三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)11號(hào)煤層煤質(zhì)特征

張相，梁雅菲 ，吳斌 *，惠一凡(.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一六一煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009；.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

我國(guó)使用最廣泛的能源礦產(chǎn)資源是煤炭。雖然我國(guó)煤炭資源當(dāng)前已探明儲(chǔ)量較為豐富，但是勘探程度和達(dá)到經(jīng)濟(jì)開(kāi)采指標(biāo)的儲(chǔ)量仍偏低，因此合理、高效地勘探開(kāi)發(fā)和開(kāi)采成為了當(dāng)前的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。漢水泉礦區(qū)位于新疆東北部三塘湖勘查區(qū)西北部的一個(gè)重點(diǎn)地帶，其中含有大量煤炭的地層主要是其中的西山窯組，擁有儲(chǔ)量富足的煤炭資源，有極大的研究和開(kāi)發(fā)價(jià)值。

1 地質(zhì)概況

漢水泉研究勘探區(qū)地處新疆維吾爾自治區(qū)三塘湖煤田礦區(qū)的西北部，面積748.73 km2[1]。通過(guò)地面地質(zhì)填圖、二維地震和鉆探等綜合勘查方法的應(yīng)用，確定勘查區(qū)地層由老到新，主要有石炭系(C)、二疊系(P)、下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)、下侏羅統(tǒng)三工河組(J1s)，中侏羅統(tǒng)西山窯組 (J2x)、新近系(N)、第四系(Q)。含煤地層是中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)以及下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)。在所普查的區(qū)域范圍內(nèi)，西山窯組地層為主要儲(chǔ)煤地層[2]，分布范圍較廣，大多上覆新生代地層，僅在54～66線南部存在少量露出，該組地層有含煤層22層，地層厚度一般為474. 90～772.2 m，平均厚度約570.1 m，地層厚度總體變化趨勢(shì)不大，位置如圖1所示。

圖1 三塘湖礦區(qū)漢水泉礦區(qū)位置圖

11號(hào)煤層所在地區(qū)大約處于中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x1)下段，厚度0.14～17.19 m，厚度的平均值約為3.44 m。煤層為比較簡(jiǎn)單的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，一般煤層含夾矸小于2層，巖性多是粉砂巖和炭質(zhì)泥巖。其中的煤炭種類較單一，煤層較為穩(wěn)定，可開(kāi)采區(qū)域面積較大。11號(hào)煤層的儲(chǔ)煤面積是466 km2，供可采面積是408 km2[3]。

2 煤巖特征

2.1 物理性質(zhì)

煤礦地區(qū)11號(hào)礦的煤層基本外觀是黑色的，條痕的顏色大致呈現(xiàn)出黑褐色，結(jié)構(gòu)整體為條狀和帶狀，且煤層具有大量的塊狀構(gòu)造，半堅(jiān)硬，斷口呈現(xiàn)出貝殼狀，內(nèi)生的裂隙發(fā)育比較好，性脆，具有瀝青—玻璃光澤，屬于半亮—光亮型煤。經(jīng)采樣化驗(yàn)：視相對(duì)密度(ARD)一般在1.26～1.38之間。

2.2 煤巖成分及類型

宏觀上本區(qū)大多為亮煤，其中伴有少量的暗煤，屬光亮型煤。有機(jī)組分：11號(hào)煤層中的鏡質(zhì)組含量約為8.10%～97. 50%，平均含量在70.58%左右，主要成分是基質(zhì)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體。基質(zhì)鏡質(zhì)體油浸反射色為深灰色，不完全顯示細(xì)胞結(jié)構(gòu)，特征是無(wú)固定狀表面純凈且結(jié)構(gòu)殘缺，不顯凸起[4]；碎屑鏡質(zhì)體結(jié)構(gòu)大多數(shù)是不規(guī)則狀，而且還能見(jiàn)到基質(zhì)半鏡質(zhì)體，且其油浸反射色顏色表現(xiàn)為深灰色，不顯示凸起。惰質(zhì)組含量一般是0.70%～91.90%之間，平均含量是在27.56%，絲質(zhì)體中大多為被氧化的絲質(zhì)體，保存有不完整的結(jié)構(gòu)，油浸反射色表現(xiàn)出深灰色，具有一個(gè)較高的凸起。觀察試驗(yàn)得到殼質(zhì)組為在孢粉體中表現(xiàn)為蠕蟲(chóng)狀分布的小孢子體，根據(jù)上述的煤巖鑒定試驗(yàn)結(jié)果，鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體含量總和大于95%，煤層顯微煤巖類型為微鏡惰煤[5]。

無(wú)機(jī)組分平均占總量的13. 98%，成分為粘土礦物和硫化物類礦物。粘土礦物大多數(shù)表現(xiàn)為浸染狀或薄層狀，含量在5.50%～29.50%之間，平均含量是10. 24%。硫化物類礦物(如黃鐵礦)，在煤層的裂隙中以脈狀分布方式進(jìn)行充填，硫化物類在無(wú)機(jī)組分的比例中平均占到0. 40%。原煤43件樣品經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)后，干燥基全硫處于0.21%～1.87%，平均值是0.64%；實(shí)測(cè)浮煤16件樣品干燥基全硫在0.19～0.91之間，平均值是0.51%。以特低硫、特硫?yàn)榇蠖鄶?shù)，是11號(hào)煤層原煤的總體特征，中硫煤點(diǎn)僅有個(gè)別出現(xiàn)，根據(jù)煤炭質(zhì)量分級(jí)GB/T 15224.2—2010，總體屬特低硫-低硫煤。通過(guò)對(duì)原煤、浮煤的各種硫分析測(cè)試成果的對(duì)比中，原煤、浮煤均以有機(jī)硫?yàn)橹鳎浯螢榱蚧F硫。

3 工業(yè)分析

3.1 水分

對(duì)11號(hào)煤層各132件原煤和浮煤樣品進(jìn)行工業(yè)分析：原煤水分在0.67%～10.10%之間，平均3.57%；浮煤水分在1.34%～9.16%之間，平均4.44%。屬低水分煤層。

3.2 灰分產(chǎn)率

對(duì)11號(hào)煤層各132件原煤和浮煤樣品進(jìn)行了工業(yè)分析：其中原煤干燥基灰分產(chǎn)率(Ad)在3.53%～37.59%之間，平均為15.56%，浮煤干燥基灰分產(chǎn)率則為2.01%～15.38%，平均6.62%。11號(hào)煤層的原煤灰分總體主要是低灰或特低灰，中灰局部出現(xiàn)，高灰點(diǎn)則呈個(gè)別出現(xiàn)；浮煤在經(jīng)過(guò)分選試驗(yàn)后灰分產(chǎn)率下降成為低灰分或者特低灰，根據(jù)煤炭質(zhì)量分級(jí)CB/T15224.1—2010標(biāo)準(zhǔn)，本文所研究的對(duì)象屬特低灰-低灰煤層。

3.3 揮發(fā)分產(chǎn)率

對(duì)11號(hào)煤層各132件原煤和浮煤樣品進(jìn)行了分析：原煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)是35.77%～60.90%，平均產(chǎn)率是48.05%，浮煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)在35.37%～54.38%之間，平均產(chǎn)率是47.71%。本研究中的11號(hào)煤層中的原煤和浮煤以高揮發(fā)分為主要特征，個(gè)別煤層點(diǎn)中高揮發(fā)分和特高揮發(fā)分，根據(jù)MT/T 849—2000評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，11號(hào)煤層所儲(chǔ)存的煤屬于高揮發(fā)分煤。11號(hào)煤層工業(yè)分析成果如表1所示。

表1 工業(yè)分析成果表(兩極值/平均值)

4 元素分析

11號(hào)煤層浮煤經(jīng)25件煤樣測(cè)試，其中碳含量76.57%～ 84.25%，平均79.06%；氫含量4.81%～6.60%，平均5.82%；氮含量0.84%～1.85%，平均1.15%；硫加氧含量7.69%～16.84%，平均13.79%。

11號(hào)煤層原煤經(jīng)132件煤樣測(cè)試：干燥基磷含量在0～0.223%之間，平均值為0.036；44件浮煤樣品干燥基磷含量在0～0.187%之間，平均值為0.028%；經(jīng)洗選后，浮煤的干燥基磷含量大大降低，原煤以特低磷、低磷為主，可見(jiàn)個(gè)別中磷和高磷煤層點(diǎn)，據(jù)煤中有害元素含量分級(jí)GB/T 20475.1—2006，研究的11號(hào)煤層總體是特低磷-低磷煤特征。132件原煤煤樣測(cè)試中干燥基氯含量在0.003%～0.332%之間，平均干燥基氯含量為0.048%，主要為特低-低氯煤。測(cè)試132件原煤樣品的干燥基氟含量處在11～239 μg/g內(nèi)，平均值為75 μg/g，測(cè)試44件原煤樣品的干燥基氟含量在9～67 μg/g之間，平均值為38 μg/g，原煤中氟含量較低。132件原煤煤樣測(cè)試中干燥基砷含量在0～10 μg/g之間，平均值為2 μg/g，44件浮煤樣品干燥基氟含量在0～5 μg/g之間，平均值為1 μg/g。

5 工藝性質(zhì)

5.1 煤的燃燒性

5.1.1 發(fā)熱量

經(jīng)37個(gè)樣品測(cè)試，原煤干基高位發(fā)熱量(Qgr.d)：在18.17～ 32.29 MJ/kg之間，平均值是27.03 MJ/kg左右；經(jīng)過(guò)分選試驗(yàn)后，浮煤空氣干燥基高位發(fā)熱量(Qgr.ad)在21.35～31.87 MJ/kg之間，平均值是28.67 MJ/kg左右。11號(hào)煤層的原煤主要是中高發(fā)熱量的煤，高發(fā)熱量煤則是其次，個(gè)別煤層點(diǎn)存在特高發(fā)熱量煤、少數(shù)中發(fā)熱量和中低發(fā)熱量煤，根據(jù)煤炭質(zhì)量分級(jí)GB/T15224.3—2010評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，本煤層的總體應(yīng)該是中高—高發(fā)熱量的煤層。

5.1.2 灰成分

經(jīng)37個(gè)樣品測(cè)試，SiO2含量一般在12.35%～57.59%之間，平均39.07%。Al2O3含量一般在8.36%～30.84%之間，平均22.18%。Fe2O3含量在1.34%～28.03%之間，平均5.88%。CaO含量1.67%～33.90%之間，平均10.13%。MgO含量在0.86～10.46%之間，平均3.13%。SO3含量在0.78%～22.96%之間，平均4.91%。TiO2含量在0.28～1.96%，平均1.05%。原煤煤灰熔融性軟化溫度(ST)在1 160～1 390 ℃之間，平均為1 304 ℃。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 原煤煤灰成分 單位：%

5.1.3 煤灰熔融性

經(jīng)37個(gè)樣品測(cè)試，其軟化溫度(ST)處于1 160～1 390 ℃之內(nèi)，平均值是1 304 ℃。屬于中等軟化溫度灰。煤灰流動(dòng)溫度(FT)數(shù)值范圍在1 200～1 390 ℃之間，其溫度平均值為1 324 ℃左右，具有中等流動(dòng)溫度灰的特征。關(guān)于煤灰融性測(cè)試成果如表3所示。

表3 煤灰融性測(cè)試成果表 單位：℃

5.2 煤的焦油產(chǎn)率

25件低溫干餾煤樣焦油產(chǎn)率為3.70%～21.60%，平均值14.50%，是高油煤。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 低溫干餾分析測(cè)試成果表 單位：%

5.3 煤層結(jié)渣性

從11號(hào)煤層的結(jié)渣性試驗(yàn)結(jié)果可以得知，當(dāng)鼓風(fēng)強(qiáng)度為0.1～0.3 m/s時(shí)，煤層的結(jié)渣率和結(jié)渣性強(qiáng)度均分布在弱結(jié)渣區(qū)[6-7]。測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 煤層結(jié)渣性測(cè)試成果表

5.4 煤對(duì)二氧化碳化學(xué)反應(yīng)性

為測(cè)試原煤對(duì)二氧化碳化學(xué)情況，對(duì)7件煤樣進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了隨著升高的溫度，研究區(qū)煤樣會(huì)不斷溢出二氧化碳(CO2)，當(dāng)溫度上升達(dá)到了950 ℃的時(shí)候，二氧化碳(CO2)的還原率在60%以上，屬于極強(qiáng)活躍性煤。測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 煤對(duì)二氧化碳反應(yīng)測(cè)試成果表

6 結(jié)語(yǔ)

(1)三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)11號(hào)煤層的主要性質(zhì)是具有高熱值、高熱穩(wěn)定性、特低硫、高揮發(fā)分、特低氯、低磷、低氟、一級(jí)含砷，同時(shí)煤層具有較高含油率。

(2)該研究的目標(biāo)煤層屬于一種比較穩(wěn)定的煤層，且大部分都能被采。在火力發(fā)電、工業(yè)煉焦、工業(yè)用還原劑、工業(yè)燃燒及民用取暖的諸多方面均有較為良好的運(yùn)用前景。