黑岱沟煤矿及哈尔乌素煤矿煤质特征研究

李 福 平

(神华准能集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

0 引 言

煤质工作的主要内容包括对煤矿资源进行合理划分及对煤矿设计进行构思以确定煤质技术的使用，从而设计出符合当地煤田的矿井[1-5]，上述系列步骤的执行均需清晰规划才能保证煤炭的质量，同时为煤田的开采提供理论依据，从更科学、更合理的角度对煤矿资源进行开采和加工利用。

神华准能集团下属的哈尔乌素露天煤矿及黑岱沟露天煤矿是公司的主力煤矿，黑岱沟露天矿设计6号复煤层底板开采范围42.36 km2，境界内探明煤炭资源储量14.13亿t。哈尔乌素露天矿深部面积56.38 km2，地表面积67.45 km2，露天煤矿开采境界内可采储量16.82亿t[6-10]。2个露天矿扩能后总体生产规模为60.00 Mt/a，其中哈尔乌素露天煤矿生产规模为31.00 Mt/a，黑岱沟露天煤矿生产规模为29.00 Mt/a。主要开采二叠纪5号煤和石炭纪6号煤，煤质均为低硫、低磷、高灰熔融性、高挥发分和较高发热量的长焰煤，是良好的动力用煤，有“绿色煤炭”的美誉[10-15]。笔者从2个煤矿的煤层煤质及开采洗选工艺出发，采集2个露天矿共6个采煤台阶代表性的煤层煤样进行煤质分析，科学论述2个露天矿的不同台阶煤层样的煤质水平特征，以期为煤矿配采及后续转化利用提供参考。

1 黑岱沟矿和哈尔乌素矿煤层基本情况

1.1 黑岱沟矿煤层赋存状况

黑岱沟露天矿内可采煤层及局部可采煤层包括5号、6号、9号共3层，其中6号、9号煤层为复煤层。

(1)5号煤层。位于山西组中部，厚度(0～4.27) m，平均2.19 m，煤层结构复杂，含0～4层夹矸，夹矸厚(0 ～0.64) m，全区大部分不可采，可采范围在井田西南部边界附近。

(2)6号煤层。位于太原组顶部，以复煤层形式存在，上部不稳定，多风化、缺失，有的层段以高灰煤出现，中、下部连续较稳定，为矿区主要可采煤层。6号复煤层全层厚度为18.07 m～41.12 m，平均28.88 m。各小分层分述如下:

①6Ⅰ煤层:位于太原组顶部，往上与5号煤层平均间距13.32 m，向下与6Ⅱ煤层平均间距1.13 m。该煤层由1～2个分层组成，煤层变化大，厚度0.10m～12.65 m，平均2.78 m。最大可采厚度3.81 m，一般2.00 m左右，可采范围在首采区31线至12线及采区西南部，为局部可采煤层。夹矸1～2层，厚度(0 ～0.8) m，多为黏土岩。该层顶板为黏土岩或粗砂岩，底板为黏土岩。

②6Ⅱ煤层:位于6号复煤层上部，其上与6I煤层有一层夹矸相隔，往下为6Ⅲ煤层，间距变化大，为(0～5.00) m，大多数钻孔由于灰分降低而渐变至6Ⅲ正常煤，少数钻孔中与6Ⅲ分层之间有很薄的夹矸。该煤层是6号煤层中的特殊煤层段，最大厚度7.71 m，平均3.26 m。煤层结构复杂，煤层和泥层呈薄互层。“小层”厚度小者几厘米，厚者几十厘米，一般煤和高灰煤在总厚中平均占59%，岩石层占41%；该层按煤和高灰煤划分，灰分全部小于40%的占5%，灰分在40%～50%的占32%，灰分全部大于50%的占26%，高灰正常煤、煤和炭质泥岩难以分开者占37%，因此，该层除去明显夹矸外，全层应为“高灰煤”，平均灰分为40.71%。

③6Ⅲ～Ⅵ煤层:位于太原组中部，是矿区主要可采煤层，往下至8号煤层间距0.82 m～9.20 m，平均3.84 m。底板通常为粉砂岩。煤层厚度20.20 m～27.19 m，一般在23m～25 m。夹矸多为7～9层，总厚度约2.08 m，夹矸岩性为黏土岩或泥岩、炭质泥岩。该煤层根据夹矸和结构上的差异，分为6Ⅲ、6Ⅳ、6Ⅴ、6Ⅵ共4个分层。

(3)9号煤层。位于太原组下部，9Ⅰ～9Ⅱ煤层是9号煤层的上分层，煤层厚度不稳定，一般由2～3层薄煤层组成，总厚0.25 m～6.77 m，平均2.33 m，夹矸1～4层，夹矸厚在1.00 m左右。

9Ⅳ煤层是9号煤层的下分层，总厚0.10 m～4.82 m，平均1.34 m，可采部分最大厚度4.14 m，一般1 m～2 m。

1.2 哈尔乌素矿煤层赋存状况

矿区含煤12层，其中山西组含煤5层，由上部到下部为1号、2号、3号、4号、5号煤层，太原组含煤7层，由上部到下部为6号上(6S)、6号、6号下(6X)、8号、9号、9号下(9X)、10号煤层。现自上而下分述如下:

(1)1号、2号、3号、4号煤层:位于山西组中、上部，仅在局部零星分布，不可采，属极不稳定煤层。

(2)5号煤层:位于山西组下部，厚度(0～5.75) m，平均1.39 m，主要分布于石圪咀正断层以西及不连沟与石圪咀正断层之间9线以南地区。煤层结构尚属简单，含矸0～6层。距6S煤层间距2.75 m～29.86 m，平均12.24 m，大部可采，属较稳定煤层。夹矸岩性主要为炭质泥岩、泥岩等。煤层顶部多为泥岩、次为高岭石泥岩等。

(3)6S煤层:位于太原组顶部，该煤层为6号煤层的上分层，厚度(0 ～7.27) m，平均2.83 m，主要分布在11线以南及30线以西地区；而在30线以东、10线以北地区，6S与6号煤层合并。全区共有209个钻孔见到该煤层。煤层结构尚属简单，含矸0～6层。距6号煤层间距1.14m～47.40 m，平均16.90 m，属不稳定煤层。

(4)6号煤层:位于太原组中部，全区可采，属较稳定煤层。厚度1.20m～39.54 m，平均21.01 m，顶部结构复杂，中部简单，底部中等，含矸0～31层，一般约10层，夹矸单层厚度0.10 m～0.30 m，夹矸为黑色砂质泥岩、泥岩、黑灰色高岭石泥岩。顶板岩性为黑色炭质泥岩、泥岩为主，老顶为灰白色含砾砂岩，厚度15 m～20 m，底板为黑色泥岩。6号煤层为矿区的主要可采煤层，距6X煤层间距1.09 m～24.88 m，平均12.13 m。其变化规律为由北向南逐渐变薄、由西向东逐渐变薄。

(5)6X煤层:位于太原组中部，为6号煤层的下分层。在不连沟以西及东部煤层露头区，6X与6号煤层合并，厚度(0～7.61)m，平均2.35 m，在11～21线、27～28线之间发育最好。煤层结构较简单，含矸0～5层。距8号煤层间距0.94 m～25.86 m。平均3.65 m，属不稳定煤层。

(6)8号煤层:厚度(0～2.04) m，平均0.69 m，因其厚度基本在最低可采厚度以下变化，属于不可采煤层。全区有408个钻孔见到8号煤层，但达到可采厚度者仅18个钻孔。煤层结构简单，夹矸0～2层，顶、底板岩性以泥岩为主。

(7)9号煤层:厚度(0～9.08) m，平均厚度4.08 m，以不连沟以东发育较好，厚度一般在5 m左右，煤层结构比较简单，含矸0～7层，属较稳定煤层。该层煤夹矸以泥岩为主，顶、底板岩性以泥岩、炭质泥岩、高灰煤为主。

(8)9X煤层:为9号煤层的下分层，厚度(0～2.75) m，平均0.71 m，零星分布，属极不稳定煤层，无开采价值。

(9)10号煤层:位于太原组底部，厚度(0～2.72) m，平均0.52 m，属不可采煤层。

1.3 开采方式

2个露天煤矿整合后共划分为4个采区，分别为2个首采区、黑岱沟新二采区、哈尔乌素新二采区。开采顺序依次为:2个首采区→黑岱沟新二采区→哈尔乌素新二采区。黑岱沟露天矿采用的开采工艺有单斗—卡车间断工艺、抛掷爆破—吊斗铲无运输倒堆工艺、采煤半连续工艺。哈尔乌素露天矿采用上部轮斗连续工艺+下部吊斗铲倒堆工艺+单斗—卡车开采工艺的综合开采工艺，采煤工艺采用单斗—卡车+地面半固定破碎站半连续开采工艺。

1.4 洗选工艺

黑岱沟洗选厂共有3个洗选系统，分别为1个跳汰系统和2个重介浅槽系统；主要工艺为块煤跳汰煤泥过滤及块煤重介浅槽煤泥过滤等联合工艺流程。哈尔乌素洗选系统为块煤重介浅槽—煤泥过滤联合工艺流程。

2 黑岱沟矿及哈尔乌素矿煤层煤质特征

2.1 黑岱沟矿煤层煤质特征

根据准格尔煤田黑岱沟露天煤矿第二条区(第一期)生产补充勘探区煤层煤质特征研究，按GB/T 5751—2009《中国煤炭分类》规定，黑岱沟露天煤矿第二条区(第一期)生产补充勘探区煤属于长焰煤，镜质体最大反射率随煤层埋深增加而增大。各煤层钻孔煤芯样品煤质特征总体情况为中灰～中高灰、低硫、中高热值煤。各主采煤层干燥无灰基挥发分较高，均属高挥发分煤，且在垂直方向上基本呈现干燥无灰基挥发分随煤层深度增加而降低的趋势。各煤层原煤各种硫中主要以有机硫(So,d)为主、硫化铁硫(Sp,d)其次，而硫酸盐硫(Ss,d)最少。在煤灰成分方面各煤层以SiO2、Al2O3为主，次为CaO、SO3和Fe2O3，其它均为少量，SiO2与Al2O3两者平均之和在74.92%～85.52%，属“高硅铝型”煤灰，由矿区整体煤灰熔融性温度判断其属于较高软化温度灰。

2.2 哈尔乌素矿煤层煤质特征

根据哈尔乌素露天煤矿首采区煤层煤质特征研究，按GB/T 5751—2009《中国煤炭分类》规定，哈尔乌素露天煤矿首采区煤属于长焰煤。各煤层钻孔煤芯样品煤质特征总体情况为中灰～中高灰、特低～低硫、高挥发分、中高～高热值煤，矿区微量有害元素中氟含量较高，属中氟煤，其它元素含量较低。各钻孔煤样的煤灰成分含量波动较大，煤灰成分以SiO2和Al2O3为主，由矿区整体煤灰熔融性温度判断其属较高软化温度灰。其他工艺特征方面，哈尔乌素露天煤矿首采区焦油产率(Tar,d)平均在7%左右；属中高～高热稳定性、中等可磨～较难可磨煤。

3 黑岱沟矿及哈尔乌素矿煤层煤质数据

研究采取黑岱沟露天矿6号煤煤层样4个，分别为6号上(6S)、6号中(6Z)、6号下(6X)及6号全层煤样；哈尔乌素露天矿6号煤煤层样4个，分别为6号上(6S)、6号中(6Z)、6号下(6X)及6号全层煤样，总计8个样品。具体分析结果见表1～表3。

表1 各煤层煤工业分析、发热量与全硫测试数据
Table 1 Proximate analysis and calorific value、total sulfur of each coal seam

样品Mad/%Ad/%Vdaf/%FCd/%Qgr,d/(MJ·kg-1)St,d/%黑岱沟6S2.8047.0941.8430.7714.800.37黑岱沟6Z3.9431.9240.4040.5820.500.44黑岱沟6X3.2724.7637.5746.9823.500.43黑岱沟6号5.4935.4038.2539.8919.100.41哈北6S3.7957.95———21.8510.900.30哈北6Z6.5725.0037.5546.8423.300.56哈北6X5.1527.3838.1144.9422.400.65哈北6号5.9535.8739.9338.5219.100.60

表2 各煤层煤样煤岩测试结果
Table 2 Test results of coal petrography test for samples from each coal seam

样品煤岩组成(体积比)/%镜质组惰质组壳质组矿物质镜质体最大反射率(Romax)/%黑岱沟6S29.052.44.713.90.61黑岱沟6Z27.655.61.615.20.61黑岱沟6X34.861.21.22.80.62黑岱沟6号39.654.42.43.60.60哈北6S40.921.12.835.20.56哈北6Z36.857.22.43.60.63哈北6X40.356.10.82.80.54哈北6号 37.951.21.89.10.64

表3 各煤层煤灰成分测试数据
Table 3 Test data of coal ash composition of each coal seam

%

按照GB/T 15224.1—2018《煤炭质量分级 第1部分:灰分》，黑岱沟6S和哈尔乌素6S该2个煤层煤样属于特高灰煤，黑岱沟6Z、黑岱沟6号全层和哈尔乌素6号全层3个煤层煤样属于高灰煤，黑岱沟6X、哈尔乌素6Z和哈尔乌素6X该3个煤层煤样属于中灰煤。

分析挥发分测试数据可知，8个煤层煤样挥发分较为稳定，均在37%以上，其中黑岱沟煤的Vdaf略高于后者，按照MT/T 849-2000《煤的挥发分产率分级》划分，黑岱沟和哈尔乌素2个露天矿各煤层样品均属于高挥发分煤。

从固定碳测试数据来看，8个煤层煤样固定碳含量均在50%以下，按照MT/T 561-2008《煤的固定碳分级》，黑岱沟和哈尔乌素2个露天矿各煤层样品均属于低固定碳或特低固定碳煤。

发热量是影响动力煤经济价值最重要、最直接的煤质指标。8个煤层煤样发热量波动较大。按照GB/T 15224.3—2010《煤炭质量分级 第3部分:发热量》划分，黑岱沟6X、哈尔乌素6Z和哈尔乌素6X该3个煤层煤样属于中发热量煤，黑岱沟6Z、黑岱沟6号全层和哈尔乌素6号全层3个煤层煤样属于中低发热量煤，黑岱沟6S和哈尔乌素6S煤层煤样属于低发热量煤。

硫含量是评价煤炭质量的重要煤质指标之一。8个主要煤层煤样硫分含量均较低。按照GB/T 15224.2—2010《煤炭质量分级 第2部分:硫分》划分，黑岱沟和哈尔乌素2个露天矿各煤层样品均属于低硫煤或特低硫煤。

从表2镜质体反射率测试结果可知，黑岱沟和哈尔乌素各煤层煤样的镜质体最大反射率均在0.6%左右。分析煤岩组成可知，黑岱沟露天矿6S煤层和6Z煤层矿物质含量相对较高、镜质组含量相对较低，6S、6Z和6X该3个煤层惰质组含量差别不大，而整个6号煤层煤岩组成来看，矿物质含量并不高，即其与6X煤层接近。哈尔乌素露天矿6S煤层矿物质含量相对较高、惰质组含量相对较低，6S、6Z和6X该3个煤层镜质组含量差别不大，而分析整个6号煤层煤岩组成可知，各组分与6Z和6X煤层接近。

煤灰成分是指煤中矿物质经高温氧化、分解后形成的各种金属和非金属氧化物及盐类，因此可根据煤灰成分的测试数据大致推测煤中矿物质成分、判断煤灰的熔融特性及煤在燃烧时对燃烧室的腐蚀情况等。由表3测试数据可知，哈尔乌素6S煤层SiO2含量较高，而Al2O3含量较低。几个煤层煤样煤灰中碱金属氧化物含量均不高，对煤炭加工利用过程影响不大。黑岱沟6Z、黑岱沟6X和黑岱沟6号全层3个煤层煤灰成分中SO3含量相对较高，在煤炭加工利用过程需特别加以注意。

氟、氯、砷、汞、磷作为煤中的主要微量元素，虽其含量相对较低但在煤的加工利用过程中起着至关重要的作用。黑岱沟及哈尔乌素露天矿各煤层煤中微量元素含量见表4。

表4 露天矿各煤层煤的微量元素
Table 4 Trace elements of each coal seam

样品Pd/%Cld/%Asd/(μg·g-1)Hgd/(μg·g-1)黑岱沟6S0.0250.00410.204黑岱沟6Z0.0220.01210.412黑岱沟6X0.0100.03060.196黑岱沟6号0.0180.02330.226哈北6S0.0080.01210.195哈北6Z0.0170.01110.216哈北6X0.0150.01410.158哈北6号0.0130.02210.217

煤中氯在燃烧过程中也会转化为气态形式，遇水则会形成酸性物质，因此在煤炭利用过程中其氯具有较强的腐蚀性，严重缩短设备的使用寿命。按照GB/T 20475.2—2006《煤中有害元素含量分级 第2部分:氯》规定，黑岱沟和哈尔乌素2个露天矿各煤层煤中氯元素含量只有黑岱沟6X相对较高但属于中氯煤，其余均属于低或特低氯煤。由总体分析可知，2个矿区煤层煤样氯含量相对较低，因而在煤炭加工利用过程中对设备的腐蚀性较小。

砷在煤的燃烧过程中会形成三氧化二砷，微量砷化物即可致人中毒甚至身亡，因此煤中砷也是被关注的微量有害元素之一。在国外，砷含量超过8 μg/g的煤不允许作为食品工业和酿造工业的燃料。按照GB/T 20475.3—2012《煤中有害元素含量分级 第3部分:砷》规定，黑岱沟和哈尔乌素2个露天矿各煤层煤中砷元素含量只有黑岱沟6X相对较高但属于低砷煤，其余均属于特低砷煤。

煤中汞元素含量较高时则在燃烧过程中也会对环境造成污染。黑岱沟及哈尔乌素2个露天矿各煤层煤中汞元素含量只有黑岱沟6Z相对较高，即其在0.4 μg/g以上，其余各煤层煤中汞元素含量均在0.2 μg/g左右。按照GB/T 20475.4—2012《煤中有害元素含量分级 第4部分:汞》规定，黑岱沟6Z煤层煤样属于中汞煤，黑岱沟和哈尔乌素2个露天矿其余各煤层煤样均属低汞煤。

煤中磷元素对于煤的加工利用过程具有较大影响，尤其炼焦时磷元素会随着矿物质转入焦炭中，进而在冶炼时易使生铁产生冷脆性。按照GB/T 20475.1—2012《煤中有害元素含量分级 第1部分:磷》规定，黑岱沟和哈尔乌素2个露天矿各煤层煤中磷元素含量只有哈尔乌素6S低于0.01%，属于特低磷煤；其余均在0.010%～0.025%，属于低磷煤。

4 结 语

通过对2个煤矿的地勘数据整理及煤层样品的实测数据分析可知，神华准能集团下属的哈尔乌素及黑岱沟露天煤矿煤质较好，即其为低硫、低磷、高灰熔融性、高挥发分和洗选后发热量较高的长焰煤。两煤矿煤层煤灰分较高，目前主要通过洗选方式以降低煤中灰分及有害元素含量。煤灰成分主要以二氧化硅和三氧化二铝为主，其中氧化铝含量接近50%，是粉煤灰提铝的优质物料。2个煤矿煤的煤灰熔融性温度较高，FT可达1 500 ℃，作为液态排渣气化等用煤时需考虑利用周边侏罗纪煤配煤或添加助熔剂等手段改善煤灰黏温曲线。