煤炭显微煤岩组分与工业分析关系研究

吴天才，李斐洋，于 洋，马永祥

(宁夏回族自治区煤炭地质局，银川 750002)

煤炭作为我国主要能源和重要化工原料，在国民经济中占有不可或缺的地位，宁夏是我国主要煤炭资源大省，拥有贺兰山、宁东、香山、宁南四大煤田。随着黄河流域生态保护和高质量发展工作的推进，对煤炭资源的绿色高效开发利用提出了更高的要求。通过研究煤的显微煤岩组分与工业分析之间的关系[1-2]，从微观角度了解煤炭性质、性能，为煤炭资源的高效利用提供决策和技术支撑[3-4]。

1 研究背景

本文进行分析的数据来源于宁夏各煤田中部分具有代表性煤矿(井田、矿区)勘查阶段钻孔煤岩煤样测试数据(表1)。

大峰煤矿、红柳井田、马儿庄勘查区、王洼一矿含煤地层为侏罗系延安组，其中大峰煤矿煤类为无烟煤，其余主要为不黏煤；红墩子勘查区、大井沟井田含煤地层为二叠系山西组和石炭二叠系太原组，红墩子勘查区煤类主要为气煤，大井沟井田煤类为贫煤。

2 显微煤岩组分

微观上，各煤矿煤的有机组分含量占绝对优势[5]，一般大于80%，尤其大峰煤矿和红柳井田煤的有机组分含量在95%以上，远远高于其他煤矿；各煤矿煤的无机组分含量较小，一般小于20%(表2)。

表2 煤的显微组分含量

有机组分中，又以镜质组和惰质组为主，壳质组含量很小[6]；各煤矿镜质组、惰质组含量差别较大，大峰煤矿镜质组含量达85%以上，而红墩子勘查区镜质组含量平均仅为38.38%，其余煤矿介于二者之间。

无机组分中，主要为黏土类，其次为碳酸盐类和硫化物类，氧化硅类占比较小，一般以条带状、团块状及颗粒充填于基质中[7-8]。

3 煤的工业分析

煤的工业分析包括煤中水分、灰分和挥发分的测定以及煤中固定碳的计算，各煤矿煤的工业分析结果见表3。

表3 煤的工业分析结果

煤中水分(Mad)含量一般小于10%，其中变质程度较高的大峰煤矿、大井沟井田煤的水分低于1%，红墩子勘查区煤的水分也较低，其次由低到高分别为王洼一矿、红柳井田、马儿庄勘查区[9-10]。

各煤矿煤中灰分(Ad)差别较大，红柳井田煤的灰分最小，平均值小于10%，而红墩子勘查区煤的灰分最大，平均值近30%；各煤矿不同样品煤的灰分也有较大的差别[11-12]。

煤中挥发分(Vdaf)是煤炭分类的主要指标之一，大峰煤矿煤的挥发分最小，平均值小于10%，大井沟井田煤的挥发分平均值在15%左右，其他煤矿煤的挥发分平均值均大于30%[13-14]。

煤中固定碳(FCd)是利用水分、灰分及挥发分的测试结果通过计算得到的，大峰煤矿煤的固定碳最大，平均值大于75%，其他煤矿煤的固定碳介于30%～70%。

4 煤岩显微组分与工业分析的关系研究

4.1 有机组分与工业分析的关系

各煤矿煤的有机组分与工业分析关系见图1。

从图1中可以看出，随着煤中有机组分含量的增加，煤的水分无明显的变化趋势，煤的灰分略有下降，而煤的挥发分急剧减小，煤的固定碳迅速升高。

图1 煤的有机组分与工业分析关系散点图

4.2 无机组分与工业分析的关系

各煤矿煤的有机组分与工业分析关系见图2。

从图2中可以看出，随着煤中无机组分含量的增加，煤的水分无明显的变化趋势，煤的灰分略有上升，而煤的挥发分急剧升高，煤的固定碳迅速降低。

图2 煤的无机组分与工业分析关系散点图

4.3 显微煤岩组分与工业分析的关系

经分析，煤的有机组分和无机组分含量与煤的灰分、挥发分和固定碳具有一定的关系，但固定碳是通过水分、灰分和挥发分计算得到的，因此本文只分析显微煤岩组分与灰分和挥发分之间的关系。

4.3.1 显微煤岩组分与灰分的关系

各煤矿煤的显微组分与灰分关系见图3。

图3 显微煤岩组分与灰分关系散点图

随着煤中镜质组含量的增加，煤的灰分减小，镜质组含量小于55%时，灰分随镜质组含量的增加迅速减小，镜质组含量大于55%时，灰分随镜质组含量的增加变化幅度较小；与之相反，随着煤中惰质组含量的增加，煤的灰分增大，惰质组含量小于35%时，灰分随惰质组含量的增加变化幅度较小，惰质组含量大于35%时，灰分随惰质组含量的增加迅速上升；随着煤中黏土类含量的增加，煤的灰分增大；煤中壳质组、硫化物类、碳酸盐类及氧化硅类含量较低，对灰分影响不大。

考虑镜质组、惰质组及黏土类含量的相互关系，有机组分含量大于90%时，煤中灰分与黏土类含量存在正相关；有机组分含量小于90%时，煤中灰分与惰质组和黏土类含量均存在正相关，且惰质组含量影响更大。

4.3.2 显微煤岩组分与挥发分的关系

各煤矿煤的显微组分与挥发分关系见图4。

随着煤中镜质组含量的增加，煤的挥发分减小，镜质组含量小于60%时，挥发分随镜质组含量的增加变化幅度较小，镜质组含量大于60%时，挥发分随镜质组含量的增加迅速减小；与之相反，随着煤中惰质组含量的增加，煤的挥发分增大，惰质组含量小于30%时，挥发分随惰质组含量的增加迅速上升，惰质组含量大于30%时，挥发分随惰质组含量的增加变化幅度较小；随着煤中壳质组含量的增加，煤的挥发分增大；挥发分随黏土类含量的增加略有变化，黏土类含量小于5%时，挥发分随黏土类含量的增加上升，黏土类含量大于5%时，挥发分变化幅度较小；煤中硫化物类、碳酸盐类及氧化硅类对挥发分影响很小。

图4 显微煤岩组分与挥发分关系散点图

考虑镜质组、惰质组、壳质组及黏土类含量的相互关系，有机组分含量小于90%时，煤中挥发分与壳质组含量存在正相关；有机组分含量大于90%时，煤中挥发分与惰质组和壳质组含量均存在正相关，且惰质组含量影响更大。

5 结论

1)随着煤中有机组分含量的增加，煤的灰分略有下降，而煤的挥发分急剧减小，煤的固定碳迅速升高；随着煤中无机组分含量的增加，煤的灰分略有上升，而煤的挥发分急剧升高，煤的固定碳迅速降低。

2)煤中有机组分含量大于90%时，煤中灰分与黏土类含量存在正相关，挥发分与惰质组和壳质组含量均存在正相关，且惰质组含量影响更大；有机组分含量小于90%时，煤中灰分与惰质组和黏土类含量均存在正相关，且惰质组含量影响更大，挥发分与壳质组含量存在正相关。

3)煤中固定碳含量受镜质组含量影响最大，二者存在正相关。