李 福 平

(神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

0 引 言

煤質(zhì)工作的主要內(nèi)容包括對煤礦資源進(jìn)行合理劃分及對煤礦設(shè)計進(jìn)行構(gòu)思以確定煤質(zhì)技術(shù)的使用，從而設(shè)計出符合當(dāng)?shù)孛禾锏牡V井[1-5]，上述系列步驟的執(zhí)行均需清晰規(guī)劃才能保證煤炭的質(zhì)量，同時為煤田的開采提供理論依據(jù)，從更科學(xué)、更合理的角度對煤礦資源進(jìn)行開采和加工利用。

神華準(zhǔn)能集團(tuán)下屬的哈爾烏素露天煤礦及黑岱溝露天煤礦是公司的主力煤礦，黑岱溝露天礦設(shè)計6號復(fù)煤層底板開采范圍42.36 km2，境界內(nèi)探明煤炭資源儲量14.13億t。哈爾烏素露天礦深部面積56.38 km2，地表面積67.45 km2，露天煤礦開采境界內(nèi)可采儲量16.82億t[6-10]。2個露天礦擴(kuò)能后總體生產(chǎn)規(guī)模為60.00 Mt/a，其中哈爾烏素露天煤礦生產(chǎn)規(guī)模為31.00 Mt/a，黑岱溝露天煤礦生產(chǎn)規(guī)模為29.00 Mt/a。主要開采二疊紀(jì)5號煤和石炭紀(jì)6號煤，煤質(zhì)均為低硫、低磷、高灰熔融性、高揮發(fā)分和較高發(fā)熱量的長焰煤，是良好的動力用煤，有“綠色煤炭”的美譽(yù)[10-15]。筆者從2個煤礦的煤層煤質(zhì)及開采洗選工藝出發(fā)，采集2個露天礦共6個采煤臺階代表性的煤層煤樣進(jìn)行煤質(zhì)分析，科學(xué)論述2個露天礦的不同臺階煤層樣的煤質(zhì)水平特征，以期為煤礦配采及后續(xù)轉(zhuǎn)化利用提供參考。

1 黑岱溝礦和哈爾烏素礦煤層基本情況

1.1 黑岱溝礦煤層賦存狀況

黑岱溝露天礦內(nèi)可采煤層及局部可采煤層包括5號、6號、9號共3層，其中6號、9號煤層為復(fù)煤層。

(1)5號煤層。位于山西組中部，厚度(0～4.27) m，平均2.19 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含0～4層夾矸，夾矸厚(0 ～0.64) m，全區(qū)大部分不可采，可采范圍在井田西南部邊界附近。

(2)6號煤層。位于太原組頂部，以復(fù)煤層形式存在，上部不穩(wěn)定，多風(fēng)化、缺失，有的層段以高灰煤出現(xiàn)，中、下部連續(xù)較穩(wěn)定，為礦區(qū)主要可采煤層。6號復(fù)煤層全層厚度為18.07 m～41.12 m，平均28.88 m。各小分層分述如下:

①6Ⅰ煤層:位于太原組頂部，往上與5號煤層平均間距13.32 m，向下與6Ⅱ煤層平均間距1.13 m。該煤層由1～2個分層組成，煤層變化大，厚度0.10m～12.65 m，平均2.78 m。最大可采厚度3.81 m，一般2.00 m左右，可采范圍在首采區(qū)31線至12線及采區(qū)西南部，為局部可采煤層。夾矸1～2層，厚度(0 ～0.8) m，多為黏土巖。該層頂板為黏土巖或粗砂巖，底板為黏土巖。

②6Ⅱ煤層:位于6號復(fù)煤層上部，其上與6I煤層有一層夾矸相隔，往下為6Ⅲ煤層，間距變化大，為(0～5.00) m，大多數(shù)鉆孔由于灰分降低而漸變至6Ⅲ正常煤，少數(shù)鉆孔中與6Ⅲ分層之間有很薄的夾矸。該煤層是6號煤層中的特殊煤層段，最大厚度7.71 m，平均3.26 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層和泥層呈薄互層?！靶印焙穸刃≌邘桌迕?，厚者幾十厘米，一般煤和高灰煤在總厚中平均占59%，巖石層占41%；該層按煤和高灰煤劃分，灰分全部小于40%的占5%，灰分在40%～50%的占32%，灰分全部大于50%的占26%，高灰正常煤、煤和炭質(zhì)泥巖難以分開者占37%，因此，該層除去明顯夾矸外，全層應(yīng)為“高灰煤”，平均灰分為40.71%。

③6Ⅲ～Ⅵ煤層:位于太原組中部，是礦區(qū)主要可采煤層，往下至8號煤層間距0.82 m～9.20 m，平均3.84 m。底板通常為粉砂巖。煤層厚度20.20 m～27.19 m，一般在23m～25 m。夾矸多為7～9層，總厚度約2.08 m，夾矸巖性為黏土巖或泥巖、炭質(zhì)泥巖。該煤層根據(jù)夾矸和結(jié)構(gòu)上的差異，分為6Ⅲ、6Ⅳ、6Ⅴ、6Ⅵ共4個分層。

(3)9號煤層。位于太原組下部，9Ⅰ～9Ⅱ煤層是9號煤層的上分層，煤層厚度不穩(wěn)定，一般由2～3層薄煤層組成，總厚0.25 m～6.77 m，平均2.33 m，夾矸1～4層，夾矸厚在1.00 m左右。

9Ⅳ煤層是9號煤層的下分層，總厚0.10 m～4.82 m，平均1.34 m，可采部分最大厚度4.14 m，一般1 m～2 m。

1.2 哈爾烏素礦煤層賦存狀況

礦區(qū)含煤12層，其中山西組含煤5層，由上部到下部為1號、2號、3號、4號、5號煤層，太原組含煤7層，由上部到下部為6號上(6S)、6號、6號下(6X)、8號、9號、9號下(9X)、10號煤層。現(xiàn)自上而下分述如下:

(1)1號、2號、3號、4號煤層:位于山西組中、上部，僅在局部零星分布，不可采，屬極不穩(wěn)定煤層。

(2)5號煤層:位于山西組下部，厚度(0～5.75) m，平均1.39 m，主要分布于石圪咀正斷層以西及不連溝與石圪咀正斷層之間9線以南地區(qū)。煤層結(jié)構(gòu)尚屬簡單，含矸0～6層。距6S煤層間距2.75 m～29.86 m，平均12.24 m，大部可采，屬較穩(wěn)定煤層。夾矸巖性主要為炭質(zhì)泥巖、泥巖等。煤層頂部多為泥巖、次為高嶺石泥巖等。

(3)6S煤層:位于太原組頂部，該煤層為6號煤層的上分層，厚度(0 ～7.27) m，平均2.83 m，主要分布在11線以南及30線以西地區(qū)；而在30線以東、10線以北地區(qū)，6S與6號煤層合并。全區(qū)共有209個鉆孔見到該煤層。煤層結(jié)構(gòu)尚屬簡單，含矸0～6層。距6號煤層間距1.14m～47.40 m，平均16.90 m，屬不穩(wěn)定煤層。

(4)6號煤層:位于太原組中部，全區(qū)可采，屬較穩(wěn)定煤層。厚度1.20m～39.54 m，平均21.01 m，頂部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中部簡單，底部中等，含矸0～31層，一般約10層，夾矸單層厚度0.10 m～0.30 m，夾矸為黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖、黑灰色高嶺石泥巖。頂板巖性為黑色炭質(zhì)泥巖、泥巖為主，老頂為灰白色含礫砂巖，厚度15 m～20 m，底板為黑色泥巖。6號煤層為礦區(qū)的主要可采煤層，距6X煤層間距1.09 m～24.88 m，平均12.13 m。其變化規(guī)律為由北向南逐漸變薄、由西向東逐漸變薄。

(5)6X煤層:位于太原組中部，為6號煤層的下分層。在不連溝以西及東部煤層露頭區(qū)，6X與6號煤層合并，厚度(0～7.61)m，平均2.35 m，在11～21線、27～28線之間發(fā)育最好。煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含矸0～5層。距8號煤層間距0.94 m～25.86 m。平均3.65 m，屬不穩(wěn)定煤層。

(6)8號煤層:厚度(0～2.04) m，平均0.69 m，因其厚度基本在最低可采厚度以下變化，屬于不可采煤層。全區(qū)有408個鉆孔見到8號煤層，但達(dá)到可采厚度者僅18個鉆孔。煤層結(jié)構(gòu)簡單，夾矸0～2層，頂、底板巖性以泥巖為主。

(7)9號煤層:厚度(0～9.08) m，平均厚度4.08 m，以不連溝以東發(fā)育較好，厚度一般在5 m左右，煤層結(jié)構(gòu)比較簡單，含矸0～7層，屬較穩(wěn)定煤層。該層煤夾矸以泥巖為主，頂、底板巖性以泥巖、炭質(zhì)泥巖、高灰煤為主。

(8)9X煤層:為9號煤層的下分層，厚度(0～2.75) m，平均0.71 m，零星分布，屬極不穩(wěn)定煤層，無開采價值。

(9)10號煤層:位于太原組底部，厚度(0～2.72) m，平均0.52 m，屬不可采煤層。

1.3 開采方式

2個露天煤礦整合后共劃分為4個采區(qū)，分別為2個首采區(qū)、黑岱溝新二采區(qū)、哈爾烏素新二采區(qū)。開采順序依次為:2個首采區(qū)→黑岱溝新二采區(qū)→哈爾烏素新二采區(qū)。黑岱溝露天礦采用的開采工藝有單斗—卡車間斷工藝、拋擲爆破—吊斗鏟無運(yùn)輸?shù)苟压に?、采煤半連續(xù)工藝。哈爾烏素露天礦采用上部輪斗連續(xù)工藝+下部吊斗鏟倒堆工藝+單斗—卡車開采工藝的綜合開采工藝，采煤工藝采用單斗—卡車+地面半固定破碎站半連續(xù)開采工藝。

1.4 洗選工藝

黑岱溝洗選廠共有3個洗選系統(tǒng)，分別為1個跳汰系統(tǒng)和2個重介淺槽系統(tǒng)；主要工藝為塊煤跳汰煤泥過濾及塊煤重介淺槽煤泥過濾等聯(lián)合工藝流程。哈爾烏素洗選系統(tǒng)為塊煤重介淺槽—煤泥過濾聯(lián)合工藝流程。

2 黑岱溝礦及哈爾烏素礦煤層煤質(zhì)特征

2.1 黑岱溝礦煤層煤質(zhì)特征

根據(jù)準(zhǔn)格爾煤田黑岱溝露天煤礦第二條區(qū)(第一期)生產(chǎn)補(bǔ)充勘探區(qū)煤層煤質(zhì)特征研究，按GB/T 5751—2009《中國煤炭分類》規(guī)定，黑岱溝露天煤礦第二條區(qū)(第一期)生產(chǎn)補(bǔ)充勘探區(qū)煤屬于長焰煤，鏡質(zhì)體最大反射率隨煤層埋深增加而增大。各煤層鉆孔煤芯樣品煤質(zhì)特征總體情況為中灰～中高灰、低硫、中高熱值煤。各主采煤層干燥無灰基揮發(fā)分較高，均屬高揮發(fā)分煤，且在垂直方向上基本呈現(xiàn)干燥無灰基揮發(fā)分隨煤層深度增加而降低的趨勢。各煤層原煤各種硫中主要以有機(jī)硫(So,d)為主、硫化鐵硫(Sp,d)其次，而硫酸鹽硫(Ss,d)最少。在煤灰成分方面各煤層以SiO2、Al2O3為主，次為CaO、SO3和Fe2O3，其它均為少量，SiO2與Al2O3兩者平均之和在74.92%～85.52%，屬“高硅鋁型”煤灰，由礦區(qū)整體煤灰熔融性溫度判斷其屬于較高軟化溫度灰。

2.2 哈爾烏素礦煤層煤質(zhì)特征

根據(jù)哈爾烏素露天煤礦首采區(qū)煤層煤質(zhì)特征研究，按GB/T 5751—2009《中國煤炭分類》規(guī)定，哈爾烏素露天煤礦首采區(qū)煤屬于長焰煤。各煤層鉆孔煤芯樣品煤質(zhì)特征總體情況為中灰～中高灰、特低～低硫、高揮發(fā)分、中高～高熱值煤，礦區(qū)微量有害元素中氟含量較高，屬中氟煤，其它元素含量較低。各鉆孔煤樣的煤灰成分含量波動較大，煤灰成分以SiO2和Al2O3為主，由礦區(qū)整體煤灰熔融性溫度判斷其屬較高軟化溫度灰。其他工藝特征方面，哈爾烏素露天煤礦首采區(qū)焦油產(chǎn)率(Tar,d)平均在7%左右；屬中高～高熱穩(wěn)定性、中等可磨～較難可磨煤。

3 黑岱溝礦及哈爾烏素礦煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)

研究采取黑岱溝露天礦6號煤煤層樣4個，分別為6號上(6S)、6號中(6Z)、6號下(6X)及6號全層煤樣；哈爾烏素露天礦6號煤煤層樣4個，分別為6號上(6S)、6號中(6Z)、6號下(6X)及6號全層煤樣，總計8個樣品。具體分析結(jié)果見表1～表3。

表1 各煤層煤工業(yè)分析、發(fā)熱量與全硫測試數(shù)據(jù)
Table 1 Proximate analysis and calorific value、total sulfur of each coal seam

樣品Mad/%Ad/%Vdaf/%FCd/%Qgr,d/(MJ·kg-1)St,d/%黑岱溝6S2.8047.0941.8430.7714.800.37黑岱溝6Z3.9431.9240.4040.5820.500.44黑岱溝6X3.2724.7637.5746.9823.500.43黑岱溝6號5.4935.4038.2539.8919.100.41哈北6S3.7957.95———21.8510.900.30哈北6Z6.5725.0037.5546.8423.300.56哈北6X5.1527.3838.1144.9422.400.65哈北6號5.9535.8739.9338.5219.100.60

表2 各煤層煤樣煤巖測試結(jié)果
Table 2 Test results of coal petrography test for samples from each coal seam

樣品煤巖組成(體積比)/%鏡質(zhì)組惰質(zhì)組殼質(zhì)組礦物質(zhì)鏡質(zhì)體最大反射率(Romax)/%黑岱溝6S29.052.44.713.90.61黑岱溝6Z27.655.61.615.20.61黑岱溝6X34.861.21.22.80.62黑岱溝6號39.654.42.43.60.60哈北6S40.921.12.835.20.56哈北6Z36.857.22.43.60.63哈北6X40.356.10.82.80.54哈北6號 37.951.21.89.10.64

表3 各煤層煤灰成分測試數(shù)據(jù)
Table 3 Test data of coal ash composition of each coal seam

%

按照GB/T 15224.1—2018《煤炭質(zhì)量分級 第1部分:灰分》，黑岱溝6S和哈爾烏素6S該2個煤層煤樣屬于特高灰煤，黑岱溝6Z、黑岱溝6號全層和哈爾烏素6號全層3個煤層煤樣屬于高灰煤，黑岱溝6X、哈爾烏素6Z和哈爾烏素6X該3個煤層煤樣屬于中灰煤。

分析揮發(fā)分測試數(shù)據(jù)可知，8個煤層煤樣揮發(fā)分較為穩(wěn)定，均在37%以上，其中黑岱溝煤的Vdaf略高于后者，按照MT/T 849-2000《煤的揮發(fā)分產(chǎn)率分級》劃分，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層樣品均屬于高揮發(fā)分煤。

從固定碳測試數(shù)據(jù)來看，8個煤層煤樣固定碳含量均在50%以下，按照MT/T 561-2008《煤的固定碳分級》，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層樣品均屬于低固定碳或特低固定碳煤。

發(fā)熱量是影響動力煤經(jīng)濟(jì)價值最重要、最直接的煤質(zhì)指標(biāo)。8個煤層煤樣發(fā)熱量波動較大。按照GB/T 15224.3—2010《煤炭質(zhì)量分級 第3部分:發(fā)熱量》劃分，黑岱溝6X、哈爾烏素6Z和哈爾烏素6X該3個煤層煤樣屬于中發(fā)熱量煤，黑岱溝6Z、黑岱溝6號全層和哈爾烏素6號全層3個煤層煤樣屬于中低發(fā)熱量煤，黑岱溝6S和哈爾烏素6S煤層煤樣屬于低發(fā)熱量煤。

硫含量是評價煤炭質(zhì)量的重要煤質(zhì)指標(biāo)之一。8個主要煤層煤樣硫分含量均較低。按照GB/T 15224.2—2010《煤炭質(zhì)量分級 第2部分:硫分》劃分，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層樣品均屬于低硫煤或特低硫煤。

從表2鏡質(zhì)體反射率測試結(jié)果可知，黑岱溝和哈爾烏素各煤層煤樣的鏡質(zhì)體最大反射率均在0.6%左右。分析煤巖組成可知，黑岱溝露天礦6S煤層和6Z煤層礦物質(zhì)含量相對較高、鏡質(zhì)組含量相對較低，6S、6Z和6X該3個煤層惰質(zhì)組含量差別不大，而整個6號煤層煤巖組成來看，礦物質(zhì)含量并不高，即其與6X煤層接近。哈爾烏素露天礦6S煤層礦物質(zhì)含量相對較高、惰質(zhì)組含量相對較低，6S、6Z和6X該3個煤層鏡質(zhì)組含量差別不大，而分析整個6號煤層煤巖組成可知，各組分與6Z和6X煤層接近。

煤灰成分是指煤中礦物質(zhì)經(jīng)高溫氧化、分解后形成的各種金屬和非金屬氧化物及鹽類，因此可根據(jù)煤灰成分的測試數(shù)據(jù)大致推測煤中礦物質(zhì)成分、判斷煤灰的熔融特性及煤在燃燒時對燃燒室的腐蝕情況等。由表3測試數(shù)據(jù)可知，哈爾烏素6S煤層SiO2含量較高，而Al2O3含量較低。幾個煤層煤樣煤灰中堿金屬氧化物含量均不高，對煤炭加工利用過程影響不大。黑岱溝6Z、黑岱溝6X和黑岱溝6號全層3個煤層煤灰成分中SO3含量相對較高，在煤炭加工利用過程需特別加以注意。

氟、氯、砷、汞、磷作為煤中的主要微量元素，雖其含量相對較低但在煤的加工利用過程中起著至關(guān)重要的作用。黑岱溝及哈爾烏素露天礦各煤層煤中微量元素含量見表4。

表4 露天礦各煤層煤的微量元素
Table 4 Trace elements of each coal seam

樣品Pd/%Cld/%Asd/(μg·g-1)Hgd/(μg·g-1)黑岱溝6S0.0250.00410.204黑岱溝6Z0.0220.01210.412黑岱溝6X0.0100.03060.196黑岱溝6號0.0180.02330.226哈北6S0.0080.01210.195哈北6Z0.0170.01110.216哈北6X0.0150.01410.158哈北6號0.0130.02210.217

煤中氯在燃燒過程中也會轉(zhuǎn)化為氣態(tài)形式，遇水則會形成酸性物質(zhì)，因此在煤炭利用過程中其氯具有較強(qiáng)的腐蝕性，嚴(yán)重縮短設(shè)備的使用壽命。按照GB/T 20475.2—2006《煤中有害元素含量分級 第2部分:氯》規(guī)定，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層煤中氯元素含量只有黑岱溝6X相對較高但屬于中氯煤，其余均屬于低或特低氯煤。由總體分析可知，2個礦區(qū)煤層煤樣氯含量相對較低，因而在煤炭加工利用過程中對設(shè)備的腐蝕性較小。

砷在煤的燃燒過程中會形成三氧化二砷，微量砷化物即可致人中毒甚至身亡，因此煤中砷也是被關(guān)注的微量有害元素之一。在國外，砷含量超過8 μg/g的煤不允許作為食品工業(yè)和釀造工業(yè)的燃料。按照GB/T 20475.3—2012《煤中有害元素含量分級 第3部分:砷》規(guī)定，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層煤中砷元素含量只有黑岱溝6X相對較高但屬于低砷煤，其余均屬于特低砷煤。

煤中汞元素含量較高時則在燃燒過程中也會對環(huán)境造成污染。黑岱溝及哈爾烏素2個露天礦各煤層煤中汞元素含量只有黑岱溝6Z相對較高，即其在0.4 μg/g以上，其余各煤層煤中汞元素含量均在0.2 μg/g左右。按照GB/T 20475.4—2012《煤中有害元素含量分級 第4部分:汞》規(guī)定，黑岱溝6Z煤層煤樣屬于中汞煤，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦其余各煤層煤樣均屬低汞煤。

煤中磷元素對于煤的加工利用過程具有較大影響，尤其煉焦時磷元素會隨著礦物質(zhì)轉(zhuǎn)入焦炭中，進(jìn)而在冶煉時易使生鐵產(chǎn)生冷脆性。按照GB/T 20475.1—2012《煤中有害元素含量分級 第1部分:磷》規(guī)定，黑岱溝和哈爾烏素2個露天礦各煤層煤中磷元素含量只有哈爾烏素6S低于0.01%，屬于特低磷煤；其余均在0.010%～0.025%，屬于低磷煤。

4 結(jié) 語

通過對2個煤礦的地勘數(shù)據(jù)整理及煤層樣品的實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知，神華準(zhǔn)能集團(tuán)下屬的哈爾烏素及黑岱溝露天煤礦煤質(zhì)較好，即其為低硫、低磷、高灰熔融性、高揮發(fā)分和洗選后發(fā)熱量較高的長焰煤。兩煤礦煤層煤灰分較高，目前主要通過洗選方式以降低煤中灰分及有害元素含量。煤灰成分主要以二氧化硅和三氧化二鋁為主，其中氧化鋁含量接近50%，是粉煤灰提鋁的優(yōu)質(zhì)物料。2個煤礦煤的煤灰熔融性溫度較高，F(xiàn)T可達(dá)1 500 ℃，作為液態(tài)排渣氣化等用煤時需考慮利用周邊侏羅紀(jì)煤配煤或添加助熔劑等手段改善煤灰黏溫曲線。