穆棱组和城子河组煤层的煤质特征及变质规律

张学健，宁良云，周玉珠

(黑龙江省煤田地质一○八勘探队， 黑龙江 鸡西 158100)

在核能还没有普及的情况下，煤炭仍是我国目前的主要能源。东北地区是我国原材料工业基地，重工业在国民经济中占有很高比重，能源消耗较大，煤炭需求量日益增加[1]。目前，我省一批国有大型煤矿已达服务年限相继关闭，15万吨以下小煤矿亦相继关闭。随着国民经济发展，国内煤炭供需还将逐年加大。为合理利用合作煤矿煤炭资源，笔者对研究区内的穆棱组和城子河组可采煤层的煤质特征和煤的变质规律进行分析，以确定其工业用途。

1 矿区地质概况

鸡西盆地东西长135 km，南北宽25 km，面积约3 375 km2[2]。盆地中部由于存在横贯东西的平麻断裂，将盆地划分为北、南两个凹陷区，南部条带呈北东向，北部条带由西部东西向变为东部的北东—北东东向[3]。研究区位于鸡西煤田南部条带中部，北距麻山—平阳逆冲断裂14 km，南距敦化—密山断裂15 km，具体位置如图1所示。

图1 研究区区域构造纲要Fig. 1 Regional structural outline of study area

研究区主要含煤地层为穆棱组(K1m)和城子河组(K1c)。穆棱组地层总厚为800～1 100 m，含煤总层数为12层，煤层总厚度为7.95 m，含煤系数0.74%，其中,可采煤层4层，属薄煤层。城子河组含煤地层总厚度为400～900 m，含煤总层数达13层。煤层总厚度为9.36 m，含煤系数1.95%，其中，可采煤层4层，属薄-中厚煤层。鸡西地区现开采煤矿大部分开采城子河组煤层[4]。

2 煤的物理性质与煤岩特征

2.1 煤的物理性质

研究区煤炭资源均为烟煤，具有沥青光泽-玻璃光泽，局部夹强玻璃光泽，线理状及宽条带状的结构镜煤；断口呈阶梯状、参差状、少量镜煤呈贝壳状及眼球状；颜色及条痕均为黑色；可采煤层视密度平均值为1.28～1.49 t/m3；电阻率为60～180 Ω·m。未见碎粒及糜棱结构，煤岩坚硬，手捏不易碎。研究区采取的可采煤岩样品共41个，原生结构37个，碎裂结构4个，裂隙相对发育，每5 cm发育5～26条,基本不充填或较少，煤层孔隙度介于5.405%～6.790%之间，平均6.037%。

2.2 煤岩特征

2.2.1 宏观煤岩

煤的宏观煤岩组分以亮煤为主，暗煤次之。镜煤多呈薄层状、不规则条带状、线理状及透镜状夹于亮煤之间，性脆，内生裂隙发育。暗煤光泽暗淡，为均一状结构，以薄层状、不规则条带状及透镜状夹于亮煤和镜煤之间。宏观煤岩类型以半亮型为主，其次为半暗型。

2.2.2 显微煤岩

研究区内的显微煤岩组分包括有机组分和无机组分[5-6]，其主要可采煤层显微煤岩组分含量见表1。其中，w1为有机组分质量分数，w2为无机组分质量分数。

由表1可知，有机组分以镜质组为主，平均质量分数为77.28%～85.83%，主要为均质镜质体和基质镜质体，其次为团块镜质体和结构镜质体及少量的碎屑镜质体、团块半镜质体和结构半镜质体；惰质组主要为丝质体、半丝质体，其次为惰质体或碎屑惰质体，少见菌类体，平均质量分数在2.12%～19.76%；壳质组主要为小孢子体，其次为角质体和树脂体，少见大孢子体和木栓质体，质量分数2.96%～15.83%。无机组分主要为粘土矿物，平均质量分数介于9.10%～17.60%之间，为棕色-黑棕色-黑棕色细粒状聚集体及黑色细粒状粘土；氧化物平均质量分数为0.70%～7.50%，为石英；碳酸盐矿物平均质量分数为0%～0.80%，主要为方解石，其次为菱铁矿；硫化物质量分数为0.10%～1.50%，为黄铁矿。少见其他成分为热变煤粒、显微煤岩组分等。

表1 显微镜煤岩组分

显微煤岩类型：2号煤层以微镜惰煤为主含有少量微亮煤，3上号煤层以微镜惰煤为主含有少量微亮煤，3号煤层以微镜惰煤为主含有少量微亮煤和微三合煤，4号煤层为微镜惰煤，12号煤层以微镜惰煤为主含有少量微亮煤和微三合煤，13号煤层为微镜惰煤、微亮煤和微三合煤，14号煤层为微亮煤。

3 煤的化学性质

3.1 工业分析

对研究区内煤芯煤样进行工业分析，结果如表2所示。

分析表2和表3可知，研究区穆棱组(2、3上、3和4号煤层)平均水分为2.36%～2.75%，城子河组主要可采煤层(12、13和14号煤层)平均水分为1.18%～1.49%，穆棱组平均灰分为21.22%～31.10%，属中灰煤-高灰煤。城子河组主要可采煤层平均灰分为19.69%～24.28%，属低灰-中灰煤。穆棱组主要可采煤层煤的挥发分产率平均为37.89%～38.76%，属高挥发分煤。城子河组主要可采煤层煤的挥发分产率平均为35.39%～36.83%，属中高挥发分煤。可采煤层平均原煤全硫w(St,d)为0.33%～0.40%，以有机硫为主，均为特低硫煤。穆棱组主要可采煤层原煤平均发热量Qgr,d在23.10～26.65 MJ/kg，属中发热量-中高发热量煤，城子河组主要可采煤层原煤平均发热量Qgr,d在26.23～28.14 MJ/kg，属中高发热量-高发热量煤。根据数据分析：穆棱组可采煤层变质程度和原煤发热量均低于城子河组可采煤层，穆棱组可采煤层灰分高于城子河组可采煤层。

研究区主要可采煤层视密度值在1.28～1.49 t/m3之间，煤层视密度随着煤层灰分增加而变大，反之亦然。

表2 可采煤层煤质工业分析

3.2 元素分析

主要可采煤层煤芯煤样元素分析结果见表3，稀散无素、有害元素及各种形态硫含量如表4所示。

元素分析成果表中，穆棱组可采煤层粘结指数分数w(GRI)平均为26.7%～50.8%，城子河组可采煤层粘结指数分数w(GRI)平均为63.6%～79.6%；穆棱组可采煤层碳质量分数w(Cdaf)为81.44%～83.11%，城子河组可采煤层碳质量分数w(Cdaf)为84.04%～84.47%；穆棱组可采煤层氢质量分数w(Hdaf)为5.59%～5.69%，城子河组可采煤层氢质量分数w(Hdaf)为5.55%～5.66%；穆棱组可采煤层碳与氢元素质量分数比值γ为14.86～15.13，城子河组可采煤层碳与氢元素质量分数比值γ为15.13～15.73。

穆棱组可采煤层粘结指数分数、碳质量分数和碳与氢元素质量分数比值均小于城子河组可采煤层，而氢质量分数大于城子河组可采煤层。

表3 可采煤层煤芯煤样的元素分析

表4 可采煤层煤芯煤样煤质综合分析

由表4可见，穆棱组和城子河组可采煤层平均原煤全硫w(St,d) 0.33%～0.40%，以有机硫为主，均为特低硫煤；原煤中磷质量分数平均为0.023%～0.095%,属低磷分-高磷分煤；可采煤层氯质量分数在0.005%～0.009%之间，均属特低氯煤；可采煤层砷的平均质量分数0.79～1.34 μg/g，不超过4.00 μg/g，均为一级含砷煤,没有达到有害程度；穆棱组和城子河组煤中稀有元素锗质量分数w(Gead)在3.45～4.79 μg/g之间，镓质量分数w(Gaad)在5.38～7.94 μg/g之间,铀质量分数w(Uad)在0.000 2～0.001 5 μg/g之间， 锗、镓、铀的质量分数都很低，均达不到工业品位。

3.3 灰分分析

穆棱组与城子河组可采煤层煤灰分及质量分数如表5所示。由表5可知，研究区穆棱组的灰分成分中SiO2质量分数为61.49%～66.45%，Al2O3质量分数为22.91%～24.66%；城子河组煤灰成分中，SiO2质量分数为58.29%～63.83%，Al2O3质量分数为22.82%～30.70%。穆棱组可采煤层的SiO2质量分数高于城子河组可采煤层；穆棱组可采煤层的Al2O3质量分数则低于城子河组可采煤层。

表5 可采煤层煤灰所含成分

4 煤的变质规律与工业用途

4.1 煤的成分分析

根据以上煤质资料研究分析，研究区煤的平均水分、平均灰分、挥发分产率和氢元素质量分数随煤的埋藏深度加深而逐渐减小。煤的原煤平均发热量、粘结指数分数、碳质量分数和γ均随煤的埋藏深度加深而逐渐而变大。研究区城子河组含煤地层早于穆棱组含煤地层，城子河组煤层埋深较深变质程度相对较高，煤的变质规律符合鸡西煤田的一般规律。

4.2 煤的工艺性能与用途评价

研究区穆棱组可采煤层原煤发热量平均为22.59～25.83 MJ/kg，城子河组可采煤层原煤发热量平均为25.09～27.02 MJ/kg；穆棱组和城子河组的烟煤有一定的粘结性，穆棱组粘结指数为26.70%～50.80%，胶质层最大厚度为9.4～10.3 mm。城子河组粘结指数为63.60%～79.60%，胶质层最大厚度为11.03～14.63 mm。

根据《中国煤炭分类国家标准》(GB/T5751—2009)划分，穆棱组可采煤层煤类主要为长焰煤和气煤，另有少量1/3焦煤；城子河组可采煤层煤类主要为1/3焦煤和气煤，另有少量弱粘煤。

研究区穆棱组和城子河组主要可采煤层水分平均为1.18%～2.75%，灰分平均为19.69%～31.10%，为中灰煤和高灰煤；挥发分产率平均为35.39%～38.76%，为高挥发分煤和中高挥发分煤；全硫质量分数平均为0.33%～0.40%，属特低硫煤；磷质量分数平均为0.023%～0.095%,属低-高磷分煤。其发热量平均为23.10～28.14 MJ/kg, 属中-高发热量煤。与邻近平岗矿煤的工业用途类比，该区煤的最佳用途：l/3焦煤和气煤可用作炼焦用煤和炼焦配煤；长焰煤和弱粘煤可作为动力用煤，也可作为炼油、气化和低温干馏的原料；气煤还可用来炼油、气化、生产氮肥或作动力用煤。本区各层煤中高磷分煤和中磷分煤须与其他特低磷分煤混和后可作为炼焦配煤。选煤方法可采用两段两产品重介旋流器分选工艺，一段低密度分选选出精煤和中间产品，二段高密度分选选出中煤和矸石。

5 结 论

(1)鸡西煤田合作煤矿穆棱组和城子河组烟煤以亮煤为主，显微煤岩组分以镜质组为主，显微煤岩类型以微镜惰煤为主。煤质为低灰-高灰煤、中高-高挥发分煤、特低硫煤、低磷-高磷分煤、特低氯煤。

(2)根据研究区煤的工业分析结果和工业用途，煤的发热量为中低-特高发热量煤，煤类以气煤、长焰煤、1/3焦煤为主和少量弱粘煤，可用作炼焦用煤、炼焦配煤和动力用煤，其中，气煤还可用来炼油、气化、生产氮肥或作动力用煤。