河南省陕渑煤田煤岩特征及清洁利用潜势探讨

赵明坤，王海泉 ，许 军，牛 然

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116； 2.河南省煤炭地质勘察研究总院，郑州 450002)

我国是煤炭生产、消费大国，煤炭消费占全国一次能源的70%[1]。煤炭工业粗放式开采和加工使矿区周边生态环境遭到破坏，我国80%的煤炭用于直接燃烧，增加了大气污染。近几年石油价格居高不下，我国加快能源结构优化与调整，在能源结构和环保形式双重压力下，煤炭的清洁高效利用已然成了当前煤炭工业发展的重中之重[2-4]。因此严格控制煤炭开采及加工过程，提高煤炭质量，建立清洁、安全、可持续的煤炭开采利用体系是今后煤炭工业发展方向[5-8]，受此影响，清洁煤技术发展较快[9]，雷仲敏等基于经济-能源-环境(3E)分析建立起了针对现有洁净煤技术评价中存在问题宏观的技术评价模式，采用费用一效益分析方法提出具有可比性的评价指标，建立起MODM多目标决策的评价模型[10]，任世华等提出了确定洁净煤技术评价指标体系权重的网络Delphi法[11]，俞珠峰等采用生命周期理念LCA和3E(能源、环境、经济)方法形成CCTM模型，可对18项洁净煤技术进行技术、经济、环境和社会综合评价[12]。然而仅有少量学者对单个勘查区或矿井进行了评价[13-15]，河南省这方面工作相对滞后，本次通过对陕渑煤田各生产矿井进行煤质采样化验、统计分析，以期对其清洁潜势作出探讨，以此体现煤质清洁性评价工作对河南矿井生产及合理加工利用煤炭资源、保护环境、在保证经济效益的同时提高社会效益具有重要意义。

1 研究区概况

1.1 地层

陕渑煤田地层隶属华北地层区豫西分区的渑池确山小区。区内除缺失震旦系、志留系、泥盆系下统及侏罗系下统的地层外，自中元古界至第四系都有不同程度的沉积。中元古界大面积出露于煤田东北部及西南部，寒武系和奥陶系中统主要出露于北西及北东部，西南部仅有零星出露，石炭系中、上统，二叠系主要出露在各井田和勘探区中浅部，三叠系主要出露于渑池向斜的核部和北翼，侏罗系中、上统、白垩系主要在义马煤田出露。新近系、第四系多分布于本区东部。地层走向NE、倾向一般为140°,倾角为9°～12°。

区内含煤地层为二叠系的本溪组(C2b)、二叠系的太原组(P1t)、山西组(P2s)、下石盒子组(P2x)、上石盒子组(P3sh)，总厚度520.20m，为一套连续沉积，顶部与与刘家沟组呈整合接触，底部与马家沟组呈平行不整合接触。

1.2 构造

陕渑煤田位于华北板块南部的崤熊构造区的西北段，东临嵩箕构造区，北近太行构造区，属板内褶皱逆冲带。

板缘构造运动和板块活化，对陕渑煤田含煤构造的形成与改造，始终起控制作用。加里东期至印支期为板块对接阶段，华南、华北两板块的靠近—碰撞—对接，引起秦岭洋的消减—退缩—闭合，导致板内地壳的抬升—沉降—裂陷，促成煤田含煤建造的沉积—形成—改造；燕山期为板块活化阶段，华南板块向北俯冲，华北板块向南俯冲，板缘区秦岭—大别褶皱成山，大规模花岗岩侵入。位于板内的煤田地质体则强烈形变，北西向走滑断层、东西向推覆构造、北东向张性断裂等相继产生，酸性岩浆岩顺深大断层侵入，含煤岩系遭到破坏；喜山期为断块掀斜阶段，华南、华北板块并入亚欧大板块，东部板缘受到太平洋板块的强烈俯冲，板内东西向裂陷、滑动构造发育，陕渑煤田内含煤岩系的赋存深度及范围受到控制。

主要褶皱构造见图1及表1。

①渑池向斜。位于义马—观音堂一线，延伸长度达50km，宽20余km。轴向近东西，轴面斜向南，为向东倾伏的不对称向斜。两翼由中、上元古界及寒武、奥陶、石炭、二叠系组成，核部由三叠、侏罗、白垩系组成。

②樱桃山背斜：形成于燕山早期，轴向NE，南西端为硖石断层所截。向北东倾伏，核部由寒武、奥陶系地层组成，两翼由石炭、二叠系地层组成。

1.3 岩浆岩的发育概况

图1 陕渑煤田构造纲要示意图Figure 1 Schematic diagram of Shaanxi Mian coalfield tectonic outline

表1 陕渑煤田主要构造一览表Table 1 Main structure of Shaanxi Mian coalfield

北部结晶程度较好，南部较差。侵入岩厚度变化趋势和结晶程度的差异，说明其侵入方向为自西北而东南。侵入层位大体为北高南低，浅部多侵入于寒武、奥陶系，中、深部多侵入于石炭、二叠系。

②喷出岩。据区域资料，中元古界熊耳群中，发育岩浆喷发形成的巨厚火山熔岩及火山碎屑岩，说明中元古代发生过火山喷发事件；据仁村勘探区岩矿资料，太原组中赋存有火山凝灰质砂岩数层，表明石炭纪煤田有岩浆喷发活动；据义马煤田资料，义马一带三叠系上统谭庄组中局部夹两层酸性喷出岩，下白垩统中赋存有凝灰质砂岩、砂砾岩，代表了三叠纪、白垩纪煤田内发生的两次岩浆活动。

2 煤岩特征

2.1 物理性质

根据综合观察，二1煤层为黑色，条痕棕黑色。具玻璃光泽。呈参差状断口，硬度2～2.5度，性脆，松软。煤层因受构造影响，原生构造遭到破坏，层理不甚明显，煤层组分混杂，多为碎粒煤和糜棱煤。煤层裂隙比较发育，常有次生粘土矿物和方解石呈脉状充填，局部有少量黄铁矿结核。煤的视密度1.35t/m3，真密度1.48t/m3，孔隙率在9%左右。

2.2 宏观煤岩特征

二1煤宏观煤岩类型属光亮型—半光亮型，各矿区均以亮煤为主，镜煤和丝炭含量很少，且多以条带状和极薄层出现，煤层顶底板暗煤增加，煤层中黄铁矿多以结核状和细粒状无规则散布，向西含量增加。

下石盒子组和上石盒子组下段所含煤层，由于成煤环境与太原组和山西组不同，故煤炭特征与物性迥然相异。煤岩多为半暗型和半亮型，以至暗淡型。

2.3 微观煤岩特征

2.3.1 有机显微组分

据镜下观察，二1煤层有机组分平均为90.63%(53)，其中镜质组65.52%，半镜质组12.73%，惰性组12.38%。镜质组约占有机组分的72%，半镜质组和惰性组含量基本相等。

镜质组多以无构造均质镜质体和基质镜质体为主。在基质镜质体中分布着不规则的条带状、团块状半镜质体。惰性组多为粗粒体和半丝质体，微粒体和丝质体次之，菌类体较少，在壳质体中见少量树脂体和角质体以及个别小孢子体。

2.3.2 无机显微组分

无机组分含量在9%左右。其中以粘土矿物为主，约占无机组分总量的68%，多呈条带状、透镜状分布于基质体中。其次是黄铁矿及白铁矿，呈粒状或团块状、球粒状聚合体出现。碳酸盐类方解石以脉状于镜质体裂、孔隙中充填。

煤岩显微组分定量分析与镜下观察结果表明，形成二1煤层的原始质料，属高等植物，按成因分类属陆植煤。镜煤反射率为1.33%～1.87%，应为焦煤变质阶段。煤岩定量结果见表2。

3 煤质分析

陕渑煤田煤质分析见表3。

表2 二1煤层显微煤岩组分定量结果表Table 2 Quantitative result of microscopic coal and rock composition in two1 coal seam

注：括号内数字为化验结果个数

表3 陕渑煤田主要煤层煤质分析Table 3 Coal quality analysis of main coal seams in Shaanxi Mian coalfield

①灰分。河南二1煤灰分有西高东低之势，富灰区主要集中在临近中条古陆的渑池地区，形成一个灰分含量相对高值地带，陕渑煤田灰分最高达47.33%，一般15%～25%，部分原煤灰分高达30%～35%，煤灰熔点，一般都大于1 400℃，属于高熔点煤炭，即高熔灰分。

②硫分。二1煤富硫，不同煤类硫分含量不同，瘦煤最高，焦地一矿硫含量高达4.50%，焦煤次之，弱粘结煤最低。硫源主要是黄铁矿，其次是有机硫。二1煤中黄铁矿平均含量占全硫的50%～70%以上，次为有机硫，含量30%左右，硫酸一般含量只有2%～3%。

③挥发分和胶质层厚度。它是煤分类的主要指标，并被用来初步确定煤的加工利用性质。煤的挥发份产率与煤化程度有密切关系。煤化程度(即变质程度)越低，挥发分越高，随着煤化程度加深，挥发分逐渐降低。渑池一带为20%以上，个别井田为23.88%。胶质层厚度可达20mm，属瘦、焦煤，以观音堂为中心，向北逐步减少至15%，属无烟或贫煤。陕渑煤田煤的挥发分随埋深情况而变化，以渑池陈村24线埋深，挥发份变化见下表4。

表4 渑池矿区陈村井田24线埋深挥发份变化表Table 4 Variation of volatile matter at 24exploration line in Chencun minefield,Mianchi mining area

④发热量。发热量亦称热值，它是评价煤炭质量，尤其是评价动力用煤的重要指标。发热量主要与煤中的可燃元素含量和煤化程度有关，特别与煤的灰分有关，二1煤发热量一般17.208～35.986MJ/kg，更常见为25.669～30.538MJ/kg。

4 清洁利用潜势及方式

4.1 评价因子选取和等级划分

考虑煤中有害元素的危害性，本次选取灰分、硫、汞、氯、铬、镉、砷、氟、硒、铅、锰等11个指标作为煤炭资源洁净潜势评价因子。为了得到陕渑煤田的相关因子值，本次采用采样和统计以往资料相结合的方法，以求各因子的平均值更贴近实际，本次在陕渑煤田各矿井采样16个，采样方法为：在井下工作面沿煤层由上至下用按照国家标准(GB/T 482—2008)采用连续刻槽法进行全层采样。使用HK-8100系列ICP光谱仪对样品进行测试，仪器精密度RSD≤1.50%；稳定性：RSD≤2%，检出限：PPb级。采样化验工作由河南省煤炭质量监督检验中心完成。结果见表5。

表5 陕渑煤田煤中有害元素数据一览表Table 5 List of harmful elements in coal in Shaanxi Mian coalfield

根据潜在污染程度，结合中国煤炭地质总局“十五”重点科技项目“中国洁净煤地质研究”的相应研究成果，本次将煤炭资源洁净潜势划分为洁净煤、较洁净煤、较不洁净煤、不洁净煤四个等级[3]。四种等级各因子的浓度限值见表6。

表6 评价因子的四级浓度限值Table 6 Four level concentration limits of evaluation factors /mg·kg-1

4.2 评价方法

本次采用广义对比加权标度指数法对陕渑煤田的煤炭资源清洁潜势做出整体评价，衡量煤炭洁净与否的主要依据是燃煤排放入大气中污染物对环境的危害程度，而危害程度可用指数来表示[16]。污染物浓度成等比变化导致危害程度成等比变化，反映这种变化的分指数应为标度分指数为Kj：

(1)

式中：Cj k为j元素的实测浓度值；Cj 0是j元素的背景浓度值；aj为元素相邻两级的重要性比值，aj=(Cj d/Cj 0)1/9。

与上式对应的j因子的归一化标度分指数为：

(2)

各因子权重Wj可由下式求得，如果Ij<0(即当Cj k

(3)

p为控制权值变化的可调参数，取1/2;

(4)

计算结果见表7、表8。

表7 广义对比加权标度指数计算结果表Table 7 Results of generalized contrast weighted scale index

即：洁净煤：I∈(-∞，0.258]，较洁净煤：I∈(0.258，0.514]，较不洁净煤：I∈(0.514，0.748]，不洁净煤：I∈(0.748，∞)

陕渑煤田煤炭灰分、硫、氟、汞、硒等因子权重均大于0.6，归一化后影响的影响因子均大于0.1，其煤炭资源清洁潜势主要受这几种元素影响。

根据计算得出的归一化标度分指数(Ij)和评价因子权重Wj，根据公式4进行加权计算，可得出陕渑煤田的煤炭资源洁净潜势综合指数(I)为0.751，为不洁净煤。

4.3 利用方式

陕渑煤田二1煤主要为中灰中富硫、低磷焦煤，次为瘦煤，无烟煤和弱粘结煤。呈粉末状，局部为块状。煤中矿物杂质含量较多，洗选困难，据浮沉试验，精煤回收率为30.19%～61.38%，灰分含量5.18%～8.33%，属良—中等难选—低等难选煤类。结焦性能良好，抗碎性强，但耐磨性较差，气孔率适中，其混煤热值高，挥发分适中，是较好的动力煤燃料，在采用针对性的煤炭清洁技术较低灰分、硫、氟、汞、硒等有害元素的影响后，可以用于工业和民用燃料，亦可作炼焦配煤。

表8 陕渑煤田各因子的归一化标度分指数及因子权重Table 8 Normalization scaling index and factor weight of each factor in Shaanxi Mian coalfield

5 结论

(1)受前期沉积环境及后期构造改造影响，陕渑煤田中灰分、硫、氟、汞、硒等元素含量较高，为影响其清洁利用的主要因子。

(2)陕渑煤田煤炭资源的清洁潜势较差，为不洁净煤。在开发利用过程中，必须根据具体用途采用针对的洁净煤技术，以达到煤炭资源清洁利用的目的。