宁武煤田择善一号勘查区煤质特征及洁净等级区域划分

朱雪莉

（1.山西省地质矿产研究院，山西 太原 030001；2.煤与煤系气地质山西省重点实验室，山西 太原 030001）

煤炭作为一项基础性能源，多年来在我国的可利用能源结构中一直处于主体地位，至今我国对于煤炭资源的生产和消费仍然处于世界前列。与之同时，煤矿的高强度开采方式与煤炭的粗放式加工与利用方式，对人类生存环境的破坏也日趋严重。而山西作为我国的产煤大省，担负着全国将近四分之一的煤炭生产任务，因煤炭开采带来的环境问题正日趋严重。2019年，山西省推出了能源革命综合改革试点15项重大举措，其中创新煤炭利用方式，提升清洁高效利用水平作为能源革命的重大举措正式提出。推出洁净煤技术产业化发展势在必行。对勘查区煤层在煤质分析的基础上进行洁净度分析与评价及洁净等级的区域划分，是关于洁净煤研究的主要内容之一，在煤炭资源开采利用之前，就对勘查区进行科学有效的洁净度判别，合理解决因煤炭生产和利用所引起的生态环境问题必须进行的一项基础性工作。对煤层的洁净度潜势做出科学的测试分析评估，是从源头上扼制煤炭资源开发利用对环境污染的重要手段，是规划生产矿井以及合理化开采并对煤炭资源进行加工和利用，保护人类生存环境以及提高煤炭资源开采加工利用的经济效益提供基础的理论依据。

本文以宁武煤田静乐县择善一号勘查区煤质分析成果为基础，对于该勘查区的煤炭资源煤质特征进行分析，以及洁净等级评价和等级区域划分。

1 勘查区简介

勘查区地处山西省静乐县境内神峪沟乡石家岩村—神峪沟乡红沟岩村一带。位于宁武煤田东南部，即宁武—静乐复向斜南端的东翼。基本构造大体为不对称的向斜构造，局部伴生正断层。主体构造为宁武—静乐向斜，该向斜西翼产状较缓，为4°～9°，东翼产状较陡且变化较大，由5°逐渐变为10°～25°～45°～90°，形成东部1km 左右的陡倾斜带，其上发育少量与地层走向基本平行的正断层，局部有小规模的褶曲及倒转。

石炭系上统太原组和二叠系下统山西组是本勘查区主要的含煤地层。山西组煤层平均厚度为58.93m，共含6 层煤，煤层总厚为5.40m，含煤系数9.16%，可采煤层总厚3.68m 含煤系数为6.24%。太原组煤层平均厚度94.53m，共含7 层煤，煤层总厚为15.20m，含煤系数16.08%，可采煤层总厚13.91m，含煤系数为14.71%。勘查区内稳定的全区可采煤层2 层，分别为4、9 号煤层。勘查区内4、9 号煤层共获得资源总量49424×104t，均为保有资源量。

2 煤质特征

根据钻探采样以及收集周边煤质资料，勘查区内4、9号煤层煤质特征如下所述。

2.1 物理性质

勘查区煤层颜色和条痕均为黑色，呈沥青光泽，其断口为参差状—阶梯状。以碎块—碎砾为主。其视密度为1.36～1.52t/m3，平均为1.45t/m3。其真密度为1.41～1.58t/m3，平均为1.50t/m3。

2.2 煤岩特征

煤层宏观煤岩组分亮煤—暗煤，有少量镜煤和丝炭。宏观煤岩类型半亮型—半暗型。厚煤层具有混合煤岩类型的特征，各种煤岩类型交替产生，形成多个沉积旋回，旋回结构一般从亮煤出现向上多变为暗煤。

显微煤岩组分镜质组主要为均质镜质体和基质镜质体，还有部分碎屑镜质体。惰质组主要为粗粒体、碎屑体和丝质体。壳质组可见小孢子体。矿物含量主要为粘土，大部分为分散状粘土和充填状粘土，充填在镜质体胞腔之中。镜质组含量为20.0%～77.3%，平均47.26%；惰质组含量为11.7%～36.0%，平均24.11%；壳质组含量为0.0%～5.9%，平均2.48%；矿物含量为8.1%～52.0%，平均26.82%。

2.3 化学性质

2.3.1 工业分析

煤层原煤水分（Mad）0.18%～1.41%，平均0.80%；浮煤水分（Mad）0.24%～1.92%，平均0.88%。原煤灰分（Ad）11.78%～36.76%，平均25.53%；浮煤灰分（Ad）3.10%～12.55%，平均7.89%，根据《煤炭质量分级第1部分:灰分》（GB/T15224.1—2010），确定煤层均为中灰煤。原煤挥发份（Vdaf）21.01%～39.24%，平均31.49%；浮煤挥发份（Vdaf）22.30%～37.24%，平均30.68%，根据《煤的挥发分产率分级》（MT/T849-2000），4号煤为中等—高挥发分煤，9号煤为为中等—中高挥发分煤。

2.3.2 元素分析

煤层原煤碳(Cdaf)82.37%～86.11%，平均84.66%；原煤氢(Hdaf)4.19%～5.37%，平均4.85%；原煤氮(Ndaf)1.24%～1.46%，平均1.39%；原煤氧(Odaf)4.35%～9.13%，平均7.30%（详见表1）。

2.3.3 有害元素

煤层原煤硫（St.d）0.31%～3.96%，平均1.38%，根据《煤炭质量分级第2 部分:硫分》（GB/T15224.2-2010），可确定4 号煤层为低硫煤，9 号煤层为中硫煤；原煤磷（Pd）0.007%～0.044%，平均0.017%，依据《煤中有害元素含量分级 第1 部分: 磷》（GB/T 20475.1-2006），确定煤层均属特低磷—低磷煤；原煤氯（Cld）0.014%～0.076%，平均0.052%，根据《煤中有害元素含量分级第2部分:氯》（GB/T 20475.2-2006），煤层均属特低—低氯煤;原煤氟（Fd）104～410g/t，平均196g/t，根据《煤中氟含量分级》（MT/T 966-2005），煤层均属低氟—高氟煤；原煤砷小于1～5g/t，根据《煤中有害元素含量分级第3 部分:砷》（GB/T 20475.3-2012），4 号煤层属特低砷煤，9号煤层属特低—低砷煤。

2.4 工艺性能

2.4.1 发热量

煤层原煤干基高位发热量（Qgr,d）15.39～30.89MJ/kg，平均25.26MJ/kg，浮煤干基高位发热量（Qgr,d）22.23～33.86MJ/kg，平均32.21MJ/kg；原煤空气干燥基低位发热量（Qnet,ad）10.15～29.69MJ/kg，平均24.01MJ/kg，浮煤空气干燥基低位发热量（Qnet,ad）18.55～32.45MJ/kg，平均30.68MJ/kg。根据《煤炭质量分级第3 部分:发热量》（GB/T15224.3-2010），确定煤层均为中高发热量。

2.4.2 煤灰成分与煤灰熔融性

煤层的灰成分以酸性的SiO2、Al2O3为主，这两种成分占煤灰成分的70%以上，其次为碱性的Fe2O3、CaO、MgO 等成分。煤灰的碱酸比对煤灰的结渣性影响很大，B/A 比值若小于0.25，灰熔点较高，不易结渣。若比值为0.4～0.7，则灰熔点可能较低。4 号煤层煤灰酸性成分占88.49%，碱性成分占8.33%，碱酸比为0.09，结渣指数为0.061，结污指数为0.028；9 号煤层煤灰酸性成分占81.87%，碱性成分占13.10%，碱酸比为0.16，结渣指数为0.304，结污指数为0.045。

按MT/T853.1-2000煤灰软化温度分级，4、9号煤层均属高软化温度灰。

2.4.3 煤的粘结性

4 号煤浮煤胶质层最大厚度（Y）20.5～32.0mm，平均27.09mm；9 号煤浮煤胶质层最大厚度（Y）12.00～24.50mm，平均18.50mm。4 号煤浮煤粘结指数（GR.I）59～100，平均87；9号煤浮煤粘结指数（GR.I）67～98，平均81，按烟煤粘结指数分级标准（MT/T596-2008），煤层均属中粘结煤—强粘结煤。

2.4.4 煤对CO2的反应性

4 号煤层，1000℃时，二氧化碳的还原率（a）为19.09%；9 号煤层，1000℃时，二氧化碳的还原率（a）为17.6%，均属反应性弱煤。

2.5 煤类

4号煤层为中灰、低硫、中高发热量、高软化温度灰之肥煤、1/3焦煤、气煤。9号煤层为中灰、中硫、中高发热量、高软化温度灰之1/3焦煤、焦煤。

3 评价方法的选择

近几年，对于煤炭资源的质量和洁净煤评价有许多种不同的方案。袁三畏根据五项指标，将煤炭划分煤为三个等级;徐艳杰等人采用的五级划分方案［1］并应用于全国煤炭资源;王文峰等提出了煤中有害元素潜在污染综合指数的概念，并据此划分出四个等级［2-3］;唐书恒等采用四级分类法[4]，并著有《中国洁净煤地质研究》一书中；杨淑婷、唐跃刚等提出的六级划分方案[5]，在第四次全国煤炭资源潜力评价的山西省煤炭资源的评价中［6-7］应用了。

本文采用杨淑婷、唐跃刚等提出的六级划分方案对择善一号勘查区内稳定的全区可采煤层的煤炭资源进行洁净度评价，并对等级区域进行划分：

Ⅰ级是特好的洁净煤，综合指数为I≤0.174，该类煤以特低硫和特低灰煤为主，有害的微量元素小于等于分级的最高界限。

Ⅱ级是好的洁净煤，综合指数为0.174＜I≤0.347，该类煤以低硫和低灰煤为主，有害的微量元素小于等于分级的最高界限。

Ⅲ级是较好的洁净煤，综合指数为0.347＜I≤0.516，该类煤以低中硫分和低中灰分煤为主，有害微量元素小于等于分级的最高界限。

Ⅳ级是中等的洁净煤，综合指数为0.516＜I≤0.677，该类煤以中硫分和中灰分煤为主，有害微量元素小于等于分级的最高界限。

Ⅴ级是较差的洁净煤，综合指数为0.677＜I≤0.842，该类煤以中高硫分、中高灰分煤为主，有害微量元素小于等于分级的最高界限。

Ⅵ级是差的洁净煤，综合指数为I＞0.842，该类煤为高硫煤或高灰煤，或某种有害微量元素的含量大于其分级的最高界限。

微量元素的浓度限值及其标度分指数见表1。

表1 微量元素的浓度限值(μg/g)及其标度分指数

3.1 洁净煤等级评价

洁净煤评价，就是对煤中灰分（Ad）、硫分（S）以及煤中有害化学元素的危险性进行评估，其中灰分、硫分是进行洁净度评价的常规因素，煤中的有害元素As、Pb、Hg、Cd、Se、Cr、Co、Ni、Be、Mn、Sb、U、F、Mo、Th、Cl、Br 等17 种元素一般是洁净煤评价的常见化学元素。本文结合择善一号勘查区内钻孔的煤质分析结果，选出Ad、S、As、U、F、Cl、Th七项作为评价因素。勘查区内稳定的全区可采煤层为山西组4号煤层和太原组9号煤层，各煤层原煤评价元素见表2。

3.2 综合指数的计算

运用广义对比加权标度指数法对表2 中的数据进行计算和分析，计算出各钻孔煤层的综合指数，并由表1比对出对应的洁净等级。

表2 主要评价元素测试成果

3.3 洁净等级比例分布评价

山西组4 号煤层：10 个钻孔的煤层以中等的洁净煤Ⅳ级为主，所占比例为50%；其次为较好的洁净煤Ⅲ级，所占比例为30%；再次为差的洁净煤Ⅵ级，所占比例为20%（见图1）。

图1 山西组4号煤层钻孔洁净等级评价结果

太原组9号煤层:12个钻孔煤层的洁净等级以较好的洁净煤Ⅲ级为主，所占比例为42%；其次为差的洁净煤Ⅵ级，所占比例为33%；再次为中等洁净煤Ⅳ级，所占比例为25%（见图2）。

图2 太原组9号煤层钻孔洁净等级评价结果

3.4 洁净等级平面区域划分

在平面图的基础上，分别对4号和9号煤层洁净等级进行区域分布分析，结果如图3、图4所示。

图3 显示，4 号煤层以中等的洁净煤Ⅳ级为主，其次为较好的洁净煤Ⅲ级。从分布位置分析，较好的洁净煤Ⅲ级主要分布在本区西部和东部两翼；中等的洁净煤Ⅳ级所占面积最大，主要分布在本区北部和西南部，并贯穿勘查区中部以近NE 向；差的洁净煤Ⅵ级分布在南部钻孔Z101和ZX302连线附近，较差的洁净煤Ⅴ级在差洁净煤Ⅵ级外围小面积分布。4 号煤层洁净等级平面区域分布评价结果与其钻孔煤层洁净等级比例评价结果大体一致。

图4 显示，9 号煤层以较好的洁净煤Ⅲ级为主，其次为Ⅵ级差的洁净煤，Ⅲ级较好的洁净煤与Ⅵ级差洁净煤分布面积接近。从分布位置分析，Ⅲ级较好的洁净煤分布在本区西部及西南部，钻孔Z101、Z102、ZX303、ZX402、ZX201连线附近，中等的洁净煤Ⅳ级分布在较好的洁净煤Ⅲ级外围，差的洁净煤Ⅵ级分布在北部及东部，其分布区钻孔煤层灰分高，所以洁净度差。较差的洁净煤Ⅴ级在中等的洁净煤Ⅳ级和级差的洁净煤Ⅵ之间小面积分布。9 号煤层洁净等级平面区域分布评价结果与其钻孔点煤层洁净等级比例评价结果基本一致。

4 结论

根据钻探采样以及收集周边煤质资料，可确定4号煤层为中灰、低硫、中高发热量、高软化温度灰之肥煤、1/3焦煤、气煤。9号煤层为中灰、中硫、中高发热量、高软化温度灰之1/3焦煤、焦煤。

通过对勘查区内12个见煤钻孔的实际化验资料进行全面计算分析，并对勘查区主采煤层（4号、9号）进行洁净等级比例分布评价和洁净等级平面区域划分，得出：4 号煤层洁净等级为Ⅲ-Ⅵ级，以较好的洁净煤Ⅲ级和中等的洁净煤Ⅳ级为主，属中等—较好的洁净煤，勘查区大部为这两种洁净煤；9号煤层洁净等级为Ⅲ-Ⅵ级，以较好的洁净煤Ⅲ级和中等的洁净煤Ⅳ级为主，属中等—较好的洁净煤，主要分布在勘查区西南部和中部。总体来看，勘查区主采煤层洁净等级以较好的洁净煤Ⅲ级和中等的洁净煤Ⅳ级为主,4 号煤洁净程度略好于9号煤。