紙房勘查區西山窯組不同煤層煤質指標相關性分析

王 康

（1.江蘇地質礦產設計研究院（中國煤炭地質總局檢測中心），江蘇 徐州 221006；2.中國煤炭地質總局煤系礦產資源重點實驗室，江蘇 徐州 221006）

煤是一種十分復雜的由有機物和無機物組成的混合物，對于同一礦區來說，由于沉積環境、原始成煤植物和煤化程度頗為接近，許多煤質指標之間都有很好的相關性和規律性，通過分析各煤質指標的相關性，可以了解煤的化學組成，將外在的測試數據與內在構造聯系起來，提供生產實踐所需的理論基礎[1]。

近年來，我國煤質檢測的水平不斷提高，但受外界環境變化的影響，不少指標的測試條件要求嚴格，如國內大部分煤礦達不到測試煤炭發熱量過程中對實驗室溫度、濕度控制的精度要求，不利于對煤質的實時監控。為此研究人員比對了大量的實驗數據，總結了許多經驗公式，并對回歸方程進行了驗證。但礦區間的差異性造成這些公式的適用性不夠普遍，應用于新礦區時帶來的誤差一般會很大。因而深入研究煤質各項指標間的相關性，用方便測定的指標去估算難測定的指標，化繁為簡，是高效實用的[2-4]。

本文以新疆巴里坤哈薩克自治縣紙房勘查區的煤為對象，用便于測定的采樣檢測法和對比分析，研究不同煤層煤質的變化規律，分析各指標的數據相關性，旨在豐富該區煤層的相關理論數據，簡化分析，助力“雙碳”背景下合理開采、清潔高效利用煤炭資源。

1 紙房勘查區煤層的基本情況及測定方法

1.1 紙房勘查區煤層的基本情況

紙房勘查區已經查明的煤炭資源量約73 748萬t，種類主要是長焰煤，含有少量的不黏煤，煤質特征為低灰分、高揮發分、特低硫、高熱值，具有弱結渣性，對CO2的反應性較好，且為富油煤，工業用途為動力用煤和氣化用煤，同時可作煉焦配合煤和蘭炭用煤[5]。

紙房勘查區內主要的含煤地層是侏羅系西山窯組，上段為C組煤，下段為B組煤，共含煤17層，本次主要研究該區的4層可采煤層（編號依次為B5、B4、B3、B1）煤質指標間的相關性。

1.2 煤質指標測定方法

采用GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》測定煤的水分、灰分、揮發分，采用GB/T 213—2008測定煤的發熱量，采用GB/T 214—2007測定煤的硫元素的含量，采用GB/T 476—2008測定煤的碳元素和氫元素的含量，采用GB/T 219—2008測定煤灰熔融性溫度，采用GB/T 1574—2007測定煤的灰成分。

2 煤的揮發分和煤中主要元素的關系

2.1 揮發分與碳含量的關系

揮發分與煤中有機質的熱解有關，因此探究是否可用揮發分對碳含量進行推算具有一定的實際意義。

以煤的揮發分為自變量，使用excel研究勘查區4個煤層中碳含量和揮發分數據并作線性擬合，可以發現二者之間存在一定的負相關性，其線性方程的相關系數平方（R2）依次為B5煤層0.315 3、B4煤層0.459 7、B3煤層0.395 8、B1煤層0.627 6，這一結果說明B1煤層數據相關性一般，其他煤層較差，利用揮發分計算碳含量誤差較大，這是因為煤在熱解后，碳元素主要存在于固定碳中，揮發分物質中雖含有碳元素，但其含量遠小于固定碳中的含量。

2.2 揮發分和氫含量的關系

隨著煤化程度的加深，煤中氫元素的含量逐漸減少。通常情況下，煤中氫元素的含量越高，其揮發分也越高。對勘查區鉆孔樣品進行測試，研究氫元素含量和揮發分之間的關系，得出不同煤層揮發分與氫元素含量之間關系見圖1。

圖1 不同煤層揮發分ω（Vdaf）與氫含量ω（Hdaf）之間的關系

由圖1可知，各煤層均呈現出煤的揮發分隨氫含量增大而增大的趨勢，應用excel軟件分析線性規律，得出一元一次線性方程式如下：B5煤層ω(Vdaf)=0.046 7·ω(Hdaf)+2.983 2，R2=0.865 4；B4煤層ω(Vdaf)=0.120 9·ω(Hdaf)-0.045 2，R2=0.816 2；B3煤層ω(Vdaf)=0.121 9·ω(Hdaf)+0.0504，R2=0.805 3；B1煤層ω(Vdaf)=0.08 7 ω(Hdaf)+1.453 2，R2=0.864 4。可知，各煤層中揮發分和氫含量數據相關性強，因此可以利用揮發分估算氫元素含量，這是因為煤熱解分離的大分子烴類的支鏈和側鏈作為揮發分的來源主要含氧和氫，煤的顯微組分中殼質組、惰質組及鏡質組的H、C原子比依次降低，揮發分與煤級對應，隨著煤化度加深，殼質組含量降低，氫含量和揮發分降低，因此二者有對應正相關性。

2.3 揮發分和硫含量的關系

分析4個可采煤層的煤質測試結果，以煤的揮發分為自變量，使用excel研究勘查區4個煤層硫元素含量和揮發分的數據并作線性擬合分析，得到其線性方程的R2依次為B5煤層0.216 6、B4煤層0.003 8、B3煤層0.012 5、B1煤層0.014 6。可知，4個煤層煤的揮發分與硫含量的數據相關性均較低，不可以利用揮發分計算硫元素的含量。

2.4 揮發分和氮含量的關系

分析4個可采煤層的煤質測試結果，以煤的揮發分為自變量，使用excel研究勘查區4個煤層中氮元素含量和揮發分的數據并作線性擬合分析，得到其線性方程的R2依次為B5煤層0.108 3、B4煤層0.065 9、B3煤層0.246 6、B1煤層0.378 8，可知，4個煤層揮發分與氮含量的數據相關性較低，不可以利用揮發分計算氮元素的含量。

3 煤的發熱量和工業分析指標間的關系

探討煤的發熱量與工業分析指標間相關性規律，不僅能為數據審核提供依據，還可以利用工業分析的數據在該礦區和鄰近礦區未來的勘查時預測原煤的發熱量數值。

3.1 發熱量和水分的關系

分析4個可采煤層的煤質測試結果，總體呈現出煤的干基高位發熱量隨水分的增大而略微升高的趨勢。以煤的水分為自變量，使用excel研究勘查區4個煤層煤的發熱量和水分的數據并作線性擬合分析，得到其線性方程的R2依次為B5煤層0.002 3、B4煤層0.007 9、B3煤層0.101 3、B1煤層0.072 8，二者之間的數據相關性差，因此各煤層水分對干基發熱量的影響很小，不可以利用水分計算發熱量。

3.2 發熱量和灰分的關系

灰分是決定煤發熱量高低的重要因素，二者通常有較強負相關，因此有必要研究二者之間的關系，驗證是否可以通過灰分預測煤的發熱量。不同煤層煤的發熱量和灰分的線性關系見圖2。

由圖2可知，勘查區煤層干基高位發熱量和灰分之間有著較強的線性反比關系，使用excel對勘查區煤層干基高位發熱量和灰分數據進行研究，總結他們的線性規律，以灰分為自變量作線性擬合，其一元一次線性方程式如下：B5煤層Qgr,d=-0.316 2ω(Vd)+31.705，R2=0.901 4；B4煤層Qgr,d=-0.370 1ω(Vd)+32.19，R2=0.912 8；B3煤層Qgr,d=-0.328 4 ω(Vd)+32.161，R2=0.910 3；B1煤層Qgr,d=-0.328 7ω(Vd)+32.312，R2=0.935 5。

圖2 不同煤層煤的發熱量（Qgr，d）與灰分ω（Ad）的關系

可知勘查區煤層干基高位發熱量和灰分數據相關性很強。這是因為煤的灰分主要是無機礦物質分解后的產物，灰分越高，說明煤中礦物質越高、有機物含量越少，熱值越低。另外，在測定發熱量時，礦物質分解需要吸熱，礦物質越多，其需要的分解熱就越多，從而降低了發熱量，因此可以利用灰分來計算發熱量。

3.3 發熱量和揮發分的關系

分析可采煤層的煤質分析結果可知，勘查區煤層干基高位發熱量和干燥無灰基揮發分之間有著一定的相關性，且呈現出隨揮發分增大煤的發熱量減小趨勢。

以煤的揮發分為自變量，應用excel對4個煤層發熱量和揮發分數據進行回歸分析，得出其線性方程的R2依次為B5煤層0.184 2、B4煤層0.170 7、B3煤層0.024 5、B1煤層0.000 7。隨著變質程度的加深，揮發分降低，固定碳增加，煤的發熱量逐漸升高，但4個煤層的揮發分和發熱量的數據相關性較差，不能利用揮發分計算發熱量。

4 煤的發熱量和煤中各元素的關系

元素分析是分析和探討煤質的前提，而發熱量是判斷煤的工業性能、燃燒價值的核心，煤的發熱量高低與元素組成緊密聯系，與C、H元素的相關性尤為顯著。

4.1 發熱量和碳含量的關系

分析可采煤層的煤質分析數據可知，勘查區煤的干基高位發熱量和碳元素含量之間有一定的相關性，總體來說煤的發熱量隨碳含量增大而增大，應用excel對4個煤層碳和發熱量數據進行回歸分析，得出其線性方程的R2依次為B5煤層0.670 8、B4煤層0.372 9、B3煤層0.000 3、B1煤層0.006 3，可知4個煤層中B4、B3、B1煤層相關性較差，B5煤層相關性較好，B5煤層煤的干基高位發熱量和碳元素含量的回歸方程為Qgr,d=0.810 5 ω(Cdaf)-34.557。

因此可以利用B5煤層的碳含量大致估算該層煤的發熱量。同一煤級中，殼質組的發熱量最高，其次為鏡質組和惰質組。在變質程度低時，因為鏡質組的含碳量低而含氧量高，惰質組的發熱量比鏡質組高，故總發熱量較低，顯微組分的不同造成了其他幾個煤層（B4、B3、B1）碳含量和發熱量相關性不強。

4.2 發熱量和氫含量的關系

分析可采煤層的煤質分析數據可知，勘查區煤的干基高位發熱量和氫含量之間有一定的相關性，但不顯著。其中B5、B4、B1煤層總體呈現出煤的發熱量隨氫含量增大而增大的趨勢，B3煤層總體上呈現出煤的發熱量隨氫含量增大而降低的趨勢。以氫元素含量為自變量，應用excel對4個煤層氫含量和發熱量數據進行回歸分析，得出他們線性方程的R2依次為B5煤層0.024 7、B4煤層0.000 4、B3煤層0.028 7、B1煤層0.117 9。

分析可知4個煤層發熱量和氫含量的數據相關性較差，不可以利用煤層的氫含量計算發熱量。因此，即使煤中氫的放熱能力很強，受限于含量很低，并不能決定發熱量的高低。

4.3 發熱量和硫含量的關系

分析可采煤層的煤質分析數據，勘查區煤的干基高位發熱量和硫元素含量之間有一定的相關性，其中B5、B3、B1煤層總體上呈現出煤的發熱量隨硫元素含量增大而增大的趨勢，B4煤層總體上呈現出煤的發熱量隨硫元素含量增大而降低的趨勢。

以煤的硫含量為自變量，應用excel對4個煤層硫元素含量和發熱量數據進行回歸分析，得出其線性方程的R2均較低。可知4個煤層發熱量和硫含量的數據相關性較差，不可以利用煤層的硫含量計算發熱量。

4.4 發熱量和氮含量的關系

分析可采煤層的煤質分析數據，勘查區煤的干基高位發熱量和氮元素含量之間有一定的相關性，但不顯著。其中B4、B3煤層總體上呈現出煤的發熱量隨氮含量增大而增大的趨勢，B5、B1煤層總體上呈現出煤的發熱量隨氮含量增大而降低的趨勢。

以煤的氮含量為自變量，應用excel對4個煤層氮含量和發熱量數據進行回歸分析，得出其線性方程的R2均較低。可知4個煤層氮元素含量和發熱量的數據相關性較差，不可以利用煤層的氮含量計算發熱量。

5 煤的灰成分和灰熔融性溫度的關系

煤灰的熔融性主要由煤灰的成分決定。煤灰中的堿性氧化物包括氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鐵、氧化鉀、氧化鈉；其余為酸性氧化物。通常情況下，當煤灰中堿性氧化物較多的時候，煤灰的熔融性溫度較低。勘查區不同煤層煤灰堿性氧化物含量和灰熔融性溫度（FT）的關系見圖3。

圖3 煤灰堿性氧化物含量和煤灰流動溫度的關系

由圖3可知，煤灰的流動溫度與煤灰中堿性氧化物含量呈現負相關。應用excel擬合數據回歸分析得到一次方程的R2為0.652 4。可知堿性氧化物的總和與煤灰流動溫度相關性較強，回歸方程為FT=-8.360 9·ω（堿性氧化物和）+1 468。

綜上可知，煤灰熔融性溫度的高低主要由堿性氧化物含量決定，可以利用煤灰堿性成分來大致估算煤灰熔融性流動溫度。

6 結 論

6.1 勘查區煤層煤的揮發分產率隨氫含量的增大而增大，數據相關性強，可以利用揮發分估算氫量；勘查區煤層揮發分隨碳含量的增大而減小，對4個煤層碳含量和揮發分數據回歸分析得出B1煤層數據相關性一般，其他煤層相關性較差，通過揮發分計算碳含量誤差較大。

6.2 勘查區煤層總體呈現出煤的干基高位發熱量隨水分的增大而略微升高的趨勢，數據相關性很差，不可以利用水分計算發熱量；干基高位發熱量和灰分之間有著較強的線性負相關關系，可以利用灰分估算發熱量；干基高位發熱量隨揮發分的增大而減小，4個煤層的數據相關性較差，不能利用揮發分計算發熱量。

6.3 勘查區煤的干基高位發熱量隨碳含量增大而增大，其中B5煤層相關性較好，建立回歸方程Qgr,d=0.810 5 ω(Cdaf)-34.557，其他煤層相關性較差，可以利用B5煤層的碳含量計算該層煤的發熱量；干基高位發熱量和煤中元素之間有著一定的相關性，但不顯著，分別對4個煤層氫、氮、硫含量和發熱量數據進行回歸分析，可知可以利用B5煤層的碳含量計算發熱量，不可以利用煤層的氫、硫、氮元素的含量計算煤的發熱量。

6.4 煤灰的流動溫度與煤灰堿性氧化物總和呈現較強負相關性，建立回歸方程為FT=-8.360 9 ω（堿性氧化物和）+1 468，可以利用煤灰堿性成分來大致估算煤灰流動溫度。