紙房勘查區(qū)西山窯組不同煤層煤質指標相關性分析

王 康

（1.江蘇地質礦產設計研究院（中國煤炭地質總局檢測中心），江蘇 徐州 221006；2.中國煤炭地質總局煤系礦產資源重點實驗室，江蘇 徐州 221006）

煤是一種十分復雜的由有機物和無機物組成的混合物，對于同一礦區(qū)來說，由于沉積環(huán)境、原始成煤植物和煤化程度頗為接近，許多煤質指標之間都有很好的相關性和規(guī)律性，通過分析各煤質指標的相關性，可以了解煤的化學組成，將外在的測試數據與內在構造聯系起來，提供生產實踐所需的理論基礎[1]。

近年來，我國煤質檢測的水平不斷提高，但受外界環(huán)境變化的影響，不少指標的測試條件要求嚴格，如國內大部分煤礦達不到測試煤炭發(fā)熱量過程中對實驗室溫度、濕度控制的精度要求，不利于對煤質的實時監(jiān)控。為此研究人員比對了大量的實驗數據，總結了許多經驗公式，并對回歸方程進行了驗證。但礦區(qū)間的差異性造成這些公式的適用性不夠普遍，應用于新礦區(qū)時帶來的誤差一般會很大。因而深入研究煤質各項指標間的相關性，用方便測定的指標去估算難測定的指標，化繁為簡，是高效實用的[2-4]。

本文以新疆巴里坤哈薩克自治縣紙房勘查區(qū)的煤為對象，用便于測定的采樣檢測法和對比分析，研究不同煤層煤質的變化規(guī)律，分析各指標的數據相關性，旨在豐富該區(qū)煤層的相關理論數據，簡化分析，助力“雙碳”背景下合理開采、清潔高效利用煤炭資源。

1 紙房勘查區(qū)煤層的基本情況及測定方法

1.1 紙房勘查區(qū)煤層的基本情況

紙房勘查區(qū)已經查明的煤炭資源量約73 748萬t，種類主要是長焰煤，含有少量的不黏煤，煤質特征為低灰分、高揮發(fā)分、特低硫、高熱值，具有弱結渣性，對CO2的反應性較好，且為富油煤，工業(yè)用途為動力用煤和氣化用煤，同時可作煉焦配合煤和蘭炭用煤[5]。

紙房勘查區(qū)內主要的含煤地層是侏羅系西山窯組，上段為C組煤，下段為B組煤，共含煤17層，本次主要研究該區(qū)的4層可采煤層（編號依次為B5、B4、B3、B1）煤質指標間的相關性。

1.2 煤質指標測定方法

采用GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》測定煤的水分、灰分、揮發(fā)分，采用GB/T 213—2008測定煤的發(fā)熱量，采用GB/T 214—2007測定煤的硫元素的含量，采用GB/T 476—2008測定煤的碳元素和氫元素的含量，采用GB/T 219—2008測定煤灰熔融性溫度，采用GB/T 1574—2007測定煤的灰成分。

2 煤的揮發(fā)分和煤中主要元素的關系

2.1 揮發(fā)分與碳含量的關系

揮發(fā)分與煤中有機質的熱解有關，因此探究是否可用揮發(fā)分對碳含量進行推算具有一定的實際意義。

以煤的揮發(fā)分為自變量，使用excel研究勘查區(qū)4個煤層中碳含量和揮發(fā)分數據并作線性擬合，可以發(fā)現二者之間存在一定的負相關性，其線性方程的相關系數平方（R2）依次為B5煤層0.315 3、B4煤層0.459 7、B3煤層0.395 8、B1煤層0.627 6，這一結果說明B1煤層數據相關性一般，其他煤層較差，利用揮發(fā)分計算碳含量誤差較大，這是因為煤在熱解后，碳元素主要存在于固定碳中，揮發(fā)分物質中雖含有碳元素，但其含量遠小于固定碳中的含量。

2.2 揮發(fā)分和氫含量的關系

隨著煤化程度的加深，煤中氫元素的含量逐漸減少。通常情況下，煤中氫元素的含量越高，其揮發(fā)分也越高。對勘查區(qū)鉆孔樣品進行測試，研究氫元素含量和揮發(fā)分之間的關系，得出不同煤層揮發(fā)分與氫元素含量之間關系見圖1。

圖1 不同煤層揮發(fā)分ω（Vdaf）與氫含量ω（Hdaf）之間的關系

由圖1可知，各煤層均呈現出煤的揮發(fā)分隨氫含量增大而增大的趨勢，應用excel軟件分析線性規(guī)律，得出一元一次線性方程式如下：B5煤層ω(Vdaf)=0.046 7·ω(Hdaf)+2.983 2，R2=0.865 4；B4煤層ω(Vdaf)=0.120 9·ω(Hdaf)-0.045 2，R2=0.816 2；B3煤層ω(Vdaf)=0.121 9·ω(Hdaf)+0.0504，R2=0.805 3；B1煤層ω(Vdaf)=0.08 7 ω(Hdaf)+1.453 2，R2=0.864 4?？芍?，各煤層中揮發(fā)分和氫含量數據相關性強，因此可以利用揮發(fā)分估算氫元素含量，這是因為煤熱解分離的大分子烴類的支鏈和側鏈作為揮發(fā)分的來源主要含氧和氫，煤的顯微組分中殼質組、惰質組及鏡質組的H、C原子比依次降低，揮發(fā)分與煤級對應，隨著煤化度加深，殼質組含量降低，氫含量和揮發(fā)分降低，因此二者有對應正相關性。

2.3 揮發(fā)分和硫含量的關系

分析4個可采煤層的煤質測試結果，以煤的揮發(fā)分為自變量，使用excel研究勘查區(qū)4個煤層硫元素含量和揮發(fā)分的數據并作線性擬合分析，得到其線性方程的R2依次為B5煤層0.216 6、B4煤層0.003 8、B3煤層0.012 5、B1煤層0.014 6?？芍?，4個煤層煤的揮發(fā)分與硫含量的數據相關性均較低，不可以利用揮發(fā)分計算硫元素的含量。

2.4 揮發(fā)分和氮含量的關系

分析4個可采煤層的煤質測試結果，以煤的揮發(fā)分為自變量，使用excel研究勘查區(qū)4個煤層中氮元素含量和揮發(fā)分的數據并作線性擬合分析，得到其線性方程的R2依次為B5煤層0.108 3、B4煤層0.065 9、B3煤層0.246 6、B1煤層0.378 8，可知，4個煤層揮發(fā)分與氮含量的數據相關性較低，不可以利用揮發(fā)分計算氮元素的含量。

3 煤的發(fā)熱量和工業(yè)分析指標間的關系

探討煤的發(fā)熱量與工業(yè)分析指標間相關性規(guī)律，不僅能為數據審核提供依據，還可以利用工業(yè)分析的數據在該礦區(qū)和鄰近礦區(qū)未來的勘查時預測原煤的發(fā)熱量數值。

3.1 發(fā)熱量和水分的關系

分析4個可采煤層的煤質測試結果，總體呈現出煤的干基高位發(fā)熱量隨水分的增大而略微升高的趨勢。以煤的水分為自變量，使用excel研究勘查區(qū)4個煤層煤的發(fā)熱量和水分的數據并作線性擬合分析，得到其線性方程的R2依次為B5煤層0.002 3、B4煤層0.007 9、B3煤層0.101 3、B1煤層0.072 8，二者之間的數據相關性差，因此各煤層水分對干基發(fā)熱量的影響很小，不可以利用水分計算發(fā)熱量。

3.2 發(fā)熱量和灰分的關系

灰分是決定煤發(fā)熱量高低的重要因素，二者通常有較強負相關，因此有必要研究二者之間的關系，驗證是否可以通過灰分預測煤的發(fā)熱量。不同煤層煤的發(fā)熱量和灰分的線性關系見圖2。

由圖2可知，勘查區(qū)煤層干基高位發(fā)熱量和灰分之間有著較強的線性反比關系，使用excel對勘查區(qū)煤層干基高位發(fā)熱量和灰分數據進行研究，總結他們的線性規(guī)律，以灰分為自變量作線性擬合，其一元一次線性方程式如下：B5煤層Qgr,d=-0.316 2ω(Vd)+31.705，R2=0.901 4；B4煤層Qgr,d=-0.370 1ω(Vd)+32.19，R2=0.912 8；B3煤層Qgr,d=-0.328 4 ω(Vd)+32.161，R2=0.910 3；B1煤層Qgr,d=-0.328 7ω(Vd)+32.312，R2=0.935 5。

圖2 不同煤層煤的發(fā)熱量（Qgr，d）與灰分ω（Ad）的關系

可知勘查區(qū)煤層干基高位發(fā)熱量和灰分數據相關性很強。這是因為煤的灰分主要是無機礦物質分解后的產物，灰分越高，說明煤中礦物質越高、有機物含量越少，熱值越低。另外，在測定發(fā)熱量時，礦物質分解需要吸熱，礦物質越多，其需要的分解熱就越多，從而降低了發(fā)熱量，因此可以利用灰分來計算發(fā)熱量。

3.3 發(fā)熱量和揮發(fā)分的關系

分析可采煤層的煤質分析結果可知，勘查區(qū)煤層干基高位發(fā)熱量和干燥無灰基揮發(fā)分之間有著一定的相關性，且呈現出隨揮發(fā)分增大煤的發(fā)熱量減小趨勢。

以煤的揮發(fā)分為自變量，應用excel對4個煤層發(fā)熱量和揮發(fā)分數據進行回歸分析，得出其線性方程的R2依次為B5煤層0.184 2、B4煤層0.170 7、B3煤層0.024 5、B1煤層0.000 7。隨著變質程度的加深，揮發(fā)分降低，固定碳增加，煤的發(fā)熱量逐漸升高，但4個煤層的揮發(fā)分和發(fā)熱量的數據相關性較差，不能利用揮發(fā)分計算發(fā)熱量。

4 煤的發(fā)熱量和煤中各元素的關系

元素分析是分析和探討煤質的前提，而發(fā)熱量是判斷煤的工業(yè)性能、燃燒價值的核心，煤的發(fā)熱量高低與元素組成緊密聯系，與C、H元素的相關性尤為顯著。

4.1 發(fā)熱量和碳含量的關系

分析可采煤層的煤質分析數據可知，勘查區(qū)煤的干基高位發(fā)熱量和碳元素含量之間有一定的相關性，總體來說煤的發(fā)熱量隨碳含量增大而增大，應用excel對4個煤層碳和發(fā)熱量數據進行回歸分析，得出其線性方程的R2依次為B5煤層0.670 8、B4煤層0.372 9、B3煤層0.000 3、B1煤層0.006 3，可知4個煤層中B4、B3、B1煤層相關性較差，B5煤層相關性較好，B5煤層煤的干基高位發(fā)熱量和碳元素含量的回歸方程為Qgr,d=0.810 5 ω(Cdaf)-34.557。

因此可以利用B5煤層的碳含量大致估算該層煤的發(fā)熱量。同一煤級中，殼質組的發(fā)熱量最高，其次為鏡質組和惰質組。在變質程度低時，因為鏡質組的含碳量低而含氧量高，惰質組的發(fā)熱量比鏡質組高，故總發(fā)熱量較低，顯微組分的不同造成了其他幾個煤層（B4、B3、B1）碳含量和發(fā)熱量相關性不強。

4.2 發(fā)熱量和氫含量的關系

分析可采煤層的煤質分析數據可知，勘查區(qū)煤的干基高位發(fā)熱量和氫含量之間有一定的相關性，但不顯著。其中B5、B4、B1煤層總體呈現出煤的發(fā)熱量隨氫含量增大而增大的趨勢，B3煤層總體上呈現出煤的發(fā)熱量隨氫含量增大而降低的趨勢。以氫元素含量為自變量，應用excel對4個煤層氫含量和發(fā)熱量數據進行回歸分析，得出他們線性方程的R2依次為B5煤層0.024 7、B4煤層0.000 4、B3煤層0.028 7、B1煤層0.117 9。

分析可知4個煤層發(fā)熱量和氫含量的數據相關性較差，不可以利用煤層的氫含量計算發(fā)熱量。因此，即使煤中氫的放熱能力很強，受限于含量很低，并不能決定發(fā)熱量的高低。

4.3 發(fā)熱量和硫含量的關系

分析可采煤層的煤質分析數據，勘查區(qū)煤的干基高位發(fā)熱量和硫元素含量之間有一定的相關性，其中B5、B3、B1煤層總體上呈現出煤的發(fā)熱量隨硫元素含量增大而增大的趨勢，B4煤層總體上呈現出煤的發(fā)熱量隨硫元素含量增大而降低的趨勢。

以煤的硫含量為自變量，應用excel對4個煤層硫元素含量和發(fā)熱量數據進行回歸分析，得出其線性方程的R2均較低?？芍?個煤層發(fā)熱量和硫含量的數據相關性較差，不可以利用煤層的硫含量計算發(fā)熱量。

4.4 發(fā)熱量和氮含量的關系

分析可采煤層的煤質分析數據，勘查區(qū)煤的干基高位發(fā)熱量和氮元素含量之間有一定的相關性，但不顯著。其中B4、B3煤層總體上呈現出煤的發(fā)熱量隨氮含量增大而增大的趨勢，B5、B1煤層總體上呈現出煤的發(fā)熱量隨氮含量增大而降低的趨勢。

以煤的氮含量為自變量，應用excel對4個煤層氮含量和發(fā)熱量數據進行回歸分析，得出其線性方程的R2均較低。可知4個煤層氮元素含量和發(fā)熱量的數據相關性較差，不可以利用煤層的氮含量計算發(fā)熱量。

5 煤的灰成分和灰熔融性溫度的關系

煤灰的熔融性主要由煤灰的成分決定。煤灰中的堿性氧化物包括氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鐵、氧化鉀、氧化鈉；其余為酸性氧化物。通常情況下，當煤灰中堿性氧化物較多的時候，煤灰的熔融性溫度較低?？辈閰^(qū)不同煤層煤灰堿性氧化物含量和灰熔融性溫度（FT）的關系見圖3。

圖3 煤灰堿性氧化物含量和煤灰流動溫度的關系

由圖3可知，煤灰的流動溫度與煤灰中堿性氧化物含量呈現負相關。應用excel擬合數據回歸分析得到一次方程的R2為0.652 4。可知堿性氧化物的總和與煤灰流動溫度相關性較強，回歸方程為FT=-8.360 9·ω（堿性氧化物和）+1 468。

綜上可知，煤灰熔融性溫度的高低主要由堿性氧化物含量決定，可以利用煤灰堿性成分來大致估算煤灰熔融性流動溫度。

6 結 論

6.1 勘查區(qū)煤層煤的揮發(fā)分產率隨氫含量的增大而增大，數據相關性強，可以利用揮發(fā)分估算氫量；勘查區(qū)煤層揮發(fā)分隨碳含量的增大而減小，對4個煤層碳含量和揮發(fā)分數據回歸分析得出B1煤層數據相關性一般，其他煤層相關性較差，通過揮發(fā)分計算碳含量誤差較大。

6.2 勘查區(qū)煤層總體呈現出煤的干基高位發(fā)熱量隨水分的增大而略微升高的趨勢，數據相關性很差，不可以利用水分計算發(fā)熱量；干基高位發(fā)熱量和灰分之間有著較強的線性負相關關系，可以利用灰分估算發(fā)熱量；干基高位發(fā)熱量隨揮發(fā)分的增大而減小，4個煤層的數據相關性較差，不能利用揮發(fā)分計算發(fā)熱量。

6.3 勘查區(qū)煤的干基高位發(fā)熱量隨碳含量增大而增大，其中B5煤層相關性較好，建立回歸方程Qgr,d=0.810 5 ω(Cdaf)-34.557，其他煤層相關性較差，可以利用B5煤層的碳含量計算該層煤的發(fā)熱量；干基高位發(fā)熱量和煤中元素之間有著一定的相關性，但不顯著，分別對4個煤層氫、氮、硫含量和發(fā)熱量數據進行回歸分析，可知可以利用B5煤層的碳含量計算發(fā)熱量，不可以利用煤層的氫、硫、氮元素的含量計算煤的發(fā)熱量。

6.4 煤灰的流動溫度與煤灰堿性氧化物總和呈現較強負相關性，建立回歸方程為FT=-8.360 9 ω（堿性氧化物和）+1 468，可以利用煤灰堿性成分來大致估算煤灰流動溫度。