纸房勘查区西山窑组不同煤层煤质指标相关性分析

王 康

（1.江苏地质矿产设计研究院（中国煤炭地质总局检测中心），江苏 徐州 221006；2.中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室，江苏 徐州 221006）

煤是一种十分复杂的由有机物和无机物组成的混合物，对于同一矿区来说，由于沉积环境、原始成煤植物和煤化程度颇为接近，许多煤质指标之间都有很好的相关性和规律性，通过分析各煤质指标的相关性，可以了解煤的化学组成，将外在的测试数据与内在构造联系起来，提供生产实践所需的理论基础[1]。

近年来，我国煤质检测的水平不断提高，但受外界环境变化的影响，不少指标的测试条件要求严格，如国内大部分煤矿达不到测试煤炭发热量过程中对实验室温度、湿度控制的精度要求，不利于对煤质的实时监控。为此研究人员比对了大量的实验数据，总结了许多经验公式，并对回归方程进行了验证。但矿区间的差异性造成这些公式的适用性不够普遍，应用于新矿区时带来的误差一般会很大。因而深入研究煤质各项指标间的相关性，用方便测定的指标去估算难测定的指标，化繁为简，是高效实用的[2-4]。

本文以新疆巴里坤哈萨克自治县纸房勘查区的煤为对象，用便于测定的采样检测法和对比分析，研究不同煤层煤质的变化规律，分析各指标的数据相关性，旨在丰富该区煤层的相关理论数据，简化分析，助力“双碳”背景下合理开采、清洁高效利用煤炭资源。

1 纸房勘查区煤层的基本情况及测定方法

1.1 纸房勘查区煤层的基本情况

纸房勘查区已经查明的煤炭资源量约73 748万t，种类主要是长焰煤，含有少量的不黏煤，煤质特征为低灰分、高挥发分、特低硫、高热值，具有弱结渣性，对CO2的反应性较好，且为富油煤，工业用途为动力用煤和气化用煤，同时可作炼焦配合煤和兰炭用煤[5]。

纸房勘查区内主要的含煤地层是侏罗系西山窑组，上段为C组煤，下段为B组煤，共含煤17层，本次主要研究该区的4层可采煤层（编号依次为B5、B4、B3、B1）煤质指标间的相关性。

1.2 煤质指标测定方法

采用GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》测定煤的水分、灰分、挥发分，采用GB/T 213—2008测定煤的发热量，采用GB/T 214—2007测定煤的硫元素的含量，采用GB/T 476—2008测定煤的碳元素和氢元素的含量，采用GB/T 219—2008测定煤灰熔融性温度，采用GB/T 1574—2007测定煤的灰成分。

2 煤的挥发分和煤中主要元素的关系

2.1 挥发分与碳含量的关系

挥发分与煤中有机质的热解有关，因此探究是否可用挥发分对碳含量进行推算具有一定的实际意义。

以煤的挥发分为自变量，使用excel研究勘查区4个煤层中碳含量和挥发分数据并作线性拟合，可以发现二者之间存在一定的负相关性，其线性方程的相关系数平方（R2）依次为B5煤层0.315 3、B4煤层0.459 7、B3煤层0.395 8、B1煤层0.627 6，这一结果说明B1煤层数据相关性一般，其他煤层较差，利用挥发分计算碳含量误差较大，这是因为煤在热解后，碳元素主要存在于固定碳中，挥发分物质中虽含有碳元素，但其含量远小于固定碳中的含量。

2.2 挥发分和氢含量的关系

随着煤化程度的加深，煤中氢元素的含量逐渐减少。通常情况下，煤中氢元素的含量越高，其挥发分也越高。对勘查区钻孔样品进行测试，研究氢元素含量和挥发分之间的关系，得出不同煤层挥发分与氢元素含量之间关系见图1。

图1 不同煤层挥发分ω（Vdaf）与氢含量ω（Hdaf）之间的关系

由图1可知，各煤层均呈现出煤的挥发分随氢含量增大而增大的趋势，应用excel软件分析线性规律，得出一元一次线性方程式如下：B5煤层ω(Vdaf)=0.046 7·ω(Hdaf)+2.983 2，R2=0.865 4；B4煤层ω(Vdaf)=0.120 9·ω(Hdaf)-0.045 2，R2=0.816 2；B3煤层ω(Vdaf)=0.121 9·ω(Hdaf)+0.0504，R2=0.805 3；B1煤层ω(Vdaf)=0.08 7 ω(Hdaf)+1.453 2，R2=0.864 4。可知，各煤层中挥发分和氢含量数据相关性强，因此可以利用挥发分估算氢元素含量，这是因为煤热解分离的大分子烃类的支链和侧链作为挥发分的来源主要含氧和氢，煤的显微组分中壳质组、惰质组及镜质组的H、C原子比依次降低，挥发分与煤级对应，随着煤化度加深，壳质组含量降低，氢含量和挥发分降低，因此二者有对应正相关性。

2.3 挥发分和硫含量的关系

分析4个可采煤层的煤质测试结果，以煤的挥发分为自变量，使用excel研究勘查区4个煤层硫元素含量和挥发分的数据并作线性拟合分析，得到其线性方程的R2依次为B5煤层0.216 6、B4煤层0.003 8、B3煤层0.012 5、B1煤层0.014 6。可知，4个煤层煤的挥发分与硫含量的数据相关性均较低，不可以利用挥发分计算硫元素的含量。

2.4 挥发分和氮含量的关系

分析4个可采煤层的煤质测试结果，以煤的挥发分为自变量，使用excel研究勘查区4个煤层中氮元素含量和挥发分的数据并作线性拟合分析，得到其线性方程的R2依次为B5煤层0.108 3、B4煤层0.065 9、B3煤层0.246 6、B1煤层0.378 8，可知，4个煤层挥发分与氮含量的数据相关性较低，不可以利用挥发分计算氮元素的含量。

3 煤的发热量和工业分析指标间的关系

探讨煤的发热量与工业分析指标间相关性规律，不仅能为数据审核提供依据，还可以利用工业分析的数据在该矿区和邻近矿区未来的勘查时预测原煤的发热量数值。

3.1 发热量和水分的关系

分析4个可采煤层的煤质测试结果，总体呈现出煤的干基高位发热量随水分的增大而略微升高的趋势。以煤的水分为自变量，使用excel研究勘查区4个煤层煤的发热量和水分的数据并作线性拟合分析，得到其线性方程的R2依次为B5煤层0.002 3、B4煤层0.007 9、B3煤层0.101 3、B1煤层0.072 8，二者之间的数据相关性差，因此各煤层水分对干基发热量的影响很小，不可以利用水分计算发热量。

3.2 发热量和灰分的关系

灰分是决定煤发热量高低的重要因素，二者通常有较强负相关，因此有必要研究二者之间的关系，验证是否可以通过灰分预测煤的发热量。不同煤层煤的发热量和灰分的线性关系见图2。

由图2可知，勘查区煤层干基高位发热量和灰分之间有着较强的线性反比关系，使用excel对勘查区煤层干基高位发热量和灰分数据进行研究，总结他们的线性规律，以灰分为自变量作线性拟合，其一元一次线性方程式如下：B5煤层Qgr,d=-0.316 2ω(Vd)+31.705，R2=0.901 4；B4煤层Qgr,d=-0.370 1ω(Vd)+32.19，R2=0.912 8；B3煤层Qgr,d=-0.328 4 ω(Vd)+32.161，R2=0.910 3；B1煤层Qgr,d=-0.328 7ω(Vd)+32.312，R2=0.935 5。

图2 不同煤层煤的发热量（Qgr，d）与灰分ω（Ad）的关系

可知勘查区煤层干基高位发热量和灰分数据相关性很强。这是因为煤的灰分主要是无机矿物质分解后的产物，灰分越高，说明煤中矿物质越高、有机物含量越少，热值越低。另外，在测定发热量时，矿物质分解需要吸热，矿物质越多，其需要的分解热就越多，从而降低了发热量，因此可以利用灰分来计算发热量。

3.3 发热量和挥发分的关系

分析可采煤层的煤质分析结果可知，勘查区煤层干基高位发热量和干燥无灰基挥发分之间有着一定的相关性，且呈现出随挥发分增大煤的发热量减小趋势。

以煤的挥发分为自变量，应用excel对4个煤层发热量和挥发分数据进行回归分析，得出其线性方程的R2依次为B5煤层0.184 2、B4煤层0.170 7、B3煤层0.024 5、B1煤层0.000 7。随着变质程度的加深，挥发分降低，固定碳增加，煤的发热量逐渐升高，但4个煤层的挥发分和发热量的数据相关性较差，不能利用挥发分计算发热量。

4 煤的发热量和煤中各元素的关系

元素分析是分析和探讨煤质的前提，而发热量是判断煤的工业性能、燃烧价值的核心，煤的发热量高低与元素组成紧密联系，与C、H元素的相关性尤为显著。

4.1 发热量和碳含量的关系

分析可采煤层的煤质分析数据可知，勘查区煤的干基高位发热量和碳元素含量之间有一定的相关性，总体来说煤的发热量随碳含量增大而增大，应用excel对4个煤层碳和发热量数据进行回归分析，得出其线性方程的R2依次为B5煤层0.670 8、B4煤层0.372 9、B3煤层0.000 3、B1煤层0.006 3，可知4个煤层中B4、B3、B1煤层相关性较差，B5煤层相关性较好，B5煤层煤的干基高位发热量和碳元素含量的回归方程为Qgr,d=0.810 5 ω(Cdaf)-34.557。

因此可以利用B5煤层的碳含量大致估算该层煤的发热量。同一煤级中，壳质组的发热量最高，其次为镜质组和惰质组。在变质程度低时，因为镜质组的含碳量低而含氧量高，惰质组的发热量比镜质组高，故总发热量较低，显微组分的不同造成了其他几个煤层（B4、B3、B1）碳含量和发热量相关性不强。

4.2 发热量和氢含量的关系

分析可采煤层的煤质分析数据可知，勘查区煤的干基高位发热量和氢含量之间有一定的相关性，但不显著。其中B5、B4、B1煤层总体呈现出煤的发热量随氢含量增大而增大的趋势，B3煤层总体上呈现出煤的发热量随氢含量增大而降低的趋势。以氢元素含量为自变量，应用excel对4个煤层氢含量和发热量数据进行回归分析，得出他们线性方程的R2依次为B5煤层0.024 7、B4煤层0.000 4、B3煤层0.028 7、B1煤层0.117 9。

分析可知4个煤层发热量和氢含量的数据相关性较差，不可以利用煤层的氢含量计算发热量。因此，即使煤中氢的放热能力很强，受限于含量很低，并不能决定发热量的高低。

4.3 发热量和硫含量的关系

分析可采煤层的煤质分析数据，勘查区煤的干基高位发热量和硫元素含量之间有一定的相关性，其中B5、B3、B1煤层总体上呈现出煤的发热量随硫元素含量增大而增大的趋势，B4煤层总体上呈现出煤的发热量随硫元素含量增大而降低的趋势。

以煤的硫含量为自变量，应用excel对4个煤层硫元素含量和发热量数据进行回归分析，得出其线性方程的R2均较低。可知4个煤层发热量和硫含量的数据相关性较差，不可以利用煤层的硫含量计算发热量。

4.4 发热量和氮含量的关系

分析可采煤层的煤质分析数据，勘查区煤的干基高位发热量和氮元素含量之间有一定的相关性，但不显著。其中B4、B3煤层总体上呈现出煤的发热量随氮含量增大而增大的趋势，B5、B1煤层总体上呈现出煤的发热量随氮含量增大而降低的趋势。

以煤的氮含量为自变量，应用excel对4个煤层氮含量和发热量数据进行回归分析，得出其线性方程的R2均较低。可知4个煤层氮元素含量和发热量的数据相关性较差，不可以利用煤层的氮含量计算发热量。

5 煤的灰成分和灰熔融性温度的关系

煤灰的熔融性主要由煤灰的成分决定。煤灰中的碱性氧化物包括氧化钙、氧化镁、三氧化二铁、氧化钾、氧化钠；其余为酸性氧化物。通常情况下，当煤灰中碱性氧化物较多的时候，煤灰的熔融性温度较低。勘查区不同煤层煤灰碱性氧化物含量和灰熔融性温度（FT）的关系见图3。

图3 煤灰碱性氧化物含量和煤灰流动温度的关系

由图3可知，煤灰的流动温度与煤灰中碱性氧化物含量呈现负相关。应用excel拟合数据回归分析得到一次方程的R2为0.652 4。可知碱性氧化物的总和与煤灰流动温度相关性较强，回归方程为FT=-8.360 9·ω（碱性氧化物和）+1 468。

综上可知，煤灰熔融性温度的高低主要由碱性氧化物含量决定，可以利用煤灰碱性成分来大致估算煤灰熔融性流动温度。

6 结 论

6.1 勘查区煤层煤的挥发分产率随氢含量的增大而增大，数据相关性强，可以利用挥发分估算氢量；勘查区煤层挥发分随碳含量的增大而减小，对4个煤层碳含量和挥发分数据回归分析得出B1煤层数据相关性一般，其他煤层相关性较差，通过挥发分计算碳含量误差较大。

6.2 勘查区煤层总体呈现出煤的干基高位发热量随水分的增大而略微升高的趋势，数据相关性很差，不可以利用水分计算发热量；干基高位发热量和灰分之间有着较强的线性负相关关系，可以利用灰分估算发热量；干基高位发热量随挥发分的增大而减小，4个煤层的数据相关性较差，不能利用挥发分计算发热量。

6.3 勘查区煤的干基高位发热量随碳含量增大而增大，其中B5煤层相关性较好，建立回归方程Qgr,d=0.810 5 ω(Cdaf)-34.557，其他煤层相关性较差，可以利用B5煤层的碳含量计算该层煤的发热量；干基高位发热量和煤中元素之间有着一定的相关性，但不显著，分别对4个煤层氢、氮、硫含量和发热量数据进行回归分析，可知可以利用B5煤层的碳含量计算发热量，不可以利用煤层的氢、硫、氮元素的含量计算煤的发热量。

6.4 煤灰的流动温度与煤灰碱性氧化物总和呈现较强负相关性，建立回归方程为FT=-8.360 9 ω（碱性氧化物和）+1 468，可以利用煤灰碱性成分来大致估算煤灰流动温度。