云南圭山煤礦主要可采煤層煤質(zhì)特征及綜合利用研究

李新民，明添學(xué),2，蘇肖宇，程勝輝,2

(1.云南省地質(zhì)調(diào)查院，云南 昆明 650051；2.自然資源部三江成礦作用及資源勘查利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650051)

依據(jù)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》，2020年我國(guó)煤炭消耗量約占能源消耗總量的60%以上，且在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，煤炭作為我國(guó)主要能源的地位將不會(huì)發(fā)生改變[1]。然而，粗放式的資源開采對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，甚至在局部地區(qū)形成了不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重后果。隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的不斷深入，綠色能源發(fā)展戰(zhàn)略被提上了重要的議事日程，煤炭能源的清潔利用將成為主要的發(fā)展方向。煤質(zhì)特征參數(shù)是煤炭資源評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容，不同工藝對(duì)煤質(zhì)的要求不同，同時(shí)直接決定了煤炭資源的用途，并影響煤炭的選別、加工及轉(zhuǎn)化工藝[2]。

本文以圭山煤礦K6煤層、K7a煤層、K7b煤層、K9a煤層、K9b煤層為研究對(duì)象，通過(guò)其煤質(zhì)特征、主要有用元素、有害元素和煤層氣賦存情況的分析研究，以期為區(qū)內(nèi)煤炭資源的開發(fā)利用以及提高資源綜合利用水平和清潔能源建設(shè)提供參考。

1 含煤區(qū)地質(zhì)背景

圭山煤礦位于云南省紅河州彌勒縣及瀘西縣境內(nèi)，呈北東-南西向帶狀展布。大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子陸塊區(qū)(Ⅵ)-上揚(yáng)子古陸塊(Ⅵ-2)之滇東被動(dòng)陸緣(Ⅵ-2-4)南部，屬華南聚煤域西南部云貴成煤區(qū)，為滇東老廠圭山煤田西南段。該區(qū)域?yàn)橥矶B世，西側(cè)為康滇古陸，東南側(cè)為黔桂海，海水常由北東和南東方向侵退，使該區(qū)成為海陸交互(以海退成煤為主)的成煤環(huán)境(圖1)。

圖1 上揚(yáng)子盆地晚二疊世構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Late permian tectonic diagram of the Upper Yangtze basin(注：①-安順場(chǎng)-麗江斷裂；②-箐河-程海斷裂；③-紅河斷裂；④-安寧河斷裂；⑤-甘洛-小江斷裂；⑥-師宗-貴陽(yáng)斷裂；⑦-水城-紫云斷裂；⑧-華鎣山斷裂；⑨-松桃-獨(dú)山斷裂；Ⅰ1-康滇古陸；Ⅰ2-越北古陸；Ⅰ3-江南古陸。)

通過(guò)對(duì)煤礦區(qū)主要標(biāo)志層物性特征、 煤巖層組合特征、主要煤層煤質(zhì)特征進(jìn)行綜合對(duì)比分析，含煤地層可劃分為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)和長(zhǎng)興組(P3c)，屬陸地邊緣相區(qū)，沿岸線呈帶狀展布，受海水、河流共同作用影響，沉積物在垂向?qū)有蛏媳憩F(xiàn)為海陸交互變化，以較細(xì)的陸源碎屑巖為主，夾薄層狀、透鏡狀泥灰?guī)r等海相層[3]。含煤地層為6～22層，經(jīng)對(duì)比確定的可編號(hào)煤層11層，煤層平均厚17.56 m，含煤系數(shù)12.83%。主要可采煤層5層，編號(hào)分別為K6、K7a、K7b、K9a、K9b，平均煤層厚11.46 m(表1)。

表1 圭山煤礦主要煤層特征Table 1 Characteristics of main coal seams in Guishan coal mine

續(xù)表1

2 煤質(zhì)特征

2.1 煤巖特征

研究區(qū)主要可采煤層煤巖類型以半亮型及半暗型煤巖為主，暗淡型次之，屬半暗-半亮型煤巖。 煤巖成分以暗煤巖及亮煤巖為主，間夾礦化絲炭和鏡煤條帶。 煤巖顯微組分中，有機(jī)組分含量為65.64%～78.90%，平均72.86%，以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，含微量殼質(zhì)組。無(wú)機(jī)組分含量為21.10%～34.36%，平均27.14%，以氧化硅礦物為主，黏土礦物、硫化物礦物以及碳酸鹽礦物次之。各煤層最大鏡質(zhì)組反射率(R0)為1.32%～1.59%，平均為1.42%，屬焦煤階段。

2.2 主要煤質(zhì)指標(biāo)

煤礦區(qū)可采煤層主要煤質(zhì)指標(biāo)見表2。煤中水分含量為0.81%～1.35%，平均0.99%，為特低水分煤，水分含量隨煤層由上至下逐漸降低；灰分含量為22.87%～33.19%，平均26.79%，除K7b煤層為中高灰分煤外，其余均為中灰分煤，表現(xiàn)為中部煤層灰分產(chǎn)率較高，上下部煤層灰分產(chǎn)率低；揮發(fā)分含量為20.66%～24.90%，平均22.13%，為中等揮發(fā)分煤，表現(xiàn)為上部煤層揮發(fā)分含量較低，中下部煤層揮發(fā)分含量相對(duì)較高；固定碳含量為49.76%～60.83%，平均57.10%，除K7b煤層為低固定碳外，其余煤層均為中等固定碳，表現(xiàn)為中部煤層固定碳較低，上下部煤層固定碳較高；全硫含量為1.35%～2.77%，平均1.69%，除K7b煤層為中硫分煤、K9a煤層為中高硫分煤外，其余均為低中硫分煤，表現(xiàn)為中下部煤層硫分較高，上部及底部煤層硫分較低(圖2)。其中，煤層中有機(jī)硫含量為0.08%～0.18%，平均0.13%，占全硫含量的7.7%；硫酸鹽硫含量為0.43%～1.10%，平均0.63%；黃鐵礦硫含量為0.70%～1.59%，平均0.93%；無(wú)機(jī)硫(硫酸鹽硫和黃鐵礦硫)占全硫含量的92.3%。由上述分析可知，無(wú)機(jī)硫是引起煤層硫分變化的主要因素，表明該地區(qū)晚二疊世成煤環(huán)境主要為淺水沼澤環(huán)境[4]。煤層中硫分組成以黃鐵礦硫?yàn)橹鳎ㄟ^(guò)洗選后可大幅降低硫分含量。綜上所述，礦區(qū)可采煤層為特低水分、中灰分、中等揮發(fā)分、中硫分焦煤(JM24、JM25)，可作為煉焦主煤或配煤使用[5]。

表2 圭山煤礦主要可采煤層工業(yè)分析和硫含量測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of industrial analysis and sulfur content in main recoverable coal seams in Guishan coal mine

圖2 可采煤層主要煤質(zhì)指標(biāo)垂向變化曲線Fig.2 Vertical change curve of main coal quality index of coal seam

煤層中灰分除少量來(lái)自成煤植物外，主要是外來(lái)物質(zhì)，包括成煤期混入和后期變質(zhì)作用帶入，其含量變化與沉積期的古地理環(huán)境有一定的聯(lián)系，總體表現(xiàn)為由海向陸漸次遞增的特點(diǎn)[4]。灰分組成通常用Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti、P、S等元素的氧化物表示(表3)。煤礦區(qū)主要可采煤層灰成分以酸性氧化物SiO2和Al2O3為主，F(xiàn)e2O3、CaO、MgO、TiO2和SO3次之，K2O、Na2O、P2O5等少量。SiO2含量為49.25%～54.73%，平均52.14%；Al2O3含量為22.32%～28.10%，平均25.09%；SiO2+Al2O3含量為75.39%～78.66%，平均77.23%；主要堿性氧化物Fe2O3+CaO+MgO含量為13.52%～17.60%，平均14.91%。 灰成分指數(shù)K[K=(Fe2O3+CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)]可作為聚煤環(huán)境的判別參數(shù)，并采用“灰成分端元分析法”建立灰成分與聚煤環(huán)境之間的聯(lián)系。本文認(rèn)為腐殖煤灰成分指數(shù)介于0.03～0.22之間屬較弱還原型，變化在0.23～1.23之間則屬較強(qiáng)還原型[6-7]。研究區(qū)煤層的灰成分指數(shù)為0.17～0.22，因此其成煤環(huán)境為較弱還原型。

表3 圭山煤礦主要可采煤層灰成分分析結(jié)果Table 3 Analysis results of ash composition in main coal seams in Guishan coal mine

以煤層灰成分中SiO2+Al2O3、CaO+MgO和Fe2O3+SO3三個(gè)組分的百分含量為端元，來(lái)反映聚煤環(huán)境的不同介質(zhì)條件，接近SiO2+Al2O3端元反映以黏土礦物為代表的陸源礦物類型，多與淡水介質(zhì)注入有關(guān)；接近CaO+MgO端元反映煤層中鈣鎂礦物含量較高，屬半潮濕氣候條件下的弱氧化-強(qiáng)還原環(huán)境，且堿度相對(duì)較高，Ca2+、Mg2+等離子易于沉淀；接近Fe2O3+SO3端元表明煤層中硫鐵礦含量較高，一般代表相對(duì)閉塞的局限沼澤環(huán)境[7]。據(jù)三角端元圖解(圖3)可知，研究區(qū)為還原性較弱的聚煤環(huán)境，總體上可能更接近于陸源區(qū)。

圖3 煤灰成分三角端元圖解Fig.3 Diagram of triangular-end elements of coal ash composition

3 煤層中伴生元素分布特征

煤層中除組成有機(jī)質(zhì)的主要元素C、H、N、O、S外，還賦存多種有用微量元素和有害微量元素[8]。煤層中伴生的有用元素一般包括Li、Nb、Ta、Sr、Rb等稀有金屬元素，Sc、Y、La、Ce、Gd等稀土元素，Ga、Ge、In等分散元素以及Cr、Mn、V、Cu、Zn、Ni、Co、Mo、Ba、Th、U等。研究伴生有用元素合有害元素的分布情況，將為區(qū)內(nèi)煤炭資源的合理高效使用以及清潔利用提供依據(jù)。

將礦區(qū)可采煤層伴生有用元素平均含量與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)煤和世界標(biāo)準(zhǔn)煤中伴生元素的平均值進(jìn)行對(duì)比(表4)[1,9]，礦區(qū)主要可采煤層中Ga元素含量為30.8～46.6 μg/g，平均38.14 μg/g，是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)煤中Ga含量的4.70～7.11倍，是世界標(biāo)準(zhǔn)煤中Ga含量的5.31～8.03倍；Ge元素含量為4.40～7.36 μg/g，平均6.22 μg/g，是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)煤中Ge含量的1.58～2.65倍，是世界標(biāo)準(zhǔn)煤中Ge含量的2.00～3.35倍；In元素含量為0.19～0.23 μg/g，平均0.21 μg/g，是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)煤中In含量的3.80～4.60倍，是世界標(biāo)準(zhǔn)煤中In含量的6.33～7.67倍。由上述可知，礦區(qū)煤層中Ge元素相對(duì)輕富集，Ga、In元素相對(duì)富集。

表4 煤中伴生有用元素含量對(duì)比Table 4 Content of associated useful elements in coal

煤層中有害元素除S外，通常還有P、As、Hg、F、Cl、Pb、Se等微量元素。煤層中S元素和P元素在煉焦時(shí)隨礦物質(zhì)轉(zhuǎn)入焦炭，冶煉時(shí)S元素易使生鐵產(chǎn)生熱脆性，P元素易使生鐵產(chǎn)生冷脆性，嚴(yán)重影響鋼鐵質(zhì)量；F元素是有毒物質(zhì)，對(duì)人體損害極大，輕者形成氟斑牙，重者出現(xiàn)氟骨病，甚至完全喪失勞動(dòng)力和生活自理能力[9-10]；As、Hg、Cl、Pb、Se等元素則為有毒、有害，或者是致癌物質(zhì)，對(duì)環(huán)境和人類身體健康影響較大。

表5為樣品分析測(cè)試結(jié)果。由表5可知，圭山煤礦可采煤層中有害微量元素主要有P、As、F、Cl等。各煤層Pd含量平均為0.048%～0.067%，除K9b煤層為低磷煤層外，其余均為中磷煤，含磷量無(wú)明顯的變化規(guī)律；Asd含量平均為2.17～4.35 μg/g，除K9a煤層為二級(jí)含砷煤層外，其余均為一級(jí)含砷煤層，砷含量變化不明顯；Cld含量平均為0.033%～0.055%，除K6和K9b煤層為特低氯煤外，其余均為低氯煤層，表現(xiàn)為中部煤層含氯較高，上部及底部煤層含氯較低；Fd含量平均為97.72～126.67 μg/g，均為低氟煤層，表現(xiàn)為上部煤層含氟較高，中下部煤層含氟相對(duì)較低。可采煤層中Pd、Cld含量均超過(guò)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)煤含量的平均值，在煤炭開發(fā)利用過(guò)程中應(yīng)注意有害元素的前期洗選和后期排放回收。

表5 煤中主要有害元素含量Table 5 Content of main harmful elements in coal

4 煤層氣賦存特征

煤層氣是一種賦存于煤層中的烴類氣體，以CH4為主要成分，以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中，是煤的伴生礦產(chǎn)資源。煤層氣屬于非常規(guī)天然氣，是目前國(guó)際上常見的潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料[11]。其熱值是通用煤的2～5倍，與天然氣相當(dāng)，可以與天然氣混輸混用，1 m3純煤層氣的熱值相當(dāng)于1.13 kg汽油、1.21 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，且燃燒后幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，是優(yōu)質(zhì)的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料[12]。

研究區(qū)主要可采煤層氣體成分以CH4和N2為主，CO2及重?zé)N含量較少。 其中，CH4占比為39.33%～74.91%，平均57.24%；N2占比為15.61%～49.97%，平均32.07%；CO2占比為3.00%～6.51%，平均4.65%；C2～C8占比為4.48%～8.17%，平均6.05%(表6)。瓦斯分帶均屬氮?dú)?沼氣帶，各煤層埋深450～990 m，基本為中埋深，煤層氣含量為3.39～5.04 m3/t。

表6 煤層氣成分、含量測(cè)定結(jié)果表Table 6 Test results of composition and content of coalbed methane

經(jīng)初步估算，礦區(qū)煤層氣資源總量約為21億m3，為小型規(guī)模；地質(zhì)儲(chǔ)量豐度為0.15億m3/km2，資源量豐度較低。當(dāng)煤層氣空氣濃度達(dá)到5%～16%時(shí)，遇明火就會(huì)產(chǎn)生爆炸，若將煤層氣直接排放到大氣當(dāng)中，溫室效應(yīng)約為CO2的21倍，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞極強(qiáng)[11-12]，但若在采煤之前先開采煤層氣，煤礦瓦斯爆炸率將降低70%～85%，且不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響。因此，礦區(qū)煤層氣的開發(fā)利用對(duì)提高煤礦瓦斯事故的防范水平，有效減少溫室氣體排放以及地區(qū)清潔能源建設(shè)具有一定的促進(jìn)作用。

5 結(jié) 論

1) 圭山煤礦主要可采煤層為特低水分、中灰分、中等揮發(fā)分、中硫分焦煤(JM24、JM25)，可作為煉焦主煤或配煤使用。煤中硫分組成以黃鐵礦硫?yàn)橹鳎袡C(jī)硫占比較少；灰成分以酸性氧化物為主，且灰成分指數(shù)較小。表現(xiàn)出成煤環(huán)境為接近于陸源區(qū)的較弱還原型。

2) 煤礦區(qū)主要可采煤層中Ga、In元素呈相對(duì)富集狀態(tài)，其中Ga元素含量是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)煤中Ga含量的4.70～7.11倍，是世界標(biāo)準(zhǔn)煤中Ga含量的5.31～8.03倍；In元素含量是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)煤中In含量的3.80～4.60倍，是世界標(biāo)準(zhǔn)煤中In含量的6.33～7.67倍，以上兩種元素具備高元素煤開發(fā)的潛在價(jià)值，應(yīng)注意綜合利用。

3) 煤礦區(qū)煤層氣資源經(jīng)初步估算約為21億m3，為小型氣藏。開展區(qū)內(nèi)煤層氣資源的綜合利用，對(duì)提高煤礦瓦斯事故的防范水平，減少溫室氣體排放以及地區(qū)清潔能源建設(shè)具有一定的促進(jìn)作用。

4) 煤礦區(qū)可采煤層中有害元素相對(duì)富集，Pd、Cld等元素含量均超過(guò)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)煤含量的平均值，在煤炭開發(fā)利用過(guò)程中，應(yīng)注意對(duì)有害元素的前期洗選和后期排放回收。