爾林兔三號井田3#煤層煤質特征分析

陳小軍 惠 鵬 李鵬飛 張 林 劉海濤 張榮榮

(1.陜西省煤層氣開發利用有限公司地質研究院分公司，陜西省西安市，710065；2.陜西省煤層氣工程技術研究中心，陜西省西安市，710065)

煤質特征對煤炭資源開發和利用起著決定性作用，成煤環境和后期改造等因素使得各區域煤層的形成具有不同的煤質特征。由于成煤物質基本相似，沉積環境變化不大，且變質程度相近，爾林兔三號井田各煤層無論在煤巖特征還是在工藝性質上差異都較小。因此，本文通過大量鉆孔資料和樣品測試數據，對3#煤層灰分和硫分等重要煤質指標的分析來探討該井田的煤巖和煤質特征，為煤炭資源的合理開發利用提供重要的指導參考。

1 地質概況

爾林兔三號井田位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區爾林兔勘查區西部，構造單元處于鄂爾多斯臺向斜寬緩的東翼—陜北斜坡上，地層總體為走向北東、傾向北西、傾角小于1°的單斜構造。井田內煤炭資源豐富，煤質優良，開采技術條件優越，具有良好的勘探條件和開發前景。本區含煤地層為侏羅系中統延安組，按沉積旋回和巖煤組合特征，延安組自上而下劃分為1～5#5個煤巖組，其中3#煤組為單一煤層(3-1煤)。根據鉆孔揭露，井田內共含可采煤層9層，其中1-2、2-2、3-1、4-3、5-2、5-3為主要的可采煤層。

圖1 3#煤分布范圍及厚度等值線

3#煤位于延安組第三段頂部，資源量可采厚度為2.25(R9-1孔)～4.44 m(R5-1孔)，平均厚度為3.84 m。煤層厚度變化不大，除R9-1孔厚度為2.25 m外，其他見煤點煤層厚度均大于3.50 m，屬厚煤層。該煤層可采面積107.53 km2，面積可采系數100%，資源總量達5.3億t，為全區可采的穩定型煤層，煤層結構簡單，大部分不含夾矸，個別鉆孔含1層夾矸，僅SK14-2鉆孔含2層夾矸，頂、底板均以粉砂巖為主。3#煤分布范圍及厚度等值線如圖1所示。

2 樣品采集與測試

本次研究利用的煤巖煤質數據為區內勘查鉆孔3#煤層樣品的檢測結果，樣品由陜西省煤田地質局綜合試驗室進行檢測，所有樣品的分析測試都遵循現行國家標準，煤的鏡質體反射率依據《煤的鏡質體反射率顯微鏡測定方法》(GB/T 6948-2008)、顯微組分定量依據《煤的顯微組分組和礦物測定方法》(GB/T 8899-2013)、煤的工業分析依據《煤的工業分析方法》(GB/T 212-2008)、全硫依據《煤中全硫的測定方法》(GB/T 214-2007)、各種硫依據《煤中各種形態硫的測定方法》(GB/T 215-2003)、煤灰成分依據《煤灰成分分析方法》(GB/T1574-2007)、煤灰熔融性依據《煤灰熔融性的測定方法》(GB/T 219-1996)。

3 煤巖特征

3.1 宏觀煤巖特征

3#煤層以黑色為主，多為強、弱不同的玻璃光澤，可見金剛光澤；條痕多為黑色、灰黑色；以參差狀斷口為主，次為棱角狀、階梯狀斷口；結構以中、細條帶狀為主，次為線理狀結構、寬條帶狀結構，層狀構造；煤塊度較差，受力易成為碎塊狀和粉末狀。內生裂隙常見于鏡煤和亮煤中，外生裂隙以各種角度與煤層層理面相交且間距較寬，內、外生裂隙常被方解石充填，煤中含黃鐵礦結核。根據樣品測試結果，3#煤的視密度在1.27～1.33 t/m3之間，平均視密度為1.30 t/m3。

宏觀煤巖組分由鏡煤、亮煤、暗煤和絲炭組成，且以亮煤和暗煤為主。宏觀煤巖類型以半亮型和半暗型煤為主，可見鏡煤透鏡體及絲炭細條帶，偶爾還可見到黃鐵礦薄膜和結核。

3.2 顯微煤巖特征

3#煤層有機顯微組分總量在95.7%～98.7%之間，以鏡質組為主，惰質組次之，殼質組占比例最少。鏡質組分以基質鏡質體為主，均質鏡質體次之，含少量結構鏡質體及碎屑鏡質體；惰質組以絲質體、半絲質體及它們的碎片體為主，含少量碎屑惰質體、微粒體及粗粒體；殼質組分以小孢子體為主，樹皮體次之，含少量樹脂體和角質體。

無機顯微組分含量較低，平均值為2.8%，以碳酸鹽礦物為主，其次為粘土類和硫化物。碳酸鹽類的方解石呈脈狀充填裂隙、塊狀體形態、充填細胞胞腔；粘土礦物主要呈團塊狀、充填細胞胞腔、微粒聚合體形態，可見微層狀粘土礦物；硫化物類的黃鐵礦主要呈脈狀充填裂隙，也可見充填細胞胞腔黃鐵礦和星點狀黃鐵礦。3#煤層煤巖顯微組分成果表見表1。

表1 3#煤層煤巖顯微組分成果表

注：文中平均值后括號里的數字表示樣品個數，下同

煤巖樣測試表明，本區3#煤層鏡質組最大反射率平均值為0.598%，煤化程度屬Ⅰ階段，即低變質程度煙煤。

4 煤的化學性質

4.1 工業分析

3#煤層工業分析成果見表2。

表2 3#煤層工業分析成果

由表2可以看出，原煤水分在3.87%～8.57%之間，平均值為6.52%；浮煤水分在3.18%～8.52%之間，平均值為5.73%，基本反映了低變質階段煙煤水分變化的規律。原煤灰分在2.92%～16.72%之間，平均值為7.15%，屬特低灰煤，其中特低灰分樣點占總樣點的81.1%，低灰煤占18.9%，3#煤層原煤灰分分級如圖2所示。原煤干燥無灰基揮發分在31.62%～41.34%之間，平均值為36.39%；浮煤干燥無灰基揮發分在31.76%～40.12%之間，平均值為35.31%，均屬中高揮發分煤。

4.2 元素分析

3#煤層元素分析成果見表3。

表33#煤層元素分析成果表%

類別CdafHdafNdafOdaf原煤80.13～83.344.28～5.340.64～1.2610.58～13.57平均值81.26(28)5.10(28)0.87(7)12.63(7)浮煤80.25～82.734.28～5.360.82～1.1310.70～15.00平均值81.48(28)5.12(28)1.01(7)12.20(7)

由表3可以看出，3#煤層中碳元素含量占主導地位且較為穩定，次為氧和氫元素，氮元素含量則相對較少，原煤和浮煤中各元素含量相差不大。

圖2 3#煤層原煤灰分分級圖

4.3 有害元素分析

硫、磷、砷、氟、氯是煤中的有害元素，在煤炭開采、儲運、洗選、加工和燃燒過程中都可能與水接觸，而使煤中有害元素發生淋溶，并運移至水體、土壤和大氣中，對環境造成危害。3#煤層硫分及有害元素含量測試成果見表4。

由表4可以看出，3#煤層原煤硫分在0.23%～1.30%之間，平均值為0.48%，屬特低硫煤(SLS)，其中特低硫樣點占總樣點的64.8%，低硫煤占35.2%，3#煤層原煤硫分分級如圖3所示。原煤硫化物成分以硫化鐵硫為主，有機硫次之，少量硫酸鹽硫。原煤磷含量在0.001%～0.040%之間，平均值為0.014%，屬低磷煤；原煤砷含量在0～6 μg/g之間，平均值為1 μg/g，為一級含砷煤；原煤氯含量在0.001%～0.070%之間，平均值為0.030%，屬特低氯煤；原煤氟含量在38～102 μg/g之間，平均值為81 μg/g，屬低氟煤。

表4 3#煤層硫分及有害元素含量測試成果

圖3 3#煤層原煤硫分分級圖

4.4 其他伴生元素

對3#煤層樣品中的鍺、鎵及放射性元素測試結果顯示，原煤鍺含量為1～3 μg/g，平均含量為2 μg/g；原煤鎵含量為1～14 μg/g，平均含量為5 μg/g；原煤鈾含量為2～14 μg/g，平均含量為6 μg/g；原煤釷含量為5～13 μg/g，平均含量為8 μg/g；原煤釩含量為4～35 μg/g，平均含量為20 μg/g。根據礦產勘查相關評判標準，煤層中伴生元素的平均含量均達不到工業最低品位的要求，故均無開采利用價值。

5 煤的工藝性能

5.1 發熱量

3#煤層原煤發熱量Qgr,d在26.84～33.16 MJ/kg之間，平均為30.50 MJ/kg；浮煤發熱量Qgr,d在30.76～33.96 MJ/kg之間，平均為32.56 MJ/kg，均屬高發熱量煤。

5.2 黏結性和結渣性

3#煤層浮煤黏結指數僅在鉆孔ZK11-5為6，其它46個樣品值在0～5之間，依據《煙煤黏結指數分級標準》(MT/T596-2008)，該煤層不具黏結能力。結渣性測試結果顯示，各樣品在不同鼓風強度下結渣率均在40%以下，且大部分都小于20%，屬弱結渣煤。

5.3 熱穩定性和低溫干餾

3#煤層熱穩定性測試值在81.6%～92.0%之間，平均為88.2%，屬高熱穩定性煤。原煤焦油產率為8.0%～12.5%，平均為10.1%，屬于中含油煤；半焦產率綜合平均值在70.4%～73.9%之間。

5.4 對CO2反應性

測試結果表明，當溫度為950℃時，煤對CO2還原率值在24.03%～49.50%，平均為33.56%，3#煤層屬于弱還原性煤，即化學反應性較差的煤。

5.5 煤灰成分以及灰熔融性

3#煤層煤灰成分以SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3為主，MgO、SO3含量較少，TiO2、K2O、Na2O平均含量均小于1%，屬“高硅鋁型”煤灰，3#煤層煤灰成分測定成果見表5。

測試結果顯示，3#煤層煤灰的軟化溫度(ST)在1080℃～1320℃之間，平均為1207℃，屬較低軟化溫度灰；流動溫度(FT)在1100℃～1360℃之間，平均為1242℃，屬于較低流動溫度灰。此外，灰熔融性與煤灰成分密切相關，通常用施特諾系數K來表示灰分的熔融性，可以看出Al2O3和SiO2含量越高灰熔融性越高，而Fe2O3、CaO、MgO含量越高灰熔融性則越低。經計算3#煤層的平均K值為2.07(注：K<1為易熔融性灰，K>5為難熔融性灰)，表明灰熔融性較低。

表53#煤層煤灰成分測定成果表%

SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOSO3K2ONa2OTiO29.68～59.1726.47(32)4.25～21.999.10(32)4.15～33.5217.06(32)9.07～28.7418.23(32)1.32～12.845.67(32)0.48～2.541.48(32)0.34～1.340.70(32)0.45～1.610.98(32)0.34～1.340.70(32)

6 煤的可選性

根據3#煤層浮沉試驗數據，按照《煤炭可選性評定方法》(GB/T 16417-2011)，結合其特低灰分的特征，擬定浮煤灰分為4.00%，采用“分選密度±0.1含量法”評價煤炭的可選性。試驗結果表明，該煤層可選性等級為易選。

泥化試驗是研究煤和矸石在水浸擾下形成煤泥和泥漿的程度，研究煤粉和巖粉的渾濁對浮煤產率和質量的影響，為選煤廠設計處理煤泥水工藝提供可靠資料，本次采取矸石泥化試驗樣5個，經測試泥化比在0.74%～1.32%之間，屬低～中泥化程度，3#煤層泥化試驗成果見表6。

表6 3#煤層泥化試驗成果表

7 煤類及工業用途評價

根據《中國煤炭分類》(GB5751-2009)以浮煤干燥無灰基揮發分產率和浮煤粘結指數進行分類，爾林兔三號井田3#煤層以不粘煤為主、含有少量的長焰煤。

煤的宏觀煤巖類型以半亮型和半暗型煤為主，煤巖組分以亮煤和暗煤為主，有機顯微組分以鏡質組為主，惰質組次之，無機顯微組分含量較低，以碳酸鹽礦物為主。煤的化學性質以特低灰、特低硫、中高揮發分、低磷、低氟、特低氯為特征，具有高發熱量、無黏結性、弱結渣性、高熱穩定性、中含油、化學反應性較差和易洗選等工藝性能。煤灰以SiO2和Al2O3為主，以較低軟化溫度灰和較低流動溫度灰為特征。

因此，該類煤是很好的化工用煤和動力用煤，可制作活性炭、水煤漿等，廣泛應用于冶金，是高耗能工業(電石、碳化硅、鐵合金等產品)的理想原料，同時也是煉鋼工業高爐噴吹的理想原料。