黑岱溝煤礦及哈爾烏素煤礦煤質特征研究

李 福 平

(神華準能集團有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

0 引 言

煤質工作的主要內容包括對煤礦資源進行合理劃分及對煤礦設計進行構思以確定煤質技術的使用，從而設計出符合當地煤田的礦井[1-5]，上述系列步驟的執行均需清晰規劃才能保證煤炭的質量，同時為煤田的開采提供理論依據，從更科學、更合理的角度對煤礦資源進行開采和加工利用。

神華準能集團下屬的哈爾烏素露天煤礦及黑岱溝露天煤礦是公司的主力煤礦，黑岱溝露天礦設計6號復煤層底板開采范圍42.36 km2，境界內探明煤炭資源儲量14.13億t。哈爾烏素露天礦深部面積56.38 km2，地表面積67.45 km2，露天煤礦開采境界內可采儲量16.82億t[6-10]。2個露天礦擴能后總體生產規模為60.00 Mt/a，其中哈爾烏素露天煤礦生產規模為31.00 Mt/a，黑岱溝露天煤礦生產規模為29.00 Mt/a。主要開采二疊紀5號煤和石炭紀6號煤，煤質均為低硫、低磷、高灰熔融性、高揮發分和較高發熱量的長焰煤，是良好的動力用煤，有“綠色煤炭”的美譽[10-15]。筆者從2個煤礦的煤層煤質及開采洗選工藝出發，采集2個露天礦共6個采煤臺階代表性的煤層煤樣進行煤質分析，科學論述2個露天礦的不同臺階煤層樣的煤質水平特征，以期為煤礦配采及后續轉化利用提供參考。

1 黑岱溝礦和哈爾烏素礦煤層基本情況

1.1 黑岱溝礦煤層賦存狀況

黑岱溝露天礦內可采煤層及局部可采煤層包括5號、6號、9號共3層，其中6號、9號煤層為復煤層。

(1)5號煤層。位于山西組中部，厚度(0～4.27) m，平均2.19 m，煤層結構復雜，含0～4層夾矸，夾矸厚(0 ～0.64) m，全區大部分不可采，可采范圍在井田西南部邊界附近。

(2)6號煤層。位于太原組頂部，以復煤層形式存在，上部不穩定，多風化、缺失，有的層段以高灰煤出現，中、下部連續較穩定，為礦區主要可采煤層。6號復煤層全層厚度為18.07 m～41.12 m，平均28.88 m。各小分層分述如下:

①6Ⅰ煤層:位于太原組頂部，往上與5號煤層平均間距13.32 m，向下與6Ⅱ煤層平均間距1.13 m。該煤層由1～2個分層組成，煤層變化大，厚度0.10m～12.65 m，平均2.78 m。最大可采厚度3.81 m，一般2.00 m左右，可采范圍在首采區31線至12線及采區西南部，為局部可采煤層。夾矸1～2層，厚度(0 ～0.8) m，多為黏土巖。該層頂板為黏土巖或粗砂巖，底板為黏土巖。

②6Ⅱ煤層:位于6號復煤層上部，其上與6I煤層有一層夾矸相隔，往下為6Ⅲ煤層，間距變化大，為(0～5.00) m，大多數鉆孔由于灰分降低而漸變至6Ⅲ正常煤，少數鉆孔中與6Ⅲ分層之間有很薄的夾矸。該煤層是6號煤層中的特殊煤層段，最大厚度7.71 m，平均3.26 m。煤層結構復雜，煤層和泥層呈薄互層。“小層”厚度小者幾厘米，厚者幾十厘米，一般煤和高灰煤在總厚中平均占59%，巖石層占41%；該層按煤和高灰煤劃分，灰分全部小于40%的占5%，灰分在40%～50%的占32%，灰分全部大于50%的占26%，高灰正常煤、煤和炭質泥巖難以分開者占37%，因此，該層除去明顯夾矸外，全層應為“高灰煤”，平均灰分為40.71%。

③6Ⅲ～Ⅵ煤層:位于太原組中部，是礦區主要可采煤層，往下至8號煤層間距0.82 m～9.20 m，平均3.84 m。底板通常為粉砂巖。煤層厚度20.20 m～27.19 m，一般在23m～25 m。夾矸多為7～9層，總厚度約2.08 m，夾矸巖性為黏土巖或泥巖、炭質泥巖。該煤層根據夾矸和結構上的差異，分為6Ⅲ、6Ⅳ、6Ⅴ、6Ⅵ共4個分層。

(3)9號煤層。位于太原組下部，9Ⅰ～9Ⅱ煤層是9號煤層的上分層，煤層厚度不穩定，一般由2～3層薄煤層組成，總厚0.25 m～6.77 m，平均2.33 m，夾矸1～4層，夾矸厚在1.00 m左右。

9Ⅳ煤層是9號煤層的下分層，總厚0.10 m～4.82 m，平均1.34 m，可采部分最大厚度4.14 m，一般1 m～2 m。

1.2 哈爾烏素礦煤層賦存狀況

礦區含煤12層，其中山西組含煤5層，由上部到下部為1號、2號、3號、4號、5號煤層，太原組含煤7層，由上部到下部為6號上(6S)、6號、6號下(6X)、8號、9號、9號下(9X)、10號煤層。現自上而下分述如下:

(1)1號、2號、3號、4號煤層:位于山西組中、上部，僅在局部零星分布，不可采，屬極不穩定煤層。

(2)5號煤層:位于山西組下部，厚度(0～5.75) m，平均1.39 m，主要分布于石圪咀正斷層以西及不連溝與石圪咀正斷層之間9線以南地區。煤層結構尚屬簡單，含矸0～6層。距6S煤層間距2.75 m～29.86 m，平均12.24 m，大部可采，屬較穩定煤層。夾矸巖性主要為炭質泥巖、泥巖等。煤層頂部多為泥巖、次為高嶺石泥巖等。

(3)6S煤層:位于太原組頂部，該煤層為6號煤層的上分層，厚度(0 ～7.27) m，平均2.83 m，主要分布在11線以南及30線以西地區；而在30線以東、10線以北地區，6S與6號煤層合并。全區共有209個鉆孔見到該煤層。煤層結構尚屬簡單，含矸0～6層。距6號煤層間距1.14m～47.40 m，平均16.90 m，屬不穩定煤層。

(4)6號煤層:位于太原組中部，全區可采，屬較穩定煤層。厚度1.20m～39.54 m，平均21.01 m，頂部結構復雜，中部簡單，底部中等，含矸0～31層，一般約10層，夾矸單層厚度0.10 m～0.30 m，夾矸為黑色砂質泥巖、泥巖、黑灰色高嶺石泥巖。頂板巖性為黑色炭質泥巖、泥巖為主，老頂為灰白色含礫砂巖，厚度15 m～20 m，底板為黑色泥巖。6號煤層為礦區的主要可采煤層，距6X煤層間距1.09 m～24.88 m，平均12.13 m。其變化規律為由北向南逐漸變薄、由西向東逐漸變薄。

(5)6X煤層:位于太原組中部，為6號煤層的下分層。在不連溝以西及東部煤層露頭區，6X與6號煤層合并，厚度(0～7.61)m，平均2.35 m，在11～21線、27～28線之間發育最好。煤層結構較簡單，含矸0～5層。距8號煤層間距0.94 m～25.86 m。平均3.65 m，屬不穩定煤層。

(6)8號煤層:厚度(0～2.04) m，平均0.69 m，因其厚度基本在最低可采厚度以下變化，屬于不可采煤層。全區有408個鉆孔見到8號煤層，但達到可采厚度者僅18個鉆孔。煤層結構簡單，夾矸0～2層，頂、底板巖性以泥巖為主。

(7)9號煤層:厚度(0～9.08) m，平均厚度4.08 m，以不連溝以東發育較好，厚度一般在5 m左右，煤層結構比較簡單，含矸0～7層，屬較穩定煤層。該層煤夾矸以泥巖為主，頂、底板巖性以泥巖、炭質泥巖、高灰煤為主。

(8)9X煤層:為9號煤層的下分層，厚度(0～2.75) m，平均0.71 m，零星分布，屬極不穩定煤層，無開采價值。

(9)10號煤層:位于太原組底部，厚度(0～2.72) m，平均0.52 m，屬不可采煤層。

1.3 開采方式

2個露天煤礦整合后共劃分為4個采區，分別為2個首采區、黑岱溝新二采區、哈爾烏素新二采區。開采順序依次為:2個首采區→黑岱溝新二采區→哈爾烏素新二采區。黑岱溝露天礦采用的開采工藝有單斗—卡車間斷工藝、拋擲爆破—吊斗鏟無運輸倒堆工藝、采煤半連續工藝。哈爾烏素露天礦采用上部輪斗連續工藝+下部吊斗鏟倒堆工藝+單斗—卡車開采工藝的綜合開采工藝，采煤工藝采用單斗—卡車+地面半固定破碎站半連續開采工藝。

1.4 洗選工藝

黑岱溝洗選廠共有3個洗選系統，分別為1個跳汰系統和2個重介淺槽系統；主要工藝為塊煤跳汰煤泥過濾及塊煤重介淺槽煤泥過濾等聯合工藝流程。哈爾烏素洗選系統為塊煤重介淺槽—煤泥過濾聯合工藝流程。

2 黑岱溝礦及哈爾烏素礦煤層煤質特征

2.1 黑岱溝礦煤層煤質特征

根據準格爾煤田黑岱溝露天煤礦第二條區(第一期)生產補充勘探區煤層煤質特征研究，按GB/T 5751—2009《中國煤炭分類》規定，黑岱溝露天煤礦第二條區(第一期)生產補充勘探區煤屬于長焰煤，鏡質體最大反射率隨煤層埋深增加而增大。各煤層鉆孔煤芯樣品煤質特征總體情況為中灰～中高灰、低硫、中高熱值煤。各主采煤層干燥無灰基揮發分較高，均屬高揮發分煤，且在垂直方向上基本呈現干燥無灰基揮發分隨煤層深度增加而降低的趨勢。各煤層原煤各種硫中主要以有機硫(So,d)為主、硫化鐵硫(Sp,d)其次，而硫酸鹽硫(Ss,d)最少。在煤灰成分方面各煤層以SiO2、Al2O3為主，次為CaO、SO3和Fe2O3，其它均為少量，SiO2與Al2O3兩者平均之和在74.92%～85.52%，屬“高硅鋁型”煤灰，由礦區整體煤灰熔融性溫度判斷其屬于較高軟化溫度灰。

2.2 哈爾烏素礦煤層煤質特征

根據哈爾烏素露天煤礦首采區煤層煤質特征研究，按GB/T 5751—2009《中國煤炭分類》規定，哈爾烏素露天煤礦首采區煤屬于長焰煤。各煤層鉆孔煤芯樣品煤質特征總體情況為中灰～中高灰、特低～低硫、高揮發分、中高～高熱值煤，礦區微量有害元素中氟含量較高，屬中氟煤，其它元素含量較低。各鉆孔煤樣的煤灰成分含量波動較大，煤灰成分以SiO2和Al2O3為主，由礦區整體煤灰熔融性溫度判斷其屬較高軟化溫度灰。其他工藝特征方面，哈爾烏素露天煤礦首采區焦油產率(Tar,d)平均在7%左右；屬中高～高熱穩定性、中等可磨～較難可磨煤。

3 黑岱溝礦及哈爾烏素礦煤層煤質數據

研究采取黑岱溝露天礦6號煤煤層樣4個，分別為6號上(6S)、6號中(6Z)、6號下(6X)及6號全層煤樣；哈爾烏素露天礦6號煤煤層樣4個，分別為6號上(6S)、6號中(6Z)、6號下(6X)及6號全層煤樣，總計8個樣品。具體分析結果見表1～表3。

表1 各煤層煤工業分析、發熱量與全硫測試數據
Table 1 Proximate analysis and calorific value、total sulfur of each coal seam

樣品Mad/%Ad/%Vdaf/%FCd/%Qgr,d/(MJ·kg-1)St,d/%黑岱溝6S2.8047.0941.8430.7714.800.37黑岱溝6Z3.9431.9240.4040.5820.500.44黑岱溝6X3.2724.7637.5746.9823.500.43黑岱溝6號5.4935.4038.2539.8919.100.41哈北6S3.7957.95———21.8510.900.30哈北6Z6.5725.0037.5546.8423.300.56哈北6X5.1527.3838.1144.9422.400.65哈北6號5.9535.8739.9338.5219.100.60

表2 各煤層煤樣煤巖測試結果
Table 2 Test results of coal petrography test for samples from each coal seam

樣品煤巖組成(體積比)/%鏡質組惰質組殼質組礦物質鏡質體最大反射率(Romax)/%黑岱溝6S29.052.44.713.90.61黑岱溝6Z27.655.61.615.20.61黑岱溝6X34.861.21.22.80.62黑岱溝6號39.654.42.43.60.60哈北6S40.921.12.835.20.56哈北6Z36.857.22.43.60.63哈北6X40.356.10.82.80.54哈北6號 37.951.21.89.10.64

表3 各煤層煤灰成分測試數據
Table 3 Test data of coal ash composition of each coal seam

%

按照GB/T 15224.1—2018《煤炭質量分級 第1部分:灰分》，黑岱溝6S和哈爾烏素6S該2個煤層煤樣屬于特高灰煤，黑岱溝6Z、黑岱溝6號全層和哈爾烏素6號全層3個煤層煤樣屬于高灰煤，黑岱溝6X、哈爾烏素6Z和哈爾烏素6X該3個煤層煤樣屬于中灰煤。

分析揮發分測試數據可知，8個煤層煤樣揮發分較為穩定，均在37%以上，其中黑岱溝煤的Vdaf略高于后者，按照MT/T 849-2000《煤的揮發分產率分級》劃分，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層樣品均屬于高揮發分煤。

從固定碳測試數據來看，8個煤層煤樣固定碳含量均在50%以下，按照MT/T 561-2008《煤的固定碳分級》，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層樣品均屬于低固定碳或特低固定碳煤。

發熱量是影響動力煤經濟價值最重要、最直接的煤質指標。8個煤層煤樣發熱量波動較大。按照GB/T 15224.3—2010《煤炭質量分級 第3部分:發熱量》劃分，黑岱溝6X、哈爾烏素6Z和哈爾烏素6X該3個煤層煤樣屬于中發熱量煤，黑岱溝6Z、黑岱溝6號全層和哈爾烏素6號全層3個煤層煤樣屬于中低發熱量煤，黑岱溝6S和哈爾烏素6S煤層煤樣屬于低發熱量煤。

硫含量是評價煤炭質量的重要煤質指標之一。8個主要煤層煤樣硫分含量均較低。按照GB/T 15224.2—2010《煤炭質量分級 第2部分:硫分》劃分，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層樣品均屬于低硫煤或特低硫煤。

從表2鏡質體反射率測試結果可知，黑岱溝和哈爾烏素各煤層煤樣的鏡質體最大反射率均在0.6%左右。分析煤巖組成可知，黑岱溝露天礦6S煤層和6Z煤層礦物質含量相對較高、鏡質組含量相對較低，6S、6Z和6X該3個煤層惰質組含量差別不大，而整個6號煤層煤巖組成來看，礦物質含量并不高，即其與6X煤層接近。哈爾烏素露天礦6S煤層礦物質含量相對較高、惰質組含量相對較低，6S、6Z和6X該3個煤層鏡質組含量差別不大，而分析整個6號煤層煤巖組成可知，各組分與6Z和6X煤層接近。

煤灰成分是指煤中礦物質經高溫氧化、分解后形成的各種金屬和非金屬氧化物及鹽類，因此可根據煤灰成分的測試數據大致推測煤中礦物質成分、判斷煤灰的熔融特性及煤在燃燒時對燃燒室的腐蝕情況等。由表3測試數據可知，哈爾烏素6S煤層SiO2含量較高，而Al2O3含量較低。幾個煤層煤樣煤灰中堿金屬氧化物含量均不高，對煤炭加工利用過程影響不大。黑岱溝6Z、黑岱溝6X和黑岱溝6號全層3個煤層煤灰成分中SO3含量相對較高，在煤炭加工利用過程需特別加以注意。

氟、氯、砷、汞、磷作為煤中的主要微量元素，雖其含量相對較低但在煤的加工利用過程中起著至關重要的作用。黑岱溝及哈爾烏素露天礦各煤層煤中微量元素含量見表4。

表4 露天礦各煤層煤的微量元素
Table 4 Trace elements of each coal seam

樣品Pd/%Cld/%Asd/(μg·g-1)Hgd/(μg·g-1)黑岱溝6S0.0250.00410.204黑岱溝6Z0.0220.01210.412黑岱溝6X0.0100.03060.196黑岱溝6號0.0180.02330.226哈北6S0.0080.01210.195哈北6Z0.0170.01110.216哈北6X0.0150.01410.158哈北6號0.0130.02210.217

煤中氯在燃燒過程中也會轉化為氣態形式，遇水則會形成酸性物質，因此在煤炭利用過程中其氯具有較強的腐蝕性，嚴重縮短設備的使用壽命。按照GB/T 20475.2—2006《煤中有害元素含量分級 第2部分:氯》規定，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層煤中氯元素含量只有黑岱溝6X相對較高但屬于中氯煤，其余均屬于低或特低氯煤。由總體分析可知，2個礦區煤層煤樣氯含量相對較低，因而在煤炭加工利用過程中對設備的腐蝕性較小。

砷在煤的燃燒過程中會形成三氧化二砷，微量砷化物即可致人中毒甚至身亡，因此煤中砷也是被關注的微量有害元素之一。在國外，砷含量超過8 μg/g的煤不允許作為食品工業和釀造工業的燃料。按照GB/T 20475.3—2012《煤中有害元素含量分級 第3部分:砷》規定，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層煤中砷元素含量只有黑岱溝6X相對較高但屬于低砷煤，其余均屬于特低砷煤。

煤中汞元素含量較高時則在燃燒過程中也會對環境造成污染。黑岱溝及哈爾烏素2個露天礦各煤層煤中汞元素含量只有黑岱溝6Z相對較高，即其在0.4 μg/g以上，其余各煤層煤中汞元素含量均在0.2 μg/g左右。按照GB/T 20475.4—2012《煤中有害元素含量分級 第4部分:汞》規定，黑岱溝6Z煤層煤樣屬于中汞煤，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦其余各煤層煤樣均屬低汞煤。

煤中磷元素對于煤的加工利用過程具有較大影響，尤其煉焦時磷元素會隨著礦物質轉入焦炭中，進而在冶煉時易使生鐵產生冷脆性。按照GB/T 20475.1—2012《煤中有害元素含量分級 第1部分:磷》規定，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層煤中磷元素含量只有哈爾烏素6S低于0.01%，屬于特低磷煤；其余均在0.010%～0.025%，屬于低磷煤。

4 結 語

通過對2個煤礦的地勘數據整理及煤層樣品的實測數據分析可知，神華準能集團下屬的哈爾烏素及黑岱溝露天煤礦煤質較好，即其為低硫、低磷、高灰熔融性、高揮發分和洗選后發熱量較高的長焰煤。兩煤礦煤層煤灰分較高，目前主要通過洗選方式以降低煤中灰分及有害元素含量。煤灰成分主要以二氧化硅和三氧化二鋁為主，其中氧化鋁含量接近50%，是粉煤灰提鋁的優質物料。2個煤礦煤的煤灰熔融性溫度較高，FT可達1 500 ℃，作為液態排渣氣化等用煤時需考慮利用周邊侏羅紀煤配煤或添加助熔劑等手段改善煤灰黏溫曲線。