多煤層煤質(zhì)分析法研究

鄭雪

（山東省煤田地質(zhì)局 第五勘探隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100）

0 引 言

煤炭資源是我國(guó)重要的能源之一，占我國(guó)一次能源的比重達(dá)到了75%[1-2]。隨著工業(yè)化社會(huì)的深入發(fā)展，對(duì)資源的消耗進(jìn)一步加劇。尤其是對(duì)于電能的消耗，截止到2020 年由煤炭燃燒所代表的火力發(fā)電更是占到了我國(guó)發(fā)電比重的69%[3]。但由礦井開采的煤炭不能直接投入到生產(chǎn)使用之中，其原因在于原煤在開采和運(yùn)輸過(guò)程中，無(wú)法避免地混入了巖石等各種雜質(zhì)，隨著煤炭開采進(jìn)入了機(jī)械化階段，其雜質(zhì)含量往往更高，導(dǎo)致煤炭質(zhì)量下降[4]。因此在煤炭開采之后為了滿足不同用戶的需求，需要對(duì)原煤進(jìn)行選煤操作用以去除煤炭中的雜質(zhì)和含硫量以此方法提高煤炭質(zhì)量[5]。一般圍繞煤礦的開采會(huì)在其周邊設(shè)置一系列配套設(shè)施，如選煤廠來(lái)大量節(jié)省人力和運(yùn)輸成本。但傳統(tǒng)的選煤廠的選洗系統(tǒng)洗煤效果有限，無(wú)法將原煤全方位選洗，僅能起到排矸的用途，使得此種煤炭質(zhì)量較低，往往銷售價(jià)格低廉無(wú)法發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益。因此選煤廠的設(shè)計(jì)需要考慮當(dāng)?shù)孛嘿|(zhì)情況及煤炭的用途，選定合適的選煤方法與工藝流程對(duì)于發(fā)揮煤炭的最大經(jīng)濟(jì)效益有著重要作用。針對(duì)選煤，不少學(xué)者進(jìn)行了研究，李寶明[6]針對(duì)煤質(zhì)分析和檢查對(duì)選煤廠設(shè)計(jì)的重要性進(jìn)行了研究，認(rèn)為煤炭的形成和外界條件密切相關(guān)，不同的環(huán)境下形成的煤炭類型不同，即便在同一礦區(qū)中也可能出現(xiàn)截然不同的煤質(zhì)，針對(duì)選煤廠的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)首先對(duì)煤質(zhì)進(jìn)行全方位檢查，進(jìn)而保證煤炭質(zhì)量；李鵬波[7]以王坡選煤廠的水處理系統(tǒng)為對(duì)象，針對(duì)煤炭的產(chǎn)量和質(zhì)量進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的改造工藝，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用改進(jìn)后的選煤系統(tǒng)的工藝之后，精煤產(chǎn)量提高了3.42%，且單位介耗與藥耗明顯降低，大幅度節(jié)省了成本的同時(shí)提高了精煤產(chǎn)量。雖然學(xué)者們對(duì)于洗煤工程及煤質(zhì)的分析方法進(jìn)行了大量研究，但鮮有研究針對(duì)具體的煤礦工程總結(jié)性地提出煤質(zhì)分析的相關(guān)理論方法并進(jìn)行系統(tǒng)的論證。

本文以東歡坨礦井選煤廠為對(duì)象，針對(duì)其中的選煤工程，采用多煤層煤質(zhì)分析法對(duì)礦井中的多個(gè)煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)及開采比例進(jìn)行研究并與傳統(tǒng)分析法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，為多煤層煤質(zhì)分析法在實(shí)際工程的應(yīng)用提供指導(dǎo)作用。

1 工程概況

東歡坨礦井屬于開灤有限責(zé)任公司，位于開平煤田車軸山兩側(cè)處。礦井總體井田面積達(dá)42 km2，斜向長(zhǎng)14 km，寬3 km。經(jīng)多次地質(zhì)勘探結(jié)果顯示，井田處含有41 條大斷層。煤田地質(zhì)地層屬石炭二疊系地層，共有17 層含煤層，其中可開采煤層占9 層，可開采煤層為5、7、8、9、10、12-1、12-2、12-3、14-1 號(hào)煤層、9 層總厚度約為19.8 m，本文針對(duì)其中的8、9、10、12-1、12-2 號(hào)煤層進(jìn)行研究。對(duì)于可開采煤層的灰份和硫份，8、9、10、12-1 號(hào)煤層的灰分平均為16%，8、9 號(hào)煤層的硫份小于1%，為低硫含量煤，10、12-1 號(hào)煤層的硫份為2%左右，為中硫含量煤。

井田所處區(qū)域?yàn)楠?dú)立水文單元，各個(gè)煤層涌水量均不相同，其中可開采煤層中5 號(hào)煤層為強(qiáng)含水層，7、8、9、10、12-1 號(hào)煤層為弱含水層，12-2號(hào)煤層為極強(qiáng)含水層。在地下500 m 以上的煤層中，所探測(cè)到的最大出水量為65 m3/min，遠(yuǎn)大于正常出水量35 m3/min。

本文所研究的8、9、10、12-1、12-2 號(hào)煤層，平均每層厚度約為1.4 m，煤層自西向東存在22°～29°不等的傾角，5 個(gè)研究煤層的平均傾角約為24°，煤層構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，煤炭主要以生產(chǎn)氣煤為主。受地質(zhì)構(gòu)造影響，位于風(fēng)道口附近70 m 出存在明顯的薄煤層，該層厚度平均0.7 m 左右，薄煤層由風(fēng)道口向開采區(qū)域延伸約45 m。5 個(gè)研究煤層的開采區(qū)域厚度約為1.7 m，平均可開采指數(shù)為0.9，平均變異系數(shù)約為32.5%。

2 研究方法

2.1 傳統(tǒng)分析法

首先采用傳統(tǒng)分析方法對(duì)不同時(shí)間段的原煤質(zhì)量進(jìn)行分析。由于使用傳統(tǒng)分析法進(jìn)行分析需要獲取不同時(shí)間段的煤礦開采接續(xù)表，因此本文收集了2020 年?yáng)|歡坨礦井每月在8、9、11、12-1、12-2號(hào)煤層的開采情況，見表1。

表1 煤層開采情況Table 1 Eoal seam mining situation

對(duì)于傳統(tǒng)分析方法，基于上述不同時(shí)間段的煤礦開采接續(xù)表，確定各月不同煤層的開采比例及其開采量，之后將8、9、11、12-1、12-2 號(hào)煤層的開采情況按照所確定的開采比例進(jìn)行加權(quán)平均用以獲取礦井原煤的出井?dāng)?shù)據(jù)，基于此便可得對(duì)所有煤層出井的原煤煤質(zhì)進(jìn)行分析，最后按照不同時(shí)間段進(jìn)行排序處理，得到東歡坨礦井各時(shí)間段不同煤層的原煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)。

2.2 多層煤質(zhì)分析法

區(qū)別于傳統(tǒng)的煤質(zhì)分析法，多層煤質(zhì)分析法首先對(duì)研究的8、9、11、12-1、12-2 號(hào)煤層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)不同煤層之間表現(xiàn)出的性質(zhì)將其進(jìn)行歸類處理，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)8 號(hào)煤層和9 號(hào)煤層性質(zhì)較為相似，其余3 種煤層性質(zhì)相近，因此將8 號(hào)煤層和9 號(hào)煤層歸為一類，為了便于后文分析，這里將其簡(jiǎn)稱為上煤，11、12-1、12-2 號(hào)煤層歸為一類，簡(jiǎn)稱下煤。

在此統(tǒng)計(jì)分析下，原來(lái)需要分析的5 個(gè)煤層簡(jiǎn)化為了2 個(gè)，在此簡(jiǎn)化條件下，將開采層的原煤開采情況進(jìn)行比例劃分，這里將上煤與下煤之比劃分為11 種情況，并在確定配比的情況下繪制了所生產(chǎn)的兩種不同類型的煤與配比的利潤(rùn)變化曲線，如圖1 所示。通過(guò)兩種不同類型的煤的利潤(rùn)變化曲線便可以確定所需生產(chǎn)煤的煤層配比，將利潤(rùn)最大化。

圖1 動(dòng)力煤和煉焦煤隨煤層配比的利潤(rùn)變化曲線Fig.1 Profit variation curve of thermal coal and coking coal with coal seam ratio

3 結(jié)果分析

3.1 工業(yè)指標(biāo)分析

為了在工業(yè)指標(biāo)層面對(duì)煤質(zhì)進(jìn)行分析，收集并獲取了8、9、11、12-1 號(hào)煤層所開采的原煤的灰分、硫分、揮發(fā)分、發(fā)熱量、膠質(zhì)層、粘結(jié)指數(shù)等工業(yè)指標(biāo)，各煤層所開采的原煤工業(yè)指標(biāo)見表2。

表2 各煤層所開采的原煤工業(yè)指標(biāo)

表2 為各煤層所開采的原煤工業(yè)指標(biāo)，從表2的數(shù)據(jù)可以看出，各工業(yè)指標(biāo)中，8 號(hào)煤層與9 號(hào)煤層之間的灰分、硫分、揮發(fā)分、發(fā)熱量、膠質(zhì)層、粘結(jié)指數(shù)等工業(yè)指標(biāo)較為相近，二者所表現(xiàn)出的共同點(diǎn)在于灰分相對(duì)較高，硫分相對(duì)較低且二者發(fā)熱量與粘結(jié)指數(shù)均較低，而11 號(hào)煤層和12-1 號(hào)煤層之間的指標(biāo)較為相近，二者所表現(xiàn)出的共同點(diǎn)在于灰分相對(duì)較低，硫分相對(duì)較高且二者發(fā)熱量與粘結(jié)指數(shù)均較8 號(hào)煤層與9 號(hào)煤層高。

3.2 粒度組成分析

煤炭的粒度組成特點(diǎn)主要取決于煤層的開采方式和賦存方法，不同的開采方式和賦存方法，對(duì)原煤的粒度影響極大，對(duì)于研究煤層的賦存和開采方法，本文將其總結(jié)并統(tǒng)計(jì)得到了8、9、11、12-1、12-2 號(hào)煤層的賦存及開采統(tǒng)計(jì)表，見表3。

表3 研究煤層各層的賦存及開采方式統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of occurrence and mining methods of each layer of coal seam

表3 為各煤層所開采的原煤工業(yè)指標(biāo)，從表3數(shù)據(jù)可以看出，各煤層的賦存和開采方式中，8 號(hào)煤層與9 號(hào)煤層之間的賦存條件較為相近，原煤開采方式均為輕型綜采且二者煤層厚度均在3 m 以上相對(duì)較厚，而11 號(hào)煤層和12-1 號(hào)煤層、12-2 號(hào)煤層之間的賦存條件較為相近，三者的開采方式均為只采不放且厚度均在2～3 m，相對(duì)上煤較薄。

3.3 浮沉組成分析

原煤的浮沉組成特性主要體現(xiàn)在基元灰分和浮物累積性，對(duì)于研究煤層不同的基元灰分，本文將其按照1.3～1.8 歸納為7 個(gè)不同的密度級(jí)別，總結(jié)并統(tǒng)計(jì)得到了8、9、11、12-1、12-2 號(hào)煤層的不同密度級(jí)下的基元灰分統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表4。

表4 研究各煤層在不同密度級(jí)下的基元灰分統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 The statistical results of elemental ash of each coal seam at different density levels

表4 為8、9、11、12-1、12-2 號(hào)煤層在不同密度級(jí)下的基元灰分統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從表4 的數(shù)據(jù)可以看出，8 號(hào)煤層和9 號(hào)煤層在不同密度級(jí)下的基元灰分相差不大，二者在1.3～1.6 低密度級(jí)區(qū)間內(nèi)的基元灰分均較高，而11、12-1、12-2 號(hào)煤層在不同密度級(jí)下的基元灰分較為相近，三者在1.6～1.8高密度級(jí)下的基元灰分均較高。

對(duì)于研究煤層浮物累積性，本文針對(duì)不同煤層中1.4 密度級(jí)下的150～ 0.5 mm 的浮物累計(jì)情況，總結(jié)并統(tǒng)計(jì)得到了8、9、11、12-1、12-2 號(hào)煤層中原煤浮物累計(jì)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表5。

表5 研究各煤層的原煤浮物累計(jì)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Statistical results of the accumulation of rawcoal floats in each coal seam

表5 為8、9、11、12-1、12-2 號(hào)煤層中原煤浮物累計(jì)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從表5 的數(shù)據(jù)可以看出，8 號(hào)煤層和9 號(hào)煤層在1.4 密度級(jí)下的浮物累計(jì)灰分均在13.6%左右，但二者產(chǎn)率卻相差6%～7%，同理11、12-1、12-2 號(hào)煤層灰度相近產(chǎn)率卻呈現(xiàn)出較大區(qū)別，其可能原因在于原煤灰分不同所致，因此在表5 所示數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將上煤和下煤的灰分進(jìn)行同一化處理，并將結(jié)果繪制成了如圖2 所示的各煤層下的原煤浮物累計(jì)灰分曲線。

圖2 各煤層下的原煤浮物累計(jì)灰分曲線Fig.2 Accumulated ash curve of rawcoal float under each coal seam

圖2 為修訂后的各煤層下的原煤浮物累計(jì)灰分曲線，從圖2 中可以看出，針對(duì)同一密度級(jí)8 號(hào)煤層和9 號(hào)煤層的原煤浮物累計(jì)灰分相近，二者具備相近的浮沉性質(zhì)；而11、12-1、12-2 號(hào)煤層的原煤浮物累計(jì)灰分相近，三者具備同一浮沉性質(zhì)。

綜合上述三方面的分析可知，無(wú)論是從工業(yè)指標(biāo)、粒度組成或是浮沉組成，所劃分的上煤或是下煤具備相似的性質(zhì)，因此針對(duì)此種相似性質(zhì)的煤層可共用同一煤質(zhì)資料進(jìn)行分析，相較于傳統(tǒng)的逐層加權(quán)分析方法，簡(jiǎn)化后的分析法可以大大提高分析效率，減少分析誤差。

4 結(jié) 論

本文依托東歡坨礦井選煤廠為對(duì)象，針對(duì)其中的選煤工程，采用多煤層煤質(zhì)分析法對(duì)礦井中的多個(gè)煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)及開采比例進(jìn)行研究并與傳統(tǒng)分析法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，得出了如下結(jié)論。

（1）對(duì)于工業(yè)指標(biāo)、粒度組成和浮沉物組成相似性質(zhì)的煤層可共用同一煤質(zhì)資料進(jìn)行分析，相較于傳統(tǒng)的逐層加權(quán)分析方法，簡(jiǎn)化后的分析法可以大大提高分析效率，減少分析誤差。

（2）通過(guò)煤層簡(jiǎn)化分析后獲取的配比與利潤(rùn)規(guī)律，可以確定所需生產(chǎn)煤種的煤層配比，將利潤(rùn)最大化。