神府礦區5-2煤層富油煤賦存特征及資源潛力評價

李華兵，姚 征，李 寧，高 駿，謝 青，王 強

(1.陜西省地質調查院，陜西 西安 710054；2.陜西省礦產地質調查中心，陜西 西安 710068)

富油煤是一種特殊的煤炭資源。依據《礦產資源工業要求手冊(2014 修訂版)》中焦油產率的分級標準(葛金干餾條件下)，煤炭可分為高油煤(Tar,d>12%)、富油煤(Tar,d=7%～12%)和含油煤(Tar,d≤7%)，廣義的富油煤包括高油煤和富油煤[1]。本次研究主要是對廣義富油煤進行資源評價。焦油產率較高的富油煤經過低溫干餾，在隔絕空氣或惰性氣氛條件下加熱至600～800℃，經過一系列化學反應和物理變化，得到煤氣、煤焦油和半焦或焦炭等，是煤炭轉化和煤清潔利用的基礎[2]。煤炭從傳統的、單一的燃料向原料轉變，運用低溫干餾工藝生產半焦和低溫煤焦油，提高產品附加值和應用效率，是煤化工替代石油化工的發展方向之一[3]。

影響煤焦油產率的主要因素包括成煤物質、煤化程度、熱解溫度、煤熱解升溫速率和煤的活性組分。相對于腐植煤，腐泥煤富含殼質組分，具有更高的揮發分產率和焦油產率[4-5]。隨著煤化程度的提高，煤中揮發分、H/C、氧含量等都呈下降趨勢[6-7]。原煤熱解焦油產率在600℃時達到最大值，熱解終溫的升高促使焦油發生二次裂解，使得焦油產率降低[8]。快速升溫熱解比慢速熱解更有利于提高輕質氣相產物的產率，主要是提高了碳、氫轉化為輕質氣相烴類產物的效率[9]。陜北侏羅紀煤田煤質優良，原煤潔凈等級為Ⅲ級，低熱演化程度、高揮發分、高氫碳原子比的特點使其在煤炭直接液化利用方面具有較大的優勢[10-11]。

神府礦區煤炭資源豐富，以往研究在富油煤分布范圍、資源潛力及開發前景等方面缺乏系統性，資源潛力不清，開發前景不明。在系統分析神府礦區5-2煤層富油煤賦存特征的基礎上，開展富油煤資源潛力評價，以綠色發展理念為導向，實現煤炭高效清潔利用，延長煤炭價值鏈，對加強生態文明建設、黃河中段生態環境脆弱區環境保護和陜北地區煤炭轉型具有重要的經濟和社會意義[9,12]。

1 地質概況

1.1 礦區地質背景

神府礦區位于鄂爾多斯盆地東北邊緣，構造單元處于鄂爾多斯地臺二級構造單元伊(伊克昭盟)–陜(北)單斜東緣中部，西部為天環坳陷，北部為伊盟隆起，東部是晉西撓折帶。三疊紀中晚世，本區才逐漸與華北地區解體分離，成為獨立的內陸沉積盆地——鄂爾多斯盆地的一部分，而在此之前，與華北地臺為一整體[13]。

礦區地層總體為向西緩傾的單斜，傾角1°～3°，坡降一般5‰～17‰，未發現落差大于30 m 斷層和明顯的褶皺構造，也無巖漿活動，僅表現為一些寬緩的大小不等的波狀起伏。地殼大范圍的長期緩慢沉降，造成鄂爾多斯侏羅–白堊紀盆地的早期擴張及普遍充填，中侏羅統含煤巖系即形成于這一階段。

1.2 成煤沉積環境

鄂爾多斯盆地延安組主要是三角洲平原相和濱湖相沉積。神府礦區5-2煤層形成于覆水較深、還原程度高的濱湖、淺湖/湖泊邊緣三角洲以及沼澤環境中，煤化程度較低。草本植物、低等植物和浮游生物等成煤物質發育，顯微組分中活性組分(殼質組+鏡質組)體積分數為15%～25%，氫元素含量高，H/C原子比相對較高。煤中活性組分及氫元素含量是煤生烴物質基礎[14]。B.P.Tissot 等[15]根據范氏圖推測，在成煤過程中殼質組的熱演化途徑與Ⅱ型干酪根基本相同，Ⅱ型干酪根經過熱演化生成石油，說明殼質組有較強的生油潛力，是富油煤的生油母質。

1.3 煤層及煤巖煤質特征

神府礦區內煤層分布范圍廣，全區均含煤，且煤層發育層數較多，自上而下約7 層，其中5-2煤層全區可采，大部分區域不含夾矸，局部地區含1～2層夾矸[16]。5-2煤層位于延安組的下部，可采厚度為1.35～7.85 m，平均5.61 m，屬于厚煤層，變異系數22%[16]，煤層厚度變化不大(圖1)。

圖1 神府礦區5-2 煤層厚度分布Fig.1 Thickness distribution of No.5-2 coal seam in Shenfu Mining Area

5-2煤層主要呈黑色，煤巖成分以暗煤、亮煤為主，夾鏡煤條帶或透鏡體，絲炭沿層面呈長條帶或透鏡體分布，厚1～3 mm，常見絲炭化植物葉片和莖干的薄片出現在鏡煤的上、下部位。5-2煤層屬于低水分、特低灰分、中高揮發分煤，原煤全水分平均為7.49%，灰分平均為7.87%，揮發分平均為34.92%[17]。

2 富油煤賦存特征

2.1 焦油產率特征

對神府礦區歷年鉆孔資料以及井下實地采樣測試數據進行整理，得到5-2煤層焦油產率。鉆孔數量755 個，井下采樣63 處，采集樣品163 件，覆蓋整個礦區，能夠代表神府礦區焦油產率的真實情況。統計結果表明：5-2煤層焦油產率介于 4.12%～17.58%，平均值9.81%，表明神府礦區5-2煤層整體上達到富油煤水平，部分地區的焦油產率超過12%，最高可達17.85%，已經達到高油煤的標準。其中，焦油產率最低值在郭家灣井田，為4.12%，最大值為17.85%，位于紅柳林井田，兩者相差4 倍。

按照焦油產率分級，數據中焦油產率小于7%的含油煤(ET)樣品有23 個，7%～12%的富油煤(RT)樣品為694 個，大于12%的高油煤(HT)樣品為38 個，各級別焦油產率占比如圖2 所示。因此，神府礦區5-2煤層絕大部分焦油產率大于7%，屬于富油煤，表明神府礦區5-2煤層富油煤整體上發育良好[18]。

圖2 神府礦區5-2 煤層各焦油產率所占比例Fig.2 The tar-yield proportion of No.5-2 coal seam in Shenfu Mining Area

2.2 富油煤分布特征

對神府礦區各井田5-2煤層焦油產率情況進行統計分析，結果見表1，并繪制焦油產率等值線圖(圖3)。通過對焦油產率數據研究分析，得到神府礦區5-2煤層富油煤的分布特征。總體而言，神府礦區富油煤賦存特征主要為焦油產率高、整體發育穩定、局部存在差異性、面積廣、潛力巨大等特點。

表1 神府礦區各井田5-2 煤層焦油產率情況Table 1 The tar-yield proportion of 5-2 coal seam in Shenfu mining area

圖3 神府礦區5-2 煤層焦油產率分布Fig.3 The tar-yield distribution of No.5-2 coal seams in Shenfu Mining Area

1) 焦油產率高

神府礦區5-2煤層焦油產率介于4.12%～17.58%，平均值 9.81%，平均值不僅高出富油煤臨界值近3%，也大于陜西省境內陜北和黃隴侏羅紀煤田高焦油產率平均值9.4%[19]。焦油產率小于7%的只占到3.05%，焦油產率大于7%約占97%，而焦油產率大于10%的鉆孔接近50%，表明神府礦區5-2煤層的焦油產率較高。

2) 發育穩定

對神府礦區紅柳林井田、檸條塔井田、石窯店井田等焦油產率高值點進行順層采樣，在直線長度為2 000 m 的范圍，每隔40 m 采集一個樣品進行化驗測試，評價富油煤發育的穩定性。通過計算煤焦油產率平均值、標準差和變異系數，并以變異系數為煤的富油性穩定程度評價指標，小于10%指示穩定性等級優、10%～12%指示穩定性良、12%～15%指示穩定性中、大于15%指示穩定性差[20]。從表2 可以看出，富油煤發育穩定性良好。

表2 富油煤發育穩定性分析Table 2 Stability analysis for tar-rich coal of 5-2 coal seam

3) 發育面積廣

神府礦區面積約2 400 km2，5-2煤層達到可采厚度的面積約1 344.80 km2，富油煤和高油煤發育面積為1 295.45 km2，約占可采厚度發育面積的96%，其中高油煤面積約 8.66 km2，富油煤面積為1 286.79 km2，含油煤面積為49.35 km2。

4) 富油煤開發潛力大

神府礦區5-2煤層達到可采厚度的煤炭資源量約為4 918.01 Mt(截至2018 年底)，其中高油煤資源量為42.75 Mt，占比0.87%；富油煤資源量約為4 659.02 Mt，占比 94.73%；含油煤資源量為216.24 Mt，占比4.40%；高油煤和富油煤儲量之和達到4 701.77 Mt，占比95.60%，開發前景巨大。

5) 富油煤分布區域存在差異

從焦油產率等值線圖(圖3)可以看出，神府礦區富油煤分布南北存在差異，總體上南部區域焦油產率高、北部低。南部富油煤發育良好，尤其是西南部緊靠榆神礦區的紅柳林井田和檸條塔井田最高。北部區域焦油產率相對較低，大柳塔井田以北區域、郭家灣井田周邊區域以及三道溝井田的東北部等區域的焦油產率較低。這表明在陜北侏羅紀煤田腹地富油煤發育較好，而邊緣區域發育較差。

3 富油煤資源潛力評價

3.1 評價方法

富油煤作為一種特殊的煤炭資源，對其資源潛力評價屬于煤炭資源評價的范疇。煤炭資源評價采用地質學、數學、經濟學和系統工程學等為基礎的邊緣學科方法[21]。富油煤發育受多種因素影響，不能用單一的標準來評價，必須綜合各方面的因素。本次研究首先把富油煤資源潛力分為若干因素進行綜合考量，再把這些因素細分，進行層次分析[22]，具有較好的實用性和有效性。

3.2 評價參數

根據神府礦區5-2煤層富油煤賦存特征，把該區富油煤資源潛力的影響因素分為資源賦存、煤層賦存、開發技術和社會環境效益4 部分[23]。資源賦存包括煤炭焦油產率、資源量、煤層厚度等；煤層賦存情況包括煤層發育狀況、頂底板巖性及穩定程度等；開發技術主要是對富油煤開發能力進行評價，一般大型企業聚集區，有利于發揮技術優勢；社會環境效益是指資源開采過程中對區域煤炭工業轉型和黃河中段環境脆弱區的影響。

根據層次分析法，把資源賦存、煤層賦存、開發技術和社會環境效益4 個因素作為主要指標，并細分為10 個評價參數，建立富油煤資源潛力評價體系[21](表3)。考慮到神府礦區煤層賦存條件、開采技術和經濟效益基本相同，而富油煤是主要評判標準，所以對資源賦存狀況賦值0.4 分，其余3 項各賦值0.2 分，按照評價參數進行賦分并累加，得到每項影響因素的最終得分。

表3 富油煤資源潛力指標等級劃分Table 3 Tar-rich coal resource potential index classification

3.3 評價結果

通過對神府礦區富油煤資源潛力評價各項指標進行分析，得到各井田的綜合評價結果(表4)。由表中可知，神府礦區5-2煤層富油煤資源開發潛力綜合得分介于71.7～85.5 分，平均77.34 分，屬于資源富集有利區。各井田煤層賦存條件相近，煤層結構簡單，頂底板巖性多以砂巖、泥質砂巖為主，穩定程度基本相同，煤層變異系數為20%～30%，相差不大。在開發技術和社會環境效益方面略有不同，但總體上較為相近。

表4 富油煤資源潛力評價結果Table 4 Results table of resource potential

由于煤質、成煤環境和成煤物質存在差異，不同井田焦油產率差別較大(表1)。另外，煤層厚度和資源量也呈現區域差異性。因此，研究區富油煤資源賦存條件方面相差較大。紅柳林井田、檸條塔井田、大柳塔井田、張家峁井田、石窯店井田等綜合評價得分在80 分以上，資源賦存得分均在30 分以上，富油煤發育良好、焦油產率高、煤層厚度大、剩余儲量巨大。

3.4 有利區劃分

根據本次富油煤資源潛力評價結果，對神府礦區5-2煤層富油煤資源有利區進行劃分。紅柳林井田、檸條塔井田、大柳塔井田、張家峁井田、石窯店井田等各要素賦存條件達到優質級別，以10%焦油產率等值線和5 m 煤厚等值線將以上井田劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個有利區(面積約700 km2，富油煤儲量超過2 000 Mt)，即為下一步神府礦區5-2煤層富油煤勘探開發的最有利區域(圖4)。

圖4 神府礦區5-2 煤層富油煤資源有利區劃分Fig.4 Distribution of the resource favorable area for 5-2 coal seams

有利區Ⅰ主要包括紅柳林井田、檸條塔井田、張家峁井田，面積約 337.7 km2，煤層平均厚度5.31 m，焦油產率平均為10.05%。Ⅱ號有利區主要包括大柳塔井田、大海則井田、石窯店井田、青龍寺井田，面積約365.4 km2，煤層厚度平均為5.04 m，焦油產率平均為9.34%。選定的有利區煤層穩定，資源潛力較大，國家能源集團、陜西煤業化工集團等大型企業聚集，技術力量較強，有利于推動富油煤轉化和高效利用。

4 結論

a.神府礦區5-2煤層焦油產率平均值為9.81%，整體上達到富油煤水平，部分地區已經達到高油煤的標準。鉆孔數據和采集樣品中，富油煤和高油煤占比近97%，表明研究區富油煤整體上發育良好。

b.從焦油產率、變異系數、富油煤面積和儲量、差異性等數據來看，研究區富油煤賦存特征主要為焦油產率高、整體發育穩定、局部存在差異性、面積廣、潛力巨大等特點。

c.采用層次分析法評價富油煤的資源潛力，把資源賦存、煤層賦存、開發技術和社會環境效益4 個因素作為主要指標，對4 項指標細分10 個評價參數后，建立富油煤資源潛力評價體系。經分析，研究區富油煤資源開發潛力平均綜合得分77.34 分，屬于資源富集有利區。

d.根據資源潛力評價結果，將研究區共劃分為2 個富油煤資源有利區，其含煤面積約為700 km2，煤層厚度均大于5 m，焦油產率大于9%，富油煤儲量超過2 000 Mt。主要包括紅柳林井田、檸條塔井田、張家峁井田、大柳塔井田、大海則井田、石窯店井田、青龍寺井田。有利區面積廣、焦油產率高、資源潛力大，周邊大型煤炭企業較多，技術資金力量雄厚，在目前開采條件下已經實現產業化，為下一步富油煤勘探開發指明了方向。