新疆哈密大南湖煤矿煤质特征分析

2023-01-11樊君平梁开华

能源与环保 2022年12期

樊君平，梁开华

(1.国家能源集团国源电力(神东电力)有限公司，北京 100033； 2.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东济南 250000； 3.山东省深部冲击地压灾害评估工程实验室，山东济南 250000)

新疆哈密大南湖煤矿属北天山地槽褶皱带，北天山—兴安岭地层大区，中天山地层分区，哈密—吐鲁番地层小区[1-2]。新疆哈密大南湖煤矿是我国14个大型煤炭基地—新疆大型煤炭基地的主力产煤区之一[3-4]。该区煤炭资源极为丰富，煤层数量多、煤层稳定且易于开采，受到国内外学者的广泛关注。

由于区域成矿条件良好，前人的研究主要集中在区域找矿理论的研究[5-6]，对于单个煤田的煤层的化学性质研究相对较少，梁开华等[7]通过地球物理测井的方法对该区进行了研究，较好地反映了煤层深部的构造特征及煤层的赋存形态。

煤质特征及煤层化学参数是煤炭资源评价的重要内容，不同煤层的水分、灰分、挥发分、S含量等直接决定了煤炭的用途，并影响煤炭后期的加工及转化等[8]。由于煤层形成条件不一，不同煤层表现出复杂性、多样性及不均一性，是煤炭资源在后期燃烧过程中变得极为复杂。

因此，煤层的化学性质是煤科学中的一个重要前提，是优化现有煤炭资源加工、转化工艺的前提与基础[9]。基于此，本文通过对新疆哈密大南湖煤矿进行煤层水分、灰分、挥发分、全硫、透光率、发热量、焦油含量、腐殖酸、碳含量、视密度及回收率等指标进行统计，为区域煤层、煤质的研究提供重要依据支撑。

1 地质背景

大南湖煤矿位于新疆维吾尔自治区哈密市南吐哈煤田，属北天山地槽褶皱带，为晚古生代地槽型沉积产物(图1)[10-12]。

图1 大南湖矿区构造地质简图Fig.1 Tectonic geology sketch of Dananhu Coal Mine

区内地层厚度大，出露较为简单，主要出露的地层包括古生界泥盆系、石炭系、二叠系；中生界侏罗系、白垩系；新生界新近系及第四系等地层，其中泥盆系地层包括头苏泉组与大南湖组，石炭系地层包括苏穆克组、底坎尔群及雅满苏组地层，二叠系地层包括大热泉子群及阿奇克布拉克群地层，侏罗系地层包括头屯河组、西山窑组及三工河组地层。

其中中生界侏罗系的山窑组为区域主要含煤地层，含煤0～50层，岩性为灰、深灰色砂岩、泥岩、炭质泥岩、煤层，间夹薄层砾岩及菱铁矿结核和条带，富含植物化石，含铁化木，与下伏地层整合接触。其中在大南湖矿区内主要见29层煤(2～30煤层)。

大南湖矿区位于北天山地槽褶皱带—吐鲁番—哈密山间坳陷—大南湖坳陷内，该坳陷带成EW向展布，长约数百千米，主要为由侏罗系等地层所组成的EW向复式向斜褶皱，地层总体较为平缓，地表多被第四系覆盖[13-15]。

区内构造以褶皱为主，断裂次之，断裂规模一般不大，局部对煤层产生一定的影响。

由于研究区位于凹陷—褶皱带内，区内的岩浆活动较为强烈，从中生代至新生代之间持续发生，尤其是泥盆系—石炭系及华力西期的岩浆侵入最为频繁，侵入体多呈岩墙、岩盆、岩基及岩株等形式产出。

2 煤层特征

大南湖矿区煤层较为集中，地层赋存厚度122.34～466.96 m，平均厚305.76 m，含煤29层，煤层总厚0～121.21 m，平均厚94.57 m，含煤系数30.93%。

所含煤层自上而下编为2—30煤层。根据煤层在垂向上的组合，可划分为3个煤层群：第1煤层群包括2—12煤，第2煤层群包括14—19煤层，第3煤层群包括21—30煤层。

其中可采及局部可采煤层共21层，即3、5、8、9、11、12、14、15、16、17、18、19、21、22、22下、25、26、27、28、29、30煤层，此次研究仅讨论14—29煤层，其他煤层不再赘述(图2)。

14煤层为矿区中部可采煤层之一，为较稳定煤层。距12煤层13.02～22.41 m，煤层厚度0.26～6.14 m，煤厚变异系数0.63，属大部可采煤层。本层结构简单，0～2层夹矸，一般0～1层，夹石炭质泥岩、粉砂岩为主、少数泥岩。煤类以长焰煤为主，褐煤次之，含少量不黏煤。

15煤层为矿区中部主要可采煤层之一，属不稳定煤层。距14煤层7.09～19.53 m，煤层厚0.72～4.05 m，煤厚变异系数0.34，属大部可采煤层。该层结构较简单，0～4层夹矸，夹石多数为炭质泥岩，少数为粉砂岩。煤类以长焰煤为主，褐煤次之，含少量不黏煤。

图2 大南湖矿区14—29煤层赋存特征Fig.2 Occurrence characteristics of 14-29 coal seams in Dananhu Mining area

16煤层为矿区中部主要可采煤层之一，属较稳定煤层。距15煤层0.81～7.50 m，煤层厚0.15～18.94 m，煤厚变异系数0.70，属大部可采煤层。该层结构较简单，0～5层夹矸，夹石以炭质泥岩为主，其次为泥岩、粉砂岩。煤类以长焰煤为主，褐煤次之，含少量不黏煤。

17煤层为矿区中部可采煤层之一，属不稳定煤层。距16煤层1.49～13.07 m，煤层厚0.25～3.95 m，煤厚变异系数0.60，属大部可采煤层。该层结构简单，0～2层夹矸，夹石以炭质泥岩为主，少数为细砂岩、粉砂岩。煤类以长焰煤为主，褐煤次之，含少量不黏煤。

18煤层为矿区中部主要可采煤层之一，属较稳定煤层。距17煤层2.78～17.08 m，煤层厚0.35～15.22 m，煤厚变异系数0.88，属大部可采煤层。该层结构简单，0～2层夹矸，夹石以炭质泥岩为主，少数为粉砂岩、泥岩、细砂岩、砂质泥岩。煤类以长焰煤为主，褐煤次之，含少量不黏煤。

19煤层为矿区中部主要可采煤层之一，属较稳定煤层。距18煤层0.87～21.16 m，煤层厚0.38～7.16 m，煤厚变异系数0.51，属大部可采煤层。该层结构简单，0～2层夹矸，夹石以炭质泥岩为主，少数为泥岩、细砂岩、砂质泥岩。煤类以长焰煤为主，褐煤次之，含少量不黏煤。

21煤层为矿区下部可采煤层之一，属较稳定煤层。距20煤层0.75～1.25 m，煤层厚0.31～11.59 m，煤厚变异系数0.75，属大部可采煤层。该层结构较简单，0～4层夹矸，夹石以炭质泥岩、砂的质泥岩、粉砂岩为主，少数为泥岩、细砂岩。煤类以长焰煤为主，褐煤次之，含少量不黏煤。

22煤层为矿区下部可采煤层之一，属较稳定煤层。距21煤层1.08～21.39 m，煤层厚0.33～11.27 m，煤厚变异系数0.36，属全区可采煤层。该层结构较简单，0～9层夹矸，夹石以泥岩、粉砂岩、炭质泥岩为主，少数为细砂岩、粗砂岩。煤类以长焰煤为主，褐煤次之，含少量不黏煤。

25煤层为矿区下部主要可采煤层之一，属较稳定煤层。距23煤层3.32～35.35 m，煤层厚3.57～33.76 m，煤厚变异系数0.41，属全区可采煤层。该层结构较简单，0～4层夹矸，夹石以炭质泥岩、泥岩为主，少数为粉砂岩。煤类以长焰煤为主，不黏煤、褐煤次之。

26煤层为矿区下部主要可采煤层之一，属较稳定煤层。距25煤层0.91～10.57 m，煤层厚0.58～2.44 m，煤厚变异系数0.27，属全区可采煤层。该层结构简单，仅有1层夹矸，岩性为砂质泥岩。煤类以长焰煤、不黏煤为主，偶见褐煤。

27煤层为矿区下部主要可采煤层之一，为不稳定煤层。距26煤层2.88～21.46 m，煤层厚0.27～3.49 m，煤厚变异系数0.59，属大部可采煤层。该层结构简单，仅有1层夹矸，岩性为泥岩、炭质泥岩、粉砂岩。煤类以长焰煤、不黏煤为主，褐煤次之。

28煤层为矿区下部主要可采煤层之一，属较稳定煤层。距27煤层0.82～8.34 m，煤层厚0.38～9.43 m煤厚变异系数0.44，属大部可采煤层。该层结构简单，含夹矸1～2层，岩性为泥岩、粉砂岩、砂质泥岩。煤类以长焰煤、不黏煤为主，偶见褐煤。

29煤层为矿区下部主要可采煤层之一，属较稳定煤层。29煤层距28煤层0.95～23.67 m，煤层厚0.40～15.95 m，煤厚变异系数0.66，属全区可采煤层。该层结构较简单，含夹矸0～4层，岩性为炭质泥岩、粉砂岩、泥岩。煤类以长焰煤、不黏煤为主，偶见褐煤。

3 煤层化学性质特征分析

此次研究对大南湖矿区14—29煤层进行煤质进行分析，探讨不同煤层、不同煤质化学特征的变化规律。矿区煤质主要有褐煤、长焰煤及不黏煤等，其变化特征均采用相同的指标进行研究，针对大南湖矿区煤层较多的特点，统计具有连续、代表性的煤层，从垂向上统观煤质指标变化情况，详细数据见表1，煤质指标垂向变化如图3所示。

总体来看，各煤层原煤水分变化不大，基本都在10%左右摆动，26煤层略小一点。灰分与发热量呈反比关系：14、16、22下煤层灰分略高一些、发热量则相应低一些；15、26煤层灰分最低，其发热量则表现为最高。挥发分产率自上而下有减小趋势。

全硫含量出22煤及26煤层外，其余各煤层相差不大，全硫含量比较稳定。透光率自上而下有增大趋势。

焦油产率变化不大，基本上在7%左右。腐殖酸含量变化较大，在14煤层达到最大，在15煤层及27煤层达到最小。碳含量指标自上而下缓慢增高。视密度基本无变化形态近似一直线。浮煤回收率9、26煤层最高，其余煤层略有高低。煤的变质程度从各指标分析自上而下整体呈增高趋势。

表1 14—29煤层煤质指标统计Tab.1 No.14-29 coal seams coal quality index statistical

4 讨论

4.1 水分

各煤层原煤空气干燥基水分为2.49%～25.30%，大多为10.55%～12.60%。浮煤水分为2.72%～23.22%，大多为8.48%～10.33%。煤中水分对煤的工业利用是有害的，当煤炭贮存时，空气湿度能引起水分的变化，使煤容易破碎而加速氧化。

4.2 灰分

14煤层灰分为4.77%～35.53%，为特低灰—中高灰；平均灰分15.75%，属低灰煤。15煤层灰分为5.51%～16.60%，为特低灰—中灰；平均灰分9.77%，属特低灰煤。16煤层灰分为5.78～29.10%，为特低灰—中灰；平均灰分15.16%，属低灰煤。17煤层灰分为6.31%～22.94%，为特低灰—中灰；平均灰分13.32%，属低灰煤。18煤层灰分为4.64%～35.02%，平均13.15%，属低灰煤。19煤层灰分为5.24%～25.37%，平均12.94%，属低灰煤。21煤层灰分为6.76%～28.04%，平均14.48%，属低灰煤。22煤层灰分为5.82%～29.69%，平均14.05%，属低灰煤。22下煤层灰分为6.70%～26.00%，平均15.60%，属低灰煤。25煤层灰分为5.71%～27.42%，平均11.84%，属低灰煤。26煤层灰分为4.00%～19.43%，平均9.09%，属特低灰煤。27煤层灰分为4.54%～27.12%，平均13.72%，属低灰煤。28煤层灰分为5.62%～23.59%，平均12.01%，属低灰煤。29煤层灰分为4.38%～27.80%，平均12.37%，属低灰煤。

4.3 挥发分

14煤层挥发分18.04%～53.06%，属高挥发分煤。15煤层挥发分35.57%～47.15%，属高挥发分煤。16煤层挥发分29.49%～52.56%，属高挥发分煤。17煤层挥发分37.99%～47.79%，属高挥发分煤。18煤层挥发分14.60%～47.06%，属高挥发分煤。19煤层挥发分16.90%～46.60%，属高挥发分煤。21煤层挥发分28.33%～46.10%，属高挥发分煤。22煤层挥发分36.10%～47.16%，属高挥发分煤。22下煤层挥发分32.67%～45.48%，属高挥发分煤。25煤层两极值32.23%～44.36%，属高挥发分煤。26煤层挥发分33.66%～41.58%，属高挥发分煤。27煤层挥发分32.64%～45.59%，属高挥发分煤。28煤层挥发分24.78%～46.74%，属高挥发分煤。29煤层挥发分23.69%～44.88%，属高挥发分煤。

图3 大南湖矿区14—29煤层煤质指标垂向变化示意Fig.3 Vertical variation diagram of coal quality index of 14-29 coal seams in Dananhu Mining area

4.4 全硫

14煤层全硫为0.12%～2.22%，为特低硫—中硫，属低硫煤。15煤层全硫为0.16%～0.70%，为特低硫—低硫，属特低硫煤。16煤层全硫为0.16%～1.54%，为特低硫—中硫，属低硫煤。17煤层全硫为0.19～0.63%，为特低硫—低硫，属特低硫煤。18煤层全硫为0.07%～1.26%，为特低硫—中硫，属特低硫煤。19煤层全硫为0.14～1.64%，为特低硫—中硫，属特低硫煤。21煤层全硫为0.14%～1.48%，为特低硫—中硫，属低硫煤。22煤层全硫为0.12%～1.82%，为特低硫—中硫，属低硫煤。22下煤层全硫为0.12%～1.56%，为特低硫—中硫，属低硫煤。25煤层全硫为0.06%～1.97%，为特低硫—中硫，属特低硫煤。26煤层全硫为0.11%～1.00%，为特低硫—低硫，属特低硫煤。27煤层全硫为0.14%～1.46%，为特低硫—中硫，属特低硫煤。28煤层全硫为0.08%～1.57%，为特低硫—中硫，属特低硫煤。29煤层全硫为0.11%～1.81%，为特低硫—中硫，属低硫煤。

4.5 煤类及用途

区内各煤层以不具黏结性的长焰煤为主，其次为褐煤、不黏煤。煤质以较高水分为主，特低灰—低灰，高挥发分，特低硫—低硫，特低磷—低磷，较低软化温度灰，中高—高发热量，低—较低热稳定性，煤的化学反应性强、弱结渣性、易磨等特征，主要作为动力用煤、气化用煤，部分可作为有机肥料(主要指风氧化煤)等；各煤层低等苯萃取物，中腐殖酸为主，腐殖酸含量较高的煤层，也可制取腐殖酸、煤酸等。另外，部分煤层焦油产率多以富油煤为主，可作为液化用煤或发电用煤。