寧武煤田擇善一號勘查區煤質特征及潔凈等級區域劃分

朱雪莉

（1.山西省地質礦產研究院，山西 太原 030001；2.煤與煤系氣地質山西省重點實驗室，山西 太原 030001）

煤炭作為一項基礎性能源，多年來在我國的可利用能源結構中一直處于主體地位，至今我國對于煤炭資源的生產和消費仍然處于世界前列。與之同時，煤礦的高強度開采方式與煤炭的粗放式加工與利用方式，對人類生存環境的破壞也日趨嚴重。而山西作為我國的產煤大省，擔負著全國將近四分之一的煤炭生產任務，因煤炭開采帶來的環境問題正日趨嚴重。2019年，山西省推出了能源革命綜合改革試點15項重大舉措，其中創新煤炭利用方式，提升清潔高效利用水平作為能源革命的重大舉措正式提出。推出潔凈煤技術產業化發展勢在必行。對勘查區煤層在煤質分析的基礎上進行潔凈度分析與評價及潔凈等級的區域劃分，是關于潔凈煤研究的主要內容之一，在煤炭資源開采利用之前，就對勘查區進行科學有效的潔凈度判別，合理解決因煤炭生產和利用所引起的生態環境問題必須進行的一項基礎性工作。對煤層的潔凈度潛勢做出科學的測試分析評估，是從源頭上扼制煤炭資源開發利用對環境污染的重要手段，是規劃生產礦井以及合理化開采并對煤炭資源進行加工和利用，保護人類生存環境以及提高煤炭資源開采加工利用的經濟效益提供基礎的理論依據。

本文以寧武煤田靜樂縣擇善一號勘查區煤質分析成果為基礎，對于該勘查區的煤炭資源煤質特征進行分析，以及潔凈等級評價和等級區域劃分。

1 勘查區簡介

勘查區地處山西省靜樂縣境內神峪溝鄉石家巖村—神峪溝鄉紅溝巖村一帶。位于寧武煤田東南部，即寧武—靜樂復向斜南端的東翼。基本構造大體為不對稱的向斜構造，局部伴生正斷層。主體構造為寧武—靜樂向斜，該向斜西翼產狀較緩，為4°～9°，東翼產狀較陡且變化較大，由5°逐漸變為10°～25°～45°～90°，形成東部1km 左右的陡傾斜帶，其上發育少量與地層走向基本平行的正斷層，局部有小規模的褶曲及倒轉。

石炭系上統太原組和二疊系下統山西組是本勘查區主要的含煤地層。山西組煤層平均厚度為58.93m，共含6 層煤，煤層總厚為5.40m，含煤系數9.16%，可采煤層總厚3.68m 含煤系數為6.24%。太原組煤層平均厚度94.53m，共含7 層煤，煤層總厚為15.20m，含煤系數16.08%，可采煤層總厚13.91m，含煤系數為14.71%。勘查區內穩定的全區可采煤層2 層，分別為4、9 號煤層。勘查區內4、9 號煤層共獲得資源總量49424×104t，均為保有資源量。

2 煤質特征

根據鉆探采樣以及收集周邊煤質資料，勘查區內4、9號煤層煤質特征如下所述。

2.1 物理性質

勘查區煤層顏色和條痕均為黑色，呈瀝青光澤，其斷口為參差狀—階梯狀。以碎塊—碎礫為主。其視密度為1.36～1.52t/m3，平均為1.45t/m3。其真密度為1.41～1.58t/m3，平均為1.50t/m3。

2.2 煤巖特征

煤層宏觀煤巖組分亮煤—暗煤，有少量鏡煤和絲炭。宏觀煤巖類型半亮型—半暗型。厚煤層具有混合煤巖類型的特征，各種煤巖類型交替產生，形成多個沉積旋回，旋回結構一般從亮煤出現向上多變為暗煤。

顯微煤巖組分鏡質組主要為均質鏡質體和基質鏡質體，還有部分碎屑鏡質體。惰質組主要為粗粒體、碎屑體和絲質體。殼質組可見小孢子體。礦物含量主要為粘土，大部分為分散狀粘土和充填狀粘土，充填在鏡質體胞腔之中。鏡質組含量為20.0%～77.3%，平均47.26%；惰質組含量為11.7%～36.0%，平均24.11%；殼質組含量為0.0%～5.9%，平均2.48%；礦物含量為8.1%～52.0%，平均26.82%。

2.3 化學性質

2.3.1 工業分析

煤層原煤水分（Mad）0.18%～1.41%，平均0.80%；浮煤水分（Mad）0.24%～1.92%，平均0.88%。原煤灰分（Ad）11.78%～36.76%，平均25.53%；浮煤灰分（Ad）3.10%～12.55%，平均7.89%，根據《煤炭質量分級第1部分:灰分》（GB/T15224.1—2010），確定煤層均為中灰煤。原煤揮發份（Vdaf）21.01%～39.24%，平均31.49%；浮煤揮發份（Vdaf）22.30%～37.24%，平均30.68%，根據《煤的揮發分產率分級》（MT/T849-2000），4號煤為中等—高揮發分煤，9號煤為為中等—中高揮發分煤。

2.3.2 元素分析

煤層原煤碳(Cdaf)82.37%～86.11%，平均84.66%；原煤氫(Hdaf)4.19%～5.37%，平均4.85%；原煤氮(Ndaf)1.24%～1.46%，平均1.39%；原煤氧(Odaf)4.35%～9.13%，平均7.30%（詳見表1）。

2.3.3 有害元素

煤層原煤硫（St.d）0.31%～3.96%，平均1.38%，根據《煤炭質量分級第2 部分:硫分》（GB/T15224.2-2010），可確定4 號煤層為低硫煤，9 號煤層為中硫煤；原煤磷（Pd）0.007%～0.044%，平均0.017%，依據《煤中有害元素含量分級 第1 部分: 磷》（GB/T 20475.1-2006），確定煤層均屬特低磷—低磷煤；原煤氯（Cld）0.014%～0.076%，平均0.052%，根據《煤中有害元素含量分級第2部分:氯》（GB/T 20475.2-2006），煤層均屬特低—低氯煤;原煤氟（Fd）104～410g/t，平均196g/t，根據《煤中氟含量分級》（MT/T 966-2005），煤層均屬低氟—高氟煤；原煤砷小于1～5g/t，根據《煤中有害元素含量分級第3 部分:砷》（GB/T 20475.3-2012），4 號煤層屬特低砷煤，9號煤層屬特低—低砷煤。

2.4 工藝性能

2.4.1 發熱量

煤層原煤干基高位發熱量（Qgr,d）15.39～30.89MJ/kg，平均25.26MJ/kg，浮煤干基高位發熱量（Qgr,d）22.23～33.86MJ/kg，平均32.21MJ/kg；原煤空氣干燥基低位發熱量（Qnet,ad）10.15～29.69MJ/kg，平均24.01MJ/kg，浮煤空氣干燥基低位發熱量（Qnet,ad）18.55～32.45MJ/kg，平均30.68MJ/kg。根據《煤炭質量分級第3 部分:發熱量》（GB/T15224.3-2010），確定煤層均為中高發熱量。

2.4.2 煤灰成分與煤灰熔融性

煤層的灰成分以酸性的SiO2、Al2O3為主，這兩種成分占煤灰成分的70%以上，其次為堿性的Fe2O3、CaO、MgO 等成分。煤灰的堿酸比對煤灰的結渣性影響很大，B/A 比值若小于0.25，灰熔點較高，不易結渣。若比值為0.4～0.7，則灰熔點可能較低。4 號煤層煤灰酸性成分占88.49%，堿性成分占8.33%，堿酸比為0.09，結渣指數為0.061，結污指數為0.028；9 號煤層煤灰酸性成分占81.87%，堿性成分占13.10%，堿酸比為0.16，結渣指數為0.304，結污指數為0.045。

按MT/T853.1-2000煤灰軟化溫度分級，4、9號煤層均屬高軟化溫度灰。

2.4.3 煤的粘結性

4 號煤浮煤膠質層最大厚度（Y）20.5～32.0mm，平均27.09mm；9 號煤浮煤膠質層最大厚度（Y）12.00～24.50mm，平均18.50mm。4 號煤浮煤粘結指數（GR.I）59～100，平均87；9號煤浮煤粘結指數（GR.I）67～98，平均81，按煙煤粘結指數分級標準（MT/T596-2008），煤層均屬中粘結煤—強粘結煤。

2.4.4 煤對CO2的反應性

4 號煤層，1000℃時，二氧化碳的還原率（a）為19.09%；9 號煤層，1000℃時，二氧化碳的還原率（a）為17.6%，均屬反應性弱煤。

2.5 煤類

4號煤層為中灰、低硫、中高發熱量、高軟化溫度灰之肥煤、1/3焦煤、氣煤。9號煤層為中灰、中硫、中高發熱量、高軟化溫度灰之1/3焦煤、焦煤。

3 評價方法的選擇

近幾年，對于煤炭資源的質量和潔凈煤評價有許多種不同的方案。袁三畏根據五項指標，將煤炭劃分煤為三個等級;徐艷杰等人采用的五級劃分方案［1］并應用于全國煤炭資源;王文峰等提出了煤中有害元素潛在污染綜合指數的概念，并據此劃分出四個等級［2-3］;唐書恒等采用四級分類法[4]，并著有《中國潔凈煤地質研究》一書中；楊淑婷、唐躍剛等提出的六級劃分方案[5]，在第四次全國煤炭資源潛力評價的山西省煤炭資源的評價中［6-7］應用了。

本文采用楊淑婷、唐躍剛等提出的六級劃分方案對擇善一號勘查區內穩定的全區可采煤層的煤炭資源進行潔凈度評價，并對等級區域進行劃分：

Ⅰ級是特好的潔凈煤，綜合指數為I≤0.174，該類煤以特低硫和特低灰煤為主，有害的微量元素小于等于分級的最高界限。

Ⅱ級是好的潔凈煤，綜合指數為0.174＜I≤0.347，該類煤以低硫和低灰煤為主，有害的微量元素小于等于分級的最高界限。

Ⅲ級是較好的潔凈煤，綜合指數為0.347＜I≤0.516，該類煤以低中硫分和低中灰分煤為主，有害微量元素小于等于分級的最高界限。

Ⅳ級是中等的潔凈煤，綜合指數為0.516＜I≤0.677，該類煤以中硫分和中灰分煤為主，有害微量元素小于等于分級的最高界限。

Ⅴ級是較差的潔凈煤，綜合指數為0.677＜I≤0.842，該類煤以中高硫分、中高灰分煤為主，有害微量元素小于等于分級的最高界限。

Ⅵ級是差的潔凈煤，綜合指數為I＞0.842，該類煤為高硫煤或高灰煤，或某種有害微量元素的含量大于其分級的最高界限。

微量元素的濃度限值及其標度分指數見表1。

表1 微量元素的濃度限值(μg/g)及其標度分指數

3.1 潔凈煤等級評價

潔凈煤評價，就是對煤中灰分（Ad）、硫分（S）以及煤中有害化學元素的危險性進行評估，其中灰分、硫分是進行潔凈度評價的常規因素，煤中的有害元素As、Pb、Hg、Cd、Se、Cr、Co、Ni、Be、Mn、Sb、U、F、Mo、Th、Cl、Br 等17 種元素一般是潔凈煤評價的常見化學元素。本文結合擇善一號勘查區內鉆孔的煤質分析結果，選出Ad、S、As、U、F、Cl、Th七項作為評價因素。勘查區內穩定的全區可采煤層為山西組4號煤層和太原組9號煤層，各煤層原煤評價元素見表2。

3.2 綜合指數的計算

運用廣義對比加權標度指數法對表2 中的數據進行計算和分析，計算出各鉆孔煤層的綜合指數，并由表1比對出對應的潔凈等級。

表2 主要評價元素測試成果

3.3 潔凈等級比例分布評價

山西組4 號煤層：10 個鉆孔的煤層以中等的潔凈煤Ⅳ級為主，所占比例為50%；其次為較好的潔凈煤Ⅲ級，所占比例為30%；再次為差的潔凈煤Ⅵ級，所占比例為20%（見圖1）。

圖1 山西組4號煤層鉆孔潔凈等級評價結果

太原組9號煤層:12個鉆孔煤層的潔凈等級以較好的潔凈煤Ⅲ級為主，所占比例為42%；其次為差的潔凈煤Ⅵ級，所占比例為33%；再次為中等潔凈煤Ⅳ級，所占比例為25%（見圖2）。

圖2 太原組9號煤層鉆孔潔凈等級評價結果

3.4 潔凈等級平面區域劃分

在平面圖的基礎上，分別對4號和9號煤層潔凈等級進行區域分布分析，結果如圖3、圖4所示。

圖3 顯示，4 號煤層以中等的潔凈煤Ⅳ級為主，其次為較好的潔凈煤Ⅲ級。從分布位置分析，較好的潔凈煤Ⅲ級主要分布在本區西部和東部兩翼；中等的潔凈煤Ⅳ級所占面積最大，主要分布在本區北部和西南部，并貫穿勘查區中部以近NE 向；差的潔凈煤Ⅵ級分布在南部鉆孔Z101和ZX302連線附近，較差的潔凈煤Ⅴ級在差潔凈煤Ⅵ級外圍小面積分布。4 號煤層潔凈等級平面區域分布評價結果與其鉆孔煤層潔凈等級比例評價結果大體一致。

圖4 顯示，9 號煤層以較好的潔凈煤Ⅲ級為主，其次為Ⅵ級差的潔凈煤，Ⅲ級較好的潔凈煤與Ⅵ級差潔凈煤分布面積接近。從分布位置分析，Ⅲ級較好的潔凈煤分布在本區西部及西南部，鉆孔Z101、Z102、ZX303、ZX402、ZX201連線附近，中等的潔凈煤Ⅳ級分布在較好的潔凈煤Ⅲ級外圍，差的潔凈煤Ⅵ級分布在北部及東部，其分布區鉆孔煤層灰分高，所以潔凈度差。較差的潔凈煤Ⅴ級在中等的潔凈煤Ⅳ級和級差的潔凈煤Ⅵ之間小面積分布。9 號煤層潔凈等級平面區域分布評價結果與其鉆孔點煤層潔凈等級比例評價結果基本一致。

4 結論

根據鉆探采樣以及收集周邊煤質資料，可確定4號煤層為中灰、低硫、中高發熱量、高軟化溫度灰之肥煤、1/3焦煤、氣煤。9號煤層為中灰、中硫、中高發熱量、高軟化溫度灰之1/3焦煤、焦煤。

通過對勘查區內12個見煤鉆孔的實際化驗資料進行全面計算分析，并對勘查區主采煤層（4號、9號）進行潔凈等級比例分布評價和潔凈等級平面區域劃分，得出：4 號煤層潔凈等級為Ⅲ-Ⅵ級，以較好的潔凈煤Ⅲ級和中等的潔凈煤Ⅳ級為主，屬中等—較好的潔凈煤，勘查區大部為這兩種潔凈煤；9號煤層潔凈等級為Ⅲ-Ⅵ級，以較好的潔凈煤Ⅲ級和中等的潔凈煤Ⅳ級為主，屬中等—較好的潔凈煤，主要分布在勘查區西南部和中部。總體來看，勘查區主采煤層潔凈等級以較好的潔凈煤Ⅲ級和中等的潔凈煤Ⅳ級為主,4 號煤潔凈程度略好于9號煤。