新疆準東煤田煤質特征及綠色開發利用方向*

楊 創，李聰聰

(中國煤炭地質總局航測遙感局，陜西 西安 710199)

0 引言

我國缺油、少氣、相對富煤的資源稟賦特征決定了煤炭在能源結構中具有基礎性地位[1]。近年來，碳達峰與碳中和戰略的實施，使煤炭在能源消費中的比例有一定下降，但仍占我國能源的60%左右，煤炭利用方式粗放、污染重的問題仍存在。提高煤炭利用率和原料價值，推進煤炭清潔高效利用是未來煤炭行業發展的重要途徑[1-3]。以煤炭液化、氣化、焦化為主的煤化工產業是煤炭清潔高效利用和綠色開發的重要措施，而煤巖、煤質特征是研究氣化、液化用煤指標的主要依據。

準東煤田是我國目前發現的最大整裝煤田，是我國第14個大型煤炭基地的重要組成部分，是全疆煤炭保障供應的主產區和準東現代煤化工基地的資源主供區。以往專家學者對準東煤田內各礦區煤巖煤質特征[4-7]、工藝性能[8-9]、地球化學特征[10-12]進行了研究，在前人研究的基礎上，以準東煤田主采煤層B1為研究對象，系統收集整理了B1煤層煤田地質勘探的鉆孔測試數據，結合現場準東露天礦區的采樣及分析測試，開展煤層煤巖、煤質等特征研究，探討了其工藝性能和清潔利用，為該區煤炭資源的綠色開發利用提供參考。

1 研究區概況

準東煤田整體被新生界廣泛覆蓋，盆地內沉積蓋層中發育的斷裂明顯受控于基底和邊緣斷裂系統且基底構造較蓋層更發育，基底斷裂活動對中生代沉積基底控制明顯，侏羅紀燕山時期的斷裂活動多為繼承性同沉積性質，并控制了含煤地層的分布、厚度及含煤性，準東煤田構造如圖1所示。

圖1 準東煤田構造綱要Fig.1 Outline of Zhundong coalfield structure

準東煤田含煤地層為侏羅系下統八道灣組和中統西山窯組，其中以西山窯組B1煤層為主，主要表現為一套內陸淺水河流-湖泊三角洲相含煤碎屑沉積，巖性為灰白色、灰色、淺灰綠色泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖為主的夾細砂巖、煤層，底部為礫巖、含礫粗砂巖。地層厚度170.87～219.99 m，平均為190.96 m。含煤層數在區內變化較大，11～47層不等，主要可采煤層6～17層，其中B1煤層為煤田的主要可采煤層。按照國家發改委批復，準東煤田包括位于吉木薩爾縣境內的五彩灣礦區、位于奇臺縣境內的大井、西黑山礦區、將軍廟礦區以及位于木壘縣境內的老君廟礦區。

2 煤巖特征

B1煤層宏觀煤巖組分中暗煤和絲炭含量較高，有機顯微煤巖組分中惰質組分含量較高，有機質組分占74.90%～97.10%，平均92.77%，其中，鏡質組占7.50%～77.30%，平均37.50%，惰質組占2.20%～90.80%，平均61.08%。無機質組分占2.90%～25.10%，平均6.96%，黏土類占1.32%～24.00%，平均6.01%，碳酸鹽占0～0.82%，平均0.32%，硫化物占0～0.47%，平均0.21%。煤的顯微煤巖類型為微鏡惰煤，成因類型為陸相腐植煤類。鏡煤的最大平均反射率(Ro，max)為0.30%～0.49%，平均0.43%，煤的變質程度為0～Ⅰ階段，煤的透光率平均71.26%，屬低變質煙煤階段，準東煤田B1煤層顯微煤巖組分如圖2所示。

圖2 準東煤田B1煤層顯微煤巖組分Fig.2 Microscopic coal rock composition of B1 coal seam in Zhundong coalfield

3 煤質特征

3.1 灰分

B1煤層原煤灰分0.84%～38.84%，平均10.27%，浮煤灰分3.30%～21.96%，平均5.50%，屬特低灰-中高灰煤，總體以低灰煤為主。在大井、將軍廟、西黑山、老君廟礦區呈現南、北兩側灰分含量較高，中部較低的趨勢；在五彩灣礦區呈現為東、西兩側灰分含量較高而中部低的趨勢，如圖3(a)所示。

3.2 揮發分

B1煤層浮煤揮發分23.29%～46.71%，平均32.73%，屬中等揮發分煤-高揮發分煤，以中高揮發分煤為主。準東煤田西山窯組煤層揮發分分布沒有明顯的規律性，異常值呈散點狀分布，高異常值往往分布在礦區北部，呈現出礦區中部揮發分相對較低，礦區周邊相對較高，如圖3(b)所示。煤層粘結指數為0，按照中國煤炭分類標準(GB/T 5751—2009)，主要根據浮煤的揮發分和粘結指數，得出該煤層以31號不粘煤為主，含極少量的41號長焰煤。

3.3 硫分

B1煤層原煤全硫0.01%～1.88%，平均0.33%，浮煤硫分0.40%～2.60%，平均0.23%，屬特低硫煤-中硫煤，以特低硫煤為主，準東煤田整體硫分含量較低，硫分含量變化不大，沒有明顯的規律性，其硫分相對較高區可能是由于局部異常導致，如圖3(c)所示。

3.4 氫碳原子比

B1煤層H/C值介于0.29～0.99，平均值0.59。準東煤田西山窯組B1煤層H/C相對穩定，大部分地區比值在0.60附近，局部地區稍高或稍低，沒有明顯的異常出現，主要是由于礦區內煤層是以區域變質作用為主，煤層變質程度基本一致，如圖3(d)所示。

圖3 準東煤田B1煤層主要煤質指標等值線Fig.3 Contours of main coal quality indicators of B1 coal seam in Zhundong coalfield

4 煤灰成分及工藝性能

B1煤層灰成分以SiO2、CaO為主，次為SO3、Fe2O3、TiO2、Al2O3、MgO，另有少量Na2O、K2O。灰成分基本接近鈣質灰分或硅質灰分，但鈣和硅的平均值偏低。其中SiO2為6.48%～66.54%，平均為30.93%；Al2O3為3.18%～25.32%，平均為11.45%；Fe2O3為2.59%～26.79%，平均為10.93%；CaO為3.25%～37.47%，平均為17.68%；MgO為1.63%～26.69%，平均為5.53%；SO3為0.92%～30.77%，平均為13.74%；TiO2為0.12%～27.74%，平均為1.92%；K2O為0.22%～1.51%，平均為0.72%；Na2O為0.14%～11.23%，平均為3.89%；P2O5為0.02%～1.53%，平均為0.18%；MnO2為0～0.54%，平均為0.16%，準東煤田B1煤層灰成分如圖4所示。

圖4 準東煤田B1煤層灰成分Fig.4 Composition of B1 coal seam ash in Zhundong coalfield

煤灰熔融性是影響煤炭氣化的重要因素之一，同時也是煤炭氣化爐工藝設計重要指標。B1煤層煤灰變形溫度(DT)1 020～1 571 ℃，平均1 159 ℃，軟化溫度(ST)1 030～1 616 ℃，平均1 188 ℃，屬較低軟化溫度灰。半球溫度(HT)1 040～1 642 ℃，平均1 207 ℃，流動溫度(FT)1 050～1 670 ℃，平均1 232 ℃，屬較低流動溫度灰。B1煤層的粘結指數(GR.I)為0，不具粘結性。B1煤層大于6 mm級的殘焦率(TS+6)分布在24.80%～88.10%之間，平均為55.90%，從低熱穩定性煤到高熱穩定性煤均有，總體以中等熱穩定性煤為主，準東煤田B1煤層工藝性能，如圖5所示。

圖5 準東煤田B1煤層工藝性能Fig.5 Technological performance of B1 coal seam in Zhundong coalfield

5 綠色開發及清潔利用

參照《直接液化用原料煤技術條件》GB/T 23810—2009中煤質技術要求和《氣化用煤技術條件》GB/T 9143—2008，根據直接液化用煤和不同工藝氣化用煤的煤質指標評價體系[13]，對準東煤田B1煤層灰分、揮發分、氫碳原子比、粘結指數、煤灰熔融性溫度等指標分析發現，該區煤炭資源大部適合水煤漿氣化用煤，占整個煤田面積的93.61%，其中一級水煤漿氣化用煤面積占比為60.38%，二級水煤漿氣化用煤占比為33.23%，局部適合流化床氣化用煤，主要分布在五彩灣礦區東部和將軍廟礦區南部，面積占比為5.29%，少量適合用作液化用煤，主要分布在將軍廟礦區南部，面積占比為1.10%。

煤質指標直接關系到煤炭清潔高效利用，根據煤炭清潔利用潛勢評價指標體系，綜合對準東煤田B1煤層灰分、全硫、氟、氯、砷等指標的對比分析，對B1煤層的清潔利用等級進行評價。準東煤田B1煤層清潔用煤分布，如圖6所示。

圖6 準東煤田B1煤層清潔用煤分布Fig.6 Distribution of clean coal for B1 coal seamin Zhundong coalfield

準東煤田B1煤層原煤與浮煤中有害元素砷、磷、氯及氟含量均小于潔凈等級Ⅰ級的含量限值，按有害元素含量劃分，潔凈等級均為Ⅰ級，按照灰分與硫分含量劃分，原煤硫分平均值為0.33%，灰分平均值為10.27%，評價原煤潔凈等級為Ⅲ級，屬較好潔凈煤；浮煤硫分平均值為0.23%，灰分平均值為5.50%，評價煤層潔凈等級為Ⅱ級，屬好潔凈煤，B1煤層煤潔凈等級劃分結果見表1。

表1 B1煤層煤潔凈等級劃分結果Table 1 Classification results of B1 coal seam cleanliness grades

6 結論

(1)準東煤田B1煤層總體以低灰、中高揮發分、特低硫31號不粘煤為主，H/C值穩定在0.60左右，煤灰成分為鈣質灰分及硅質灰分，以中等熱穩定性煤為主。

(2)對準東煤田B1煤層的氣化、液化特征和煤炭潔凈利用等級進行初步評價，該煤田內煤層氣化指標較好，大部分以適合氣化用煤為主，局部適合液化用煤，B1煤層原煤潔凈等級為Ⅲ級，屬較好潔凈煤；浮煤潔凈等級為Ⅱ級，屬好潔凈煤，為下一步煤炭資源的清潔高效利用方向提供參考。