甘肅省核桃峪礦區(qū)煤質(zhì)特征及工業(yè)用途評(píng)價(jià)

張子祥，蒲麗君

(甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

核桃峪礦區(qū)位于正寧縣西南部，行政區(qū)劃分屬正寧縣宮河鎮(zhèn)、周家鄉(xiāng)和寧縣中村鄉(xiāng)管轄。地理坐標(biāo)：東經(jīng)107°56′24″～108°07′03″，北緯35°14″45″～35°22′30″。礦區(qū)東西長(zhǎng)約14.728 km，南北寬約12.438 km，面積183.19 km2。 礦區(qū)內(nèi)含煤地層為延安組地層，共含可采煤層3層。煤層平均總厚度為14.80 m，含煤系數(shù)20.73%，可采煤層平均總厚度為16.47 m，煤炭資源量達(dá)20億t[1]。煤質(zhì)評(píng)價(jià)采用《煤炭資源勘查煤質(zhì)評(píng)價(jià)規(guī)范》(MT/T 1090—2009)[2]，并參考各類煤質(zhì)特征相關(guān)文獻(xiàn)[3-9]，研究結(jié)果可為煤炭資源利用提供參考依據(jù)。

1 煤的物理性質(zhì)和煤巖特征

1.1 煤的物理性質(zhì)

各煤層為黑色，條痕為深棕色，瀝青光澤或玻璃光澤，物理性質(zhì)基本相似。各煤層均以條帶狀結(jié)構(gòu)為主，線理狀結(jié)構(gòu)次之，塊狀構(gòu)造。肉眼可見方解石細(xì)脈充填裂隙之中，偶見黃鐵礦薄膜。通過簡(jiǎn)易燃燒試驗(yàn)可知，煤層易燃、煙濃、焰長(zhǎng)，焦渣微膨脹熔融。各煤層視密度分別為：煤2層1.34 t/m3；煤5層1.35 t/m3；煤8層1.39 t/m3。

1.2 煤巖特征

1.2.1 宏觀煤巖類型

煤巖組分以暗煤居多，亮煤較少，絲炭、鏡煤呈條帶狀、線理狀穿插其中，組成了煤層的條帶狀線理狀結(jié)構(gòu)。

宏觀煤巖類型以暗淡型煤為主，次為半暗型及半亮型煤。

1.2.2 顯微煤巖組分

煤2層、煤5層和煤8層均以惰質(zhì)組成分為主，次為鏡質(zhì)組，半鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組均偏少。其中，在有機(jī)顯微組分中：煤2層鏡質(zhì)組含量18.6%～55%，平均含量38.9%，惰質(zhì)組含量44.1%～79.3%，平均含量58.9%，殼質(zhì)組平均含量1.5%，半鏡質(zhì)組平均含量0.5%；煤5層鏡質(zhì)組含量18.5%～38.4%，平均含量26.9%，惰質(zhì)組含量60.9%～80.1%，平均含量71.6%，殼質(zhì)組平均含量1.4%，半鏡質(zhì)組平均含量0.2%；煤8層鏡質(zhì)組含量5.5%～63.1%，平均含量27.9%，惰質(zhì)組含量35.7%～93.3%，平均含量69.0 %，殼質(zhì)組平均含量1.20%；半鏡質(zhì)組平均含量2.2%。顯微煤巖組分測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 顯微煤巖組分鑒定結(jié)果Table 1 Identification results of microscopic coal and rock components 單位：%

鏡質(zhì)組以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主，主要為基質(zhì)鏡質(zhì)體，其次為均質(zhì)鏡質(zhì)體，含少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組以碎屑惰質(zhì)體為主，含少量絲質(zhì)體和極少量微粒體、粗粒體。殼質(zhì)組以孢粉體為主，主要為小孢子體，角質(zhì)體次之，含少量樹脂體和極少量藻類體。黏土中分為分散的棕色細(xì)粒狀和灰色細(xì)粒狀2種，且以浸染狀分布于基質(zhì)體內(nèi)。碳酸鹽多為充填于裂隙或絲質(zhì)體胞腔內(nèi)的方解石和球狀菱鐵礦。硫化物主要為呈黃亮色的塊狀或橢圓形放射狀的黃鐵礦。氧化硅為高突起、淺灰色的石英顆粒。

1.2.3 煤的變質(zhì)特點(diǎn)

各煤層鏡質(zhì)組最大反射率分別為：煤2層0.667%、煤5層0.725%、煤8層0.696%，均屬煙煤第Ⅱ變質(zhì)階段。

2 煤的化學(xué)性質(zhì)

2.1 水分

各煤層水分較低，原煤一般為2.68%～2.72%，浮煤一般為2.25%～2.31%。從表2中可以看出各煤層水分自上而下有逐漸增高的趨勢(shì)。

表2 煤層樣工業(yè)分析測(cè)定成果Table 2 Industrial analysis and determination results of coal seam samples 單位：%

2.2 灰分(Ad)

煤2層原煤干燥基灰分8.22%～33.43%，平均15.73%，為低灰-髙灰煤，平均為中灰煤；煤5層原煤干燥基灰分7.24%～34.22%，平均15.61%，為低灰煤；煤8層原煤干燥基灰分8.01%～29.15%，平均13.89%，為特低灰煤-高灰煤，平均為低灰煤。

2.3 揮發(fā)分(Vdaf)

煤2層原煤干燥無灰基揮發(fā)分28.38%～41.53%，平均35.01%；煤5層原煤干燥無灰基揮發(fā)分28.5%～38.57%，平均34%，煤2層、煤5層均為中高揮發(fā)分煤；煤8層原煤干燥無灰基揮發(fā)分22.95%～53.85%，平均33.70%，為中高揮發(fā)分煤-高揮發(fā)分煤，平均為中高揮發(fā)分煤。

2.4 固定碳(FCd)

煤2層原煤固定碳28.54%～56.08%，平均44.99%，為低固定碳煤；煤5層原煤固定碳30.59%～56.4%，平均46.88%，為特低固定碳煤-中固定碳煤，平均為低固定碳煤；煤8層原煤固定碳10.24%～61.25%，平均49.04%，為特低固定碳煤-中固定碳煤，平均為低固定碳煤。

2.5 硫分(St,d)

煤2層各級(jí)別硫分煤均存在，低硫煤和中硫煤相對(duì)較多，而且具有分帶性。煤5層硫分全區(qū)以特低硫煤和低硫煤為主。煤8層原煤硫分以低硫煤和特低硫煤為主?？傮w分析，在礦區(qū)南部，靠近煤層沉積邊界附近，煤8層硫分有逐漸增大趨勢(shì)；在礦區(qū)北部，靠近煤層沉積邊界的硫分也存在增大趨勢(shì)。在垂向上，煤層上、中、下部的硫分變化較為復(fù)雜，一般在煤層中部多為特低硫煤或低硫煤，煤層頂部和底部硫分有所增大。

2.6 煤中有害元素

煤中有害元素含量見表3。根據(jù)煤中有害元素含量的分類標(biāo)準(zhǔn)[10-12]，評(píng)價(jià)結(jié)果如下：

表3 原煤中有害元素含量測(cè)定成果Table 3 Determination results of harmful elements in raw coal

氯：全區(qū)各煤層平均為特低氯煤，局部地段可見低氯煤。

磷：全區(qū)各煤層平均為特低磷煤，局部地段可見低磷煤。

砷：煤2層含砷較高，為二級(jí)含砷煤，煤5層和煤8層含砷量低，為一級(jí)含砷煤。礦區(qū)的西南部地段可見三級(jí)含砷煤。

氟：煤2層為特低氟煤，而煤5層和煤8層為低氟煤。

2.7 元素組成

煤層中元素含量見表4。各可采煤層浮煤中的碳、氫元素含量與我國(guó)相同變質(zhì)程度的煤田相比，碳元素含量較高，氫元素含量較低。分析與各煤層煤巖組分中惰質(zhì)組含量較高，而殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組含量偏低有關(guān)。

表4 可采煤層元素分析成果Table 4 Elemental analysis results of mineable coal seams

3 煤的工藝性能

3.1 發(fā)熱量

各煤層原煤的干燥基高位發(fā)熱量(Qgr，d)比較接近，煤2層21.2～29.96 MJ/kg，平均值27.31 MJ/kg；煤5層21.52～31.58 MJ/kg，平均值28.12 MJ/kg；煤8層22.40～31.28 MJ/kg，平均值28.36 MJ/kg。各煤層原煤平均干燥基高位發(fā)熱量(Qgr，d)屬中高發(fā)熱量-高發(fā)熱量煤。

在平面上，各煤層發(fā)熱量在礦區(qū)南部以高發(fā)熱量煤為主，中部為特高發(fā)熱量煤，北部為高發(fā)熱量煤為主，西部為中-高發(fā)熱量煤，東部為高發(fā)熱量煤。

在垂向上，煤8層中上部以高發(fā)熱量煤為主，中間有特高發(fā)熱量煤塊段，局部見中發(fā)熱量煤零星塊，底部煤層發(fā)熱量變化較大，有特高發(fā)熱量煤和高發(fā)熱量煤，局部見有低發(fā)熱量煤。其他煤2層及煤5層垂向上發(fā)熱量變化不大。

3.2 粘結(jié)性

煤2層粘結(jié)指數(shù)0～14，屬不粘煤，個(gè)別鉆孔粘結(jié)指數(shù)達(dá)到14，為弱粘煤。煤5層粘結(jié)指數(shù)0～15，屬不粘煤。煤8層粘結(jié)指數(shù)0～13，屬不粘煤。各可采煤層浮煤焦渣特征值為3.46～3.9，判斷本礦區(qū)煤層不具結(jié)焦性。

3.3 煤灰熔融性

煤灰熔融性隨煤灰成分的變化而異，一般隨SiO2含量的增加而減弱。煤灰熔融性分為軟化溫度和流動(dòng)溫度2種評(píng)價(jià)。前者適用于固態(tài)排渣鍋爐和煤氣發(fā)生爐對(duì)煤灰熔融性軟化溫度控制分級(jí)；后者適用于液態(tài)排渣鍋爐和煤氣發(fā)生爐對(duì)煤灰熔融性流動(dòng)溫度的分級(jí)。

依據(jù)煤灰熔融性軟化溫度分級(jí)，核桃峪礦區(qū)煤2層軟化溫度1 120～1 500 ℃，屬于較低軟化溫度灰-高軟化溫度灰，變化幅度大；煤5層軟化溫度1 130～1 400 ℃，屬于較低軟化溫度灰-較高軟化溫度灰；煤8層軟化溫度1 040～1 450 ℃，為低軟化溫度灰-較高軟化溫度灰，變化幅度大。

依據(jù)煤灰流動(dòng)溫度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本區(qū)各煤層煤灰流動(dòng)溫度也有差異，具體如下：煤2層煤灰流動(dòng)溫度1 150～1 500 ℃，為低流動(dòng)溫度灰-高流動(dòng)溫度灰，變化幅度大；煤5層煤灰流動(dòng)溫度1 180～1 430 ℃，為較低流動(dòng)溫度灰-較高流動(dòng)溫度灰；煤8層煤灰流動(dòng)溫度1 070～1 450 ℃，為低流動(dòng)溫度灰-較高流動(dòng)溫度灰，變化幅度也很大。

3.4 其他工藝性能

本礦區(qū)煤對(duì)CO2的反應(yīng)性較差。在950 ℃條件下，煤層對(duì)CO2的還原率為33.4%～44.7%，最大未超過60%。

各煤層煤的熱穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果顯示，大于6 mm殘焦值(TS+6)均大于70%，最大值為92.9%，平均值為78.3%，屬于熱穩(wěn)定性好的煤。

原煤哈氏可磨性指數(shù)(HGI)為50.6～64.0，屬于較難磨煤。

煤灰黏度4條曲線都是“短渣”型，煤灰黏度隨溫度降低而急劇增大，說明不利于液態(tài)排渣方式。

在鼓風(fēng)強(qiáng)度為0.3 m/s、平均反映時(shí)間26′22″、大于6 mm的各煤層煤灰結(jié)渣率為5%，屬于弱結(jié)渣煤。預(yù)計(jì)在氣化和燃燒過程中爐內(nèi)結(jié)渣少或不易結(jié)渣，熱效率高，排渣比較正常。

對(duì)各煤層的原煤樣進(jìn)一步做了低溫干餾試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表5，從測(cè)試數(shù)據(jù)可看出煤2層、煤8層為富油煤，煤5層為多油煤。

表5 低溫干餾測(cè)定結(jié)果Table 5 Determination results of low temperature dry distillation

4 煤的可選性

設(shè)定精煤灰分10%時(shí)(即特低灰煤)，以易選煤和中等可選煤為主；設(shè)定精煤灰分16%時(shí)(即低灰煤)，先期開采地段中心部分基本上是易選煤；但西部出現(xiàn)有中等可選煤區(qū)塊?？偟膩砜矗麑⒈镜囟卧河酶〕料催x法使產(chǎn)品達(dá)到低灰煤級(jí)，基本上屬于“易選”的煤種[13]。

5 煤類

根據(jù)《中國(guó)煤炭分類國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 5751—2009)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14]，以浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率和粘結(jié)指數(shù)為主要分類指標(biāo)來劃分煤類。本礦區(qū)浮煤各可采煤層浮煤干燥無灰基揮發(fā)分(Vdaf)煤2層為28.14%～36.84%，平均32.20%；煤5層為29.47%～37.29%，平均33.11%；煤8層為18.7%～41.14%，平均32.18%。各煤層粘結(jié)指數(shù)(GR.I)煤2層0～14；煤5層0～15；煤8層0～13?？傮w評(píng)定，本礦區(qū)各煤層煤類均為不粘煤。

根據(jù)原煤質(zhì)量分級(jí)，煤2層為中灰、中硫、低磷、高發(fā)熱量不粘煤；煤5層為低灰、低硫、低磷、高發(fā)熱量不粘煤；煤8層為低灰、低硫、特低磷、高發(fā)熱量不粘煤。

6 工業(yè)用途評(píng)價(jià)

6.1 煤的燃燒性能評(píng)價(jià)

根據(jù)沾污指數(shù)(即積灰指數(shù))分類：煤2層為高度沾污煤，煤5層和煤8層為中度沾污煤。

根據(jù)結(jié)渣指數(shù)分類：煤2層、煤5層和煤8層均為低度結(jié)渣煤。

6.2 動(dòng)力用煤和氣化用煤評(píng)價(jià)

本礦區(qū)主要為低灰、中高揮發(fā)分、低硫、高發(fā)熱量煤，收到基低位發(fā)熱量(Qnet.ar)19.23～31.41 MJ/kg，可作為火力發(fā)電、燒制水泥等動(dòng)力用煤。

本礦區(qū)主要煤層煤8層各項(xiàng)指標(biāo)除煤對(duì)CO2反應(yīng)性未達(dá)到60%(950 ℃)以上沸騰層爐氣化要求外，其余均符合氣化用煤要求，是較好的氣化用煤。

7 結(jié)論

(1)核桃峪礦區(qū)煤為不粘煤，具有低-中灰、中高揮發(fā)分、低硫-中硫、低磷、中高-高發(fā)熱量、低-較高軟化溫度灰、易選-中等可選等特點(diǎn)。

(2)本礦區(qū)煤屬中度沾污煤、弱結(jié)渣煤，富油煤-多油煤，可作為動(dòng)力煤、氣化煤。