甘肅省核桃峪礦區煤質特征及工業用途評價

張子祥，蒲麗君

(甘肅煤炭地質勘查院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

核桃峪礦區位于正寧縣西南部，行政區劃分屬正寧縣宮河鎮、周家鄉和寧縣中村鄉管轄。地理坐標：東經107°56′24″～108°07′03″，北緯35°14″45″～35°22′30″。礦區東西長約14.728 km，南北寬約12.438 km，面積183.19 km2。 礦區內含煤地層為延安組地層，共含可采煤層3層。煤層平均總厚度為14.80 m，含煤系數20.73%，可采煤層平均總厚度為16.47 m，煤炭資源量達20億t[1]。煤質評價采用《煤炭資源勘查煤質評價規范》(MT/T 1090—2009)[2]，并參考各類煤質特征相關文獻[3-9]，研究結果可為煤炭資源利用提供參考依據。

1 煤的物理性質和煤巖特征

1.1 煤的物理性質

各煤層為黑色，條痕為深棕色，瀝青光澤或玻璃光澤，物理性質基本相似。各煤層均以條帶狀結構為主，線理狀結構次之，塊狀構造。肉眼可見方解石細脈充填裂隙之中，偶見黃鐵礦薄膜。通過簡易燃燒試驗可知，煤層易燃、煙濃、焰長，焦渣微膨脹熔融。各煤層視密度分別為：煤2層1.34 t/m3；煤5層1.35 t/m3；煤8層1.39 t/m3。

1.2 煤巖特征

1.2.1 宏觀煤巖類型

煤巖組分以暗煤居多，亮煤較少，絲炭、鏡煤呈條帶狀、線理狀穿插其中，組成了煤層的條帶狀線理狀結構。

宏觀煤巖類型以暗淡型煤為主，次為半暗型及半亮型煤。

1.2.2 顯微煤巖組分

煤2層、煤5層和煤8層均以惰質組成分為主，次為鏡質組，半鏡質組和殼質組均偏少。其中，在有機顯微組分中：煤2層鏡質組含量18.6%～55%，平均含量38.9%，惰質組含量44.1%～79.3%，平均含量58.9%，殼質組平均含量1.5%，半鏡質組平均含量0.5%；煤5層鏡質組含量18.5%～38.4%，平均含量26.9%，惰質組含量60.9%～80.1%，平均含量71.6%，殼質組平均含量1.4%，半鏡質組平均含量0.2%；煤8層鏡質組含量5.5%～63.1%，平均含量27.9%，惰質組含量35.7%～93.3%，平均含量69.0 %，殼質組平均含量1.20%；半鏡質組平均含量2.2%。顯微煤巖組分測試結果見表1。

表1 顯微煤巖組分鑒定結果Table 1 Identification results of microscopic coal and rock components 單位：%

鏡質組以無結構鏡質體為主，主要為基質鏡質體，其次為均質鏡質體，含少量結構鏡質體。惰質組以碎屑惰質體為主，含少量絲質體和極少量微粒體、粗粒體。殼質組以孢粉體為主，主要為小孢子體，角質體次之，含少量樹脂體和極少量藻類體。黏土中分為分散的棕色細粒狀和灰色細粒狀2種，且以浸染狀分布于基質體內。碳酸鹽多為充填于裂隙或絲質體胞腔內的方解石和球狀菱鐵礦。硫化物主要為呈黃亮色的塊狀或橢圓形放射狀的黃鐵礦。氧化硅為高突起、淺灰色的石英顆粒。

1.2.3 煤的變質特點

各煤層鏡質組最大反射率分別為：煤2層0.667%、煤5層0.725%、煤8層0.696%，均屬煙煤第Ⅱ變質階段。

2 煤的化學性質

2.1 水分

各煤層水分較低，原煤一般為2.68%～2.72%，浮煤一般為2.25%～2.31%。從表2中可以看出各煤層水分自上而下有逐漸增高的趨勢。

表2 煤層樣工業分析測定成果Table 2 Industrial analysis and determination results of coal seam samples 單位：%

2.2 灰分(Ad)

煤2層原煤干燥基灰分8.22%～33.43%，平均15.73%，為低灰-髙灰煤，平均為中灰煤；煤5層原煤干燥基灰分7.24%～34.22%，平均15.61%，為低灰煤；煤8層原煤干燥基灰分8.01%～29.15%，平均13.89%，為特低灰煤-高灰煤，平均為低灰煤。

2.3 揮發分(Vdaf)

煤2層原煤干燥無灰基揮發分28.38%～41.53%，平均35.01%；煤5層原煤干燥無灰基揮發分28.5%～38.57%，平均34%，煤2層、煤5層均為中高揮發分煤；煤8層原煤干燥無灰基揮發分22.95%～53.85%，平均33.70%，為中高揮發分煤-高揮發分煤，平均為中高揮發分煤。

2.4 固定碳(FCd)

煤2層原煤固定碳28.54%～56.08%，平均44.99%，為低固定碳煤；煤5層原煤固定碳30.59%～56.4%，平均46.88%，為特低固定碳煤-中固定碳煤，平均為低固定碳煤；煤8層原煤固定碳10.24%～61.25%，平均49.04%，為特低固定碳煤-中固定碳煤，平均為低固定碳煤。

2.5 硫分(St,d)

煤2層各級別硫分煤均存在，低硫煤和中硫煤相對較多，而且具有分帶性。煤5層硫分全區以特低硫煤和低硫煤為主。煤8層原煤硫分以低硫煤和特低硫煤為主。總體分析，在礦區南部，靠近煤層沉積邊界附近，煤8層硫分有逐漸增大趨勢；在礦區北部，靠近煤層沉積邊界的硫分也存在增大趨勢。在垂向上，煤層上、中、下部的硫分變化較為復雜，一般在煤層中部多為特低硫煤或低硫煤，煤層頂部和底部硫分有所增大。

2.6 煤中有害元素

煤中有害元素含量見表3。根據煤中有害元素含量的分類標準[10-12]，評價結果如下：

表3 原煤中有害元素含量測定成果Table 3 Determination results of harmful elements in raw coal

氯：全區各煤層平均為特低氯煤，局部地段可見低氯煤。

磷：全區各煤層平均為特低磷煤，局部地段可見低磷煤。

砷：煤2層含砷較高，為二級含砷煤，煤5層和煤8層含砷量低，為一級含砷煤。礦區的西南部地段可見三級含砷煤。

氟：煤2層為特低氟煤，而煤5層和煤8層為低氟煤。

2.7 元素組成

煤層中元素含量見表4。各可采煤層浮煤中的碳、氫元素含量與我國相同變質程度的煤田相比，碳元素含量較高，氫元素含量較低。分析與各煤層煤巖組分中惰質組含量較高，而殼質組和鏡質組含量偏低有關。

表4 可采煤層元素分析成果Table 4 Elemental analysis results of mineable coal seams

3 煤的工藝性能

3.1 發熱量

各煤層原煤的干燥基高位發熱量(Qgr，d)比較接近，煤2層21.2～29.96 MJ/kg，平均值27.31 MJ/kg；煤5層21.52～31.58 MJ/kg，平均值28.12 MJ/kg；煤8層22.40～31.28 MJ/kg，平均值28.36 MJ/kg。各煤層原煤平均干燥基高位發熱量(Qgr，d)屬中高發熱量-高發熱量煤。

在平面上，各煤層發熱量在礦區南部以高發熱量煤為主，中部為特高發熱量煤，北部為高發熱量煤為主，西部為中-高發熱量煤，東部為高發熱量煤。

在垂向上，煤8層中上部以高發熱量煤為主，中間有特高發熱量煤塊段，局部見中發熱量煤零星塊，底部煤層發熱量變化較大，有特高發熱量煤和高發熱量煤，局部見有低發熱量煤。其他煤2層及煤5層垂向上發熱量變化不大。

3.2 粘結性

煤2層粘結指數0～14，屬不粘煤，個別鉆孔粘結指數達到14，為弱粘煤。煤5層粘結指數0～15，屬不粘煤。煤8層粘結指數0～13，屬不粘煤。各可采煤層浮煤焦渣特征值為3.46～3.9，判斷本礦區煤層不具結焦性。

3.3 煤灰熔融性

煤灰熔融性隨煤灰成分的變化而異，一般隨SiO2含量的增加而減弱。煤灰熔融性分為軟化溫度和流動溫度2種評價。前者適用于固態排渣鍋爐和煤氣發生爐對煤灰熔融性軟化溫度控制分級；后者適用于液態排渣鍋爐和煤氣發生爐對煤灰熔融性流動溫度的分級。

依據煤灰熔融性軟化溫度分級，核桃峪礦區煤2層軟化溫度1 120～1 500 ℃，屬于較低軟化溫度灰-高軟化溫度灰，變化幅度大；煤5層軟化溫度1 130～1 400 ℃，屬于較低軟化溫度灰-較高軟化溫度灰；煤8層軟化溫度1 040～1 450 ℃，為低軟化溫度灰-較高軟化溫度灰，變化幅度大。

依據煤灰流動溫度分級標準，本區各煤層煤灰流動溫度也有差異，具體如下：煤2層煤灰流動溫度1 150～1 500 ℃，為低流動溫度灰-高流動溫度灰，變化幅度大；煤5層煤灰流動溫度1 180～1 430 ℃，為較低流動溫度灰-較高流動溫度灰；煤8層煤灰流動溫度1 070～1 450 ℃，為低流動溫度灰-較高流動溫度灰，變化幅度也很大。

3.4 其他工藝性能

本礦區煤對CO2的反應性較差。在950 ℃條件下，煤層對CO2的還原率為33.4%～44.7%，最大未超過60%。

各煤層煤的熱穩定性測試結果顯示，大于6 mm殘焦值(TS+6)均大于70%，最大值為92.9%，平均值為78.3%，屬于熱穩定性好的煤。

原煤哈氏可磨性指數(HGI)為50.6～64.0，屬于較難磨煤。

煤灰黏度4條曲線都是“短渣”型，煤灰黏度隨溫度降低而急劇增大，說明不利于液態排渣方式。

在鼓風強度為0.3 m/s、平均反映時間26′22″、大于6 mm的各煤層煤灰結渣率為5%，屬于弱結渣煤。預計在氣化和燃燒過程中爐內結渣少或不易結渣，熱效率高，排渣比較正常。

對各煤層的原煤樣進一步做了低溫干餾試驗，測試結果見表5，從測試數據可看出煤2層、煤8層為富油煤，煤5層為多油煤。

表5 低溫干餾測定結果Table 5 Determination results of low temperature dry distillation

4 煤的可選性

設定精煤灰分10%時(即特低灰煤)，以易選煤和中等可選煤為主；設定精煤灰分16%時(即低灰煤)，先期開采地段中心部分基本上是易選煤；但西部出現有中等可選煤區塊。總的來看，欲將本地段原煤用浮沉洗選法使產品達到低灰煤級，基本上屬于“易選”的煤種[13]。

5 煤類

根據《中國煤炭分類國家標準》(GB/T 5751—2009)國家標準[14]，以浮煤揮發分產率和粘結指數為主要分類指標來劃分煤類。本礦區浮煤各可采煤層浮煤干燥無灰基揮發分(Vdaf)煤2層為28.14%～36.84%，平均32.20%；煤5層為29.47%～37.29%，平均33.11%；煤8層為18.7%～41.14%，平均32.18%。各煤層粘結指數(GR.I)煤2層0～14；煤5層0～15；煤8層0～13。總體評定，本礦區各煤層煤類均為不粘煤。

根據原煤質量分級，煤2層為中灰、中硫、低磷、高發熱量不粘煤；煤5層為低灰、低硫、低磷、高發熱量不粘煤；煤8層為低灰、低硫、特低磷、高發熱量不粘煤。

6 工業用途評價

6.1 煤的燃燒性能評價

根據沾污指數(即積灰指數)分類：煤2層為高度沾污煤，煤5層和煤8層為中度沾污煤。

根據結渣指數分類：煤2層、煤5層和煤8層均為低度結渣煤。

6.2 動力用煤和氣化用煤評價

本礦區主要為低灰、中高揮發分、低硫、高發熱量煤，收到基低位發熱量(Qnet.ar)19.23～31.41 MJ/kg，可作為火力發電、燒制水泥等動力用煤。

本礦區主要煤層煤8層各項指標除煤對CO2反應性未達到60%(950 ℃)以上沸騰層爐氣化要求外，其余均符合氣化用煤要求，是較好的氣化用煤。

7 結論

(1)核桃峪礦區煤為不粘煤，具有低-中灰、中高揮發分、低硫-中硫、低磷、中高-高發熱量、低-較高軟化溫度灰、易選-中等可選等特點。

(2)本礦區煤屬中度沾污煤、弱結渣煤，富油煤-多油煤，可作為動力煤、氣化煤。