樊君平，梁開(kāi)華

(1.國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)源電力(神東電力)有限公司，北京 100033； 2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250000； 3.山東省深部沖擊地壓災(zāi)害評(píng)估工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250000)

新疆哈密大南湖煤礦屬北天山地槽褶皺帶，北天山—興安嶺地層大區(qū)，中天山地層分區(qū)，哈密—吐魯番地層小區(qū)[1-2]。新疆哈密大南湖煤礦是我國(guó)14個(gè)大型煤炭基地—新疆大型煤炭基地的主力產(chǎn)煤區(qū)之一[3-4]。該區(qū)煤炭資源極為豐富，煤層數(shù)量多、煤層穩(wěn)定且易于開(kāi)采，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

由于區(qū)域成礦條件良好，前人的研究主要集中在區(qū)域找礦理論的研究[5-6]，對(duì)于單個(gè)煤田的煤層的化學(xué)性質(zhì)研究相對(duì)較少，梁開(kāi)華等[7]通過(guò)地球物理測(cè)井的方法對(duì)該區(qū)進(jìn)行了研究，較好地反映了煤層深部的構(gòu)造特征及煤層的賦存形態(tài)。

煤質(zhì)特征及煤層化學(xué)參數(shù)是煤炭資源評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，不同煤層的水分、灰分、揮發(fā)分、S含量等直接決定了煤炭的用途，并影響煤炭后期的加工及轉(zhuǎn)化等[8]。由于煤層形成條件不一，不同煤層表現(xiàn)出復(fù)雜性、多樣性及不均一性，是煤炭資源在后期燃燒過(guò)程中變得極為復(fù)雜。

因此，煤層的化學(xué)性質(zhì)是煤科學(xué)中的一個(gè)重要前提，是優(yōu)化現(xiàn)有煤炭資源加工、轉(zhuǎn)化工藝的前提與基礎(chǔ)[9]?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)對(duì)新疆哈密大南湖煤礦進(jìn)行煤層水分、灰分、揮發(fā)分、全硫、透光率、發(fā)熱量、焦油含量、腐殖酸、碳含量、視密度及回收率等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為區(qū)域煤層、煤質(zhì)的研究提供重要依據(jù)支撐。

1 地質(zhì)背景

大南湖煤礦位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密市南吐哈煤田，屬北天山地槽褶皺帶，為晚古生代地槽型沉積產(chǎn)物(圖1)[10-12]。

圖1 大南湖礦區(qū)構(gòu)造地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Tectonic geology sketch of Dananhu Coal Mine

區(qū)內(nèi)地層厚度大，出露較為簡(jiǎn)單，主要出露的地層包括古生界泥盆系、石炭系、二疊系；中生界侏羅系、白堊系；新生界新近系及第四系等地層，其中泥盆系地層包括頭蘇泉組與大南湖組，石炭系地層包括蘇穆克組、底坎爾群及雅滿蘇組地層，二疊系地層包括大熱泉子群及阿奇克布拉克群地層，侏羅系地層包括頭屯河組、西山窯組及三工河組地層。

其中中生界侏羅系的山窯組為區(qū)域主要含煤地層，含煤0～50層，巖性為灰、深灰色砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層，間夾薄層礫巖及菱鐵礦結(jié)核和條帶，富含植物化石，含鐵化木，與下伏地層整合接觸。其中在大南湖礦區(qū)內(nèi)主要見(jiàn)29層煤(2～30煤層)。

大南湖礦區(qū)位于北天山地槽褶皺帶—吐魯番—哈密山間坳陷—大南湖坳陷內(nèi)，該坳陷帶成EW向展布，長(zhǎng)約數(shù)百千米，主要為由侏羅系等地層所組成的EW向復(fù)式向斜褶皺，地層總體較為平緩，地表多被第四系覆蓋[13-15]。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造以褶皺為主，斷裂次之，斷裂規(guī)模一般不大，局部對(duì)煤層產(chǎn)生一定的影響。

由于研究區(qū)位于凹陷—褶皺帶內(nèi)，區(qū)內(nèi)的巖漿活動(dòng)較為強(qiáng)烈，從中生代至新生代之間持續(xù)發(fā)生，尤其是泥盆系—石炭系及華力西期的巖漿侵入最為頻繁，侵入體多呈巖墻、巖盆、巖基及巖株等形式產(chǎn)出。

2 煤層特征

大南湖礦區(qū)煤層較為集中，地層賦存厚度122.34～466.96 m，平均厚305.76 m，含煤29層，煤層總厚0～121.21 m，平均厚94.57 m，含煤系數(shù)30.93%。

所含煤層自上而下編為2—30煤層。根據(jù)煤層在垂向上的組合，可劃分為3個(gè)煤層群：第1煤層群包括2—12煤，第2煤層群包括14—19煤層，第3煤層群包括21—30煤層。

其中可采及局部可采煤層共21層，即3、5、8、9、11、12、14、15、16、17、18、19、21、22、22下、25、26、27、28、29、30煤層，此次研究?jī)H討論14—29煤層，其他煤層不再贅述(圖2)。

14煤層為礦區(qū)中部可采煤層之一，為較穩(wěn)定煤層。距12煤層13.02～22.41 m，煤層厚度0.26～6.14 m，煤厚變異系數(shù)0.63，屬大部可采煤層。本層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，0～2層夾矸，一般0～1層，夾石炭質(zhì)泥巖、粉砂巖為主、少數(shù)泥巖。煤類以長(zhǎng)焰煤為主，褐煤次之，含少量不黏煤。

15煤層為礦區(qū)中部主要可采煤層之一，屬不穩(wěn)定煤層。距14煤層7.09～19.53 m，煤層厚0.72～4.05 m，煤厚變異系數(shù)0.34，屬大部可采煤層。該層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，0～4層夾矸，夾石多數(shù)為炭質(zhì)泥巖，少數(shù)為粉砂巖。煤類以長(zhǎng)焰煤為主，褐煤次之，含少量不黏煤。

圖2 大南湖礦區(qū)14—29煤層賦存特征Fig.2 Occurrence characteristics of 14-29 coal seams in Dananhu Mining area

16煤層為礦區(qū)中部主要可采煤層之一，屬較穩(wěn)定煤層。距15煤層0.81～7.50 m，煤層厚0.15～18.94 m，煤厚變異系數(shù)0.70，屬大部可采煤層。該層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，0～5層夾矸，夾石以炭質(zhì)泥巖為主，其次為泥巖、粉砂巖。煤類以長(zhǎng)焰煤為主，褐煤次之，含少量不黏煤。

17煤層為礦區(qū)中部可采煤層之一，屬不穩(wěn)定煤層。距16煤層1.49～13.07 m，煤層厚0.25～3.95 m，煤厚變異系數(shù)0.60，屬大部可采煤層。該層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，0～2層夾矸，夾石以炭質(zhì)泥巖為主，少數(shù)為細(xì)砂巖、粉砂巖。煤類以長(zhǎng)焰煤為主，褐煤次之，含少量不黏煤。

18煤層為礦區(qū)中部主要可采煤層之一，屬較穩(wěn)定煤層。距17煤層2.78～17.08 m，煤層厚0.35～15.22 m，煤厚變異系數(shù)0.88，屬大部可采煤層。該層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，0～2層夾矸，夾石以炭質(zhì)泥巖為主，少數(shù)為粉砂巖、泥巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖。煤類以長(zhǎng)焰煤為主，褐煤次之，含少量不黏煤。

19煤層為礦區(qū)中部主要可采煤層之一，屬較穩(wěn)定煤層。距18煤層0.87～21.16 m，煤層厚0.38～7.16 m，煤厚變異系數(shù)0.51，屬大部可采煤層。該層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，0～2層夾矸，夾石以炭質(zhì)泥巖為主，少數(shù)為泥巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖。煤類以長(zhǎng)焰煤為主，褐煤次之，含少量不黏煤。

21煤層為礦區(qū)下部可采煤層之一，屬較穩(wěn)定煤層。距20煤層0.75～1.25 m，煤層厚0.31～11.59 m，煤厚變異系數(shù)0.75，屬大部可采煤層。該層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，0～4層夾矸，夾石以炭質(zhì)泥巖、砂的質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，少數(shù)為泥巖、細(xì)砂巖。煤類以長(zhǎng)焰煤為主，褐煤次之，含少量不黏煤。

22煤層為礦區(qū)下部可采煤層之一，屬較穩(wěn)定煤層。距21煤層1.08～21.39 m，煤層厚0.33～11.27 m，煤厚變異系數(shù)0.36，屬全區(qū)可采煤層。該層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，0～9層夾矸，夾石以泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖為主，少數(shù)為細(xì)砂巖、粗砂巖。煤類以長(zhǎng)焰煤為主，褐煤次之，含少量不黏煤。

25煤層為礦區(qū)下部主要可采煤層之一，屬較穩(wěn)定煤層。距23煤層3.32～35.35 m，煤層厚3.57～33.76 m，煤厚變異系數(shù)0.41，屬全區(qū)可采煤層。該層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，0～4層夾矸，夾石以炭質(zhì)泥巖、泥巖為主，少數(shù)為粉砂巖。煤類以長(zhǎng)焰煤為主，不黏煤、褐煤次之。

26煤層為礦區(qū)下部主要可采煤層之一，屬較穩(wěn)定煤層。距25煤層0.91～10.57 m，煤層厚0.58～2.44 m，煤厚變異系數(shù)0.27，屬全區(qū)可采煤層。該層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅有1層夾矸，巖性為砂質(zhì)泥巖。煤類以長(zhǎng)焰煤、不黏煤為主，偶見(jiàn)褐煤。

27煤層為礦區(qū)下部主要可采煤層之一，為不穩(wěn)定煤層。距26煤層2.88～21.46 m，煤層厚0.27～3.49 m，煤厚變異系數(shù)0.59，屬大部可采煤層。該層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅有1層夾矸，巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖。煤類以長(zhǎng)焰煤、不黏煤為主，褐煤次之。

28煤層為礦區(qū)下部主要可采煤層之一，屬較穩(wěn)定煤層。距27煤層0.82～8.34 m，煤層厚0.38～9.43 m煤厚變異系數(shù)0.44，屬大部可采煤層。該層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸1～2層，巖性為泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。煤類以長(zhǎng)焰煤、不黏煤為主，偶見(jiàn)褐煤。

29煤層為礦區(qū)下部主要可采煤層之一，屬較穩(wěn)定煤層。29煤層距28煤層0.95～23.67 m，煤層厚0.40～15.95 m，煤厚變異系數(shù)0.66，屬全區(qū)可采煤層。該層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含夾矸0～4層，巖性為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖。煤類以長(zhǎng)焰煤、不黏煤為主，偶見(jiàn)褐煤。

3 煤層化學(xué)性質(zhì)特征分析

此次研究對(duì)大南湖礦區(qū)14—29煤層進(jìn)行煤質(zhì)進(jìn)行分析，探討不同煤層、不同煤質(zhì)化學(xué)特征的變化規(guī)律。礦區(qū)煤質(zhì)主要有褐煤、長(zhǎng)焰煤及不黏煤等，其變化特征均采用相同的指標(biāo)進(jìn)行研究，針對(duì)大南湖礦區(qū)煤層較多的特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)具有連續(xù)、代表性的煤層，從垂向上統(tǒng)觀煤質(zhì)指標(biāo)變化情況，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，煤質(zhì)指標(biāo)垂向變化如圖3所示。

總體來(lái)看，各煤層原煤水分變化不大，基本都在10%左右擺動(dòng)，26煤層略小一點(diǎn)?；曳峙c發(fā)熱量呈反比關(guān)系：14、16、22下煤層灰分略高一些、發(fā)熱量則相應(yīng)低一些；15、26煤層灰分最低，其發(fā)熱量則表現(xiàn)為最高。揮發(fā)分產(chǎn)率自上而下有減小趨勢(shì)。

全硫含量出22煤及26煤層外，其余各煤層相差不大，全硫含量比較穩(wěn)定。透光率自上而下有增大趨勢(shì)。

焦油產(chǎn)率變化不大，基本上在7%左右。腐殖酸含量變化較大，在14煤層達(dá)到最大，在15煤層及27煤層達(dá)到最小。碳含量指標(biāo)自上而下緩慢增高。視密度基本無(wú)變化形態(tài)近似一直線。浮煤回收率9、26煤層最高，其余煤層略有高低。煤的變質(zhì)程度從各指標(biāo)分析自上而下整體呈增高趨勢(shì)。

表1 14—29煤層煤質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab.1 No.14-29 coal seams coal quality index statistical

4 討論

4.1 水分

各煤層原煤空氣干燥基水分為2.49%～25.30%，大多為10.55%～12.60%。浮煤水分為2.72%～23.22%，大多為8.48%～10.33%。煤中水分對(duì)煤的工業(yè)利用是有害的，當(dāng)煤炭貯存時(shí)，空氣濕度能引起水分的變化，使煤容易破碎而加速氧化。

4.2 灰分

14煤層灰分為4.77%～35.53%，為特低灰—中高灰；平均灰分15.75%，屬低灰煤。15煤層灰分為5.51%～16.60%，為特低灰—中灰；平均灰分9.77%，屬特低灰煤。16煤層灰分為5.78～29.10%，為特低灰—中灰；平均灰分15.16%，屬低灰煤。17煤層灰分為6.31%～22.94%，為特低灰—中灰；平均灰分13.32%，屬低灰煤。18煤層灰分為4.64%～35.02%，平均13.15%，屬低灰煤。19煤層灰分為5.24%～25.37%，平均12.94%，屬低灰煤。21煤層灰分為6.76%～28.04%，平均14.48%，屬低灰煤。22煤層灰分為5.82%～29.69%，平均14.05%，屬低灰煤。22下煤層灰分為6.70%～26.00%，平均15.60%，屬低灰煤。25煤層灰分為5.71%～27.42%，平均11.84%，屬低灰煤。26煤層灰分為4.00%～19.43%，平均9.09%，屬特低灰煤。27煤層灰分為4.54%～27.12%，平均13.72%，屬低灰煤。28煤層灰分為5.62%～23.59%，平均12.01%，屬低灰煤。29煤層灰分為4.38%～27.80%，平均12.37%，屬低灰煤。

4.3 揮發(fā)分

14煤層揮發(fā)分18.04%～53.06%，屬高揮發(fā)分煤。15煤層揮發(fā)分35.57%～47.15%，屬高揮發(fā)分煤。16煤層揮發(fā)分29.49%～52.56%，屬高揮發(fā)分煤。17煤層揮發(fā)分37.99%～47.79%，屬高揮發(fā)分煤。18煤層揮發(fā)分14.60%～47.06%，屬高揮發(fā)分煤。19煤層揮發(fā)分16.90%～46.60%，屬高揮發(fā)分煤。21煤層揮發(fā)分28.33%～46.10%，屬高揮發(fā)分煤。22煤層揮發(fā)分36.10%～47.16%，屬高揮發(fā)分煤。22下煤層揮發(fā)分32.67%～45.48%，屬高揮發(fā)分煤。25煤層兩極值32.23%～44.36%，屬高揮發(fā)分煤。26煤層揮發(fā)分33.66%～41.58%，屬高揮發(fā)分煤。27煤層揮發(fā)分32.64%～45.59%，屬高揮發(fā)分煤。28煤層揮發(fā)分24.78%～46.74%，屬高揮發(fā)分煤。29煤層揮發(fā)分23.69%～44.88%，屬高揮發(fā)分煤。

圖3 大南湖礦區(qū)14—29煤層煤質(zhì)指標(biāo)垂向變化示意Fig.3 Vertical variation diagram of coal quality index of 14-29 coal seams in Dananhu Mining area

4.4 全硫

14煤層全硫?yàn)?.12%～2.22%，為特低硫—中硫，屬低硫煤。15煤層全硫?yàn)?.16%～0.70%，為特低硫—低硫，屬特低硫煤。16煤層全硫?yàn)?.16%～1.54%，為特低硫—中硫，屬低硫煤。17煤層全硫?yàn)?.19～0.63%，為特低硫—低硫，屬特低硫煤。18煤層全硫?yàn)?.07%～1.26%，為特低硫—中硫，屬特低硫煤。19煤層全硫?yàn)?.14～1.64%，為特低硫—中硫，屬特低硫煤。21煤層全硫?yàn)?.14%～1.48%，為特低硫—中硫，屬低硫煤。22煤層全硫?yàn)?.12%～1.82%，為特低硫—中硫，屬低硫煤。22下煤層全硫?yàn)?.12%～1.56%，為特低硫—中硫，屬低硫煤。25煤層全硫?yàn)?.06%～1.97%，為特低硫—中硫，屬特低硫煤。26煤層全硫?yàn)?.11%～1.00%，為特低硫—低硫，屬特低硫煤。27煤層全硫?yàn)?.14%～1.46%，為特低硫—中硫，屬特低硫煤。28煤層全硫?yàn)?.08%～1.57%，為特低硫—中硫，屬特低硫煤。29煤層全硫?yàn)?.11%～1.81%，為特低硫—中硫，屬低硫煤。

4.5 煤類及用途

區(qū)內(nèi)各煤層以不具黏結(jié)性的長(zhǎng)焰煤為主，其次為褐煤、不黏煤。煤質(zhì)以較高水分為主，特低灰—低灰，高揮發(fā)分，特低硫—低硫，特低磷—低磷，較低軟化溫度灰，中高—高發(fā)熱量，低—較低熱穩(wěn)定性，煤的化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng)、弱結(jié)渣性、易磨等特征，主要作為動(dòng)力用煤、氣化用煤，部分可作為有機(jī)肥料(主要指風(fēng)氧化煤)等；各煤層低等苯萃取物，中腐殖酸為主，腐殖酸含量較高的煤層，也可制取腐殖酸、煤酸等。另外，部分煤層焦油產(chǎn)率多以富油煤為主，可作為液化用煤或發(fā)電用煤。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)該區(qū)煤質(zhì)以長(zhǎng)焰煤為主，褐煤與不黏煤次之。對(duì)于煤層灰分，除26煤層為特低灰煤外，其他煤層均為低灰煤。

(2)對(duì)于煤層揮發(fā)分的研究顯示，礦區(qū)范圍內(nèi)14—29煤層均表現(xiàn)為高揮發(fā)分煤。對(duì)于煤層中硫的研究結(jié)果顯示，22、22下、29煤層為低硫煤，其余各煤層均表現(xiàn)為特低硫煤。

(3)大南湖煤礦14—29煤層表現(xiàn)為化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng)、弱結(jié)渣性、易磨等特征，可用于動(dòng)力用煤、氣化用煤。對(duì)于部分焦油含量高的煤層可用作液化用煤或發(fā)電用煤等。