大同矿区5#煤层煤岩煤质特征及其清洁利用方式

赵 彦，李春兰，张 宁，孔庆虎

(中国煤炭地质总局第一勘探局，河北邯郸 056004)

0 引言

当今形势下我国的能源结构一直在转型，但煤炭仍是我国的重要能源基础，在我国的能源结构中占有很大比例，由于煤炭利用方式粗放、污染重的问题一直存在，寻找煤炭的清洁利用方式，提高煤炭产品的质量，构建低碳、安全、清洁、高效的煤炭清洁利用方式成为煤炭产业发展的重要举措[1-3]。煤气化、液化是煤炭清洁利用的重要方式，而煤岩、煤质特征是研究煤炭清洁利用方式的重要依据[4-6]。系统分析5#煤层的煤岩煤质特征，对大同矿区煤炭资源分质分级和选取适合的清洁高效利用方式具有指导意义。

1 矿区概况

大同矿区位于山西省大同市西南，地跨大同、朔州两市，矿区东西长30km，南北宽85km2，包括40个井田和6个煤矿重组整合区。矿区位于大同市西南部，总面积62 km2(图1)。

图1 交通位置

大同矿区主要含煤地层为侏罗纪大同组和石炭二叠纪山西组、太原组，现在主要开采8、12、14煤层，侏罗系各煤层属弱黏煤，除14煤灰分均值为16.3%属中灰外，其余煤层均属低灰至特低灰煤，除8煤属中硫煤外，其余各煤层属特低硫煤，特低磷-低磷煤，是高热值良好的动力和作气化原料及民用燃料。石炭二叠纪主要开采山西组3#、太原组5#、8#煤层，矿区各煤层以气煤为主，个别地段出现长焰煤、1/3焦煤的多煤类，东北部变质程度和煤类差异性大，中南部基本为气煤。

2 5#煤层的煤岩特征

矿区内5#煤以半亮-半暗煤为主，镜质组平均含量为56.46%，惰质组平均含量为34.18%，壳质组平均含量9.36%，大部分凝胶化作用较好，植物结构保存程度不一，该煤层的主体煤相以干燥森林沼泽相和湖沼相为主。

2.1 5#煤的物理性质

5#煤层以弱玻璃光泽为主，沥青-油脂光泽次之。多为贝壳状断口，少量阶梯状断口，煤层裂隙被黄铁矿薄膜或方解石脉充填，内生裂隙均不发育。结构以条带状结构为主，密度为1.50～1.60；宏观煤岩类型以半亮-半暗型居多，其次为暗煤和亮煤。

2.2 显微煤岩特征

1)镜质组。镜质组以基质镜质体(无固定形态，胶结半丝质体、碎屑惰质体、粗粒体、氧化丝质体、小孢子体和黏土等)为主(图2)，少量碎屑镜质体和结构镜质体2(胞腔变形，充填黏土或微粒体)。矿区内5#煤镜质组含量为21.40%～93.18%，平均含量56.46%。

图2 5#煤镜下照片

2)惰质组。惰质组以碎屑惰质体为主，其次半丝质体，再次粗粒体，少量氧化丝质体，偶见微粒体。矿区内煤中惰质组含量较低，惰质组含量为14.70%～57.20%，平均含量34.18%。

3)壳质组。壳质组主要为小孢子体，少量树脂体；煤中壳质组含量低，壳质组含量为0.9%～20.70%，平均含量9.36%。

4)矿物。大同矿区5#煤层煤样样品矿物主要以黏土矿物为主，浸染状、充填胞腔或裂隙、条带状、团块状。部分样品有黄铁矿，充填裂隙，或呈不规则块状。占煤岩矿物总量的16.88%。

5)煤的镜质组反射率。根据前人资料及本次工作的采样测试结果综合分析，5#煤层镜质组反射率变化范围为0.68～0.81，平均值为0.73，属于Ⅱ煤化阶段烟煤。矿区内镜质组只有东周窑、潘家窑井田镜质组反射率小于0.65，四台、云冈、同忻三个井田交汇处镜质组反射率较高，分布的主要煤类为1/3焦煤，其他区域基本稳定在0.68～0.81这一范围没有较大的浮动。

2.3 煤相

基于显微组分[7]定量统计的成因参数分析方法，对太原组5#煤层煤相[8]进行了分析。据收集的大同矿区塔山井田5#煤岩样品的显微组分析资料，计算出以上煤相指标参数(表1)。

表1 大同矿区5#煤层显微组分煤相参数

应用TPI-GI相图对煤层的煤相类型进行划分。总体来看其煤相类型具下列特征：通过TPI-GI相图分析显示(图3)5#煤层为高GI群体(≥0.84)，TPI值分布较为分散，植物结构保存程度存在差异。根据采集样品在图中分布特征，可以将5#煤的煤相大致分为4种类型，即湖沼相、泥炭沼泽相、潮湿森林沼泽相、较干燥森林沼泽相。其中较干燥森林沼泽相和湖沼相为该煤层的主体煤相，在沼泽演化过程中占有主导地位。

图3 TPI-GI相图

3 5#煤层的煤质特征

5#煤主要为中灰、高挥发分、中硫、高热稳定性煤，整体以弱黏结煤为主，煤层的黏结性变化规律大致受深成变质作用，变质程度由低至高，煤的黏结性也随之逐渐增强。

3.1 水分

5#煤层原煤水分(Mad)含量为0.16%～5.58%，平均1.73%；浮煤水分(Mad)含量为0.15%～2.49%，平均1.05%。

3.2 灰分

5#煤层原煤灰分产率(Ad)为6.73%～38.54%，平均26.82%，浮煤灰分灰分产率(Ad)为3.85%～14.97%，平均7.69%。

5#煤层主要为中灰分煤，其次为中高灰煤，极少量低灰煤(图4)。洗选后大部分灰分产率小于10%，以特低灰煤为主，少量低灰煤。平面分布上，中灰煤分布范围较为广泛，占矿区大部分面积，矿区东南区域南部整合区分布部分低灰煤，燕子山、四台、塔山、潘家窑井田零星分布中高灰煤(图5)。从垂向上来看，原煤灰分[9]显示出上部较高下部较低的规律(图5)。

图4 5#煤层灰分分布直方图

图5 大同矿区5#煤层灰分等值线

3.3 挥发分

5#煤层原煤挥发分(Vdaf)产率为10.21%～49.47%，平均37.68%，浮煤挥发分(Vdaf)产率为30.24%～46.12%，平均38.59%。

大同矿区内5#煤层挥发分产率主要集中在35.28%～39.65%，为中高挥发分煤-高挥发分煤。在平面分布上，矿区大部分区域原煤的挥发分产率在35%～40%，变化不大，总体具有西南部区域较高，中北部区域较低的特点(图6、图7)。

图6 5#挥发分分布直方图

图7 大同矿区5#煤层挥发分等值线

3.4 氢碳原子比

5#煤层原煤氢碳原子比0.73～0.86，大部分分布为0.76～0.80，平均值为0.78(N=120)；5#煤层平面上，矿区内绝大部分区域氢碳原子比为0.76～0.80，绝大部分区域超过0.75，其中矿区燕子山、马道头、塔山等井田内较大范围大于0.8，矿区东西部潘家窑和东周窑井田内部分区域低于0.74(图8、图9)。

图8 5#煤层H/C分布图

图9 5#煤H/C原子比等值线

3.5 全硫

5#煤层原煤全硫(St.d)含量为0.26%～3.79%，平均值为1.53%，浮煤全硫(St.d)硫分含量为0.21%～1.28%，平均0.36%，主要为中硫煤。总体来看平面上大部分硫分大于1.00%，平面上在矿区中部潘家窑井田、马道头井田、峙峰山井田存在硫分小于1.00%的低硫煤，马脊梁井田、塔山井田、东周窑井田存在中高硫煤(图10)。垂向上煤层上部原煤硫含量较高，下部含量低。

图10 5#煤层硫分等值线

大同矿区5#煤层原煤中各形态硫中硫化铁硫(Sp,d)和有机硫(So,d)对全硫含量的贡献值较高，硫酸盐硫(Ss,d)贡献值较低；含量不同的硫其形态硫的占有的比例变化规律也较为明显，当全硫含量≤1.0%，有机硫占比最高，平均为70%，而硫化铁硫占比低，为27%；随着全硫含量的增大，硫化铁硫的占比随之增大，而有机硫占比随之减少，中硫煤(St,d为1.01%～2.00%)中，硫化铁硫占比达到40%，而有机硫分别下降至45%(图11)。由此可见，煤中黄铁矿是引起大同矿区5#煤层硫含量相对较高的因素。

图11 5#煤硫含量分布直方图

3.6 煤灰熔融性

煤灰熔融性是煤炭气化工艺的重要指标，也是煤炭气化的重要因素之一。统计数据显示，5#煤的煤灰熔融性(ST)范围为1 280～1 500℃，平均1 435℃。根据煤灰熔融温度范围：易熔灰分(ST<1 160℃)；中熔灰分(ST为1 160～1 350℃)；难熔灰分(ST为1 350～1 500℃)，可确定大同矿区煤灰熔融点较高，属中—难熔。

3.7 煤的黏结指数

根据大同矿区煤质数据统计，5#煤的黏结指数为0～90.8，平均30.24，整体以弱黏结煤为主。煤层的黏结性变化规律大致受成深变质作用，变质程度由低至高，煤的黏结性也随之逐渐增强。

3.8 煤的热稳定性

根据大同矿区煤质数据统计，5#煤的热稳定性为85.1%～99.3%，平均98.10%，属于高热稳定性煤。

3.9 煤灰成分

大同矿区煤灰成分组成主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等。梳理大同矿区灰成分分析的基础上，本次对大同矿区15件样品进行了灰成分分析。其中5#煤灰中主要成分SiO2含量35.15%～72.55%，平均49.41%；Al2O3含量4.58%～52.50%，平均38.62%；Fe2O3含量0.28%～38.09%，均6.28%；CaO含量0.26%～14.06%，平均1.73%；MgO含量0～2.95%，平均0.56%。

4 5#煤层用途评价

综合主要液化指标，与液化用煤[10-12]评价指标对比(表2)。大同矿区的5#煤当镜质组反射率小于0.65时，能够达到要求液化用煤[13]要求，关键性指标挥发分和H/C高，缺点是灰分太高，不可能直接将其作为原料煤进行液化。煤类为气煤、1/3焦煤，硫分含量小于1.75%(平均1.39%)，缺点是灰分太高，不能作为直接炼焦原料煤。采用洗选的方法降低灰分值，洗选过后，大部分浮煤灰分值均小于10%，可以解决原煤灰分高的缺点。

表2 液化用煤褐煤评价指标分级

整理了大同矿区内95个钻孔5#煤层的煤质分析数据，分析其他指标在去除灰分后的变化，结果表明，浮选以后，硫分降低较为明显，高硫煤去硫效果尤为明显，少量低硫煤去硫效果不太明显，仅个别数值有所提高(图12)。这种变化显然与硫的形态有关，矿区内硫分高的主要因素是硫化铁硫的存在，即无机硫存在导致，因此去灰之后硫含量降低明显；低硫分煤中，主要是有机硫存在，洗选无法降低其值。浮选前后，挥发分变化无明显的规律性，较为复杂，大部分值变化较小，存在个别变化较大值。

图12 5#煤原煤与浮煤主要煤质对比

综上所述，浮选对煤的挥发分影响较少，平均降低了0.12，不利因素是浮选也去除了煤中对直接液化可起催化作用的黄铁矿，大同矿区浮煤能达到液化用煤指标要求。

5 结论

大同矿区5#煤层主要以中灰分、高挥发分、中硫、高热稳定性、弱黏结性煤为主。煤类为气煤、1/3焦煤，硫分含量小于1.75%，5#煤清洁利用方式主要考虑炼焦原料用煤，其次考虑直接液化用煤。部分区域灰分含量高，不能作为直接炼焦原料煤，洗选可以解决原煤灰分高的缺点，洗选过后，大部分浮煤灰分值小于10%，洗选后的煤大部分可以作焦化用煤。