新疆準(zhǔn)東煤田庫蘭喀孜干勘查區(qū)煤質(zhì)特征分析

林波，孫增兵

(1.山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261000)

0 引言

煤炭是中國一次性能源中的主力能源[1]，同時(shí)作為重要的生產(chǎn)生活資源，其在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中有著重要作用[2]。在煤田地質(zhì)勘探中，煤質(zhì)特征研究是開發(fā)煤炭資源的基礎(chǔ)和依據(jù)，也是確定煤在工業(yè)利用和評(píng)價(jià)開采利用過程中對(duì)環(huán)境影響的基礎(chǔ)性研究[3-4]，具有重要意義。首先，煤質(zhì)特征參數(shù)是煤炭資源評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容，不同的灰分、揮發(fā)分及硫分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[5]；其次，在地質(zhì)研究方面，煤質(zhì)特征參數(shù)中必然包含豐富的古氣候、古生物和古地理在內(nèi)的成煤信息。為此，國內(nèi)外眾多學(xué)者在煤質(zhì)特征方面進(jìn)行了大量研究[6-20]。

本文以準(zhǔn)東煤田東部庫蘭喀孜干勘查區(qū)鉆探資料和勘探成果資料為基礎(chǔ)，對(duì)該區(qū)所含煤層煤質(zhì)特征進(jìn)行了分析總結(jié)，為今后該地區(qū)的煤炭開發(fā)利用提供材料支撐。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)東煤田位于準(zhǔn)噶爾盆地東部隆起帶北緣，卡拉麥里山南麓，西部和南部分別以沙帳斷折帶和奇臺(tái)低凸起為界，東部一直延伸到梧桐窩子凹陷，整體呈三角形[21-29]。

庫蘭喀孜干勘查區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東部，區(qū)域構(gòu)造屬于準(zhǔn)東煤田東部老君廟凹陷(圖1A)，區(qū)內(nèi)發(fā)育地層由老至新有早二疊世芨芨槽子群、早侏羅世八道灣組和三工河組、中侏羅世西山窯組、晚侏羅世石樹溝群、古近紀(jì)獨(dú)山子組和第四紀(jì)地層(圖1B)。除西北部邊緣產(chǎn)狀較陡外，絕大部分區(qū)域產(chǎn)狀平緩，局部地段有緩波狀起伏，傾向指向凹陷中心[4]。其中的中侏羅世西山窯組和晚侏羅世八道灣組為主要含煤地層，含煤層共23層，西山窯組見8～22層，總厚度38.00～54.30m，平均厚度45.55m，自上而下為1煤～19煤；八道灣組見4層，總厚度為7.30m，編號(hào)20煤～23煤(圖1C)。經(jīng)劃分對(duì)比可知，各煤層總體結(jié)構(gòu)簡單，其中2煤、13煤、15煤等為全區(qū)可采煤層，4煤、9煤、17煤、21煤、23煤為大部可采煤層，5煤、8煤、12煤、14煤等4個(gè)煤層為局部可采煤層(表1)。

1—砂土、黏土；2—風(fēng)成砂；3—碎礫石、砂礫；4—膠結(jié)砂礫巖；5—獨(dú)山子組；6—石樹溝群；7—西山窯組；8—三工河組；9—八道灣組；10—下芨芨槽子群；11—孔雀屏組；12—六棵樹組；13—石錢灘組；14—巴塔瑪衣內(nèi)山組；15—石英納長斑巖；16—斷層；17—推測/隱伏斷層；18—泉水(咸)圖1 區(qū)域地質(zhì)概況(A、B)和主要含煤地層柱狀示意圖(C)(據(jù)孫增兵，2018，有修改)

表1 勘探區(qū)可采煤層特征表

2 物理性質(zhì)及煤巖特征

2.1 物理性質(zhì)

區(qū)內(nèi)各可采煤層物理性質(zhì)基本相同，一般為黑色，易染手，條痕為黑色、參差狀斷口，呈塊狀及不均勻?qū)訝顦?gòu)造，以絲炭、暗煤為主，不顯光澤或顯弱絲絹光澤，易風(fēng)化呈碎塊狀，裂隙不發(fā)育，視密度平均介于1.30～1.38之間；易燃，煤灰呈淺灰白色。

2.2 宏觀煤巖成分類型

煤層宏觀煤巖組分以絲炭、暗煤為主，亮煤次之；宏觀煤巖類型為半暗型煤—暗淡型煤。

2.3 顯微煤巖組分

勘查區(qū)各主采煤層顯微煤巖特征如表2所示，可見各煤層中有機(jī)組分含量較高，無機(jī)組分含量較低。

2.3.1 有機(jī)組分

有機(jī)質(zhì)組分含量范圍為81.8%～94.9%，以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，其中：鏡質(zhì)組主要以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中的碎屑鏡質(zhì)體為主，平均含量為13.1%～32.2%(表2)；惰質(zhì)組以氧化絲質(zhì)體和碎屑惰質(zhì)體為主，平均含量為67.8%～86.4%。此外，殼質(zhì)組含量極少，主要為小孢子體，呈蠕蟲狀分布，平均含量為0～0.6%(表2)。

表2 各煤層煤巖組分鑒定成果表

2.3.2 無機(jī)組分

各煤層無機(jī)礦物組分含量范圍為5.1%～18.2%(表2)，以黏土礦物為主，呈浸染狀或薄層狀分布；含少量的碳酸鹽類礦物和少量的硫化物礦物，其中碳酸鹽類礦物含量為0.0%～0.7%，硫化物礦物含量為0.2%～1.0%(表2)。

2.3.3 煤成因、變質(zhì)階段及煤巖類型

從煤層的顯微煤巖組分看，以鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體為主，元素分析中氫元素含量較低，說明成煤植物以植物莖、根等木質(zhì)纖維組成，區(qū)內(nèi)煤成因類型為腐植煤類。根據(jù)樣品測試表明，各煤層鏡質(zhì)組平均反射率為0.65%～0.74%，表明本區(qū)變質(zhì)階段以Ⅱ階為主(表2)。各煤層煤巖類型以微鏡惰煤為主，僅在個(gè)別鉆孔中見有微泥質(zhì)煤和微惰煤(表2)。

3 化學(xué)分析

3.1 工業(yè)分析

3.1.1 水分

水分是煤中的無用物質(zhì)，它的存在將降低煤的利用價(jià)值。煤在燃燒時(shí)，水分的蒸發(fā)要消耗部分熱量，降低煤的發(fā)熱量[25]。

根據(jù)測試資料統(tǒng)計(jì)，西山窯組中各煤層原煤水分含量區(qū)間變化較大，浮煤水分含量變化不大。其中，各煤層原煤水分值(Mad)在2.38%～14.10%之間，平均值為6.60%，浮煤水分值(Mad)在2.41%～10.10%之間，平均值為6.75%(表3)。按《煤的全水分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(MT/T850—2000)，區(qū)內(nèi)煤層以中水分煤為主。

表3 西山窯組各主采煤層工業(yè)分析成果表

3.1.2 灰分

根據(jù)現(xiàn)有測試資料和采樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)各煤層原煤灰分產(chǎn)率(Ad)在2.45%～40.69%之間，平均值約為11.90%；浮煤灰分產(chǎn)率(Ad)在2.01%～9.72%之間，平均值約為4.03%(表3)。可看出煤灰分含量區(qū)間變化較大，按照GB/T15224.1—2004動(dòng)力煤的灰分分級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)，絕大多數(shù)煤層屬低灰分煤。只有2煤原煤灰分產(chǎn)率(Ad)為4.28%～18.00%，均值為7.88%(表3)，屬特低灰分煤。

3.1.3 揮發(fā)分

根據(jù)現(xiàn)有測試資料和采樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)西山窯組各煤層原煤揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)為25.65%～40.76%之間，平均值約為32.09%；浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)為26.22%～36.42%之間，平均值約為30.67%(表3)。可以看出煤揮發(fā)分含量區(qū)間變化較小，按國家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T849-2000劃分，均屬于中高揮發(fā)分煤。

3.2 元素分析

煤中除含有部分礦物雜質(zhì)和水分以外，其余可燃質(zhì)由多種碳、氫化合物和其他有機(jī)物組成，其主要化學(xué)元素有碳、氫、氮、氧、硫[30-31]。

根據(jù)現(xiàn)有測試資料和采樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)煤的元素組成中，以碳為主，氫、氮含量較少，且含量均相差不大(表4)。其中：碳含量在原煤中介于78.32%～80.52%之間，平均值79.51%；浮煤中介于77.98%～80.97%之間，平均值79.92%，屬于高固定碳煤。氫含量在原煤中介于3.80%～4.18%之間，平均值4.04%；浮煤中介于3.67%～4.16%之間，平均值3.87%。氮含量在原煤中介于0.92%～1.07%之間，平均值1.01%；浮煤中介于0.93%～1.20%之間，平均值1.05%。氧+硫含量在原煤中介于14.31%～16.61%之間，平均值15.45%；浮煤中介于13.95%～17.31%之間，平均值15.09%(表4)。

3.3 有害組分分析

3.3.1 硫

各煤層原煤全硫平均含量為0.16%～0.24%，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T15224.2-2010)，各煤層原煤的干燥基全硫含量均<0.50%，浮煤中含量介于0.11%～0.18%之間，屬于特低硫煤(圖2)。其他各種硫中以有機(jī)硫最多，含量在0.10%～0.15%之間，其次為硫化鐵硫，含量在0.07%～0.10%之間，不含硫酸鹽硫。

表4 各煤層元素測試分析成果表

①—原煤極值范圍；②—浮煤極值范圍；③—原煤平均值；④—浮煤平均值圖2 煤層全硫測試分析成果

3.3.2 其他有害組分

(1)磷：2煤、4煤、8煤、12煤和17煤原煤中磷平均含量為0.004%～0.010%，根據(jù)國家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(MT/TMTT966—2005)劃分，屬特低磷煤；而5煤、9煤、13煤、14煤和15煤中磷平均含量為0.011%～0.031%，屬低磷分煤。

(2)氟：原煤全區(qū)氟平均含量在42～74μg/g之間，按國家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(MT/TMTT966—2005)，屬特低氟煤。

(3)氯：2煤、8煤、9煤、12煤、13煤、15煤和17煤原煤全區(qū)氯平均含量為0.055%～0.094%，按國家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(MT/T597—1996)劃分，屬低氯煤；而4煤、5煤和14煤原煤全區(qū)氯平均含量為0.039%～0.049%，屬特低氯煤。

(4)砷：原煤中砷平均含量為(1～2)×10-4μg/g，浮煤中平均含量均為1×10-4μg/g，按國家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(MT/T803—1999)劃分，為一級(jí)含砷煤。

4 工藝性能

4.1 發(fā)熱量

西山窯組煤層中，2煤、9煤、12煤和13煤原煤高位發(fā)熱量(Qgr·d)平均值介于27.21～30.90MJ/kg，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T15224.3—2010)，均屬高熱值煤；而4煤、5煤、8煤、14煤、15煤和17煤原煤高位發(fā)熱量平均值介于24.31～27.20MJ/kg，均屬中高熱值煤(圖3)。低位發(fā)熱量(Qnet·d)平均值為24.55～27.42MJ/kg(圖3)，均大于煤炭資源量估算指標(biāo)的最低發(fā)熱量標(biāo)準(zhǔn)。

①—高位發(fā)熱量極值范圍；②—低位發(fā)熱量極值范圍；③—高位發(fā)熱量平均值；④—低位發(fā)熱量平均值圖3 原煤高位發(fā)熱量與低位發(fā)熱量測試分析成果

4.2 其他工藝性能

4.2.1 黏結(jié)性

區(qū)內(nèi)各煤層浮煤黏結(jié)指數(shù)皆為0，各煤層焦渣特征指數(shù)為2，各煤層為極微弱熔融黏結(jié)，表明該區(qū)為不黏結(jié)煤。

4.2.2 可磨性

根據(jù)各煤層可磨性結(jié)果及國家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(MT/T852—2000)看，2煤、4煤、5煤、9煤和13煤可磨性介于80～100，屬易磨煤；8煤、14煤、15煤和17煤可磨性介于60～80，屬中等可磨煤。

4.2.3 熱穩(wěn)定性

根據(jù)各煤層熱穩(wěn)定性結(jié)果及國家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(MT/T560—1996)看，4煤熱穩(wěn)定性介于50%～60%，屬中熱穩(wěn)定煤層；2煤、8煤、9煤、13煤和15煤熱穩(wěn)定性介于60%～70%，屬較高熱穩(wěn)定煤層；5煤、14煤和17煤熱穩(wěn)定性大于70%，屬高熱穩(wěn)定煤層。

4.2.4 低溫干餾

各煤層焦油產(chǎn)率在3.6%～5.4%之間，平均焦油產(chǎn)率均小于7%，屬含油煤。

4.2.5 灰熔融性

根據(jù)各煤層煤的灰熔融性及國家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T853.1—2000劃分，2煤、4煤、5煤、9煤、12煤、13煤、15煤和17煤灰軟化溫度介于1100～1250℃之間，屬較低軟化溫度灰為主的煤層；8煤灰軟化溫度大于1250～1350℃，屬中等軟化溫度灰為主的煤層；14煤灰軟化溫度大于1350～1500℃，屬較高軟化溫度灰為主的煤層。

5 結(jié)語

通過以上分析，本區(qū)煤層宏觀煤巖組分以絲炭、暗煤為主，亮煤次之，煤巖類型為半暗型煤-暗淡型煤，顯微煤巖類型以微鏡惰煤為主，見少量微泥質(zhì)煤和微惰煤，變質(zhì)階段以Ⅱ階為主。各煤層以中水分、特低—低灰、中高揮發(fā)分、高固定碳、特低硫、低磷分、特低氟、特低—低氯、一級(jí)含砷、中高—高熱值、不黏結(jié)、中等可磨—易磨、中熱—較高熱—高熱穩(wěn)定、含油、較低—較高軟化溫度灰為主的煤層為主，為優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力用煤，具有廣泛的開發(fā)利用前景，對(duì)周邊礦區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)研究工作，以及在該地區(qū)的找煤方向探索具有重要的指導(dǎo)意義。