潞安CC礦區3號煤的煤巖煤質特征研究

趙元鑫，楊玉娟

（濮陽職業技術學院能源與化學工程學院，河南 濮陽 457000）

我國是煤炭資源大國，油氣資源相對不足，對煤炭資源進行資源、化工角度的創新利用是充分發揮我國能源特色、保障能源安全的需求[1-2]。煤巖煤質特征是煤礦開采與煤炭資源綜合利用的科學依據，是展開煤礦安全生產、綠色生產、健康發展的必要支撐，也是展開煤炭地下資源創新利用的基礎[3-5]。自北美頁巖氣革命以來，世界范圍內引發了一場非常規能源革命[6]，促使傳統能源產業向更加科學、綠色、先進的方向轉型。在此背景下，加深對開采區煤巖煤質特征的了解，將有助于煤炭的安全、綠色開發與充分利用。本文根據資料與測試數據，總結潞安ZC礦區3號煤的煤巖煤質特征，并討論該區煤綜合利用的方式與建議，為煤系資源的充分利用提供依據。

1 目標煤層概況

研究區位于沁水煤田東翼中段，研究區內區域地層走向是北北東向，沿走向和傾向呈波狀起伏，地層傾角較小。研究區內發育地層由老至新分別為上元古界震旦系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二迭系，中生界三迭系、新生界新近系、第四系地層；區域含煤地層主要為石炭系上統太原組（C3t）及二疊系下統山西組（P1s）。二疊系下統山西組（P1s） 是本區主要的含煤地層之一，巖性主要由灰白色、灰色中細粒長石石英砂巖，灰色、灰黑色粉砂巖、砂質泥巖及1-4層煤組成，含植物化石碎片，其中3號煤層為主要可采煤層。

2 3號煤層煤巖煤質特征

2.1 厚度、含夾矸特征及3號煤的識別

3號煤層位于山西組中下部，上距K8砂巖約30m左右，本身厚度大、層位穩定為重要的對比標志。煤層厚度4.10～7.20m，平均厚度5.89m，含夾矸0～2層，結構簡單；夾矸巖性多為炭質泥巖，少數為泥巖。煤層頂板巖性為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，底板巖性為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖。

2.2 煤巖煤質特征

煤巖煤質是煤炭資源利用類型的依據。對3號煤層展開煤炭煤質研究，3號煤樣品觀察顏色為黑色，賦存狀態基本為塊狀、粉狀，以細、中條帶狀結構為主，具有層狀構造、灰黑色條痕色，斷面一般具有玻璃光澤，端口呈階梯狀或貝殼狀形態特征。密度測試實驗結果顯示，3號煤的平均視 (相對)密度大約為1.41t/m3左右。

對3號煤層展開煤巖類型研究，結果表明3號煤層樣品的煤巖類型以亮煤為主，暗煤次之，并夾有少量的鏡煤及絲炭條帶，故煤巖類型以半亮型為主，半暗型次之；對3號煤層展開微觀有機組分研究，結果表明，3號煤層樣品中的有機組分中以鏡質組為主，平均為70.10%；惰質組平均為16.75%。礦物含量平均為13.15%，以粘土為主。鏡質組最大反射率為1.861～2.089%；煤的變質階段為貧煤。

研究區3號煤層平均原煤干燥基恒容高位發熱量29.79MJ/kg，屬中高發熱量-特高發熱量煤；平均浮煤干燥基恒容高位發熱量33.57MJ/kg，平均浮煤恒容低位發熱量為33.07MJ/kg。3號煤層樣品的粘結指數為02；屬中等熱穩定性-高熱穩定性煤。

2.3 煤灰成分、灰熔融性

煤灰成分影響煤的燃燒利用效率。研究區3號煤樣品的灰成分以SiO2、Al2O3為主，其次為Fe2O3、CaO、MgO等成份；煤灰熔融性（ST） 為1415℃-1500℃，較高軟化溫度灰。

2.4 煤類及利用方向

煤類按《中國煤炭分類國家標準（GB5751－2009）》 劃分，分類指標采用浮煤揮發分（Vdaf）、粘結指數（GR.I）。

3號煤層浮煤揮發分 (Vdaf)為10.98%-15.06%，粘結指數 (GR.I)為0-2，劃分為貧煤(PM)。從篩分試驗結果看，3號煤層13～6mm級所占全樣產率最高，為25.77～54.61%，其次為6～3mm級，占20.74～31.65%。3號煤為低灰-中灰，低揮發分、特低硫-低硫，特低磷-中磷煤，中高-特高發熱量之貧煤，可作為動力用煤和民用煤，也可作為高爐噴吹用煤。

2.5 煤層附近的含水層

二疊系山西組3號煤層頂板附近存在砂巖含水層。厚1.50～13.75m，平均厚度約為5.18m，巖性為中細粒砂巖。一般下距3號煤層5m左右，是3號煤層頂板直接充水含水層。煤層附近的含水層是煤炭開發過程中煤礦水害的主要來源，是煤炭安全生產的重大隱患，明確煤層附近的含水層有利于煤礦的安全生產。

3 研究區3號煤開發的環境問題

3.1 夾矸問題

煤層夾矸的排放與堆積不當不僅大量占用土地，而且矸石自然排放大量的硫化物和煙塵污染空氣，在大氣降水的溶解和淋濾作用下，矸石中的有害元素進入地表或地下成為固體污染源。因此，應在夾矸的堆放地和其一定的范圍內采取防放措施，并留足防護帶。同時加強對煤矸石的綜合利用，使它對環境的污染減小到最低程度。研究區3號煤中具有一定的夾矸含量，開發過程中將產生夾矸問題，其排放、處理與堆積將影響礦區生態，展開煤矸石的綜合利用將有助于解決這一環境問題，如建材、煅燒水泥熟料等，但矸石中的污染性元素，尤其是重金屬元素等，需要經過化工過程處理后才展開綜合利用。

3.2 煤炭資源有害元素

煤炭資源利用過程中的另外一大環境問題屬于煤中有害元素通過燃燒等向外界釋放。研究區3號煤的有害成分測試結果顯示，原煤中含有硫、磷、氯、砷、氟等環境有害元素，容易在燃燒利用過程中釋放。通過浮選、高溫脫除化工處理等方法，可以在一定程度上減弱其環境影響。

4 結論

對研究區3號煤的煤巖煤質特征研究結果表明，研究區3號煤分布穩定，厚度較好，有利于煤炭資源開發；3號煤有機組分中以鏡質組為主，平均為70%以上，元素以以碳、氫含量為主，煤灰成分以SiO2、Al2O3為主，3號煤變質階段為貧煤，可作為動力用煤和民用煤或高爐噴吹用煤；3號煤平均甲烷含量為2.83mL/g·r，瓦斯成份以甲烷及氮氣為主，屬Ⅲ類不易自燃煤層，對安全生產有利，但在頂板附近存在砂巖含水層，是安全生產的隱患；3號煤的資源利用面臨煤層夾矸的排放與堆積、煤中有害元素通過燃燒等向外界釋放兩個環境問題，對煤矸石及煤炭展開高溫脫除化工處理等將有助于減弱3號煤資源利用的環境影響。