甘肃省核桃峪矿区煤质特征及工业用途评价

2022-05-26张子祥蒲丽君

陕西煤炭 2022年3期

张子祥，蒲丽君

(甘肃煤炭地质勘查院，甘肃兰州 730000)

0 引言

核桃峪矿区位于正宁县西南部，行政区划分属正宁县宫河镇、周家乡和宁县中村乡管辖。地理坐标：东经107°56′24″～108°07′03″，北纬35°14″45″～35°22′30″。矿区东西长约14.728 km，南北宽约12.438 km，面积183.19 km2。矿区内含煤地层为延安组地层，共含可采煤层3层。煤层平均总厚度为14.80 m，含煤系数20.73%，可采煤层平均总厚度为16.47 m，煤炭资源量达20亿t[1]。煤质评价采用《煤炭资源勘查煤质评价规范》(MT/T 1090—2009)[2]，并参考各类煤质特征相关文献[3-9]，研究结果可为煤炭资源利用提供参考依据。

1 煤的物理性质和煤岩特征

1.1 煤的物理性质

各煤层为黑色，条痕为深棕色，沥青光泽或玻璃光泽，物理性质基本相似。各煤层均以条带状结构为主，线理状结构次之，块状构造。肉眼可见方解石细脉充填裂隙之中，偶见黄铁矿薄膜。通过简易燃烧试验可知，煤层易燃、烟浓、焰长，焦渣微膨胀熔融。各煤层视密度分别为：煤2层1.34 t/m3；煤5层1.35 t/m3；煤8层1.39 t/m3。

1.2 煤岩特征

1.2.1 宏观煤岩类型

煤岩组分以暗煤居多，亮煤较少，丝炭、镜煤呈条带状、线理状穿插其中，组成了煤层的条带状线理状结构。

宏观煤岩类型以暗淡型煤为主，次为半暗型及半亮型煤。

1.2.2 显微煤岩组分

煤2层、煤5层和煤8层均以惰质组成分为主，次为镜质组，半镜质组和壳质组均偏少。其中，在有机显微组分中：煤2层镜质组含量18.6%～55%，平均含量38.9%，惰质组含量44.1%～79.3%，平均含量58.9%，壳质组平均含量1.5%，半镜质组平均含量0.5%；煤5层镜质组含量18.5%～38.4%，平均含量26.9%，惰质组含量60.9%～80.1%，平均含量71.6%，壳质组平均含量1.4%，半镜质组平均含量0.2%；煤8层镜质组含量5.5%～63.1%，平均含量27.9%，惰质组含量35.7%～93.3%，平均含量69.0 %，壳质组平均含量1.20%；半镜质组平均含量2.2%。显微煤岩组分测试结果见表1。

表1 显微煤岩组分鉴定结果Table 1 Identification results of microscopic coal and rock components 单位：%

镜质组以无结构镜质体为主，主要为基质镜质体，其次为均质镜质体，含少量结构镜质体。惰质组以碎屑惰质体为主，含少量丝质体和极少量微粒体、粗粒体。壳质组以孢粉体为主，主要为小孢子体，角质体次之，含少量树脂体和极少量藻类体。黏土中分为分散的棕色细粒状和灰色细粒状2种，且以浸染状分布于基质体内。碳酸盐多为充填于裂隙或丝质体胞腔内的方解石和球状菱铁矿。硫化物主要为呈黄亮色的块状或椭圆形放射状的黄铁矿。氧化硅为高突起、浅灰色的石英颗粒。

1.2.3 煤的变质特点

各煤层镜质组最大反射率分别为：煤2层0.667%、煤5层0.725%、煤8层0.696%，均属烟煤第Ⅱ变质阶段。

2 煤的化学性质

2.1 水分

各煤层水分较低，原煤一般为2.68%～2.72%，浮煤一般为2.25%～2.31%。从表2中可以看出各煤层水分自上而下有逐渐增高的趋势。

表2 煤层样工业分析测定成果Table 2 Industrial analysis and determination results of coal seam samples 单位：%

2.2 灰分(Ad)

煤2层原煤干燥基灰分8.22%～33.43%，平均15.73%，为低灰-髙灰煤，平均为中灰煤；煤5层原煤干燥基灰分7.24%～34.22%，平均15.61%，为低灰煤；煤8层原煤干燥基灰分8.01%～29.15%，平均13.89%，为特低灰煤-高灰煤，平均为低灰煤。

2.3 挥发分(Vdaf)

煤2层原煤干燥无灰基挥发分28.38%～41.53%，平均35.01%；煤5层原煤干燥无灰基挥发分28.5%～38.57%，平均34%，煤2层、煤5层均为中高挥发分煤；煤8层原煤干燥无灰基挥发分22.95%～53.85%，平均33.70%，为中高挥发分煤-高挥发分煤，平均为中高挥发分煤。

2.4 固定碳(FCd)

煤2层原煤固定碳28.54%～56.08%，平均44.99%，为低固定碳煤；煤5层原煤固定碳30.59%～56.4%，平均46.88%，为特低固定碳煤-中固定碳煤，平均为低固定碳煤；煤8层原煤固定碳10.24%～61.25%，平均49.04%，为特低固定碳煤-中固定碳煤，平均为低固定碳煤。

2.5 硫分(St,d)

煤2层各级别硫分煤均存在，低硫煤和中硫煤相对较多，而且具有分带性。煤5层硫分全区以特低硫煤和低硫煤为主。煤8层原煤硫分以低硫煤和特低硫煤为主。总体分析，在矿区南部，靠近煤层沉积边界附近，煤8层硫分有逐渐增大趋势；在矿区北部，靠近煤层沉积边界的硫分也存在增大趋势。在垂向上，煤层上、中、下部的硫分变化较为复杂，一般在煤层中部多为特低硫煤或低硫煤，煤层顶部和底部硫分有所增大。

2.6 煤中有害元素

煤中有害元素含量见表3。根据煤中有害元素含量的分类标准[10-12]，评价结果如下：

表3 原煤中有害元素含量测定成果Table 3 Determination results of harmful elements in raw coal

氯：全区各煤层平均为特低氯煤，局部地段可见低氯煤。

磷：全区各煤层平均为特低磷煤，局部地段可见低磷煤。

砷：煤2层含砷较高，为二级含砷煤，煤5层和煤8层含砷量低，为一级含砷煤。矿区的西南部地段可见三级含砷煤。

氟：煤2层为特低氟煤，而煤5层和煤8层为低氟煤。

2.7 元素组成

煤层中元素含量见表4。各可采煤层浮煤中的碳、氢元素含量与我国相同变质程度的煤田相比，碳元素含量较高，氢元素含量较低。分析与各煤层煤岩组分中惰质组含量较高，而壳质组和镜质组含量偏低有关。

表4 可采煤层元素分析成果Table 4 Elemental analysis results of mineable coal seams

3 煤的工艺性能

3.1 发热量

各煤层原煤的干燥基高位发热量(Qgr，d)比较接近，煤2层21.2～29.96 MJ/kg，平均值27.31 MJ/kg；煤5层21.52～31.58 MJ/kg，平均值28.12 MJ/kg；煤8层22.40～31.28 MJ/kg，平均值28.36 MJ/kg。各煤层原煤平均干燥基高位发热量(Qgr，d)属中高发热量-高发热量煤。

在平面上，各煤层发热量在矿区南部以高发热量煤为主，中部为特高发热量煤，北部为高发热量煤为主，西部为中-高发热量煤，东部为高发热量煤。

在垂向上，煤8层中上部以高发热量煤为主，中间有特高发热量煤块段，局部见中发热量煤零星块，底部煤层发热量变化较大，有特高发热量煤和高发热量煤，局部见有低发热量煤。其他煤2层及煤5层垂向上发热量变化不大。

3.2 粘结性

煤2层粘结指数0～14，属不粘煤，个别钻孔粘结指数达到14，为弱粘煤。煤5层粘结指数0～15，属不粘煤。煤8层粘结指数0～13，属不粘煤。各可采煤层浮煤焦渣特征值为3.46～3.9，判断本矿区煤层不具结焦性。

3.3 煤灰熔融性

煤灰熔融性随煤灰成分的变化而异，一般随SiO2含量的增加而减弱。煤灰熔融性分为软化温度和流动温度2种评价。前者适用于固态排渣锅炉和煤气发生炉对煤灰熔融性软化温度控制分级；后者适用于液态排渣锅炉和煤气发生炉对煤灰熔融性流动温度的分级。

依据煤灰熔融性软化温度分级，核桃峪矿区煤2层软化温度1 120～1 500 ℃，属于较低软化温度灰-高软化温度灰，变化幅度大；煤5层软化温度1 130～1 400 ℃，属于较低软化温度灰-较高软化温度灰；煤8层软化温度1 040～1 450 ℃，为低软化温度灰-较高软化温度灰，变化幅度大。

依据煤灰流动温度分级标准，本区各煤层煤灰流动温度也有差异，具体如下：煤2层煤灰流动温度1 150～1 500 ℃，为低流动温度灰-高流动温度灰，变化幅度大；煤5层煤灰流动温度1 180～1 430 ℃，为较低流动温度灰-较高流动温度灰；煤8层煤灰流动温度1 070～1 450 ℃，为低流动温度灰-较高流动温度灰，变化幅度也很大。

3.4 其他工艺性能

本矿区煤对CO2的反应性较差。在950 ℃条件下，煤层对CO2的还原率为33.4%～44.7%，最大未超过60%。

各煤层煤的热稳定性测试结果显示，大于6 mm残焦值(TS+6)均大于70%，最大值为92.9%，平均值为78.3%，属于热稳定性好的煤。

原煤哈氏可磨性指数(HGI)为50.6～64.0，属于较难磨煤。

煤灰黏度4条曲线都是“短渣”型，煤灰黏度随温度降低而急剧增大，说明不利于液态排渣方式。

在鼓风强度为0.3 m/s、平均反映时间26′22″、大于6 mm的各煤层煤灰结渣率为5%，属于弱结渣煤。预计在气化和燃烧过程中炉内结渣少或不易结渣，热效率高，排渣比较正常。

对各煤层的原煤样进一步做了低温干馏试验，测试结果见表5，从测试数据可看出煤2层、煤8层为富油煤，煤5层为多油煤。

表5 低温干馏测定结果Table 5 Determination results of low temperature dry distillation

4 煤的可选性

设定精煤灰分10%时(即特低灰煤)，以易选煤和中等可选煤为主；设定精煤灰分16%时(即低灰煤)，先期开采地段中心部分基本上是易选煤；但西部出现有中等可选煤区块。总的来看，欲将本地段原煤用浮沉洗选法使产品达到低灰煤级，基本上属于“易选”的煤种[13]。

5 煤类

根据《中国煤炭分类国家标准》(GB/T 5751—2009)国家标准[14]，以浮煤挥发分产率和粘结指数为主要分类指标来划分煤类。本矿区浮煤各可采煤层浮煤干燥无灰基挥发分(Vdaf)煤2层为28.14%～36.84%，平均32.20%；煤5层为29.47%～37.29%，平均33.11%；煤8层为18.7%～41.14%，平均32.18%。各煤层粘结指数(GR.I)煤2层0～14；煤5层0～15；煤8层0～13。总体评定，本矿区各煤层煤类均为不粘煤。

根据原煤质量分级，煤2层为中灰、中硫、低磷、高发热量不粘煤；煤5层为低灰、低硫、低磷、高发热量不粘煤；煤8层为低灰、低硫、特低磷、高发热量不粘煤。