东滩煤矿煤炭资源特征和商品煤煤质特征研究

车 涛

(兖州煤业股份有限公司 选煤管理中心,山东 邹城 273500 )

东滩煤矿位于山东省兖州煤田中部偏东，其为1座设计年产400万t的特大型现代化矿井，于1989年12月正式建成投产，是兖州煤业股份有限公司在兖州矿区的六大主力矿井之一。以下对兖州矿区东滩煤矿的煤炭资源特征、煤质煤岩特性、主要工艺性能及成焦特性进行全面的分析研究，以期对东滩煤的加工转化利用提供指导。

1 煤炭资源特征

东滩煤矿主要含煤地层为石炭二叠纪山西组和太原组，主要可采煤层3号、16号上层及17号煤层，平均总厚度10.79 m[1]。目前主采煤层为3号煤，平均厚度为8.41 m，分为上(3s)、下(3x)该2个分层，上、下分层的平均厚度分别为5.38 m、3.22 m。主井深水平面-800 m，采用国际先进的综采放顶方法从主采煤层合并层及上分层开采煤炭。东滩煤矿的相对位置如图1所示。

图1 东滩煤矿的相对位置图

东滩煤矿3号煤层大致在第13勘探线以北，靠近兴隆庄、鲍店井田的西部边缘一带为单一煤层，厚度4.40 m～10.54 m，平均7.96m。煤层厚度变化较小，属稳定煤层；含夹石0～3层，以中下部一层较为稳定，一般厚0.3 m～0.5 m；中上部一层亦较稳定，厚0.03 m；上部一层夹石时有时无，结构复杂。3号煤层直接顶板以粉砂岩、砂质泥岩为主，一般厚度0.22 m～23.28 m；直接底板以泥岩和粉砂岩为主，厚度0.10 m～5.80 m[2]。

东滩煤矿3煤层的煤炭资源特征详见表1。由表1可知，东滩煤矿3号煤的平均灰分为13.82%，为低灰煤，浮煤的平均灰分含量仅5.81%，表明煤炭可选性较好；挥发分产率(Vdaf)高于37%，黏结指数(GR.I)平均为50左右；按照中国煤炭分类，3号煤为气煤QM43；原煤和浮煤的全硫含量(St,d)均低于0.50%，成分硫以硫铁矿硫和有机硫为主。原煤及浮煤的磷含量均较低，为特低磷煤。由于煤层厚度变化大以及断层的存在，在实际生产过程中毛煤的灰分较高。

2 商品煤的煤质特征

分别按照煤质分析的国家标准测定方法测试东滩精煤中全水分、工业分析、元素分析、发热量、全硫、形态硫、煤灰熔融性、煤灰成分、黏结指数、基氏流动度、胶质层指数、镜质体反射率、显微组分、砷、氯、氟、汞。

表1 东滩煤矿3号煤层的煤炭资源特征

2.1 煤岩特征

图2 东滩洗精煤镜质体反射率分布直方图

东滩煤中有机显微组分以镜质组和惰质组为主，壳质组含量较低。镜质组的含量在60%左右，以基质镜质体为主。惰质组的含量低于镜质组的含量，以半丝质体为主，含有少量的丝质体、粗粒体、微粒体和碎屑惰质体。煤中的壳质组主要为孢粉体和角质体。煤中的矿物含量较低，主要矿物类别是黏土矿物和黄铁矿，石英、方解石含量较低。

2.2 基本煤质特征

东滩矿洗精煤的煤质特征详见表2。

表2 东滩矿洗精煤的煤质特征

在炼焦工业中，水分含量影响装炉煤的堆密度，进而影响焦炭的强度及其他性质；煤中的水分含量减少时，以质量为基准计算的煤中碳等有效成分增多，对提高焦炉的生产能力有利，同时可减少焦化过程中脱水所需的热量，进而降低能耗。在中国煤炭编码系统中，水分已作为分类参数之一，用以标明对煤用途的制约[5]。东滩精煤的全水分(Mt)含量低，按照煤炭行业标准MT/T 850-2000《煤的全水分分级》，为低全水分煤(LM)，对其用作炼焦配煤及动力用煤十分有利。

炼焦用煤对灰分有更严格的要求，因而焦炭中的灰分主要来源于煤中的灰分，焦炭灰分增加使焦炭的有效成分降低。按照国标GB/T 15224.1—2010《煤炭质量分级 第1部分:灰分》，洗精煤(炼焦精煤)为中灰煤(MA)。

煤中硫是有害物质，在炼铁过程中会增加生铁的含硫量，从而降低产品质量[6]。东滩精煤的硫分(St,d)含量为0.58%，按照国标GB/T 15224.2—2010《煤炭质量分级 第2部分:硫分》，其为低硫煤(LS)。

发热量是评价煤质最重要的指标之一。东滩精煤的发热量(Qgr,d)大于31 MJ/kg。按照国标GB/T 15224.3—2010《煤炭质量分级 第3部分:发热量》，其洗精煤为特高发热量煤(SHQ)。

煤灰是由煤中各种矿物质在煤燃烧后残余的各种金属与非金属的残余物。煤灰成分及煤灰熔融温度之间存在内在联系，且均取决于煤中矿物的种类及含量。根据煤灰成分可以大致推测出煤中矿物质的组成，且可判断煤灰熔融温度的高低。东滩煤中黏土矿物以高岭石型黏土矿物为主，SiO2及Al2O3含量高，其他氧化物含量相对较低。煤灰熔融温度(软化温度ST)接近1 500 ℃，按照MT/T 853.1—2000《煤灰熔融性分级-软化温度分级》，东滩煤灰为高软化温度灰(HST)；煤灰熔融温度(流动温度FT)大于1 500 ℃，按照MT/T 853—2000《煤灰熔融性分级》中的煤灰流动温度分级，东滩煤灰为高流动温度灰(HFT)。

不同的灰成分对焦炭的性能特别是焦炭的热态性能(CRI 和 CSR)有着不同的影响。灰成分中的碱性氧化物，如 K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、BaO、MnO 等是焦炭碳溶损反应的正催化剂，对焦炭的热态性能不利，其中尤以K2O 和Na2O 的催化性能最强，因此K2O+Na2O 常被称为灰成分的碱含量。灰成分中的酸性氧化物，如 SiO2、Al2O3、TiO2等是焦炭碳溶损反应的负催化剂，对改善焦炭的热态性能有利，但对高炉炼铁不利[7]。为了综合评价灰成分对焦炭热态性能的影响，常采用灰成分催化指数MCI 来表示。

灰成分中碱含量(K2O与Na2O) 较低，对焦炭的热态性能的改善有利；SiO2、Al2O3较低，对高炉炼铁有利，可少用助熔剂(CaO)；而Fe2O3、CaO较高，对高炉炼铁有利而对焦炉炼焦不利，不利于焦炭热性能的提高。但由于 Fe2O3、CaO相对较高，使得灰分的催化指数 MCI 稍高。

2.3 煤中微量元素含量

随着人们环保意识的增强以及《商品煤质量管理暂行办法》的实施，对煤中微量元素的形成和控制日益重视。煤中有害微量元素主要包涵As、Cd、Cr、Hg、Pb、Se、F、Cl、P等元素，我国已对煤中有害元素含量进行了等级划分[8]。

东滩煤中磷(Pd)为0.010%，按照GB/T 20475.1—2006《煤中有害元素含量分级 第1部分:磷》可划为特低磷煤(P-1)；氯(Cld)含量在0.050%以下，按照GB/T 20475.2—2006《煤中有害元素含量分级 第2部分:氯》可划为特低氯煤(Cl-1)。砷(Asd)含量为0g/g，按照GB/T 20475.3—2012《煤中有害元素含量分级 第3部分:砷》可划为特低砷煤(As-1)；煤中汞(Hgd)含量在0.30 μg/g左右，按照按照GB/T 20475.4—2012《煤中有害元素含量分级 第4部分:汞》可划为中汞煤(Hg-3)；煤中氟(Fd)含量在80g/g以下，按照MT/T 966—2005《煤中氟含量分级》可划为特低氟煤(SLF)。

2.4 黏结特性

黏结指数是《中国煤炭分类》国家标准中确定烟煤工艺类别的首要指标之一。根据煤的黏结指数，可大致确定该煤的工业用途；利用煤的挥发分产率和黏结指数图，可了解煤在炼焦配煤中的作用，对确定经济合理的配煤比及指导配煤具有实际意义[9]。按照煤炭行业标准MT/T 596—2008《烟煤黏结指数分级》，东滩精煤为中黏结煤。

胶质层指数是判断烟煤结焦性能的1项重要指标。胶质层最大厚度Y值直接反映了煤的胶质体的特性和数量，其为判断煤的结焦性能好坏的标志之一，因此Y值被列为我国烟煤分类的1项工艺性能指标。东滩精煤的胶质层最大厚度Y值在12 mm左右，在中国炼焦煤中处于中等水平。

煤的流动度表征煤在干馏时形成的胶质体的黏度，可用以指导配煤和进行焦炭强度预测。东滩煤的最大流动度为20 ddpm，开始软化温度在400 ℃左右，最大流动温度在430 ℃左右，固化温度约为452 ℃，塑性温度区间约为54 ℃。

烟煤黏结性来源为煤分子结构中的非挥发性液相——氢化芳烃。当热解产生的自由基与活性氢产生的时间一致，富氢物质中氢能与自由基接触、结合，两者的量需要一致，即两者的“时、空、量”相匹配时产生胶质体。兖州矿区煤中侧链多、含氧官能团多，尤其羟基氧基团含量较高，热解时侧链、含氧官能团断裂后产生自由基，但供氢能力不足导致大量自由基交联、产生的胶质体少，此为造成黏结指数偏低的原因[10]。

3 40 kg焦炉成焦特性评价

近年来越来越多的生产和科研实践表明，炼焦煤的黏结性等化学工艺指标并不能完全客观反映其结焦性能，炼焦煤结焦性最直接和有效的表征手段仍是一定规模的炼焦试验。目前，国内大多数焦化生产企业和相关科研机构利用40 kg焦炉试验来评价单种煤及配煤的结焦性能，以达到较为科学地指导生产之目的[11-18]。

对东滩精煤按照Q/CY-MKZY-006-2012《炼焦煤炼焦试验方法 40 kg试验焦炉法》进行炼焦试验，对制备的焦炭分布按照GB/T 2001—2013《焦炭工业分析测定方法》、GB/T 2286—2008《焦炭全硫含量的测定方法》、GB/T 2006—2008《焦炭机械强度的测定方法》、GB/T 4000—2008《焦炭反应性及反应后强度试验方法》测试焦炭的质量，结果见表3。

表3 东滩精煤制备焦炭特性分析

东滩精煤单独炼焦时所得焦炭块度较小、裂纹较多、气孔较多、结构疏松、质轻、熔融较差。焦炭灰分(Ad=12.56%)较高，未达到国家冶金焦和铸造焦标准，硫含量(St,d=0.38%)较低，符合国家冶金焦一级和铸造焦特级标准，磷含量(Pd=0.013%)较低；其抗碎强度(M40=68.6%)和耐磨强度(M10=9.4%)均未达到国家冶金焦和铸造焦标准。热态强度(CRI=58.9%、CSR=21.7%)均未达到冶金焦和铸造焦标准。由总体评价可知，东滩精煤单独炼焦所得焦炭质量较差，灰分偏高，冷、热态强度均不能满足国家冶金焦和铸造焦标准，不宜单独炼焦，可用于配煤炼焦。

东滩精煤低灰、低硫、高挥发分的特点对其在焦化中生产焦油和煤气都有增高的优点，同时还能降低焦炭的灰分和硫分，在配煤中可增加灰分、硫分相对较高的肥煤和焦煤的配入量，具有优势互补的作用。

东滩精煤焦炭的光学组织以各向同性组分和惰性组分较多，各向异性组分(粗粒镶嵌组分、细粒镶嵌组分、纤维状组分、片状组分等)较少，此为造成焦炭热反应性 CRI高、反应后强度 CSR低的主要原因。

4 结 论

对兖州矿区东滩煤矿的煤炭资源特征和商品煤煤质特征进行研究，并进行40 kg焦炉成焦特性实验，结论如下:

(1)东滩煤矿3号煤(包括分叉煤层)形成于早二叠纪山西组，煤炭资源中的灰分及全硫含量均较低，煤种为低变质气煤；但由于煤层厚度变化大以及断层的存在，实际生产过程中毛煤灰分较高。

(3)气精煤单独炼焦所得焦炭块度较小、裂纹较多、气孔较多、结构疏松、质轻、各向同性组分和惰性组分较多、各向异性组分较少、质量较差、灰分偏高，冷、热态强度均不能满足国家冶金焦和铸造焦标准，不宜单独炼焦，可用于配煤炼焦。