朱雪莉

（1.山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，山西 太原 030001；2.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030001）

煤炭作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性能源，多年來在我國的可利用能源結(jié)構(gòu)中一直處于主體地位，至今我國對(duì)于煤炭資源的生產(chǎn)和消費(fèi)仍然處于世界前列。與之同時(shí)，煤礦的高強(qiáng)度開采方式與煤炭的粗放式加工與利用方式，對(duì)人類生存環(huán)境的破壞也日趨嚴(yán)重。而山西作為我國的產(chǎn)煤大省，擔(dān)負(fù)著全國將近四分之一的煤炭生產(chǎn)任務(wù)，因煤炭開采帶來的環(huán)境問題正日趨嚴(yán)重。2019年，山西省推出了能源革命綜合改革試點(diǎn)15項(xiàng)重大舉措，其中創(chuàng)新煤炭利用方式，提升清潔高效利用水平作為能源革命的重大舉措正式提出。推出潔凈煤技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展勢(shì)在必行。對(duì)勘查區(qū)煤層在煤質(zhì)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行潔凈度分析與評(píng)價(jià)及潔凈等級(jí)的區(qū)域劃分，是關(guān)于潔凈煤研究的主要內(nèi)容之一，在煤炭資源開采利用之前，就對(duì)勘查區(qū)進(jìn)行科學(xué)有效的潔凈度判別，合理解決因煤炭生產(chǎn)和利用所引起的生態(tài)環(huán)境問題必須進(jìn)行的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。對(duì)煤層的潔凈度潛勢(shì)做出科學(xué)的測(cè)試分析評(píng)估，是從源頭上扼制煤炭資源開發(fā)利用對(duì)環(huán)境污染的重要手段，是規(guī)劃生產(chǎn)礦井以及合理化開采并對(duì)煤炭資源進(jìn)行加工和利用，保護(hù)人類生存環(huán)境以及提高煤炭資源開采加工利用的經(jīng)濟(jì)效益提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)。

本文以寧武煤田靜樂縣擇善一號(hào)勘查區(qū)煤質(zhì)分析成果為基礎(chǔ)，對(duì)于該勘查區(qū)的煤炭資源煤質(zhì)特征進(jìn)行分析，以及潔凈等級(jí)評(píng)價(jià)和等級(jí)區(qū)域劃分。

1 勘查區(qū)簡(jiǎn)介

勘查區(qū)地處山西省靜樂縣境內(nèi)神峪溝鄉(xiāng)石家?guī)r村—神峪溝鄉(xiāng)紅溝巖村一帶。位于寧武煤田東南部，即寧武—靜樂復(fù)向斜南端的東翼?；緲?gòu)造大體為不對(duì)稱的向斜構(gòu)造，局部伴生正斷層。主體構(gòu)造為寧武—靜樂向斜，該向斜西翼產(chǎn)狀較緩，為4°～9°，東翼產(chǎn)狀較陡且變化較大，由5°逐漸變?yōu)?0°～25°～45°～90°，形成東部1km 左右的陡傾斜帶，其上發(fā)育少量與地層走向基本平行的正斷層，局部有小規(guī)模的褶曲及倒轉(zhuǎn)。

石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組是本勘查區(qū)主要的含煤地層。山西組煤層平均厚度為58.93m，共含6 層煤，煤層總厚為5.40m，含煤系數(shù)9.16%，可采煤層總厚3.68m 含煤系數(shù)為6.24%。太原組煤層平均厚度94.53m，共含7 層煤，煤層總厚為15.20m，含煤系數(shù)16.08%，可采煤層總厚13.91m，含煤系數(shù)為14.71%。勘查區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層2 層，分別為4、9 號(hào)煤層?？辈閰^(qū)內(nèi)4、9 號(hào)煤層共獲得資源總量49424×104t，均為保有資源量。

2 煤質(zhì)特征

根據(jù)鉆探采樣以及收集周邊煤質(zhì)資料，勘查區(qū)內(nèi)4、9號(hào)煤層煤質(zhì)特征如下所述。

2.1 物理性質(zhì)

勘查區(qū)煤層顏色和條痕均為黑色，呈瀝青光澤，其斷口為參差狀—階梯狀。以碎塊—碎礫為主。其視密度為1.36～1.52t/m3，平均為1.45t/m3。其真密度為1.41～1.58t/m3，平均為1.50t/m3。

2.2 煤巖特征

煤層宏觀煤巖組分亮煤—暗煤，有少量鏡煤和絲炭。宏觀煤巖類型半亮型—半暗型。厚煤層具有混合煤巖類型的特征，各種煤巖類型交替產(chǎn)生，形成多個(gè)沉積旋回，旋回結(jié)構(gòu)一般從亮煤出現(xiàn)向上多變?yōu)榘得骸?/p>

顯微煤巖組分鏡質(zhì)組主要為均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體，還有部分碎屑鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組主要為粗粒體、碎屑體和絲質(zhì)體。殼質(zhì)組可見小孢子體。礦物含量主要為粘土，大部分為分散狀粘土和充填狀粘土，充填在鏡質(zhì)體胞腔之中。鏡質(zhì)組含量為20.0%～77.3%，平均47.26%；惰質(zhì)組含量為11.7%～36.0%，平均24.11%；殼質(zhì)組含量為0.0%～5.9%，平均2.48%；礦物含量為8.1%～52.0%，平均26.82%。

2.3 化學(xué)性質(zhì)

2.3.1 工業(yè)分析

煤層原煤水分（Mad）0.18%～1.41%，平均0.80%；浮煤水分（Mad）0.24%～1.92%，平均0.88%。原煤灰分（Ad）11.78%～36.76%，平均25.53%；浮煤灰分（Ad）3.10%～12.55%，平均7.89%，根據(jù)《煤炭質(zhì)量分級(jí)第1部分:灰分》（GB/T15224.1—2010），確定煤層均為中灰煤。原煤揮發(fā)份（Vdaf）21.01%～39.24%，平均31.49%；浮煤揮發(fā)份（Vdaf）22.30%～37.24%，平均30.68%，根據(jù)《煤的揮發(fā)分產(chǎn)率分級(jí)》（MT/T849-2000），4號(hào)煤為中等—高揮發(fā)分煤，9號(hào)煤為為中等—中高揮發(fā)分煤。

2.3.2 元素分析

煤層原煤碳(Cdaf)82.37%～86.11%，平均84.66%；原煤氫(Hdaf)4.19%～5.37%，平均4.85%；原煤氮(Ndaf)1.24%～1.46%，平均1.39%；原煤氧(Odaf)4.35%～9.13%，平均7.30%（詳見表1）。

2.3.3 有害元素

煤層原煤硫（St.d）0.31%～3.96%，平均1.38%，根據(jù)《煤炭質(zhì)量分級(jí)第2 部分:硫分》（GB/T15224.2-2010），可確定4 號(hào)煤層為低硫煤，9 號(hào)煤層為中硫煤；原煤磷（Pd）0.007%～0.044%，平均0.017%，依據(jù)《煤中有害元素含量分級(jí) 第1 部分: 磷》（GB/T 20475.1-2006），確定煤層均屬特低磷—低磷煤；原煤氯（Cld）0.014%～0.076%，平均0.052%，根據(jù)《煤中有害元素含量分級(jí)第2部分:氯》（GB/T 20475.2-2006），煤層均屬特低—低氯煤;原煤氟（Fd）104～410g/t，平均196g/t，根據(jù)《煤中氟含量分級(jí)》（MT/T 966-2005），煤層均屬低氟—高氟煤；原煤砷小于1～5g/t，根據(jù)《煤中有害元素含量分級(jí)第3 部分:砷》（GB/T 20475.3-2012），4 號(hào)煤層屬特低砷煤，9號(hào)煤層屬特低—低砷煤。

2.4 工藝性能

2.4.1 發(fā)熱量

煤層原煤干基高位發(fā)熱量（Qgr,d）15.39～30.89MJ/kg，平均25.26MJ/kg，浮煤干基高位發(fā)熱量（Qgr,d）22.23～33.86MJ/kg，平均32.21MJ/kg；原煤空氣干燥基低位發(fā)熱量（Qnet,ad）10.15～29.69MJ/kg，平均24.01MJ/kg，浮煤空氣干燥基低位發(fā)熱量（Qnet,ad）18.55～32.45MJ/kg，平均30.68MJ/kg。根據(jù)《煤炭質(zhì)量分級(jí)第3 部分:發(fā)熱量》（GB/T15224.3-2010），確定煤層均為中高發(fā)熱量。

2.4.2 煤灰成分與煤灰熔融性

煤層的灰成分以酸性的SiO2、Al2O3為主，這兩種成分占煤灰成分的70%以上，其次為堿性的Fe2O3、CaO、MgO 等成分。煤灰的堿酸比對(duì)煤灰的結(jié)渣性影響很大，B/A 比值若小于0.25，灰熔點(diǎn)較高，不易結(jié)渣。若比值為0.4～0.7，則灰熔點(diǎn)可能較低。4 號(hào)煤層煤灰酸性成分占88.49%，堿性成分占8.33%，堿酸比為0.09，結(jié)渣指數(shù)為0.061，結(jié)污指數(shù)為0.028；9 號(hào)煤層煤灰酸性成分占81.87%，堿性成分占13.10%，堿酸比為0.16，結(jié)渣指數(shù)為0.304，結(jié)污指數(shù)為0.045。

按MT/T853.1-2000煤灰軟化溫度分級(jí)，4、9號(hào)煤層均屬高軟化溫度灰。

2.4.3 煤的粘結(jié)性

4 號(hào)煤浮煤膠質(zhì)層最大厚度（Y）20.5～32.0mm，平均27.09mm；9 號(hào)煤浮煤膠質(zhì)層最大厚度（Y）12.00～24.50mm，平均18.50mm。4 號(hào)煤浮煤粘結(jié)指數(shù)（GR.I）59～100，平均87；9號(hào)煤浮煤粘結(jié)指數(shù)（GR.I）67～98，平均81，按煙煤粘結(jié)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（MT/T596-2008），煤層均屬中粘結(jié)煤—強(qiáng)粘結(jié)煤。

2.4.4 煤對(duì)CO2的反應(yīng)性

4 號(hào)煤層，1000℃時(shí)，二氧化碳的還原率（a）為19.09%；9 號(hào)煤層，1000℃時(shí)，二氧化碳的還原率（a）為17.6%，均屬反應(yīng)性弱煤。

2.5 煤類

4號(hào)煤層為中灰、低硫、中高發(fā)熱量、高軟化溫度灰之肥煤、1/3焦煤、氣煤。9號(hào)煤層為中灰、中硫、中高發(fā)熱量、高軟化溫度灰之1/3焦煤、焦煤。

3 評(píng)價(jià)方法的選擇

近幾年，對(duì)于煤炭資源的質(zhì)量和潔凈煤評(píng)價(jià)有許多種不同的方案。袁三畏根據(jù)五項(xiàng)指標(biāo)，將煤炭劃分煤為三個(gè)等級(jí);徐艷杰等人采用的五級(jí)劃分方案［1］并應(yīng)用于全國煤炭資源;王文峰等提出了煤中有害元素潛在污染綜合指數(shù)的概念，并據(jù)此劃分出四個(gè)等級(jí)［2-3］;唐書恒等采用四級(jí)分類法[4]，并著有《中國潔凈煤地質(zhì)研究》一書中；楊淑婷、唐躍剛等提出的六級(jí)劃分方案[5]，在第四次全國煤炭資源潛力評(píng)價(jià)的山西省煤炭資源的評(píng)價(jià)中［6-7］應(yīng)用了。

本文采用楊淑婷、唐躍剛等提出的六級(jí)劃分方案對(duì)擇善一號(hào)勘查區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層的煤炭資源進(jìn)行潔凈度評(píng)價(jià)，并對(duì)等級(jí)區(qū)域進(jìn)行劃分：

Ⅰ級(jí)是特好的潔凈煤，綜合指數(shù)為I≤0.174，該類煤以特低硫和特低灰煤為主，有害的微量元素小于等于分級(jí)的最高界限。

Ⅱ級(jí)是好的潔凈煤，綜合指數(shù)為0.174＜I≤0.347，該類煤以低硫和低灰煤為主，有害的微量元素小于等于分級(jí)的最高界限。

Ⅲ級(jí)是較好的潔凈煤，綜合指數(shù)為0.347＜I≤0.516，該類煤以低中硫分和低中灰分煤為主，有害微量元素小于等于分級(jí)的最高界限。

Ⅳ級(jí)是中等的潔凈煤，綜合指數(shù)為0.516＜I≤0.677，該類煤以中硫分和中灰分煤為主，有害微量元素小于等于分級(jí)的最高界限。

Ⅴ級(jí)是較差的潔凈煤，綜合指數(shù)為0.677＜I≤0.842，該類煤以中高硫分、中高灰分煤為主，有害微量元素小于等于分級(jí)的最高界限。

Ⅵ級(jí)是差的潔凈煤，綜合指數(shù)為I＞0.842，該類煤為高硫煤或高灰煤，或某種有害微量元素的含量大于其分級(jí)的最高界限。

微量元素的濃度限值及其標(biāo)度分指數(shù)見表1。

表1 微量元素的濃度限值(μg/g)及其標(biāo)度分指數(shù)

3.1 潔凈煤等級(jí)評(píng)價(jià)

潔凈煤評(píng)價(jià)，就是對(duì)煤中灰分（Ad）、硫分（S）以及煤中有害化學(xué)元素的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估，其中灰分、硫分是進(jìn)行潔凈度評(píng)價(jià)的常規(guī)因素，煤中的有害元素As、Pb、Hg、Cd、Se、Cr、Co、Ni、Be、Mn、Sb、U、F、Mo、Th、Cl、Br 等17 種元素一般是潔凈煤評(píng)價(jià)的常見化學(xué)元素。本文結(jié)合擇善一號(hào)勘查區(qū)內(nèi)鉆孔的煤質(zhì)分析結(jié)果，選出Ad、S、As、U、F、Cl、Th七項(xiàng)作為評(píng)價(jià)因素?？辈閰^(qū)內(nèi)穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層為山西組4號(hào)煤層和太原組9號(hào)煤層，各煤層原煤評(píng)價(jià)元素見表2。

3.2 綜合指數(shù)的計(jì)算

運(yùn)用廣義對(duì)比加權(quán)標(biāo)度指數(shù)法對(duì)表2 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，計(jì)算出各鉆孔煤層的綜合指數(shù)，并由表1比對(duì)出對(duì)應(yīng)的潔凈等級(jí)。

表2 主要評(píng)價(jià)元素測(cè)試成果

3.3 潔凈等級(jí)比例分布評(píng)價(jià)

山西組4 號(hào)煤層：10 個(gè)鉆孔的煤層以中等的潔凈煤Ⅳ級(jí)為主，所占比例為50%；其次為較好的潔凈煤Ⅲ級(jí)，所占比例為30%；再次為差的潔凈煤Ⅵ級(jí)，所占比例為20%（見圖1）。

圖1 山西組4號(hào)煤層鉆孔潔凈等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

太原組9號(hào)煤層:12個(gè)鉆孔煤層的潔凈等級(jí)以較好的潔凈煤Ⅲ級(jí)為主，所占比例為42%；其次為差的潔凈煤Ⅵ級(jí)，所占比例為33%；再次為中等潔凈煤Ⅳ級(jí)，所占比例為25%（見圖2）。

圖2 太原組9號(hào)煤層鉆孔潔凈等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

3.4 潔凈等級(jí)平面區(qū)域劃分

在平面圖的基礎(chǔ)上，分別對(duì)4號(hào)和9號(hào)煤層潔凈等級(jí)進(jìn)行區(qū)域分布分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 顯示，4 號(hào)煤層以中等的潔凈煤Ⅳ級(jí)為主，其次為較好的潔凈煤Ⅲ級(jí)。從分布位置分析，較好的潔凈煤Ⅲ級(jí)主要分布在本區(qū)西部和東部兩翼；中等的潔凈煤Ⅳ級(jí)所占面積最大，主要分布在本區(qū)北部和西南部，并貫穿勘查區(qū)中部以近NE 向；差的潔凈煤Ⅵ級(jí)分布在南部鉆孔Z101和ZX302連線附近，較差的潔凈煤Ⅴ級(jí)在差潔凈煤Ⅵ級(jí)外圍小面積分布。4 號(hào)煤層潔凈等級(jí)平面區(qū)域分布評(píng)價(jià)結(jié)果與其鉆孔煤層潔凈等級(jí)比例評(píng)價(jià)結(jié)果大體一致。

圖4 顯示，9 號(hào)煤層以較好的潔凈煤Ⅲ級(jí)為主，其次為Ⅵ級(jí)差的潔凈煤，Ⅲ級(jí)較好的潔凈煤與Ⅵ級(jí)差潔凈煤分布面積接近。從分布位置分析，Ⅲ級(jí)較好的潔凈煤分布在本區(qū)西部及西南部，鉆孔Z101、Z102、ZX303、ZX402、ZX201連線附近，中等的潔凈煤Ⅳ級(jí)分布在較好的潔凈煤Ⅲ級(jí)外圍，差的潔凈煤Ⅵ級(jí)分布在北部及東部，其分布區(qū)鉆孔煤層灰分高，所以潔凈度差。較差的潔凈煤Ⅴ級(jí)在中等的潔凈煤Ⅳ級(jí)和級(jí)差的潔凈煤Ⅵ之間小面積分布。9 號(hào)煤層潔凈等級(jí)平面區(qū)域分布評(píng)價(jià)結(jié)果與其鉆孔點(diǎn)煤層潔凈等級(jí)比例評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

根據(jù)鉆探采樣以及收集周邊煤質(zhì)資料，可確定4號(hào)煤層為中灰、低硫、中高發(fā)熱量、高軟化溫度灰之肥煤、1/3焦煤、氣煤。9號(hào)煤層為中灰、中硫、中高發(fā)熱量、高軟化溫度灰之1/3焦煤、焦煤。

通過對(duì)勘查區(qū)內(nèi)12個(gè)見煤鉆孔的實(shí)際化驗(yàn)資料進(jìn)行全面計(jì)算分析，并對(duì)勘查區(qū)主采煤層（4號(hào)、9號(hào)）進(jìn)行潔凈等級(jí)比例分布評(píng)價(jià)和潔凈等級(jí)平面區(qū)域劃分，得出：4 號(hào)煤層潔凈等級(jí)為Ⅲ-Ⅵ級(jí)，以較好的潔凈煤Ⅲ級(jí)和中等的潔凈煤Ⅳ級(jí)為主，屬中等—較好的潔凈煤，勘查區(qū)大部為這兩種潔凈煤；9號(hào)煤層潔凈等級(jí)為Ⅲ-Ⅵ級(jí)，以較好的潔凈煤Ⅲ級(jí)和中等的潔凈煤Ⅳ級(jí)為主，屬中等—較好的潔凈煤，主要分布在勘查區(qū)西南部和中部。總體來看，勘查區(qū)主采煤層潔凈等級(jí)以較好的潔凈煤Ⅲ級(jí)和中等的潔凈煤Ⅳ級(jí)為主,4 號(hào)煤潔凈程度略好于9號(hào)煤。