張磊，呂大煒，馮婷婷

（山東科技大學(xué)地質(zhì)學(xué)院，山東青島266590）

兗州煤田鮑店煤礦煤質(zhì)分析

張磊，呂大煒，馮婷婷

（山東科技大學(xué)地質(zhì)學(xué)院，山東青島266590）

兗州煤田是華北地區(qū)重要的煤炭生產(chǎn)基地，以往主要側(cè)重于3煤的煤質(zhì)分析與研究，系統(tǒng)地分析其他煤層的煤質(zhì)相對(duì)較少。為了全面了解該礦煤質(zhì)指標(biāo)，采用煤地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)等方法，通過采樣、測(cè)試以及分析，對(duì)其水分、發(fā)熱量、灰分和灰成分、硫分、揮發(fā)份和主要元素進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：煤層自上而下灰分含量逐漸降低，硫分含量逐漸增高，揮發(fā)份含量逐漸加大；18上為中灰煤，其余煤層為低灰煤；太原組煤層富硫，山西組煤層低硫；各煤層均為中高發(fā)熱量；山西組煤層的水分含量略高于太原組。太原組與山西組的煤層均屬氣煤，太原組煤層較山西組略偏肥煤。

兗州煤田；鮑店煤礦；煤質(zhì)；灰分

關(guān)于山東煤田，前人做了許多研究，劉桂建［1］等對(duì)山東淄博煤田的腐泥煤與腐植煤樣品的水分、硫含量、發(fā)熱量、灰產(chǎn)率及灰成分、微量元素等進(jìn)行了分析測(cè)試和對(duì)比研究，區(qū)分了腐泥煤與腐植煤的地球化學(xué)特征。曾榮樹［2］等研究了魯西含煤區(qū)中部新汶和肥城煤田煤的巖石學(xué)、煤化學(xué)、煤礦物學(xué)和煤地球化學(xué)特征。

兗州煤田是華北地區(qū)重要的煤炭生產(chǎn)基地，目前主要是以山西組3煤為主采煤層，隨著煤炭開采的進(jìn)行以及煤炭條件需求，需要對(duì)整體含煤地層的煤質(zhì)進(jìn)行綜合分析，以確定不同層煤的工業(yè)利用價(jià)值，為此，本文以兗州鮑店煤礦含煤地層所有煤層煤質(zhì)特征進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析，其目的是為煤炭資源的合理開發(fā)、綜合利用、環(huán)境保護(hù)提供重要參數(shù)。

1地質(zhì)背景

鮑店煤礦位于山東省鄒城、兗州市境內(nèi)，東距鄒城市10.5 km，北距兗州市13 km，處于兗州煤田中部，面積35.2 km2（圖1）。煤礦內(nèi)含煤地層主要為晚古生代山西組和太原組（圖2）。山西組煤層主要為河控淺水三角洲成因，以泥巖、砂巖和煤層組成，其中發(fā)育厚度大且穩(wěn)定可采的3煤（3上、3下煤）和局部可采的2煤。太原組煤層主要為陸表海環(huán)境成因，由深灰-灰黑色泥巖、粉砂巖、細(xì)至中粒砂巖、石灰?guī)r和薄煤層互層組成。太原組含煤22層，其中16上、17煤為穩(wěn)定可采煤層，6和18上煤為局部可采煤層，其余煤層均為不可采煤層。本文主要以3、16上、17煤為主采煤層進(jìn)行分析。

2煤質(zhì)特征

2.1采樣

如圖2所示，主采煤層3、16上、17為井下采樣，共采煤樣33個(gè)。3上煤采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為8，3煤與3下煤采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為7，16上煤采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為8、17煤采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為10。其余煤層均為鉆孔采樣。

2.2測(cè)試

煤層的煤質(zhì)數(shù)據(jù)來自煤層樣品測(cè)試數(shù)據(jù)的算術(shù)平均。煤樣的水分、灰分和揮發(fā)分依據(jù)GB/T 212-2008測(cè)定，全硫分采用庫(kù)倫測(cè)硫儀測(cè)定，煤灰成分分析依據(jù)GB/T 1574-2007測(cè)定，其中Al、Fe、Ga、Mg以EDTA絡(luò)合滴定；Si以分光光度法測(cè)定。測(cè)試工作在山東省沉積成礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

2.3結(jié)果與討論

各煤層煤質(zhì)特征統(tǒng)計(jì)表如表1所示，煤層灰分成分含量如表2所示，煤的元素含量如表3所示。具體分析結(jié)果如下。

2.3.1工業(yè)分析結(jié)果

①水分。煤層中水分含量為0.69%～5.80%，最大值5.80%出現(xiàn)在煤層2中。煤層中水分含量為2.27%～1.68%。山西組的水分含量略高于太原組。根據(jù)煤的全水分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（MT/T850-2000）可得，山西組與太原組均屬于特低全水分煤。

②發(fā)熱量。煤層中發(fā)熱量為22.83～35.01 MJ/ kg。煤層發(fā)熱量平均值均高于標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量（29.27 MJ/kg）。根據(jù)煤炭發(fā)熱量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 15224.3-2010）可得，山西組與太原組均屬于特高發(fā)熱量煤。

③灰分和灰成分?；曳殖?8上層煤含量較高外（平均23.60%），其余煤層平均值為12.40%～18.84%。自上而下灰分有逐漸降低（除18上煤外）的趨勢(shì)，即山西組煤的灰分高于太原組。（表1）根據(jù)煤炭灰分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T15224.1-2010）可得，18上煤屬于中灰煤，其余為低灰煤。

各煤層灰成分均屬酸性化學(xué)物，其灰碴呈酸性。煤灰成分主要包括SiO2、Al2O3以及Fe2O3、CaO、MgO和少量其他氧化物。太原組各煤層灰成分含量低于山西組（表2）。

④硫分。跟據(jù)煤炭硫分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T15224.2-2010）可得，山西組煤層平均含量位為0.51%～1%，屬低硫煤。太原組煤層6，16上，17，18上的硫分平均含量均大于3.00%，屬高硫煤。在平面分布（橫向上）含硫份變化很小，在垂向上的總趨勢(shì)為由上而下含硫份增高。

表1　各煤層工業(yè)分析統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of coal seam proximate analytic results

表2　煤灰成分統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of coal ash compositions

⑤揮發(fā)分。山西組的2，3上和3煤的揮發(fā)份平均值為40.02%，37.64%，37.72%，太原組的煤均大于40%，煤層6，16上，17，18上的揮發(fā)份平均值為43.01%，43.97%，43.57%，43.85%。即由上而下呈逐漸增大的規(guī)律。這種隨煤變質(zhì)程度的加深而揮發(fā)份反而增大的反希爾持定律現(xiàn)象，主要是由于太原組和山西組成煤環(huán)境不同，鏡質(zhì)組含量不同所導(dǎo)致。

2.3.2元素測(cè)試

①碳。是煤中有機(jī)質(zhì)的主要成分，也是煤中含量最多的元素，平均含量為82.38%，煤層的碳元素含量為81.60%～83.33%。根據(jù)GB/T212-2008煤的工業(yè)分析方法可得，煤層均屬高固定碳煤。

②氫。各煤層中氫的含量比較穩(wěn)定，平均變化為5.49%～5.80%，煤層氫元素含量為5.49%～5.80%。其中18上、17和2煤中氫含量略高，而3上和3煤含量相對(duì)較低，主要是其中絲質(zhì)組含量較高引起的，因此煤化程度較深。

③氮。各煤層中氮的含量也很穩(wěn)定，煤層氮元素為1.38%～1.50%，上組煤層略高于下組煤層，故煤化程度較淺。

表3　各煤層的主要元素分析Table 3 Analysis of coal seam main elements

3成煤環(huán)境對(duì)煤質(zhì)影響

煤巖煤質(zhì)受到原始沉積環(huán)境影響很大。研究發(fā)現(xiàn)，本區(qū)屬于華北晚古生代陸表海盆地沉積型煤田，煤層煤質(zhì)特征主要是兩種類型（圖3），一種是晚石炭世下陸表海環(huán)境下形成煤層（太原組煤層6、16上、17和18上），在晚石炭世，泥炭沼澤往往在潮坪環(huán)境或障壁-潟湖環(huán)境基礎(chǔ)上發(fā)育。由于海平面相對(duì)下降，潮坪帶逐漸沼澤化或潟湖逐漸淤淺沼澤化，從而使沼澤發(fā)育，植物茁生，形成泥炭沼澤環(huán)境，最終形成煤層。但潮坪沼澤往往由于下一次海進(jìn)開始而使沼澤發(fā)育停止，海進(jìn)常表現(xiàn)出“突發(fā)性”特點(diǎn)，即早期發(fā)育的泥炭沼澤被突發(fā)性侵入的海水淹沒，泥炭被保存。井田內(nèi)含煤地層中的十下灰與16上煤、十一灰與17煤、八灰與14煤、九灰與15上煤等都屬這類沉積環(huán)境成因。上石灰統(tǒng)中的煤層雖然較薄但分布范圍較廣，具有層位對(duì)比意義。這種類型煤層灰分產(chǎn)率較低、硫份較高，氫含量較高，鏡質(zhì)組含量較高，反應(yīng)成煤環(huán)境處于較穩(wěn)定且受海水侵?jǐn)_的濱海泥炭沼澤范圍內(nèi)。

圖3　沉積環(huán)境分析圖Figure 3 Sedimentary environmental analysis chart

第二種煤層為早中二疊世山西組煤層（2煤、3上和3煤），這種類型煤層形成于三角洲沉積環(huán)境內(nèi)，這種三角洲總體表現(xiàn)為河控淺水三角洲特征，即三角洲平原比較發(fā)育，而三角洲前緣和前三角洲不甚發(fā)育。因此，在魯西廣大地區(qū)發(fā)育的3層煤即是在分流間沼澤基礎(chǔ)上，由于三角洲逐漸進(jìn)入廢棄階段而使沼澤范圍擴(kuò)大，形成了厚度大且較為穩(wěn)定的可采煤層。但由于三角洲平原上分流河道發(fā)育，分支擺動(dòng)頻繁，使得分流河道活動(dòng)的地段成煤條件不好，或根本不具成煤條件；又由于分流河道的擺動(dòng)、三角洲體系的逐漸向盆地方向推進(jìn)，使沼澤發(fā)育區(qū)移動(dòng)或發(fā)生環(huán)境改變，因而煤層在空間上表現(xiàn)出“分岔”或“合并”現(xiàn)象。亦即，在環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定期，三角洲體系演化過程中，沼澤相對(duì)穩(wěn)定發(fā)育區(qū)就形成了厚度大，煤質(zhì)好的煤層，而在那些分流河道改道頻繁的區(qū)域，煤層往往相對(duì)較薄，且呈現(xiàn)分岔現(xiàn)象。井田內(nèi)2煤、3煤及3下和3上煤層“Z”字型分岔、合并，即因三角洲平原分流河道及沼澤環(huán)境改變的結(jié)果。因此，煤層灰分產(chǎn)率相對(duì)較高，鏡質(zhì)組含量較低，H含量較低，硫份相對(duì)較低。

4結(jié)論

山西組與太原組煤揮發(fā)分平均含量均大于37%，根據(jù)中國(guó)煤炭分類GB/T 5751-2009，太原組與山西組的煤層均屬氣煤，太原組煤層較山西組略偏肥煤。自上而下灰分含量逐漸降低，硫分含量逐漸增高，揮發(fā)份含量逐漸加大。18上為中灰煤，其余煤層為低灰煤。太原組煤層富硫，山西組煤層低硫。并由此推測(cè)太原組煤層可能是在濱海三角平原環(huán)境或淺海沉積條件下形成的。

各煤層均高于標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量，為中高發(fā)熱量。山西組煤層的水分含量略高于太原組，均屬低水分煤。山西組煤層的發(fā)熱量略低于太原組。山西組煤層的灰分和灰成分含量均高于太原組。煤灰成分主要包括SiO2、Al2O3以及Fe2O3、CaO、MgO和少量其他氧化物。

［1］程偉，楊瑞東，崔玉朝，等.貴州畢節(jié)地區(qū)晚二疊世煤質(zhì)特征及其成煤環(huán)境意義［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，87（11）：1763-1777.

［2］劉桂建，楊萍，彭子成，等.淄博煤田共生腐泥煤與腐植煤化學(xué)組成對(duì)比［J］.地質(zhì)地球化學(xué)，2003，31（1）：23-27.

［3］曾榮樹，莊新國(guó)，楊生科.魯西含煤區(qū)中部煤的煤質(zhì)特征［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)（原中國(guó)煤田地質(zhì)），2000，12（2）：10-15.

［4］Guijian Liu，Liugen Zheng，Lianfen Gao，Haoyuan Zhanga，Zicheng Penga，b.The characterization of coal quality from the Jining coalfield.Energy 30（2005）1903-1914.

［5］朱建剛，陳荔荔，王永麗，等.鳳陽(yáng)山礦區(qū)太原組和山西組煤質(zhì)特征分析［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，31（2）：75-78.

［6］唐躍剛，程愛國(guó)，王海生，等.山西省太原組和山西組煤質(zhì)特征分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（7）：10-15.

［7］曾榮樹，趙杰輝，莊新國(guó).貴州六盤水地區(qū)水城礦區(qū)晚二疊世煤的煤質(zhì)特征及其控制因素［J］.巖石學(xué)報(bào)，1998，14（4）：549-558.

Analysis of Coal Quality and Its Impacts on Coal-forming Environment in Baodian Coalmine，Yanzhou Coalfield，North China

Zhang Lei，Lu Dawei and Feng Tingting
（College of Earth Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590）

The Yanzhou coalfield is a major coal production base in North China.In the past，studies were mainly focused on coal quality analysis of coal No.3，while relatively small systematic analysis on other coal seams.In order to comprehensively understand coal quality indices in the coalmine，coal geological and geochemical methods have been used.Through sampling，testing and analysis，studied moisture，calorific value，ash content and composition，sulfur，volatile matter and main elements.The studies have found that from top to bottom of coal seams，ash content gradually decreasing；sulfur and volatile matter contents gradually increasing.Only coal No.18U is medium ash content coal，others are low-medium ash content coal seams.Taiyuan Formation coal seams are sulfur rich，while Shanxi Formation sulfur low.All coal seams have medium-high calorific values.Moisture content in Shanxi Formation coal seams is a little higher than in Taiyuan Formation coal seams.Coal rank of all coal seams belongs to gas coal，but coal seams in Taiyuan Formation are little biased to fat coal than in Shanxi Formation.

Yanzhou coalfield；Baodian coalmine；coal quality；ash content

P168.11

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.02

1674-1803（2016）09-0010-04

國(guó)家自然基金項(xiàng)目（41202070）和山東省自然科學(xué)基金（ZR2015JL016）共同資助

張磊（1995—），男，山東科技大學(xué)地質(zhì)工程本科。

2016-02-23

責(zé)任編輯：宋博輦