發(fā)育。結(jié)構(gòu)以條帶狀結(jié)構(gòu)為主，密度為1.50～1.60；宏觀煤巖類型以半亮-半暗型居多，其次為暗煤和亮煤。

2.2 顯微煤巖特征

1)鏡質(zhì)組。鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體(無(wú)固定形態(tài)，膠結(jié)半絲質(zhì)體、碎屑惰質(zhì)體、粗粒體、氧化絲質(zhì)體、小孢子體和黏土等)為主(圖2)，少量碎屑鏡質(zhì)體和結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體2(胞腔變形，充填黏土或微粒體)。礦區(qū)內(nèi)5#煤鏡質(zhì)組含量為21.40%～93.18%，平均含量56.46%。

圖2 5#煤鏡下照片

2)惰質(zhì)組。惰質(zhì)組以碎屑惰質(zhì)體為主，其次半絲質(zhì)體，再次粗粒體，少量氧化絲質(zhì)體，偶見微粒體。礦區(qū)內(nèi)煤中惰質(zhì)組含量較低，惰質(zhì)組含量為14.70%～57.20%，平均含量34.18%。

3)殼質(zhì)組。殼質(zhì)組主要為小孢子體，少量樹脂體；煤中殼質(zhì)組含量低，殼質(zhì)組含量為0.9%～20.70%，平均含量9.36%。

4)礦物。大同礦區(qū)5#煤層煤樣樣品礦物主要以黏土礦物為主，浸染狀、充填胞腔或裂隙、條帶狀、團(tuán)塊狀。部分樣品有黃鐵礦，充填裂隙，或呈不規(guī)則塊狀。占煤巖礦物總量的16.88%。

5)煤的鏡質(zhì)組反射率。根據(jù)前人資料及本次工作的采樣測(cè)試結(jié)果綜合分析，5#煤層鏡質(zhì)組反射率變化范圍為0.68～0.81，平均值為0.73，屬于Ⅱ煤化階段煙煤。礦區(qū)內(nèi)鏡質(zhì)組只有東周窯、潘家窯井田鏡質(zhì)組反射率小于0.65，四臺(tái)、云岡、同忻三個(gè)井田交匯處鏡質(zhì)組反射率較高，分布的主要煤類為1/3焦煤，其他區(qū)域基本穩(wěn)定在0.68～0.81這一范圍沒有較大的浮動(dòng)。

2.3 煤相

基于顯微組分[7]定量統(tǒng)計(jì)的成因參數(shù)分析方法，對(duì)太原組5#煤層煤相[8]進(jìn)行了分析。據(jù)收集的大同礦區(qū)塔山井田5#煤巖樣品的顯微組分析資料，計(jì)算出以上煤相指標(biāo)參數(shù)(表1)。

表1 大同礦區(qū)5#煤層顯微組分煤相參數(shù)

應(yīng)用TPI-GI相圖對(duì)煤層的煤相類型進(jìn)行劃分?？傮w來看其煤相類型具下列特征：通過TPI-GI相圖分析顯示(圖3)5#煤層為高GI群體(≥0.84)，TPI值分布較為分散，植物結(jié)構(gòu)保存程度存在差異。根據(jù)采集樣品在圖中分布特征，可以將5#煤的煤相大致分為4種類型，即湖沼相、泥炭沼澤相、潮濕森林沼澤相、較干燥森林沼澤相。其中較干燥森林沼澤相和湖沼相為該煤層的主體煤相，在沼澤演化過程中占有主導(dǎo)地位。

圖3 TPI-GI相圖

3 5#煤層的煤質(zhì)特征

5#煤主要為中灰、高揮發(fā)分、中硫、高熱穩(wěn)定性煤，整體以弱黏結(jié)煤為主，煤層的黏結(jié)性變化規(guī)律大致受深成變質(zhì)作用，變質(zhì)程度由低至高，煤的黏結(jié)性也隨之逐漸增強(qiáng)。

3.1 水分

5#煤層原煤水分(Mad)含量為0.16%～5.58%，平均1.73%；浮煤水分(Mad)含量為0.15%～2.49%，平均1.05%。

3.2 灰分

5#煤層原煤灰分產(chǎn)率(Ad)為6.73%～38.54%，平均26.82%，浮煤灰分灰分產(chǎn)率(Ad)為3.85%～14.97%，平均7.69%。

5#煤層主要為中灰分煤，其次為中高灰煤，極少量低灰煤(圖4)。洗選后大部分灰分產(chǎn)率小于10%，以特低灰煤為主，少量低灰煤。平面分布上，中灰煤分布范圍較為廣泛，占礦區(qū)大部分面積，礦區(qū)東南區(qū)域南部整合區(qū)分布部分低灰煤，燕子山、四臺(tái)、塔山、潘家窯井田零星分布中高灰煤(圖5)。從垂向上來看，原煤灰分[9]顯示出上部較高下部較低的規(guī)律(圖5)。

圖4 5#煤層灰分分布直方圖

圖5 大同礦區(qū)5#煤層灰分等值線

3.3 揮發(fā)分

5#煤層原煤揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率為10.21%～49.47%，平均37.68%，浮煤揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率為30.24%～46.12%，平均38.59%。

大同礦區(qū)內(nèi)5#煤層揮發(fā)分產(chǎn)率主要集中在35.28%～39.65%，為中高揮發(fā)分煤-高揮發(fā)分煤。在平面分布上，礦區(qū)大部分區(qū)域原煤的揮發(fā)分產(chǎn)率在35%～40%，變化不大，總體具有西南部區(qū)域較高，中北部區(qū)域較低的特點(diǎn)(圖6、圖7)。

圖6 5#揮發(fā)分分布直方圖

圖7 大同礦區(qū)5#煤層揮發(fā)分等值線

3.4 氫碳原子比

5#煤層原煤氫碳原子比0.73～0.86，大部分分布為0.76～0.80，平均值為0.78(N=120)；5#煤層平面上，礦區(qū)內(nèi)絕大部分區(qū)域氫碳原子比為0.76～0.80，絕大部分區(qū)域超過0.75，其中礦區(qū)燕子山、馬道頭、塔山等井田內(nèi)較大范圍大于0.8，礦區(qū)東西部潘家窯和東周窯井田內(nèi)部分區(qū)域低于0.74(圖8、圖9)。

圖8 5#煤層H/C分布圖

圖9 5#煤H/C原子比等值線

3.5 全硫

5#煤層原煤全硫(St.d)含量為0.26%～3.79%，平均值為1.53%，浮煤全硫(St.d)硫分含量為0.21%～1.28%，平均0.36%，主要為中硫煤?？傮w來看平面上大部分硫分大于1.00%，平面上在礦區(qū)中部潘家窯井田、馬道頭井田、峙峰山井田存在硫分小于1.00%的低硫煤，馬脊梁井田、塔山井田、東周窯井田存在中高硫煤(圖10)。垂向上煤層上部原煤硫含量較高，下部含量低。

圖10 5#煤層硫分等值線

大同礦區(qū)5#煤層原煤中各形態(tài)硫中硫化鐵硫(Sp,d)和有機(jī)硫(So,d)對(duì)全硫含量的貢獻(xiàn)值較高，硫酸鹽硫(Ss,d)貢獻(xiàn)值較低；含量不同的硫其形態(tài)硫的占有的比例變化規(guī)律也較為明顯，當(dāng)全硫含量≤1.0%，有機(jī)硫占比最高，平均為70%，而硫化鐵硫占比低，為27%；隨著全硫含量的增大，硫化鐵硫的占比隨之增大，而有機(jī)硫占比隨之減少，中硫煤(St,d為1.01%～2.00%)中，硫化鐵硫占比達(dá)到40%，而有機(jī)硫分別下降至45%(圖11)。由此可見，煤中黃鐵礦是引起大同礦區(qū)5#煤層硫含量相對(duì)較高的因素。

圖11 5#煤硫含量分布直方圖

3.6 煤灰熔融性

煤灰熔融性是煤炭氣化工藝的重要指標(biāo)，也是煤炭氣化的重要因素之一。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，5#煤的煤灰熔融性(ST)范圍為1 280～1 500℃，平均1 435℃。根據(jù)煤灰熔融溫度范圍：易熔灰分(ST<1 160℃)；中熔灰分(ST為1 160～1 350℃)；難熔灰分(ST為1 350～1 500℃)，可確定大同礦區(qū)煤灰熔融點(diǎn)較高，屬中—難熔。

3.7 煤的黏結(jié)指數(shù)

根據(jù)大同礦區(qū)煤質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，5#煤的黏結(jié)指數(shù)為0～90.8，平均30.24，整體以弱黏結(jié)煤為主。煤層的黏結(jié)性變化規(guī)律大致受成深變質(zhì)作用，變質(zhì)程度由低至高，煤的黏結(jié)性也隨之逐漸增強(qiáng)。

3.8 煤的熱穩(wěn)定性

根據(jù)大同礦區(qū)煤質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，5#煤的熱穩(wěn)定性為85.1%～99.3%，平均98.10%，屬于高熱穩(wěn)定性煤。

3.9 煤灰成分

大同礦區(qū)煤灰成分組成主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等。梳理大同礦區(qū)灰成分分析的基礎(chǔ)上，本次對(duì)大同礦區(qū)15件樣品進(jìn)行了灰成分分析。其中5#煤灰中主要成分SiO2含量35.15%～72.55%，平均49.41%；Al2O3含量4.58%～52.50%，平均38.62%；Fe2O3含量0.28%～38.09%，均6.28%；CaO含量0.26%～14.06%，平均1.73%；MgO含量0～2.95%，平均0.56%。

4 5#煤層用途評(píng)價(jià)

綜合主要液化指標(biāo)，與液化用煤[10-12]評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比(表2)。大同礦區(qū)的5#煤當(dāng)鏡質(zhì)組反射率小于0.65時(shí)，能夠達(dá)到要求液化用煤[13]要求，關(guān)鍵性指標(biāo)揮發(fā)分和H/C高，缺點(diǎn)是灰分太高，不可能直接將其作為原料煤進(jìn)行液化。煤類為氣煤、1/3焦煤，硫分含量小于1.75%(平均1.39%)，缺點(diǎn)是灰分太高，不能作為直接煉焦原料煤。采用洗選的方法降低灰分值，洗選過后，大部分浮煤灰分值均小于10%，可以解決原煤灰分高的缺點(diǎn)。

表2 液化用煤褐煤評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

整理了大同礦區(qū)內(nèi)95個(gè)鉆孔5#煤層的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)，分析其他指標(biāo)在去除灰分后的變化，結(jié)果表明，浮選以后，硫分降低較為明顯，高硫煤去硫效果尤為明顯，少量低硫煤去硫效果不太明顯，僅個(gè)別數(shù)值有所提高(圖12)。這種變化顯然與硫的形態(tài)有關(guān)，礦區(qū)內(nèi)硫分高的主要因素是硫化鐵硫的存在，即無(wú)機(jī)硫存在導(dǎo)致，因此去灰之后硫含量降低明顯；低硫分煤中，主要是有機(jī)硫存在，洗選無(wú)法降低其值。浮選前后，揮發(fā)分變化無(wú)明顯的規(guī)律性，較為復(fù)雜，大部分值變化較小，存在個(gè)別變化較大值。

圖12 5#煤原煤與浮煤主要煤質(zhì)對(duì)比

綜上所述，浮選對(duì)煤的揮發(fā)分影響較少，平均降低了0.12，不利因素是浮選也去除了煤中對(duì)直接液化可起催化作用的黃鐵礦，大同礦區(qū)浮煤能達(dá)到液化用煤指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

大同礦區(qū)5#煤層主要以中灰分、高揮發(fā)分、中硫、高熱穩(wěn)定性、弱黏結(jié)性煤為主。煤類為氣煤、1/3焦煤，硫分含量小于1.75%，5#煤清潔利用方式主要考慮煉焦原料用煤，其次考慮直接液化用煤。部分區(qū)域灰分含量高，不能作為直接煉焦原料煤，洗選可以解決原煤灰分高的缺點(diǎn)，洗選過后，大部分浮煤灰分值小于10%，洗選后的煤大部分可以作焦化用煤。