山西省河东煤田安平勘查区煤炭资源洁净度评价

王晓帅，唐跃刚，康浩，杨承伟，叶恺

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083)

0 引言

中国目前仍然是世界上最大的煤炭生产和消费国，2017年中国煤炭生产和消费量分别占世界煤炭生产总量和消费总量的45.6%和50.7%[1]。2016年中国煤炭消费量和生产量分别占国内能源消费和生产总量的62.0%和69.6%[2]。截止2017年底，中国煤炭的储采比为39年[1]，尽管煤炭在多元化的能源结构中比重逐年下降，但我国能源资源的特点及发展现状决定了在相当长的时期内煤炭在一次能源生产和消费结构中的主体地位不会改变。在可以预见的未来几十年内，煤炭仍然是我国的主体能源。煤炭作为主体能源推动国民经济发展的同时，其大量利用也会带来一系列环境问题，如煤中的黄铁矿等硫化物，燃烧过程会产生SO2，造成酸雨问题[3-4]；燃煤排放细颗粒物贡献了空气中部分PM2.5[5-8]、煤炭消费量与烟气粉尘排放量存在长期均衡关系[9]、煤中的微量元素在燃煤过程排放导致的地方病[10-11]等。对煤炭资源的洁净程度进行等级评价及等级区域的划分，是洁净煤地质的主要研究内容之一[12]，也是控制煤炭利用带来的环境问题需要做的基础工作之一。煤炭资源洁净度评价，是对煤炭资源的可洁净潜势做出评估，是以实现合理开采和洁净利用煤炭资源为目标，从源头上控制煤源污染的重要手段。

目前，煤炭资源质量和洁净评价有几种不同的方案。袁三畏根据煤类、灰分、硫分、发热量、可选性五项指标，将煤炭划分优等质量煤、中等质量煤、低等质量煤三个等级[13]；中国煤炭地质总局针对全国煤炭资源，将煤的洁净等级划分为：洁净潜势好、洁净潜势较好、洁净潜势中等、洁净潜势较差、洁净潜势差五个等级[14-15]；王文峰等提出煤中有害元素潜在污染综合指数概念，并据此划分出洁净煤、次洁净煤、较不洁净煤、不洁净煤四个等级[16-17]；唐书恒等针对资料相对齐全地区的煤炭资源，将煤的洁净等级划分为：洁净煤、较洁净煤、较不洁净煤、不洁净煤四个等级[14]；杨淑婷、唐跃刚等总结前人洁净煤等级划分方案，并根据最新的国家标准和煤炭行业标准，将煤的洁净等级划分为六个等级，分别为特好洁净煤、好洁净煤、较好洁净煤、中等洁净煤、较差洁净煤、差洁净煤六个等级，并应用于山西省煤炭资源评价中[15,18]。朱士飞，秦云虎建立了煤炭资源洁净等级五级分级方案，根据硫分、灰分的不同，将煤的洁净等级分为好洁净煤、较好洁净煤、中等洁净煤、较差洁净煤、差洁净煤五级，并对云南省保有资源量进行了洁净潜势评价[19]。Tang等对比煤炭洗选前后特征，提出了洁净度(cleanability)的概念，并给出洁净度计算公式，根据洁净度数值将煤炭资源洁净潜势划分为五级[20]。该方法是以煤的有害物质的脱除率为基础，对比煤炭洗选前后的有害物质脱除情况，综合评价煤炭的可洁净性，更能准确地反应煤炭的洁净潜势。因此，本文章采用该方法对河东煤田安平详查区的全区可采煤层的煤炭资源进行洁净度评价，并通过地质块段法[21]计算不同洁净度等级煤炭资源的储量。

1 安平勘查区概况

山西省是中国的产煤大省，煤炭产业也是山西省的支柱性行业[22-24]。经过多年持续高强度开采，山西省煤炭资源储量越来越少，高质量的煤炭资源也越来越少。对安平详查区的煤炭资源进行洁净度评价，可以为高质量煤炭资源的圈定、煤炭资源的分质分级利用提供科学依据。

安平勘查区处于山西省西南部(图1)，具体位于临汾市吉县县城正南方，北起吉县柏山寺乡西头村，南至乡宁县昌宁镇下宽井村，西起吉县柏山寺乡西掌村，东至吉县中垛乡南坪村。勘查区面积约为63.72km2。勘查区钻孔原则上垂直于地层走向呈直线布置，共6条勘查线，普查和详查施工钻孔共15个，个别钻孔受地形影响及施工条件所限进行了适当位移动，位移最大的钻孔为B0102孔，位移148.59m，虽与实施方案中设计的孔位不一致， 但小于孔距(1 500m)的10%，不影响数据的使用。勘查区总体为一个向斜构造，两翼地层倾角为2°～11°，基本对称，自勘查区北部延伸至西南。区内未发现断层，未发现有陷落柱和岩浆岩，根据DZ/T0215-2002《煤、泥炭地质勘查规范》[21]， 勘查区构造属简单类型。勘查区煤层发育较好，其中2号和10号煤层为稳定的全区可采煤层[25]。本勘查区洁净度评价工作，针对2号和10号煤层展开。

图1 安平勘查区位置Figure 1 The location of Anping general exploration areas

2号煤层位于二叠系下统山西组下部，底板垂深848.95～1 173.08m，平均1 055.09m，煤层厚度2.63～5.19m，平均厚度4.20m，含0～3层泥岩夹矸，结构较简单，为全区稳定的可采煤层。10号煤层位于石炭系上统太原组下部，底板垂深892.63～1 221.40m，平均1 098.90m，煤层厚度1.95～4.55m，平均厚度2.97m。含夹矸0～2层，结构简单，总体厚度变化不大，为全区稳定的可采煤层[25]。

2 评价方法

首先收集安平详查区地质报告，并提取钻孔数据及煤层煤质数据(包括灰分、硫分、浮煤产率、视密度等)。根据洁净度公式[20]，计算各煤层在不同钻孔点处的洁净度数值。

C=∑TnRn

(1)

C：洁净度；

n：指标名称(有害元素和灰分)；

Tn：系数，结合实践经验、经济效益、 脱除难易程度等综合确定；

Rn：指标的理论脱除率(%)

W原：原煤质量；

W精：精煤质量；

α原：原煤中的指标含量(%)；

α精：精煤中的指标含量(%)；

λ：理论精煤回收率(%)；

综合考虑灰分、硫分及其他指标，如有害微量元素，对煤炭质量好坏的影响程度，公式(1)简化为C=RAd+10RS(RAd和RS分别为洗选过程灰分的脱除率和硫的脱除率)，并根据C值将煤炭洁净度等级划分为五级，见表1。

表1 洁净度等级表[20]Table 1 Cleanability classification scheme

本文采用简化后的洁净度计算公式，进行各煤层钻孔点处的洁净度数值计算。计算结果见表2。

表2 安平勘查区煤炭资源洁净度Table 2 The cleanability of coal resources in Anping general exploration area

*null-钻孔煤质参数不全，无法进行洁净度计算。

根据表2中的洁净度数据，对2号和10号煤层进行洁净度分级，并利用MAPGIS软件绘制不同洁净度煤炭资源分布图。总结归纳不同洁净度煤炭资源分布规律，并结合勘查区地质背景，分析影响不同洁净度煤炭资源分布的地质原因。

基于不同洁净度煤炭资源分布图，采用地质块段法[21]，估算各洁净度等级煤炭资源量。安平详查区构造复杂程度为简单类型，各煤层厚度较稳定，含夹矸不超过3层，煤层结构均为简单-较简单，煤层倾角不超过15°[25]，故采用煤层的伪厚度和水平投影面积估算资源量，公式如下[21]。

Q=S×M×D

式中：Q为各块段资源量(t)；S为各块段水平面积(m2)；M为块段平均煤层厚度(m)；D为各块段煤层平均视密度(t/m3)。

3 结果与讨论

3.1 安平勘查区2号煤层

安平勘查区2号煤层，洁净度范围3.79～9.77，包含一般、较好、好三类洁净度等级煤炭资源，区内没有差和较差洁净度煤炭分布，各类煤炭估算资源量见表3，各类洁净度等级煤炭分布见图2。

安平勘查区2号煤层，总体上发育较好和好洁净度煤炭资源， 估算储量分别为18 294.73万t和10 091.46万t，分别占比61.44%和33.89%，一般洁净度煤炭资源极少分布，占比4.67%，没有钻孔发现差和较差洁净度等级的煤炭资源。

表3 安平勘查区2号煤层煤炭资源量Table 3 The predicted reserve of No.2 coal seam in Anping general exploration area

安平勘查区2号煤层，中等洁净度煤炭资源在安平勘查区南部B0301钻孔附近极少分布，以较好洁净度煤炭资源为主，分布在南部、中部及中北部，好洁净度煤炭资源主要分布在勘查区最北部B1701钻孔附近、中偏南部B0702和B0504等钻孔附近，在最南部B0102钻孔极少分布。

3.2 安平勘查区10号煤层

安平勘查区10号煤层，洁净度范围4.25～9.06，包含一般、较好、好三类洁净度等级煤炭资源，区内没有差和较差洁净度煤炭分布，各类煤炭估算资源量见表4，各类洁净度等级煤炭分布见图3。

图2 安平勘查区2号煤层洁净度煤炭资源分布Figure 2 The distribution of different cleanability coal resources of No.2 coal seam in Anping exploration area

表4 安平勘查区10号煤层煤炭资源量Table 4 The predicted reserve of No.10 coal seam in Anping general exploration area

安平勘查区10号煤层，总体上发育一般和较好洁净度煤炭资源，估算资源量分别为20 574.74万t和4 434.41万t，分别占比80.72%和17.40%，好洁净度煤炭资源极少分布，占比1.89%，没有钻孔发现差和较差洁净度等级的煤炭资源。

安平勘查区10号煤层，中等洁净度煤炭资源在安平勘查区中部偏南B1301钻孔附近和中部偏北B0504、B0303和B0503附近分布，以较好洁净度煤炭资源为主，分布在勘查区的大部分区域，好洁净度煤炭资源主要分布在勘查区最北部、中偏南部B0701附近极少分布。

3.3 讨论

本文中采用的洁净度评价方法，洁净度数值主要取决于洗选前后原煤和浮煤中灰分产率和硫分含量[20]。灰分产率和煤中矿物质存在一定的关系[26-28]。影响煤中矿物质的地质因素主要包括：成煤母质、沉积环境、火山碎屑的侵入、热液作用、风化氧化等[27-28]。影响煤中硫含量的地质因素包括：沉积环境尤其是海水的影响、成煤时代、物源区距离、成煤植物、细菌活动、海底火山及热液等[29-33]，这些因素间接的影响煤的洁净度。

本次评价，安平勘查区全区可采煤层，共评价估算得资源量约为55 265.865万t，煤炭资源包含一般、较好和好洁净度等级的三类煤炭资源，以较好洁净度等级煤炭资源为主，约占总资源量的70.33%，各类煤炭资源百分比具体见表5。

安平勘查区不发育岩浆岩、陷落柱及断层[25]，所以它们对不同洁净度煤炭资源分布的影响是需要进一步研究分析的。勘查区早三叠世地层发育多个褶皱，均形成于成煤期后[25]，沿褶皱轴向，分布不同洁净度的煤炭资源，与轴向同一位置的褶皱两翼，分布相同洁净度的煤炭资源，因此，褶皱构造对不同洁净度煤炭资源分布的影响是不明显的。2号煤层和10号煤层分别属于二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，两煤层均包括一般、较好、好三类洁净度等级煤炭资源，但不同洁净度煤炭资源分布规律及储量有所不同。从分布面积上看，2号煤层以较好洁净度和好洁净度煤炭资源为主，少量分布一般洁净度煤炭资源；10号煤层以中等洁净度和一般洁净度煤炭资源为主，少量分布好洁净度煤炭资源。从储量来看，2号煤层一般洁净度等级煤炭资源量少于10号煤层，较好和好洁净度等级煤炭资源量的和多于10号煤层。安平勘查区山西组主要形成于浅水三角洲平原环境，太原组主要形成障壁岛、三角洲平原和滨外陆棚等环境[25]，故该勘查区2号煤层沉积环境偏陆相，10号煤层沉积环境偏海陆过渡相[25，34]。

图3 安平勘查区10号煤层洁净度煤炭资源分布Figure 3 The distribution of different cleanability coal resources of No.10 coal seam in Anping exploration area

表5 安平勘查区可采煤层煤炭资源量Table 5 The predicted reserve of minable coal seams in Anping general exploration area

总体而言2号煤层煤炭资源洁净度等级优于10号煤层洁净度等级，两层煤沉积环境不同，表明成煤环境对煤的洁净度有明显的影响，且陆相煤的洁净度优于海陆过渡相煤。成煤环境对煤炭资源洁净度有明显的影响。

4 结论

安平勘查区共评价估算得资源量55 265.865万t，洁净度等级包含一般、较好和好等三类，其中以较好洁净度等级煤炭资源为主，两层煤好和较好洁净度煤炭资源都大于80%。褶皱构造对煤的洁净度影响是不明显的；成煤的沉积环境对煤的洁净度有明显的影响，且陆相煤的洁净度优于海陆过渡相煤。岩浆岩、陷落柱及断层等对不同洁净度等级煤炭资源分布规律的影响是需要进一步研究的。

洁净度可以较准确地反映煤在洗选过程中的洁净潜势，即浮煤相对于原煤灰分和硫的脱除程度，但并不能准确地反映洗选后浮煤的实际质量好坏。另外，本文采用的洁净度数值计算方法，没考虑煤中有害微量元素在洗选前后的变化情况。这两点是本文的不足之处，也是洁净度计算方法需要进一步优化的地方。

致谢

感谢山西省煤炭地质勘查研究院的工作人员对资料收集工作的帮助与支持！感谢各位评审专家对此文章的审阅！