魏云迅 李聰聰 喬軍偉 杜芳鵬 塵福艷 譚富榮 雒 錚

(1.中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，陜西省西安市，710199；2.陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心，陜西省西安市，710054；3.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇省徐州市，221008)

煤炭是我國最具優(yōu)勢的能源資源，也是重要的工業(yè)原料。在相當(dāng)一段時期，煤炭仍然是我國的基礎(chǔ)能源?！睹禾抗I(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》描繪出集約、高效的現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系的藍(lán)圖，安全綠色、清潔高效的開發(fā)與利用方式正逐漸完善[1]。

本文在分析神府礦區(qū)主采煤層煤巖、煤質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，討論了灰分、揮發(fā)分、硫分、發(fā)熱量和有害微量元素的分布規(guī)律，依據(jù)最新煤炭資源潛力評價提出的煤炭潔凈等級劃分方案[2-5]，對礦區(qū)主要煤層的煤炭資源潔凈等級進(jìn)行了劃分，梳理了前人關(guān)于煤炭開采對環(huán)境影響的研究[6-8]，提出了合理的綠色開發(fā)建議，對加快實現(xiàn)煤炭資源的清潔高效利用具有一定指導(dǎo)意義。

1 礦區(qū)概況

神府礦區(qū)是我國重要的煤炭資源和煤化工產(chǎn)業(yè)基地，煤炭資源豐富，開發(fā)程度高，煤類主要為低變質(zhì)的長焰煤、不黏煤，具有發(fā)熱量高、低灰、低硫和高揮發(fā)分等特點(diǎn)[9]。礦區(qū)位于陜西省最北端神木、府谷兩縣境內(nèi)，共劃分為2個開采區(qū)、12個井田、1個預(yù)留區(qū)。

神府礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣，構(gòu)造單元處于神府礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡區(qū)的東勝-靖邊斜坡的東緣中部。含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，屬內(nèi)陸湖泊三角洲沉積[9]。區(qū)內(nèi)含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，共含7層煤，其中4-2煤層不可采，1-2煤層零星可采，2-2和3-1煤層大部可采，3-2煤層局部可采，4-3和5-2煤層全區(qū)可采，各可采煤層單層厚度1.10～6.29 m，平均1.25～4.45 m，不含夾矸，屬穩(wěn)定性中厚層煤。

2 煤巖煤質(zhì)特征

2.1 煤巖特征

整理分析已有地質(zhì)勘查資料，結(jié)合前人研究成果[10-11]發(fā)現(xiàn)，神府礦區(qū)各煤層煤的鏡質(zhì)體平均最大反射率為0.51%～0.62%，屬于低階煙煤；各煤層宏觀煤巖組分以暗煤為主，亮煤次之，含少量鏡煤和絲炭，宏觀煤巖類型以半暗—半亮型煤為主。煤巖顯微組分體積分?jǐn)?shù)88.5%～97.8%，以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，殼質(zhì)組含量較低；礦物體積分?jǐn)?shù)0.2%～4.8%，以黏土類為主，其次為碳酸鹽類、硫化物類礦物。

2.2 煤質(zhì)特征

2.2.1 灰分(Ad)

神府礦區(qū)各煤層原煤灰分產(chǎn)率為1.47%～43.02%，平均為8.48%(N=2161)(N表示樣本數(shù)量，下同)，集中分布在5%～10%，主要為低灰分煤，低中灰煤、特低灰煤次之，各煤層間差異較小，僅郭家灣、檸條塔井田個別點(diǎn)的4-2、5-2煤層為中高灰煤，為30%～40%。浮選后，各煤層灰分產(chǎn)率均大幅下降，為1.02%～9.63%，平均為3.69%(N=2139)。

4-3和5-2煤層的原煤灰分等值線圖見圖1。對比發(fā)現(xiàn)其分布規(guī)律基本一致，即礦區(qū)東區(qū)北部及西區(qū)南部原煤灰分產(chǎn)率較低，但5-2煤層的原煤灰分產(chǎn)率在礦區(qū)中部有明顯富集區(qū)。

圖1 神府礦區(qū)主要可采煤層原煤灰分等值線圖

2.2.2 揮發(fā)分(Vdaf)

神府礦區(qū)各煤層原煤揮發(fā)分產(chǎn)率為20.79%～52.74%，平均為36.42%(N=2154)，集中分布在28%～50%，主要為中高揮發(fā)分、高揮發(fā)分煤，各煤層間差異較小。浮選后，各煤層揮發(fā)分產(chǎn)率未發(fā)生明顯變化，為24.62%～47.99%，平均為36.11%(N=2117)。

2.2.3 硫分(St,d)

神府礦區(qū)各煤層原煤全硫含量為0.05%～2.46%，平均為0.33%(N=2113)，其中絕大部分小于0.5%(N=1940)，為特低硫煤，僅2個樣品超過2.0%。浮煤全硫含量為0～0.65%，平均為0.23%(N=787)。礦區(qū)中部硫分含量相對較高，南部和北部低，如圖2所示。垂向上，硫分含量變化較小。形態(tài)硫分析表明，特低、低硫煤基本以有機(jī)硫為主、硫化鐵硫次之；中-高硫煤則以硫鐵礦硫為主、有機(jī)硫次之，易于浮選。

2.2.4 發(fā)熱量(Qgr,d)

礦區(qū)各煤層原煤干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,d)為13.8～33.60 MJ/kg，平均為29.25 MJ/kg(N=1090)，屬高熱值煤。平面上，大體有從郭家灣井田向榆家梁井田增大的趨勢。

2.2.5 有害元素

煤中有害微量元素的研究是潔凈煤地質(zhì)研究的重要內(nèi)容，本文主要統(tǒng)計分析神府礦區(qū)各煤層的氟、氯、砷和鉛的干燥基含量。

(1)氟(F)。氟是煤中揮發(fā)性較強(qiáng)的有害元素，在煤的開采、加工利用及燃煤過程中釋放的氟易對環(huán)境造成巨大污染。礦區(qū)各煤層原煤氟含量測試數(shù)據(jù)顯示，氟含量為4～630 μg/g，平均為64.59 μg/g(N=920)，以特低氟煤為主，低氟煤次之。高氟煤(氟含量>200 μg/g)樣品點(diǎn)為30個，占比為3%，主要分布在沙溝岔及石窯店的5-2煤層中。各煤層原煤經(jīng)洗選后降為特低氟煤，表明其主要賦存在無機(jī)礦物中。

(2)氯(Cl)。礦區(qū)各煤層原煤氯含量為0.001%～0.224%，平均值為0.02%(N=929)，其中特低氯煤(氯含量≤0.05%)占比為91.9%，低氯煤(0.05%～0.15%)占比為7.8%，僅2個樣品點(diǎn)的氯含量大于0.15%，分布于檸條塔井田3-1煤層中。垂向上，下部煤層中氯含量高于中、上部煤層，因為氯在溫濕氣候的泥炭層中具有較強(qiáng)運(yùn)移能力。浮選后，各煤層氯含量均有所增大，表明其主要賦存在有機(jī)礦物中。

圖2 神府礦區(qū)主要可采煤層硫分等值線圖

(3)砷(As)。砷作為Ⅰ類環(huán)境敏感元素，對生態(tài)環(huán)境和人體健康危害極大。礦區(qū)內(nèi)各煤層原煤砷含量為0～22 μg/g，平均為1.52 μg/g(N=869)，96.67%的樣品原煤砷含量≤4.0 μg/g，屬一級含砷煤；僅29個樣品的原煤砷含量大于4.0 μg/g，為二級含砷煤，零星分布于郭家灣、石窯店、榆家梁、三道溝井田。浮選后，各煤層砷含量明顯降低，表明其主要賦存在無機(jī)礦物中。

3 潔凈煤等級劃分

《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出要推進(jìn)煤炭分質(zhì)分級梯級利用和煤炭清潔高效利用，而無論從煤炭的燃料還是原料角度出發(fā)，煤炭潔凈等級劃分都是基礎(chǔ)工作之一。根據(jù)唐書恒[12]等提出的煤炭潔凈等級評價體系，結(jié)合前人方案[3-5]，確定潔凈煤等級6級劃分方案，如表1所示，再綜合灰分、全硫、氟、氯、砷等與煤炭清潔利用相關(guān)的要素對神府礦區(qū)各主要煤層進(jìn)行劃分，結(jié)果如表2所示。

表1 潔凈煤等級劃分方案

表2 神府礦區(qū)主要煤層潔凈等級劃分結(jié)果

通過對各煤層灰分、全硫、氟、氯、砷含量的統(tǒng)計，對照6級劃分方案，并采用“就高不就低”原則，神府礦區(qū)各主要煤層原煤潔凈等級為Ⅱ級，屬較好潔凈煤；浮選后大多達(dá)到Ⅰ級，僅5-2煤層受Cl含量影響其潔凈等級仍為Ⅱ級。但一般認(rèn)為，煤中氯含量小于0.15%是安全的[13]。

4 綠色開發(fā)建議

神府礦區(qū)主要可采煤層潔凈等級較高，煤中有害元素富集度較低，適合采用地下氣化、直接液化等綠色開發(fā)技術(shù)。但目前由于煤炭開發(fā)產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀問題不可忽視。

4.1 主要地質(zhì)環(huán)境問題

煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)會產(chǎn)生一系列地質(zhì)環(huán)境問題，這引起眾多科研工作者的注意。錢鳴高、繆協(xié)興等[14-15]研究了綠色礦山建設(shè)技術(shù)；虎維岳[16]對深部煤炭開采的礦山地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，提出了深部煤層資源地質(zhì)條件勘探、開采過程中地質(zhì)災(zāi)害、礦井水害、瓦斯災(zāi)害、熱害等方面需解決的關(guān)鍵問題；范立民2014年提出了“煤炭開采強(qiáng)度”的概念，研究了煤炭開采與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的關(guān)系，指出了適度開發(fā)的合理建議[6-7]；譚學(xué)玲等[17]基于2005-2016年12期MOD13Q1數(shù)據(jù)，采用像元二分法、線性回歸趨勢線法和地形面積差異修正系數(shù)等方法，研究榆神府礦區(qū)植被覆蓋度的時空分布特征和變化趨勢，并結(jié)合地形地貌、土地利用和采礦活動等數(shù)據(jù)分析其與植被覆蓋度變化的關(guān)系。

神府礦區(qū)作為榆神府地區(qū)最早開采的礦區(qū)及重要的能源化工基地，資源開發(fā)引發(fā)的環(huán)境問題較為突出。目前，礦區(qū)內(nèi)榆家梁、楊伙盤井田屬高強(qiáng)度開采區(qū)，其他井田多為中強(qiáng)度開采區(qū)，存在的地質(zhì)環(huán)境問題一方面表現(xiàn)為煤水矛盾突出、生態(tài)問題嚴(yán)重；另一方面表現(xiàn)為礦山地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[8]，以地面塌陷、地裂縫、礦震、地表水體縮減、地下水位下降、土地退化等為主[18]。

4.2 建議

2017年以來，“綠色煤炭資源”的研究不斷深入[19-22]，對煤炭地質(zhì)工作提出了新要求，同時也帶來了新機(jī)遇。建議在神府礦區(qū)煤炭資源開發(fā)過程中，加強(qiáng)對煤質(zhì)本身的研究，礦區(qū)主要煤層具有低灰、低硫、高揮發(fā)分、低有害元素的特點(diǎn)，適合氣化及直接液化[10，23]；加強(qiáng)對煤中金屬元素的研究以及煤中金屬元素測試技術(shù)和富集成礦機(jī)理的研究，青龍寺、郭家灣等井田個別樣品點(diǎn)的煤中鍺(Ge)、鎵(Ga)含量為10～26 μg/g，具有進(jìn)一步研究的價值；加大綠色開采技術(shù)應(yīng)用，通過IN-SAR等遙感技術(shù)加強(qiáng)對環(huán)境的影響監(jiān)測和評價。

5 結(jié)論

(1)神府礦區(qū)各煤層煤的鏡質(zhì)體平均最大反射率為0.51%～0.62%，屬于低階煙煤；宏觀煤巖組分以暗煤為主，亮煤次之，宏觀煤巖類型以半暗—半亮型煤為主。

(2)神府礦區(qū)各煤層原煤以低灰、中高揮發(fā)分、高熱值煤為主，煤中有害元素富集度低，原煤潔凈等級皆為Ⅱ級；浮選后潔凈等級多達(dá)到Ⅰ級。

(3)開發(fā)過程中，應(yīng)加強(qiáng)對煤巖煤質(zhì)本身的研究及分類分級，加強(qiáng)對煤中金屬元素的研究，加大地下氣化、直接液化等綠色開采技術(shù)應(yīng)用，建立對環(huán)境的影響監(jiān)測和評價體系。