陜西省富油煤資源潛力及開發建議

馬 麗 ，王雙明 ，段中會 ，楊 甫 ，付德亮 ，賀 丹 ，張麗維

(1.西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710026；3.陜西省煤田地質集團有限公司，陜西 西安 710026；4.西安科技大學，陜西 西安 710054)

中國是世界最大的碳排放國，占世界能源碳排放總量的28.8%[1-2]，自2020 年國家提出“2030 年碳達峰、2060 年碳中和”的莊嚴承諾以來，建筑、交通、工業等各行各業紛紛從各自的技術領域提出低碳技術，風能、太陽能、地熱能等清潔能源大力發展。研究表明，我國能源稟賦特征決定短期內仍以化石能源為主，其中煤炭占比超68%，占據一次能源生產主體[3]；煤炭消費占比近年來略有下降，但目前依然占比最大(2019 年占比約58%、2020 年占比56.8%)，王雙明[4]、王國法等[5]指出，煤炭作為國家能源主體地位短期內不會改變，扮演了能源穩定器和壓艙石的角色，我國煤炭的低碳開發與利用是實現“碳達峰、碳中和”目標的必經之路。陜西省是我國煤炭大省，煤炭資源量居全國第四、煤炭產量居全國第三，陜西煤炭以低–中低變質程度為主，具有揮發分高、燃點低、焦油產率高等特點，傳統的煤炭利用方式以工業燃料為主，2019 年煤發電量2 118 億kW·h，距離煤炭低碳開發利用還有很大差距。近年來，許多學者相繼開展陜北等地的煤炭清潔高效利用研究。許婷[6]、王銳[7]、李華兵[8]等分別研究了榆神礦區、神府礦區富油煤分布規律及控制因素；謝青等[9]研究黃陵礦區富油煤焦油產率特征及主控地質因素；姚征[10]、周國慶[11]等研究了陜北石炭–二疊紀及三疊紀煤巖特征及富油煤規律；王雙明等[12]提出富油煤的油氣屬性及綠色低碳開發思路。筆者延續煤基油氣資源的理念，從煤中焦油產率分布規律和資源量等方面對陜西省富油煤資源潛力進行評價，并提出開發建議，以期為煤炭資源低碳開發利用奠定基礎。

1 陜西省富油煤分布規律

煤是由有機物和無機物組成的復雜混合物，從礦產資源角度，按照《礦產資源工業要求手冊(2014 年修訂版)》[13]中焦油產率分級標準，分為含油煤(Tar,d≤7%)、富油煤(7%12%)。筆者利用陜西省五大煤田(陜北侏羅紀煤田、陜北石炭–二疊紀煤田、陜北三疊紀煤田、黃隴侏羅紀煤田、渭北石炭–二疊紀煤田)的5 000 余組煤質數據，繪制了全省煤炭焦油產率等值線圖，如圖1 所示。

圖1 陜西省五大煤田焦油產率等值線Fig.1 Contour map of tar yield in five coalfields of Shaanxi

從圖中可以看出，五大煤田富油煤平面分布規律為：陜北侏羅紀煤田2?2煤主體為富油煤型(富油煤占比87.57%)，有小片高油煤(高油煤占比7.4%)、零星含油煤，焦油產率呈現中部較高，向東北部和西南部略有降低的趨勢；在榆橫礦區北部和新民礦區東部局部地段，出現連片高油煤；在新民礦區北部石圪臺礦區有個別含油煤樣點，平均焦油產率9.99%。陜北三疊紀煤田3 煤為富油煤–高油煤型(高油煤占比48.98%、富油煤占比51.02%)，礦區中南部中莊井田南部以富油煤為主，北部以高油煤為主。黃隴侏羅紀煤田2 煤為富油煤–含油煤型(富油煤占比67.09%、含油煤占比30.26%)，南北向特征是中部以富油煤為主、向南北兩側漸變為含油煤；東西方向特征為由西向東富油煤占比逐漸增大，到東部黃陵礦區間雜出現小范圍高油煤區。陜北石炭–二疊紀煤田為富油煤–含油煤型(富油煤占比60.54%、含油煤占比29.93%)，由北向南富油煤占比逐漸降低，焦油產率逐漸下降，至南部吳堡礦區主體為含油煤。渭北石炭–二疊紀煤田5 煤為主體含油煤型，所有煤層焦油產率值一般小于7%。焦油產率統計結果見表1。

表1 陜西省五大煤田主采煤層焦油產率統計結果Table 1 Statistical table of tar yield of main coal seams in five coalfields of Shaanxi

垂向上，陜北侏羅紀煤田2?2、3?1、4?2、5?2煤焦油產率平均值依次為9.99%、10.15%、9.80%、9.06%，由淺至深焦油產率表現為先增大再減小的趨勢；黃隴侏羅紀煤田2、3?1煤平均焦油產率依次為7.96%、7.57%，上部煤層焦油產率略高；陜北三疊紀煤田5 煤平均焦油產率11.96%、3 煤平均焦油產率11.89%，上部煤層焦油產率略高；陜北石炭–二疊紀煤田4、9 煤平均焦油產率分別為8.50%和10.15%，下部煤層焦油產率略高，其中，吳堡礦區焦油產率變化較大；渭北石炭–二疊紀煤田，3、5 煤平均焦油產率分別為1.47%、2.30%，下部煤層焦油產率略高(樣本少)。各煤田單井焦油產率特征如圖2 所示。

圖2 單井焦油產率Fig.2 Single well tar yield

2 富油煤主要影響因素

2.1 煤變質程度

從成煤時代來看，焦油產率由高到低依次為：三疊紀煤、侏羅紀煤、石炭–二疊紀煤。通過煤的揮發分(Vd)產率、鏡質體反射率(Rmax)、碳元素(Cd)含量和氫元素(Hd)含量、水分(Mad)含量、發熱量等煤巖煤質指標可以確定煤的變質程度。從表2 可看出，三疊紀煤變質程度Ⅰ?Ⅱ級；陜北侏羅紀煤變質程度Ⅰ級；黃隴侏羅紀煤變質程度以Ⅰ級為主，僅在黃陵礦區和彬長礦區變質程度Ⅰ?Ⅱ級；陜北石炭–二疊紀煤田，北部古城及府谷礦區變質程度為Ⅰ?Ⅱ級，南部吳堡礦區變質程度Ⅲ?Ⅳ級。

表2 煤層變質程度特征參數Table 2 Statistical table of parameters of coal seam metamorphism

各主采煤層的鏡質體反射率一般為0.51%～1.50%，從圖3 可以看出，鏡質體反射率Rmax與焦油產率關系由正相關到負相關，轉折點在0.85%～1.05%范圍內，低變質煤隨變質程度增高焦油產率增大，中高變質煤隨著變質程度增高焦油產率降低。

圖3 焦油產率與鏡質體反射率相關性Fig.3 Analysis of correlation between vitrinite reflectance and tar yield

從圖4 可以看出，黃隴侏羅紀煤田、陜北侏羅紀煤田、陜北三疊紀煤田和陜北石炭–二疊紀煤樣的焦油產率與揮發分產率呈正相關，相關系數R2為0.312 4～0.658 7；與氫元素含量呈正相關關系，相關系數R2僅黃隴侏羅紀煤田較高，其他相關性差；與碳元素含量呈負相關關系，相關系數R2較低。各煤田相關性基本一致，相關系數有較大差異。

圖4 焦油產率影響因素分析Fig.4 The influencial factors to tar yield

2.2 顯微組分

以陜北三疊紀煤田永勝煤礦5 號煤(YS5)、陜北侏羅紀煤田西灣煤礦(XW2)和陜北石炭?二疊紀煤田吳堡礦區T1 煤(WBT)為例，YS5 鏡質組占比70.25%、殼質組6.08%、惰質組23.67%，鏡惰比為2.96；XW2鏡質組占比61.33%、殼質組0.26%、惰質組36.7%，鏡惰比1.67；WBT 鏡質組占比50.01%、殼質組0.34%、惰質組38.58%，鏡惰比1.29。綜合評判，焦油產率與鏡質組含量呈現弱正相關關系，相關系數R2為0.15；與惰質組占比呈現弱負相關關系，相關系數R2為0.21 如圖5 所示。受地質條件影響，各區相關系數差異較大，以XW 煤田為例，焦油產率與鏡質組正相關性好，R2=0.68，且基質鏡質組相關性較其他亞顯微組分好，R2=0.32。

圖5 顯微組分與焦油產率相關性Fig.5 The correlation between macerals and tar yield

2.3 沉積環境

同一成煤時期，沉積相、成煤物質及煤層賦存條件等因素都會影響煤炭焦油產率。從圖6 可以看出，三角洲平原沉積穩定，還原性較好，焦油產率相對較高；前三角洲沉積、水動力頻繁、氧化程度高焦油產率略低；曲流河沉積環境不穩定，下部曲流河沉積相較上部焦油產率高、橫向上焦油產率變化較大。

圖6 陜北侏羅紀沉積相剖面圖Fig.6 Jurassic Sedimentary facies section in northern Shaanxi

煤灰組分也可以反映沉積環境氧化還原性，灰分中的CaO 指示成煤環境的酸堿度，Fe2O3和硫化物指示氧化還原條件，從圖7 可以看出，CaO 與焦油產率呈較弱的負相關性，Fe2O3在焦油產率呈弱正相關(圖7)。

圖7 煤灰成分與焦油產率的相關性分析Fig.7 Analysis of correlation between coal ash-constituents and tar yield

鏡惰比可指示成煤時期覆水程度，從圖8 中可以看出，陜西省境內富油煤的鏡惰比多位于1～4，成煤時期以潮濕–弱覆水–弱還原環境為主，焦油產率隨鏡惰比增大而增大，但相關性較弱，相關系數R2為0.16。

圖8 鏡惰比與焦油產率相關性分析Fig.8 Correlation between Mirror idleness ratio and tar yield

3 富油煤資源量預測

3.1 富油煤資源量

資源量估算是以《煤炭礦區資源儲量核查技術要求》為準則，以2012 年全省煤炭礦產資源利用現狀調查中儲量核查成果為基礎，更新近年來地質勘查報告經評審備案的儲量估算成果。根據各礦區分煤層焦油產率等值線(焦油產率為7%和12%的等值線)圈定的富(高)油煤范圍對原有資源量塊段進行切割分區，區塊富油煤資源量與總富油煤資源計算方法如下：

式中：Q為某煤層的塊段資源儲量，103t；Qfn為第n塊富油煤的塊段資源儲量，103t；Sfn為資源量計算塊段內富油煤的面積，km2；S為資源量計算塊段內含煤面積，km2。

同樣的方法計算第n塊高油煤的塊段資源儲量Qhn。

式中：QF為富油煤資源量(富油煤與高油煤資源量統稱)，103t；Qhn為第n塊高油煤的塊段資源儲量，103t。

由上式計算得到全省預測富油煤資源量QF為1 550.33 億t(其中：富油煤資源量為1 407.81 億t，高油煤142.52 億t)。綜合來看，83.3%的QF分布在陜北侏羅紀煤田，7.9%分布在黃隴侏羅紀煤田，2.4%分布在陜北三疊紀煤田，6.4% 分布在陜北石炭–二疊紀煤田。

3.2 焦油資源量

根據富油煤與高油煤的分布范圍，分煤層、分區塊統計富(高)油煤焦油產率，區塊煤層焦油資源量和焦油資源總量計算方法如下：

式中：QTfn為第n塊段內富油煤焦油資源量，103t；Tar,d為該塊段焦油產率平均值，%。

礦區焦油資源總量為各煤層富油煤焦油資源與高油煤焦油資源量之和：

式中：QT為內蘊焦油資源量總和，103t；QThn為第n塊段內高油煤焦油資源量，103t。

全省預測富(高)油煤中內蘊焦油資源量合計144.50 億t，其中，高油煤內蘊焦油資源17.62 億t，富油煤內蘊焦油資源126.88 億t。綜合來看富油煤與高油煤內蘊焦油資源量中，85.99%分布在陜北侏羅紀煤田、5.36% 分布在黃隴侏羅紀煤田、3.02% 分布在陜北三疊紀煤田、5.63% 分布在陜北石炭–二疊紀煤田(表3)。

表3 陜西省富油煤資源量統計Table 3 Statistics of oil-rich coal resources 單位：億t

3.3 控制程度

根據數據點平面分布情況，結合DZ/T 0215?2002《煤、泥炭地質勘查規范》對地質勘查線距及低溫干餾測試數量的規定，把富油煤的控制程度分為3 類(圖9)，控制點間距小于2 000 m 時為Ⅰ類；介于2 000～4 000 m 為Ⅱ類；大于等于4 000 m 為Ⅲ類。富油煤與高油煤資源中控制程度為Ⅰ類占64.67%、Ⅱ類占30.33%、Ⅲ類占5%；其中，控制程度為Ⅰ類的資源量中，陜北侏羅紀煤田占83.44%、黃隴侏羅紀煤田占9.86%、陜北三疊紀煤田占0.93%、陜北石炭–二疊紀占5.77%(表4)。

圖9 富(高)油煤的控制程度Fig.9 Schematic diagram of control degree of oil-rich coal

表4 富油煤資源控制程度統計結果Table 4 Oil-rich coal resource control level table 單位：億t

3.4 煤炭資源中潛在富油煤資源量

從圖4 分析可知，煤炭焦油產率與揮發分有較強的正相關性，其中，陜北三疊紀煤的相關系數大于0.5，獲得計算公式Tar,d=0.332 5ω(Vd)?3.394 9。按照陜西省2 000 m 以淺煤炭資源估算總量，預測陜西煤炭資源總量中富(高)油煤資源總量，其計算方法如下：

全省富(高)油煤資源量=查明資源量中富(高)油煤資源+(潛在資源量–查明資源量)×預測焦油產率。

預測全省富(高)油煤資源量共計3 845 億t，其中內蘊焦油資源量325 億t。

4 富油煤低碳開發建議

索永錄[14]、楊士元[15]等研究發現，至2011 年，陜西省煤炭資源采區煤炭采出率和礦井煤炭采出率分別達到75.28%和62.57%，與美國等發達國家相比還有較大差距，煤炭回采不完全、煤柱保留等不同程度造成煤炭資源浪費。以陜北煤炭開采為例，煤礦通常同時開采1～2 層煤，采煤造成的裂隙帶發育高度與煤層開采高度的裂采比最大28 倍，單煤層開采很大程度上增加了其余可采煤層的開采難度，造成勘查與開發的極大困難，成為煤炭資源開發的一大屏障?；诿禾康挠蜌赓Y源稟賦，從資源開發利用角度，筆者提出原位多煤層協同熱解共采的建議(圖10)：即在煤炭資源現場，通過鉆孔對地下注熱等方式，將煤層加熱至450℃以上，通過加熱實現煤–油氣同采，進而實現多煤層原位地下熱解協同共采的目的。該方法避免井下開采對人員及設備的安全威脅，可以通過控制加熱時間實現煤炭資源高采出率，實現多煤層同步開采，具有熱量綜合利用率高且占地小等優點。

圖10 多煤層原位協同熱解共采Fig.10 Schematic diagram of multi-coal seam co-mining by in-situ co-pyrolysis

5 結論

a.陜西省五大煤田富油煤分布規律清晰，焦油產率由高至低分別為陜北三疊紀煤田、侏羅紀煤田、石炭–二疊紀煤田。同一成煤時期，煤焦油產率受物質組成、沉積環境、埋藏深度等因素控制，焦油產率表現出一定差異，如陜北侏羅紀煤田高于黃隴侏羅紀煤田、陜北石炭–二疊紀煤田高于渭北–石炭二疊紀煤田。

b.全省查明的煤炭資源量中，富油煤與高油煤資源量為1 550 億t。預計全省2 000 m 以淺煤炭資源(探獲+潛在資源量=4 160 億t)中，富油煤與高油煤資源量總計3 845 億t，初步估算其中內蘊焦油資源量325 億t，資源量可觀。按照2020 年全省煤炭資源產量6.79 億t 的生產規模，每年陜西產出的煤炭中有大約6 000 萬t 焦油，是大慶油田產量的1～2 倍，煤中油氣資源潛力亟需引起重視。

c.針對目前煤炭資源開采中資源浪費問題，基于煤的油氣資源特征，提出煤炭原位地下熱解實現煤–油氣一體化開采的理念，為煤炭資源開采開辟新思路，助力“碳達峰、碳中和”目標早日實現。但是煤炭開采對煤層地質條件要求苛刻，目前對富油煤資源的控制網度遠達不到現階段煤炭開采的勘探程度，今后煤基油氣資源勘查工作仍有待加強。

致謝：感謝陜煤地質集團有限公司各子公司為項目提供研究樣品及測試參數！