吳雙紅,張 琳,張慧利,景喜林,杜婉怡

(河南省航空物探遙感中心,河南鄭州 450053)

0 引 言

研究區(qū)位于豫北平原中部,地勢低平開闊,西南高東北低,平均海拔約60 m,區(qū)內基本為新生界覆蓋[1]。區(qū)域地質上屬于華北坳陷區(qū)南部內黃隆起的斷陷內,在河南省基巖(前新生界)地質圖中顯示為寒武系[2],同時在專家以往多次煤田預測中也均未發(fā)現(xiàn)有煤層賦存[3],因此,研究區(qū)沒有開展過與找煤相關的地震勘查及鉆探工作。2012年內黃隆起區(qū)進行地震概查時,通過地震勘查的“三邊”工作(即邊勘查施工、邊整理分析研究資料、邊調整修改設計),結合區(qū)域重力、磁法資料的綜合研究后,認為研究區(qū)有煤層賦存的可能,因此將一條概查地震測線延入?yún)^(qū)內,發(fā)現(xiàn)了疑似煤層的地震反射信息。經(jīng)過與專家多次論證,在研究區(qū)布設鉆孔進行驗證,于埋深1 362.58 m見煤,厚度8.29 m,地震資料解釋與鉆探深度誤差僅為0.06%,從而打破了研究區(qū)無煤賦存的認識。

通過后續(xù)的煤炭地質勘查工作,初步查明研究區(qū)主要含煤地層為石炭系太原組、二疊系山西組和上、下石盒子組[4-5],上石盒子組僅在局部保留底部砂巖,其上被剝蝕,煤系地層厚度126～400 m。鉆探揭露山西組二1煤層厚度1.81～8.29 m,平均可采厚度5.75 m,為研究區(qū)主要可采煤層[6],且煤層埋深較淺,該煤層層位穩(wěn)定,其他煤層均不可采或僅局部可采,初步估算研究區(qū)煤資源量12.5億t。由于是首次在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)煤層賦存,區(qū)內無鉆孔及煤的相關地質資料可供借鑒,因此為了指導研究區(qū)及周邊區(qū)域后續(xù)的地質勘查工作,對研究區(qū)進行煤質特征分析非常必要且急需。本文以主要可采煤層二1煤為研究對象,通過煤的物理性質、煤巖特征、化學性質及工藝特征,分析了其煤質特征。

1 煤的物理性質

二1煤為黑色,以粉狀為主[7],含少量塊狀及粒狀,玻璃及油脂光澤,局部似金屬光澤,半亮型～光亮型,階梯狀斷口。局部煤呈灰黑色,條痕黑色,成分以鏡煤居多,少量暗煤及絲炭,屬半暗型煤,光澤暗淡,條帶狀、線理狀結構,內生裂隙不發(fā)育,局部偶見黃鐵礦碎片。莫氏硬度2°～3°。粉、粒狀煤污手、質軟,煤芯疏松易碎[8]。煤的視密度1.37～1.57 t/m3,平均 1.41 t/m3;真密度 1.44 ～ 1.65 t/m3,平均 1.50 t/m3。

2 煤巖特征

二1煤的煤巖類型為半亮型～光亮型[9]。以亮煤為主,鏡煤及暗煤次之,夾絲炭薄層。研究區(qū)二1煤顯微鏡煤巖組分特征見表1。二1煤鏡煤最大反射率為1.63% ～2.55%。 煤變質程度煙煤為Ⅵ～Ⅶ,無煙煤為Ⅸ段。

表1 二1煤顯微鏡煤巖組分特征Table 1 Composition characteristic ofⅡ1coal petrography under microscope

二1煤層的有機物組分以鏡質組為主[10],惰質組次之,殼質組最少。在各煤類鏡質組中,以基質鏡質體(膠結絲質體碎片、半絲質體、粗粒體、孢子體等,少數(shù)被黏土礦物浸染)為主,其次是結構鏡質體,為結構鏡質體2(胞腔多受擠壓變形變小,部分拉長呈線狀,部分中空,部分被黏土充填),少數(shù)均質鏡質體、團塊鏡質體、碎屑鏡質體。惰質組以絲質體為主,主要為火焚絲質體(胞腔多中空,多破碎呈星狀結構),氧化絲質體較破碎呈帶狀;其次半絲質體;少數(shù)碎屑惰質體、粗粒體、微粒體等;惰質組多被基質鏡質體膠結。殼質組以孢子體為主,被基質鏡質組膠結。無機質礦物中,主要以黏土礦物為主,呈團塊狀、條帶狀、浸染狀、充填胞腔狀,充填于有機質中;含微量碳酸鹽,未見氧化物,偶見粒狀、微粒狀黃鐵礦。

3 煤的化學性質

3.1 工業(yè)分析

通過對煤進行工業(yè)分析,分析結果對實際工作有指導作用[11]。本區(qū)內煤的工業(yè)分析如下：

二1煤Mad為0.50% ～4.02%,平均 1.17%;浮煤水分為 0.35% ～3.42%,平均 0.92%。

二1煤原煤灰分產率兩極值為 8.89% ～25.49%,平均18.24%;經(jīng)分選后二1煤浮煤回收率40.89%,灰分有所下降,灰分為 5.69% ～11.86%,平均8.02%,灰分平均下降56.03%。依據(jù) GB/T 15224.1—2010《煤炭質量分級 第1部分：灰分》標準分級,二1煤為中低、特低灰煤。

二1煤原煤Vdaf為 10.06% ～ 24.67%,平均17.50%;浮 煤Vdaf為 6.79% ～ 23.68%,平 均15.93%。依據(jù)MT/T 849—2000《煤的揮發(fā)分產率分級》,二1煤為特低～中等揮發(fā)分煤。

焦渣特征(1—8)：無煙煤為粉狀,貧煤為粉狀～弱黏性,貧瘦煤為弱黏性～不膨脹熔融黏結,焦煤為不膨脹～微膨脹熔融黏結。

煤的Mt為 3.80%,依據(jù) MT/T 850—2000《煤的全水分分級》標準分級,二1煤屬特低全水分煤。

二1煤浮煤FCd均高于原煤,浮煤FCd為71.97% ～ 85.83%,平 均 77.34%;原 煤FCd為56.12% ～ 79.60%,平 均 67.50%。 依 據(jù) MT/T 561—2008《煤的固定碳分級》,二1煤屬中等、中高固定碳煤。

3.2 元素組成

3.2.1 煤的元素分析

二1煤煤樣的原、浮煤元素分析見表2。原煤與浮煤元素組成以碳元素為主,含量約90%,含少量O、H、N和微量P。經(jīng)分選后,無煙煤、貧瘦煤碳元素含量基本不變,焦煤稍有下降;無煙煤、貧瘦煤O含量稍有增大,焦煤稍有下降;除無煙煤H含量稍有下降外,貧瘦煤、焦煤基本不變;N、P含量變化不大。

3.2.2 硫分(St,d)

二1煤中全硫及形態(tài)硫分析見表3。根據(jù)GB/T 15224.2—2010《煤炭質量分級 第2部分：硫分》對煤層硫分分級,二1煤層無煙煤、貧煤全硫含量為0.26% ～ 0.30%,平均 0.28%,為特低硫煤;貧瘦煤、焦煤全硫含量為 0.19% ～0.85%,平均 0.43%,為特低硫、低硫煤。從形態(tài)硫分類來看,二1煤以硫鐵礦硫和有機硫為主,含少量硫酸鹽硫;經(jīng)分選后,二1煤含微量硫酸鹽硫。

表2 二1煤元素分析Table 2 Ultimate analysis ofⅡ1coal %

表3 二1煤硫分分析Table 3 Sulfur content analysis ofⅡ1coal %

3.2.3 有害元素及稀有元素

1)二1煤中有害元素

二1煤層中分別對原煤和浮煤測定了磷、鉛、氯、氟、砷等。 磷含量0 ～0.09%,平均 0.03%,屬特低～中磷煤,分選后浮煤磷含量大部分下降;鉛含量12 ～31 μg/g,平均 21.40 μg/g,屬中、低鉛煤,分選后鉛含量下降;氯含量 0.01% ～0.08%,平均0.06%,屬低氯、特低氯煤;氟含量42 ～130 μg/g,平均83.30 μg/g,屬低氟、特低氟煤,分選后氟含量下降近 40%;砷含量 1 ～3 μg/g,平均 1.65 μg/g,屬一級含砷煤,分選后浮煤砷含量下降。

2)二1煤層伴生有益元素

二1煤層中分別對原煤和浮煤測定了鍺、鎵有益元素。 鍺含量 0 ～1 μg/g,平均 0.24 μg/g,屬低鍺煤。 鎵含量 5 ～12 μg/g,平均 8.41 μg/g。

3)煤層頂、底板及夾矸有害元素

二1煤層結構簡單,僅兩孔分別見到厚度為0.32、0.37 m 的夾矸,煤層頂、底板多數(shù)為灰黑色泥巖,其灰分在75% ～91%。測試結果顯示煤層頂、底板有害元素含量均比較低,只有氟元素含量較高,所以在開采時要采取適當措施,盡量減少有害元素對環(huán)境的污染[12-13]。

綜上,二1煤層及頂、底板、夾矸中有害元素較低,對煉焦及配焦用煤各項工業(yè)指標影響不大。

4 煤的工藝性能

4.1 發(fā)熱量

二1煤的發(fā)熱量測定結果見表4。二1煤原煤干燥基高位發(fā)熱量(Qgr.d)為 26.06 ～32.39 MJ/kg,平均 28.65 MJ/kg。 低位發(fā)熱量(Qnet.d) 為 25.70 ～31.74 MJ/kg,平均 28.12 MJ/kg。 浮煤發(fā)熱量較原煤都有所提高,且提高比例＞10%。依據(jù) GB/T 15224.3—2010《煤炭質量分級 第3部分：發(fā)熱量》,二1煤為高發(fā)熱量煤。

4.2 煤灰成分與煤灰熔融性

二1煤的煤灰含量詳見表5。二1煤煤灰成分根據(jù) 含 量 大 小 依 次 是 SiO2、Al2O3、Na2O、CaO、Fe2O3、SO3、MgO、TiO2、 K2O、MnO2,以 SiO2和 Al2O3為主,兩者含量75.76%,其次是 Na2O,含量15.50%。

表4 發(fā)熱量測試分析Table 4 Calorific value evaluation and analysis MJ/kg

表5 二1煤的煤灰分析Table 5 Ash analysis ofⅡ1coal %

煤灰熔融性主要用于固態(tài)排渣鍋爐和氣化爐的設計,只能定性說明灰的熔化溫度范圍,而不能反映灰渣在熔化時的特性[14]。二1煤的煤灰熔融性軟化溫度(ST)、流動溫度(FT)、變形溫度(DT)、半球溫度(HT)均大于1 500℃,根據(jù) MT/T 853.1—2000《煤灰軟化溫度分級》,ST＞1 500℃屬高軟化溫度灰,根據(jù)MT/T 853.2—2000《煤灰流動溫度分級》,FT＞1 500℃屬高流動溫度灰。

二1煤無煙煤的黏結指數(shù)(GR.I)為0,焦渣特征1,焦塊粉狀;二1煤貧煤的黏結指數(shù)(GR.I)為0,膠質層最大厚度Y值為0,焦渣特征3,焦塊粉狀;二1煤貧瘦煤的黏結指數(shù)(GR.I)為5～18,焦渣特征3～5;二1煤焦煤的黏結指數(shù)(GR.I)為68～94,膠質層Y值為12～20 m,焦渣特征5～6,焦塊部分熔合—完全溶合。根據(jù)MT/T 596—2008《煙煤黏結指數(shù)分級》,二1煤層無煙煤、貧煤屬無黏結煤,貧瘦煤屬微黏結煤,焦煤屬中、強黏結煤。

5 煤類的確定

依據(jù)GB/T 5751—2009《中國煤炭分類》,以浮煤Vdaf和GR.I作為主要判定指標,以Y為輔助指標,確定本區(qū)各煤層煤類,參數(shù)見表6。

6 結 論

1)研究區(qū)主要發(fā)育二疊系下統(tǒng)山西組二1煤,全區(qū)可采,厚度較穩(wěn)定。

2)煤巖類別為無煙煤、貧煤、貧瘦煤和焦煤,在研究區(qū)內由西南向東北分布,多以粉狀為主,塊狀次之,粒狀、層狀少許。

表6 煤的分類指標分析測試參數(shù)Table 6 Testing parameters for the analysis of indicators of coal classification

3)煤質以低中灰、高發(fā)熱量、特低硫～低硫、特低～中磷為特征,煤灰熔融性屬高軟化溫度灰和高流動溫度灰。

4)無煙煤、貧煤屬無黏結煤,貧瘦煤屬微黏結煤,焦煤屬中、強黏結煤。

5)二1煤層的焦煤和貧瘦煤可作為煉焦用煤,無煙煤和貧煤可作民用和動力用煤。

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