趙正威，李聰聰，包志洪，魏云迅

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一六一煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，烏魯木齊 830009；2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局，西安 710199)

煤炭作為我國(guó)能源生產(chǎn)和消耗的主體，這一局面短期內(nèi)無(wú)法扭轉(zhuǎn)，然而煤炭的開采和利用卻已經(jīng)成為我國(guó)環(huán)境污染的重要來(lái)源。在能源結(jié)構(gòu)和環(huán)保形式雙重壓力下，煤炭的清潔高效利用已然成了這一困局重要的解決方案[1-2]。淖毛湖礦區(qū)作為“西煤東運(yùn)”的主要礦區(qū)之一，圍繞該礦區(qū)優(yōu)質(zhì)的煤炭資源，目前有10余家大型煤化工企業(yè)入駐，重點(diǎn)加工生產(chǎn)蘭炭、煤焦油、甲醇/二甲醚等產(chǎn)品，并規(guī)劃煤炭分級(jí)提質(zhì)綜合利用項(xiàng)目。

前人對(duì)淖毛湖礦區(qū)的煤質(zhì)研究主要限于個(gè)別井田、勘查區(qū)的論述[3-5]，對(duì)礦區(qū)煤炭資源的化工利用特性進(jìn)行了初步探討[6-8]，但對(duì)整個(gè)礦區(qū)的煤層煤巖煤質(zhì)特征研究較少，暫未對(duì)整個(gè)礦區(qū)煤炭資源的液化、氣化特征及潔凈等級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)分析，系統(tǒng)分析礦區(qū)內(nèi)主采煤層的煤巖、煤質(zhì)特征，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤炭資源分質(zhì)分級(jí)和清潔高效利用具有指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

淖毛湖礦區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密地區(qū)伊吾縣城北，礦區(qū)跨越東準(zhǔn)噶爾界山褶皺帶及北天山地向斜褶皺帶的哈爾里克復(fù)背斜?？偟臉?gòu)造線方向?yàn)楸蔽?南東或北西西-南東東向。礦區(qū)北以煤層露頭為界，南以煤層埋深1 200m等深線為界，西以白石湖勘查區(qū)77勘探線以西1 500m無(wú)煤帶為界，東以推斷的區(qū)域大斷裂為界，礦區(qū)東西長(zhǎng)約59km，南北寬約12km，面積約440km2，資源/儲(chǔ)量64億t。礦區(qū)含煤地層為侏羅系下統(tǒng)八道灣組(J1b)，含煤1～6層，見(jiàn)可采、局部可采煤層1～4層。自下而上的順序編號(hào)為1-4號(hào)煤，其中1號(hào)煤層為礦區(qū)主采煤層。

淖毛湖礦區(qū)共劃分6個(gè)井(礦)田和1個(gè)勘查區(qū)，規(guī)劃建設(shè)總規(guī)模2 900萬(wàn)t/a。除一號(hào)勘查區(qū)未建井開采外，其余都已建井或正在開采。

2 煤巖煤質(zhì)特征

本次研究以淖毛湖礦區(qū)以往勘查鉆孔煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)下侏羅統(tǒng)八道灣組1號(hào)煤層進(jìn)行煤巖顯微組分鑒定、工業(yè)分析、全硫、灰成分分析、有害元素等煤巖、煤質(zhì)測(cè)試分析。

2.1 煤巖特征

淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層宏觀煤巖類型以半亮型煤及光亮型煤為主，顯微煤巖類型以微鏡煤-微鏡惰煤為主，微鏡煤次之，另有少量微泥質(zhì)煤。其顯微煤巖組成主要以有機(jī)質(zhì)組分的鏡質(zhì)組分為主，黏土礦物及惰質(zhì)組分次之，少量殼質(zhì)組。礦物組成主要為黏土礦物，黏土礦物呈浸染狀或薄層狀分布，大多充填于鏡質(zhì)組裂隙中，含少量硫化物，多為黃鐵礦細(xì)脈狀分布。碳酸鹽礦物為方解石脈。1號(hào)煤層鏡質(zhì)組反射率為0.28～0.42，平均為0.35，屬低變質(zhì)階段煤。

2.2 煤質(zhì)特征

(1)灰分(Ad)：淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層原煤灰分(Ad)產(chǎn)率為3.94%～27.45%,平均10.07%,浮煤灰分(Ad)灰分產(chǎn)率為3.64%～21.2%，平均6.11%。

淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層主要為特低灰煤,其次為低灰煤，少量中灰煤，洗選后，大部分灰分產(chǎn)率小于10%，以特低灰煤為主，其次低灰煤，極少數(shù)為中灰煤(圖1)。平面上，全區(qū)原煤灰分以特低灰煤占大面積，僅礦區(qū)北部灰分達(dá)到中灰；總體上，原煤灰分展布特征表現(xiàn)為由礦區(qū)南部向礦區(qū)北部灰分產(chǎn)率增大，由特低灰煤漸變至低灰煤、中灰煤(圖2)。浮煤灰分產(chǎn)率與原煤灰分產(chǎn)率具有高度正相關(guān)性，因而其總體分布規(guī)律與原煤相近，但灰分產(chǎn)率總體下降明顯。

圖1 1號(hào)煤層灰分、揮發(fā)分產(chǎn)率分布頻數(shù)直方圖Figure 1 Distribution frequency histogram of ash, volatile matter yields in coal No.1

圖2 1號(hào)煤層原煤灰分等值線圖Figure 2 Isogram of raw coal ash content in coal No.1

(2)揮發(fā)分(Vdaf)：淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層原煤揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率為44.06%～64.50%,平均50.71%(N=530)；浮煤揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率為43.17%～60.94%,平均50.09%(N=530)。

按MT/T 849-2000《煤的揮發(fā)分產(chǎn)率分級(jí)》，淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層原煤揮發(fā)分多大于50.0%，為特高揮發(fā)分煤，其次為高揮發(fā)分煤；浮選后揮發(fā)分產(chǎn)率略有降低，分布范圍與原煤近一致(圖1)。平面上，礦區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域原煤的揮發(fā)分大于50.0%分布于興盛露天礦、白石湖露天礦及英格瑪二號(hào)井田北部?？傮w上，淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層原煤揮發(fā)分變化不大，但呈現(xiàn)處由北向南變小的趨勢(shì)。

(3)硫分：淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層原煤全硫(St.d)含量為0.15%～3.98%,平均0.35%(N=527),浮煤全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11%～3.94%，平均0.26。按GB/T15224.1—2010《煤炭質(zhì)量分級(jí) 第二部分：硫分》中煤炭資源評(píng)價(jià)硫分分級(jí)，淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層原煤主要為特低硫煤，少部分為低硫煤，極少部分為中硫煤；洗選后，浮煤絕大部分為特低硫煤，零星為低硫煤。平面上，大部分區(qū)域硫分小于0.5%，硫分值大于1%的區(qū)域主要集中在在興盛露天礦北部，白石湖露天礦、英格瑪二號(hào)井田零星分布(圖3)。

淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層原煤中各形態(tài)硫?qū)θ蚝康呢暙I(xiàn)值以有利硫(So,d)為主，其次為硫化鐵硫(Sp,d)，硫酸鹽硫(Ss,d)貢獻(xiàn)值較低；浮煤中各形態(tài)硫與原煤基本一致。

(4)氫碳原子比(H/C)：淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層原煤氫碳原子比為0.79～0.98，主要分布在0.6～0.7之間，平均值為0.88；浮煤氫碳原子比為0.76～0.95，平均值為0.87；總體上以0.85～0.90為中心正態(tài)分布。平面上，礦區(qū)內(nèi)絕大部分區(qū)域氫碳原子比為0.85～0.90之間，僅在白石湖立井西部、興盛露天礦中部、英格庫(kù)勒二號(hào)井田北部相對(duì)較高；總體上，H/C由南向北有所增大(圖4)。

圖3 1號(hào)煤層硫分等值線圖Figure 3 Isogram of sulfur content in coal No.1

圖4 1號(hào)煤層H/C等值線圖Figure 4 Isogram of H/C in coal No.1

3 有害元素

煤中發(fā)現(xiàn)的元素超過(guò)80種，有20多種元素在開采、燃燒過(guò)程中的釋放會(huì)對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生危害，燃煤引發(fā)的有害元素污染、中毒事件屢見(jiàn)不鮮[9-11],故而有害元素的評(píng)價(jià)是煤炭清潔利用的前提之一。本次研究重點(diǎn)針對(duì)1號(hào)煤中氯、氟、砷元素含量進(jìn)行分析。

(1)氯(Cl)。氯元素在高溫反應(yīng)后形成HCl和Cl2會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕，對(duì)環(huán)境造成污染。淖毛湖礦區(qū)煤中氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.011%～0.405%，平均值為0.059%，按照MT/T 597—1996《煤中氯含量分級(jí)》，礦區(qū)內(nèi)A4煤以特低氯和低氯煤為主，低于中國(guó)煤的平均值，以特低氯煤為主，少量為低氯煤。

(2)氟(F)。氟是煤中揮發(fā)性較強(qiáng)的有害元素，在煤的開采及加工利用過(guò)程中，尤其是燃煤過(guò)程中釋放的氟易對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。整個(gè)礦區(qū)4號(hào)煤原煤氟含量測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，淖毛湖礦區(qū)煤中氟元素含量為21～173ug/g，絕大多數(shù)少于400ug/g；平均為61 ug/g，略高于中國(guó)煤的平均值，以低氟煤和中氟煤為主。

(3)砷(As)。砷作為Ⅰ類環(huán)境敏感元素,對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康危害極大,陜南曾因?yàn)槭褐械纳槲廴径l(fā)地方病[12-13]。數(shù)據(jù)顯示，淖毛湖礦區(qū)煤中砷元素含量為0～3ug/g，絕大多數(shù)小于4ug/g，平均為1.4ug/g，以低砷煤和中砷煤為主。

4 潔凈等級(jí)劃分

煤炭清潔潛勢(shì)劃分是煤炭分級(jí)、分質(zhì)、清潔高效利用的基礎(chǔ)之一。根據(jù)唐書恒等提出的煤炭清潔利用潛勢(shì)評(píng)價(jià)體系[14]，綜合灰分、全硫、氟、氯、砷等與煤炭清潔利用相關(guān)的多方面要素對(duì)其清潔利用潛勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)(表1)。

表1 潔凈煤等級(jí)劃分方案及評(píng)價(jià)因子

由于本區(qū)煤有害元素濃度均小于潔凈等級(jí)Ⅰ級(jí)的濃度限值，因此，本區(qū)只按照灰分和硫分來(lái)劃分煤的潔凈等級(jí)。當(dāng)灰分和硫分不一致時(shí)，以綜合評(píng)價(jià)等級(jí)差者為準(zhǔn)。A4煤潔凈等級(jí)劃分結(jié)果見(jiàn)表2，1號(hào)煤層原煤灰分平均值為10.07%，硫分平均值為0.35%，綜合評(píng)價(jià)潔凈等級(jí)為Ⅲ級(jí)，屬較好潔凈煤。1號(hào)煤層浮煤灰分平均值為6.11%，硫分平均值為0.26%，綜合評(píng)價(jià)煤層潔凈等級(jí)為Ⅱ，屬好潔凈煤。

表2 1號(hào)煤潔凈等級(jí)劃分結(jié)果

5 利用方式

我國(guó)GB/T 23251-2009《煤化工用煤技術(shù)導(dǎo)則》中對(duì)煤制油用煤優(yōu)化配置和合理規(guī)劃提出了要求，明確經(jīng)洗選后作為煉焦用的主要煉焦煤類不應(yīng)作為煤炭氣化、煤炭液化用煤，評(píng)價(jià)順序?yàn)榻够?、液化及氣化，?jīng)洗選后作為煉焦用的1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤等主要煉焦煤類應(yīng)進(jìn)行合理規(guī)劃和保護(hù)性開發(fā)利用。因此，評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮煤類是否適合煉焦用煤，再考慮液化用煤，最后考慮是否可以氣化。

按照氣化、液化特殊用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，首先確定煤類，淖毛湖礦區(qū)4號(hào)煤層以長(zhǎng)焰煤為主，屬于適合直接液化的煤類，進(jìn)一步對(duì)比《直接液化用原料煤技術(shù)條件》GB/T 23810-2009中煤質(zhì)技術(shù)要求和本次研究確定的煤炭直接液化的煤質(zhì)指標(biāo)體系，通過(guò)對(duì)A4煤揮發(fā)分、鏡質(zhì)組最大反射率、氫碳原子比、惰質(zhì)組含量及灰分等指標(biāo)(表3)，分析發(fā)現(xiàn)1號(hào)煤層原煤揮發(fā)分44.06%～64.50%，平均為50.71%，整體大于35%，鏡質(zhì)組最大反射率0.28～0.42，平均為0.35，整體小于0.65，氫碳原子比0.79～0.98，平均為0.88，全部大于0.75，而氫碳原子比是評(píng)價(jià)煤炭直接液化性能的重要指標(biāo)[12-13]，惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.60%～11.30%，平均為5.95，灰分3.94%～27.45%，平均為10.07%，綜合上述分析，淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層符合直接液化用煤的分級(jí)指標(biāo)，屬一級(jí)直接液化用煤(表3)。

表3 1號(hào)煤液化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

6 結(jié)論

(1)淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤層煤中有害元素富集度低，原煤以低灰、特低硫煤為主，原煤潔凈等級(jí)為Ⅲ級(jí)，浮選后灰分產(chǎn)率可降低至10%以下，其潔凈煤等級(jí)升至Ⅱ級(jí)。

(2)淖毛湖礦區(qū)1號(hào)煤的氫碳原子比高、揮發(fā)分產(chǎn)率高、惰質(zhì)組與灰分含量低，可作為直接液化用煤的原料，直接液化是淖毛湖礦區(qū)煤炭資源清潔高效利用選擇方向之一。