浚县新镇勘查区煤质特征

吴双红,张 琳,张慧利,景喜林,杜婉怡

(河南省航空物探遥感中心,河南郑州 450053)

0 引 言

研究区位于豫北平原中部,地势低平开阔,西南高东北低,平均海拔约60 m,区内基本为新生界覆盖[1]。区域地质上属于华北坳陷区南部内黄隆起的断陷内,在河南省基岩(前新生界)地质图中显示为寒武系[2],同时在专家以往多次煤田预测中也均未发现有煤层赋存[3],因此,研究区没有开展过与找煤相关的地震勘查及钻探工作。2012年内黄隆起区进行地震概查时,通过地震勘查的“三边”工作(即边勘查施工、边整理分析研究资料、边调整修改设计),结合区域重力、磁法资料的综合研究后,认为研究区有煤层赋存的可能,因此将一条概查地震测线延入区内,发现了疑似煤层的地震反射信息。经过与专家多次论证,在研究区布设钻孔进行验证,于埋深1 362.58 m见煤,厚度8.29 m,地震资料解释与钻探深度误差仅为0.06%,从而打破了研究区无煤赋存的认识。

通过后续的煤炭地质勘查工作,初步查明研究区主要含煤地层为石炭系太原组、二叠系山西组和上、下石盒子组[4-5],上石盒子组仅在局部保留底部砂岩,其上被剥蚀,煤系地层厚度126～400 m。钻探揭露山西组二1煤层厚度1.81～8.29 m,平均可采厚度5.75 m,为研究区主要可采煤层[6],且煤层埋深较浅,该煤层层位稳定,其他煤层均不可采或仅局部可采,初步估算研究区煤资源量12.5亿t。由于是首次在研究区发现煤层赋存,区内无钻孔及煤的相关地质资料可供借鉴,因此为了指导研究区及周边区域后续的地质勘查工作,对研究区进行煤质特征分析非常必要且急需。本文以主要可采煤层二1煤为研究对象,通过煤的物理性质、煤岩特征、化学性质及工艺特征,分析了其煤质特征。

1 煤的物理性质

二1煤为黑色,以粉状为主[7],含少量块状及粒状,玻璃及油脂光泽,局部似金属光泽,半亮型～光亮型,阶梯状断口。局部煤呈灰黑色,条痕黑色,成分以镜煤居多,少量暗煤及丝炭,属半暗型煤,光泽暗淡,条带状、线理状结构,内生裂隙不发育,局部偶见黄铁矿碎片。莫氏硬度2°～3°。粉、粒状煤污手、质软,煤芯疏松易碎[8]。煤的视密度1.37～1.57 t/m3,平均 1.41 t/m3;真密度 1.44 ～ 1.65 t/m3,平均 1.50 t/m3。

2 煤岩特征

二1煤的煤岩类型为半亮型～光亮型[9]。以亮煤为主,镜煤及暗煤次之,夹丝炭薄层。研究区二1煤显微镜煤岩组分特征见表1。二1煤镜煤最大反射率为1.63% ～2.55%。 煤变质程度烟煤为Ⅵ～Ⅶ,无烟煤为Ⅸ段。

表1 二1煤显微镜煤岩组分特征Table 1 Composition characteristic ofⅡ1coal petrography under microscope

二1煤层的有机物组分以镜质组为主[10],惰质组次之,壳质组最少。在各煤类镜质组中,以基质镜质体(胶结丝质体碎片、半丝质体、粗粒体、孢子体等,少数被黏土矿物浸染)为主,其次是结构镜质体,为结构镜质体2(胞腔多受挤压变形变小,部分拉长呈线状,部分中空,部分被黏土充填),少数均质镜质体、团块镜质体、碎屑镜质体。惰质组以丝质体为主,主要为火焚丝质体(胞腔多中空,多破碎呈星状结构),氧化丝质体较破碎呈带状;其次半丝质体;少数碎屑惰质体、粗粒体、微粒体等;惰质组多被基质镜质体胶结。壳质组以孢子体为主,被基质镜质组胶结。无机质矿物中,主要以黏土矿物为主,呈团块状、条带状、浸染状、充填胞腔状,充填于有机质中;含微量碳酸盐,未见氧化物,偶见粒状、微粒状黄铁矿。

3 煤的化学性质

3.1 工业分析

通过对煤进行工业分析,分析结果对实际工作有指导作用[11]。本区内煤的工业分析如下：

二1煤Mad为0.50% ～4.02%,平均 1.17%;浮煤水分为 0.35% ～3.42%,平均 0.92%。

二1煤原煤灰分产率两极值为 8.89% ～25.49%,平均18.24%;经分选后二1煤浮煤回收率40.89%,灰分有所下降,灰分为 5.69% ～11.86%,平均8.02%,灰分平均下降56.03%。依据 GB/T 15224.1—2010《煤炭质量分级 第1部分：灰分》标准分级,二1煤为中低、特低灰煤。

二1煤原煤Vdaf为 10.06% ～ 24.67%,平均17.50%;浮 煤Vdaf为 6.79% ～ 23.68%,平 均15.93%。依据MT/T 849—2000《煤的挥发分产率分级》,二1煤为特低～中等挥发分煤。

焦渣特征(1—8)：无烟煤为粉状,贫煤为粉状～弱黏性,贫瘦煤为弱黏性～不膨胀熔融黏结,焦煤为不膨胀～微膨胀熔融黏结。

煤的Mt为 3.80%,依据 MT/T 850—2000《煤的全水分分级》标准分级,二1煤属特低全水分煤。

二1煤浮煤FCd均高于原煤,浮煤FCd为71.97% ～ 85.83%,平 均 77.34%;原 煤FCd为56.12% ～ 79.60%,平 均 67.50%。 依 据 MT/T 561—2008《煤的固定碳分级》,二1煤属中等、中高固定碳煤。

3.2 元素组成

3.2.1 煤的元素分析

二1煤煤样的原、浮煤元素分析见表2。原煤与浮煤元素组成以碳元素为主,含量约90%,含少量O、H、N和微量P。经分选后,无烟煤、贫瘦煤碳元素含量基本不变,焦煤稍有下降;无烟煤、贫瘦煤O含量稍有增大,焦煤稍有下降;除无烟煤H含量稍有下降外,贫瘦煤、焦煤基本不变;N、P含量变化不大。

3.2.2 硫分(St,d)

二1煤中全硫及形态硫分析见表3。根据GB/T 15224.2—2010《煤炭质量分级 第2部分：硫分》对煤层硫分分级,二1煤层无烟煤、贫煤全硫含量为0.26% ～ 0.30%,平均 0.28%,为特低硫煤;贫瘦煤、焦煤全硫含量为 0.19% ～0.85%,平均 0.43%,为特低硫、低硫煤。从形态硫分类来看,二1煤以硫铁矿硫和有机硫为主,含少量硫酸盐硫;经分选后,二1煤含微量硫酸盐硫。

表2 二1煤元素分析Table 2 Ultimate analysis ofⅡ1coal %

表3 二1煤硫分分析Table 3 Sulfur content analysis ofⅡ1coal %

3.2.3 有害元素及稀有元素

1)二1煤中有害元素

二1煤层中分别对原煤和浮煤测定了磷、铅、氯、氟、砷等。 磷含量0 ～0.09%,平均 0.03%,属特低～中磷煤,分选后浮煤磷含量大部分下降;铅含量12 ～31 μg/g,平均 21.40 μg/g,属中、低铅煤,分选后铅含量下降;氯含量 0.01% ～0.08%,平均0.06%,属低氯、特低氯煤;氟含量42 ～130 μg/g,平均83.30 μg/g,属低氟、特低氟煤,分选后氟含量下降近 40%;砷含量 1 ～3 μg/g,平均 1.65 μg/g,属一级含砷煤,分选后浮煤砷含量下降。

2)二1煤层伴生有益元素

二1煤层中分别对原煤和浮煤测定了锗、镓有益元素。 锗含量 0 ～1 μg/g,平均 0.24 μg/g,属低锗煤。 镓含量 5 ～12 μg/g,平均 8.41 μg/g。

3)煤层顶、底板及夹矸有害元素

二1煤层结构简单,仅两孔分别见到厚度为0.32、0.37 m 的夹矸,煤层顶、底板多数为灰黑色泥岩,其灰分在75% ～91%。测试结果显示煤层顶、底板有害元素含量均比较低,只有氟元素含量较高,所以在开采时要采取适当措施,尽量减少有害元素对环境的污染[12-13]。

综上,二1煤层及顶、底板、夹矸中有害元素较低,对炼焦及配焦用煤各项工业指标影响不大。

4 煤的工艺性能

4.1 发热量

二1煤的发热量测定结果见表4。二1煤原煤干燥基高位发热量(Qgr.d)为 26.06 ～32.39 MJ/kg,平均 28.65 MJ/kg。 低位发热量(Qnet.d) 为 25.70 ～31.74 MJ/kg,平均 28.12 MJ/kg。 浮煤发热量较原煤都有所提高,且提高比例＞10%。依据 GB/T 15224.3—2010《煤炭质量分级 第3部分：发热量》,二1煤为高发热量煤。

4.2 煤灰成分与煤灰熔融性

二1煤的煤灰含量详见表5。二1煤煤灰成分根据 含 量 大 小 依 次 是 SiO2、Al2O3、Na2O、CaO、Fe2O3、SO3、MgO、TiO2、 K2O、MnO2,以 SiO2和 Al2O3为主,两者含量75.76%,其次是 Na2O,含量15.50%。

表4 发热量测试分析Table 4 Calorific value evaluation and analysis MJ/kg

表5 二1煤的煤灰分析Table 5 Ash analysis ofⅡ1coal %

煤灰熔融性主要用于固态排渣锅炉和气化炉的设计,只能定性说明灰的熔化温度范围,而不能反映灰渣在熔化时的特性[14]。二1煤的煤灰熔融性软化温度(ST)、流动温度(FT)、变形温度(DT)、半球温度(HT)均大于1 500℃,根据 MT/T 853.1—2000《煤灰软化温度分级》,ST＞1 500℃属高软化温度灰,根据MT/T 853.2—2000《煤灰流动温度分级》,FT＞1 500℃属高流动温度灰。

二1煤无烟煤的黏结指数(GR.I)为0,焦渣特征1,焦块粉状;二1煤贫煤的黏结指数(GR.I)为0,胶质层最大厚度Y值为0,焦渣特征3,焦块粉状;二1煤贫瘦煤的黏结指数(GR.I)为5～18,焦渣特征3～5;二1煤焦煤的黏结指数(GR.I)为68～94,胶质层Y值为12～20 m,焦渣特征5～6,焦块部分熔合—完全溶合。根据MT/T 596—2008《烟煤黏结指数分级》,二1煤层无烟煤、贫煤属无黏结煤,贫瘦煤属微黏结煤,焦煤属中、强黏结煤。

5 煤类的确定

依据GB/T 5751—2009《中国煤炭分类》,以浮煤Vdaf和GR.I作为主要判定指标,以Y为辅助指标,确定本区各煤层煤类,参数见表6。

6 结 论

1)研究区主要发育二叠系下统山西组二1煤,全区可采,厚度较稳定。

2)煤岩类别为无烟煤、贫煤、贫瘦煤和焦煤,在研究区内由西南向东北分布,多以粉状为主,块状次之,粒状、层状少许。

表6 煤的分类指标分析测试参数Table 6 Testing parameters for the analysis of indicators of coal classification

3)煤质以低中灰、高发热量、特低硫～低硫、特低～中磷为特征,煤灰熔融性属高软化温度灰和高流动温度灰。

4)无烟煤、贫煤属无黏结煤,贫瘦煤属微黏结煤,焦煤属中、强黏结煤。

5)二1煤层的焦煤和贫瘦煤可作为炼焦用煤,无烟煤和贫煤可作民用和动力用煤。

参考文献(References)：

[1]张琳,张慧利,杜婉怡,等.浚县新镇一带煤系地层地质构造及其勘查方法研究[J].中国煤炭,2016,42(11)：30-33.ZHANG Lin,ZHANG Huili,DU Wanyi,et al.Study on geologic structure of coal measure strata in Xinzhen of Xunxian and its exploration methods[J].China Coal,2016,42(11)：30-33.

[2]河南省地质局地质科学研究.河南省基岩地质图(前新生界)(比例尺1∶50万)[Z].郑州：河南省地质局出版,1978.

[3]李刚,张琳,周永波,等.隐伏隆起区内部预测煤田的技术方法研究[J].中国矿业,2014,23(9)：70-75.LI Gang,ZHANG Lin,ZHOU Yongbo,et al.Study of technical method on looking for coal field inside the concealed uplift area[J].China Mining Magazine,2014,23(9)：70-75.

[4]张琳,景喜林,张慧利,等.地震勘探技术在发现新镇赋煤区中的应用[J].资源导刊(地球科技版),2014(1)：40-42.ZHANG Lin,JING Xilin,ZHANG Huili,et al.Function analysis of seismic exploration technology on discovery of Xinzhen coal field[J].Resources Guide(Earth Science and Technology),2014(1)：40-42.

[5]河南省地质矿产局.河南省区域地质志[M].北京：地质出版社,1989：512-539,642-656.

[6]张琳,景喜林,张慧利,等.地震概查在快速找煤中的应用效果[J].工程地球物理学报,2013,10(6)：840-844.ZHANG Lin,JING Xilin,ZHANG Huili,et al.Application of seismic exploration to looking for coal quickly and its effect[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2013,10(6)：840-844.

[7]孙芳芳,石志衍.河南省鹤壁石林二1煤层煤质特征及开采环境预测[J].资源导刊(地球科技版),2014(3)：12-14.SUN Fangfang,SHI Zhiyan.Ⅱ1coal quality and mining environment prediction of Shilin Hebi in Henan province[J].Resources Guide(Earth Science and Technology),2014(3)：12-14.

[8]马栋栋.安鹤煤田当中岗勘查区煤质特征简析[J].能源环境保护,2013,27(4)：60-62.MA Dongdong.The preliminary study on coal character in Dangzhonggang exploration district Anhe coal field[J].Energy Environmental Protection,2013,27(4)：60-62.

[9]吕贵友.鹤岗矿区煤变质特征及变质规律[J].中国煤炭地质,2005,17(3)：15-16.LYU Guiyou.Coalmetamorphictraitsand patternsin Hegang coalfield[J].Coal Geology of China,2005,17(3)：15-16.

[10]冯斌,李文前,郭新体,等.河南顺和西矿区Ⅱ2煤层煤岩煤质特征及瓦斯含量分带性[J].中国矿业,2013,22(4)：118-126.FENG Bin,LI Wenqian,GUO Xinti,et al.The character of lithotype and coal property and the zonation of gas content inⅡ2coalbed Shunhexi coal mine in Henan[J].China Mining Magazine,2013,22(4)：118-126.

[11]刘兵.关于测定煤水分、灰分、挥发分的体会[J].科技资讯,2014,12(13)：83.LIU Bing.Experience of the measurement of coal moisture,ash,vola-tile matter[J].Science and Technology Information,2014,12(13)：83.

[12]吴琴芳.煤中有害元素的危害及其抑制方法[J].江西煤炭科技,2011(4)：87-88.WU Qinfang.Hazard of harmful elements in coal and its suppressing method[J].Jiangxi Coal Science&Technology,2011(4)：87-88.

[13]洪伟,张衡,张春田,等.煤品质变化及有害元素迁移的研究进展[J].洁净煤技术,2016,22(5)：108-111.HONG Wei,ZHANG Heng,ZHANG Chuntian,et al.Research progress on coal quality changes and migration of harmful elements[J].Clean Coal Technology,2016,22(5)：108-111.

[14]郭海英.鹤壁石林勘探区二1煤煤质特征[J].洁净煤技术,2015,21(3)：6-10.GUO Haiying.Coal quaIity characteristics of No.Ⅱ1 coal seam in ShiIin expIoration area of Hebi city[J].Clean Coal Technology,2015,21(3)：6-10.