兖州煤田鲍店煤矿煤质分析

张磊，吕大炜，冯婷婷

（山东科技大学地质学院，山东青岛266590）

兖州煤田鲍店煤矿煤质分析

张磊，吕大炜，冯婷婷

（山东科技大学地质学院，山东青岛266590）

兖州煤田是华北地区重要的煤炭生产基地，以往主要侧重于3煤的煤质分析与研究，系统地分析其他煤层的煤质相对较少。为了全面了解该矿煤质指标，采用煤地质学、地球化学等方法，通过采样、测试以及分析，对其水分、发热量、灰分和灰成分、硫分、挥发份和主要元素进行研究。研究发现：煤层自上而下灰分含量逐渐降低，硫分含量逐渐增高，挥发份含量逐渐加大；18上为中灰煤，其余煤层为低灰煤；太原组煤层富硫，山西组煤层低硫；各煤层均为中高发热量；山西组煤层的水分含量略高于太原组。太原组与山西组的煤层均属气煤，太原组煤层较山西组略偏肥煤。

兖州煤田；鲍店煤矿；煤质；灰分

关于山东煤田，前人做了许多研究，刘桂建［1］等对山东淄博煤田的腐泥煤与腐植煤样品的水分、硫含量、发热量、灰产率及灰成分、微量元素等进行了分析测试和对比研究，区分了腐泥煤与腐植煤的地球化学特征。曾荣树［2］等研究了鲁西含煤区中部新汶和肥城煤田煤的岩石学、煤化学、煤矿物学和煤地球化学特征。

兖州煤田是华北地区重要的煤炭生产基地，目前主要是以山西组3煤为主采煤层，随着煤炭开采的进行以及煤炭条件需求，需要对整体含煤地层的煤质进行综合分析，以确定不同层煤的工业利用价值，为此，本文以兖州鲍店煤矿含煤地层所有煤层煤质特征进行了比较系统的分析，其目的是为煤炭资源的合理开发、综合利用、环境保护提供重要参数。

1地质背景

鲍店煤矿位于山东省邹城、兖州市境内，东距邹城市10.5 km，北距兖州市13 km，处于兖州煤田中部，面积35.2 km2（图1）。煤矿内含煤地层主要为晚古生代山西组和太原组（图2）。山西组煤层主要为河控浅水三角洲成因，以泥岩、砂岩和煤层组成，其中发育厚度大且稳定可采的3煤（3上、3下煤）和局部可采的2煤。太原组煤层主要为陆表海环境成因，由深灰-灰黑色泥岩、粉砂岩、细至中粒砂岩、石灰岩和薄煤层互层组成。太原组含煤22层，其中16上、17煤为稳定可采煤层，6和18上煤为局部可采煤层，其余煤层均为不可采煤层。本文主要以3、16上、17煤为主采煤层进行分析。

2煤质特征

2.1采样

如图2所示，主采煤层3、16上、17为井下采样，共采煤样33个。3上煤采样点个数为8，3煤与3下煤采样点个数为7，16上煤采样点个数为8、17煤采样点个数为10。其余煤层均为钻孔采样。

2.2测试

煤层的煤质数据来自煤层样品测试数据的算术平均。煤样的水分、灰分和挥发分依据GB/T 212-2008测定，全硫分采用库伦测硫仪测定，煤灰成分分析依据GB/T 1574-2007测定，其中Al、Fe、Ga、Mg以EDTA络合滴定；Si以分光光度法测定。测试工作在山东省沉积成矿重点实验室进行。

2.3结果与讨论

各煤层煤质特征统计表如表1所示，煤层灰分成分含量如表2所示，煤的元素含量如表3所示。具体分析结果如下。

2.3.1工业分析结果

①水分。煤层中水分含量为0.69%～5.80%，最大值5.80%出现在煤层2中。煤层中水分含量为2.27%～1.68%。山西组的水分含量略高于太原组。根据煤的全水分分级标准（MT/T850-2000）可得，山西组与太原组均属于特低全水分煤。

②发热量。煤层中发热量为22.83～35.01 MJ/ kg。煤层发热量平均值均高于标准煤发热量（29.27 MJ/kg）。根据煤炭发热量分级标准（GB/T 15224.3-2010）可得，山西组与太原组均属于特高发热量煤。

③灰分和灰成分。灰分除第18上层煤含量较高外（平均23.60%），其余煤层平均值为12.40%～18.84%。自上而下灰分有逐渐降低（除18上煤外）的趋势，即山西组煤的灰分高于太原组。（表1）根据煤炭灰分分级标准（GB/T15224.1-2010）可得，18上煤属于中灰煤，其余为低灰煤。

各煤层灰成分均属酸性化学物，其灰碴呈酸性。煤灰成分主要包括SiO2、Al2O3以及Fe2O3、CaO、MgO和少量其他氧化物。太原组各煤层灰成分含量低于山西组（表2）。

④硫分。跟据煤炭硫分分级标准（GB/T15224.2-2010）可得，山西组煤层平均含量位为0.51%～1%，属低硫煤。太原组煤层6，16上，17，18上的硫分平均含量均大于3.00%，属高硫煤。在平面分布（横向上）含硫份变化很小，在垂向上的总趋势为由上而下含硫份增高。

表1　各煤层工业分析统计Table 1 Statistics of coal seam proximate analytic results

表2　煤灰成分统计表Table 2 Statistics of coal ash compositions

⑤挥发分。山西组的2，3上和3煤的挥发份平均值为40.02%，37.64%，37.72%，太原组的煤均大于40%，煤层6，16上，17，18上的挥发份平均值为43.01%，43.97%，43.57%，43.85%。即由上而下呈逐渐增大的规律。这种随煤变质程度的加深而挥发份反而增大的反希尔持定律现象，主要是由于太原组和山西组成煤环境不同，镜质组含量不同所导致。

2.3.2元素测试

①碳。是煤中有机质的主要成分，也是煤中含量最多的元素，平均含量为82.38%，煤层的碳元素含量为81.60%～83.33%。根据GB/T212-2008煤的工业分析方法可得，煤层均属高固定碳煤。

②氢。各煤层中氢的含量比较稳定，平均变化为5.49%～5.80%，煤层氢元素含量为5.49%～5.80%。其中18上、17和2煤中氢含量略高，而3上和3煤含量相对较低，主要是其中丝质组含量较高引起的，因此煤化程度较深。

③氮。各煤层中氮的含量也很稳定，煤层氮元素为1.38%～1.50%，上组煤层略高于下组煤层，故煤化程度较浅。

表3　各煤层的主要元素分析Table 3 Analysis of coal seam main elements

3成煤环境对煤质影响

煤岩煤质受到原始沉积环境影响很大。研究发现，本区属于华北晚古生代陆表海盆地沉积型煤田，煤层煤质特征主要是两种类型（图3），一种是晚石炭世下陆表海环境下形成煤层（太原组煤层6、16上、17和18上），在晚石炭世，泥炭沼泽往往在潮坪环境或障壁-潟湖环境基础上发育。由于海平面相对下降，潮坪带逐渐沼泽化或潟湖逐渐淤浅沼泽化，从而使沼泽发育，植物茁生，形成泥炭沼泽环境，最终形成煤层。但潮坪沼泽往往由于下一次海进开始而使沼泽发育停止，海进常表现出“突发性”特点，即早期发育的泥炭沼泽被突发性侵入的海水淹没，泥炭被保存。井田内含煤地层中的十下灰与16上煤、十一灰与17煤、八灰与14煤、九灰与15上煤等都属这类沉积环境成因。上石灰统中的煤层虽然较薄但分布范围较广，具有层位对比意义。这种类型煤层灰分产率较低、硫份较高，氢含量较高，镜质组含量较高，反应成煤环境处于较稳定且受海水侵扰的滨海泥炭沼泽范围内。

图3　沉积环境分析图Figure 3 Sedimentary environmental analysis chart

第二种煤层为早中二叠世山西组煤层（2煤、3上和3煤），这种类型煤层形成于三角洲沉积环境内，这种三角洲总体表现为河控浅水三角洲特征，即三角洲平原比较发育，而三角洲前缘和前三角洲不甚发育。因此，在鲁西广大地区发育的3层煤即是在分流间沼泽基础上，由于三角洲逐渐进入废弃阶段而使沼泽范围扩大，形成了厚度大且较为稳定的可采煤层。但由于三角洲平原上分流河道发育，分支摆动频繁，使得分流河道活动的地段成煤条件不好，或根本不具成煤条件；又由于分流河道的摆动、三角洲体系的逐渐向盆地方向推进，使沼泽发育区移动或发生环境改变，因而煤层在空间上表现出“分岔”或“合并”现象。亦即，在环境相对稳定期，三角洲体系演化过程中，沼泽相对稳定发育区就形成了厚度大，煤质好的煤层，而在那些分流河道改道频繁的区域，煤层往往相对较薄，且呈现分岔现象。井田内2煤、3煤及3下和3上煤层“Z”字型分岔、合并，即因三角洲平原分流河道及沼泽环境改变的结果。因此，煤层灰分产率相对较高，镜质组含量较低，H含量较低，硫份相对较低。

4结论

山西组与太原组煤挥发分平均含量均大于37%，根据中国煤炭分类GB/T 5751-2009，太原组与山西组的煤层均属气煤，太原组煤层较山西组略偏肥煤。自上而下灰分含量逐渐降低，硫分含量逐渐增高，挥发份含量逐渐加大。18上为中灰煤，其余煤层为低灰煤。太原组煤层富硫，山西组煤层低硫。并由此推测太原组煤层可能是在滨海三角平原环境或浅海沉积条件下形成的。

各煤层均高于标准煤发热量，为中高发热量。山西组煤层的水分含量略高于太原组，均属低水分煤。山西组煤层的发热量略低于太原组。山西组煤层的灰分和灰成分含量均高于太原组。煤灰成分主要包括SiO2、Al2O3以及Fe2O3、CaO、MgO和少量其他氧化物。

［1］程伟，杨瑞东，崔玉朝，等.贵州毕节地区晚二叠世煤质特征及其成煤环境意义［J］.地质学报，2013，87（11）：1763-1777.

［2］刘桂建，杨萍，彭子成，等.淄博煤田共生腐泥煤与腐植煤化学组成对比［J］.地质地球化学，2003，31（1）：23-27.

［3］曾荣树，庄新国，杨生科.鲁西含煤区中部煤的煤质特征［J］.中国煤炭地质（原中国煤田地质），2000，12（2）：10-15.

［4］Guijian Liu，Liugen Zheng，Lianfen Gao，Haoyuan Zhanga，Zicheng Penga，b.The characterization of coal quality from the Jining coalfield.Energy 30（2005）1903-1914.

［5］朱建刚，陈荔荔，王永丽，等.凤阳山矿区太原组和山西组煤质特征分析［J］.河北工程大学学报（自然科学版），2014，31（2）：75-78.

［6］唐跃刚，程爱国，王海生，等.山西省太原组和山西组煤质特征分析［J］.煤炭科学技术，2013，41（7）：10-15.

［7］曾荣树，赵杰辉，庄新国.贵州六盘水地区水城矿区晚二叠世煤的煤质特征及其控制因素［J］.岩石学报，1998，14（4）：549-558.

Analysis of Coal Quality and Its Impacts on Coal-forming Environment in Baodian Coalmine，Yanzhou Coalfield，North China

Zhang Lei，Lu Dawei and Feng Tingting
（College of Earth Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590）

The Yanzhou coalfield is a major coal production base in North China.In the past，studies were mainly focused on coal quality analysis of coal No.3，while relatively small systematic analysis on other coal seams.In order to comprehensively understand coal quality indices in the coalmine，coal geological and geochemical methods have been used.Through sampling，testing and analysis，studied moisture，calorific value，ash content and composition，sulfur，volatile matter and main elements.The studies have found that from top to bottom of coal seams，ash content gradually decreasing；sulfur and volatile matter contents gradually increasing.Only coal No.18U is medium ash content coal，others are low-medium ash content coal seams.Taiyuan Formation coal seams are sulfur rich，while Shanxi Formation sulfur low.All coal seams have medium-high calorific values.Moisture content in Shanxi Formation coal seams is a little higher than in Taiyuan Formation coal seams.Coal rank of all coal seams belongs to gas coal，but coal seams in Taiyuan Formation are little biased to fat coal than in Shanxi Formation.

Yanzhou coalfield；Baodian coalmine；coal quality；ash content

P168.11

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.02

1674-1803（2016）09-0010-04

国家自然基金项目（41202070）和山东省自然科学基金（ZR2015JL016）共同资助

张磊（1995—），男，山东科技大学地质工程本科。

2016-02-23

责任编辑：宋博辇