潞安CC矿区3号煤的煤岩煤质特征研究

赵元鑫，杨玉娟

（濮阳职业技术学院能源与化学工程学院，河南 濮阳 457000）

我国是煤炭资源大国，油气资源相对不足，对煤炭资源进行资源、化工角度的创新利用是充分发挥我国能源特色、保障能源安全的需求[1-2]。煤岩煤质特征是煤矿开采与煤炭资源综合利用的科学依据，是展开煤矿安全生产、绿色生产、健康发展的必要支撑，也是展开煤炭地下资源创新利用的基础[3-5]。自北美页岩气革命以来，世界范围内引发了一场非常规能源革命[6]，促使传统能源产业向更加科学、绿色、先进的方向转型。在此背景下，加深对开采区煤岩煤质特征的了解，将有助于煤炭的安全、绿色开发与充分利用。本文根据资料与测试数据，总结潞安ZC矿区3号煤的煤岩煤质特征，并讨论该区煤综合利用的方式与建议，为煤系资源的充分利用提供依据。

1 目标煤层概况

研究区位于沁水煤田东翼中段，研究区内区域地层走向是北北东向，沿走向和倾向呈波状起伏，地层倾角较小。研究区内发育地层由老至新分别为上元古界震旦系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二迭系，中生界三迭系、新生界新近系、第四系地层；区域含煤地层主要为石炭系上统太原组（C3t）及二叠系下统山西组（P1s）。二叠系下统山西组（P1s） 是本区主要的含煤地层之一，岩性主要由灰白色、灰色中细粒长石石英砂岩，灰色、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩及1-4层煤组成，含植物化石碎片，其中3号煤层为主要可采煤层。

2 3号煤层煤岩煤质特征

2.1 厚度、含夹矸特征及3号煤的识别

3号煤层位于山西组中下部，上距K8砂岩约30m左右，本身厚度大、层位稳定为重要的对比标志。煤层厚度4.10～7.20m，平均厚度5.89m，含夹矸0～2层，结构简单；夹矸岩性多为炭质泥岩，少数为泥岩。煤层顶板岩性为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，底板岩性为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩。

2.2 煤岩煤质特征

煤岩煤质是煤炭资源利用类型的依据。对3号煤层展开煤炭煤质研究，3号煤样品观察颜色为黑色，赋存状态基本为块状、粉状，以细、中条带状结构为主，具有层状构造、灰黑色条痕色，断面一般具有玻璃光泽，端口呈阶梯状或贝壳状形态特征。密度测试实验结果显示，3号煤的平均视 (相对)密度大约为1.41t/m3左右。

对3号煤层展开煤岩类型研究，结果表明3号煤层样品的煤岩类型以亮煤为主，暗煤次之，并夹有少量的镜煤及丝炭条带，故煤岩类型以半亮型为主，半暗型次之；对3号煤层展开微观有机组分研究，结果表明，3号煤层样品中的有机组分中以镜质组为主，平均为70.10%；惰质组平均为16.75%。矿物含量平均为13.15%，以粘土为主。镜质组最大反射率为1.861～2.089%；煤的变质阶段为贫煤。

研究区3号煤层平均原煤干燥基恒容高位发热量29.79MJ/kg，属中高发热量-特高发热量煤；平均浮煤干燥基恒容高位发热量33.57MJ/kg，平均浮煤恒容低位发热量为33.07MJ/kg。3号煤层样品的粘结指数为02；属中等热稳定性-高热稳定性煤。

2.3 煤灰成分、灰熔融性

煤灰成分影响煤的燃烧利用效率。研究区3号煤样品的灰成分以SiO2、Al2O3为主，其次为Fe2O3、CaO、MgO等成份；煤灰熔融性（ST） 为1415℃-1500℃，较高软化温度灰。

2.4 煤类及利用方向

煤类按《中国煤炭分类国家标准（GB5751－2009）》 划分，分类指标采用浮煤挥发分（Vdaf）、粘结指数（GR.I）。

3号煤层浮煤挥发分 (Vdaf)为10.98%-15.06%，粘结指数 (GR.I)为0-2，划分为贫煤(PM)。从筛分试验结果看，3号煤层13～6mm级所占全样产率最高，为25.77～54.61%，其次为6～3mm级，占20.74～31.65%。3号煤为低灰-中灰，低挥发分、特低硫-低硫，特低磷-中磷煤，中高-特高发热量之贫煤，可作为动力用煤和民用煤，也可作为高炉喷吹用煤。

2.5 煤层附近的含水层

二叠系山西组3号煤层顶板附近存在砂岩含水层。厚1.50～13.75m，平均厚度约为5.18m，岩性为中细粒砂岩。一般下距3号煤层5m左右，是3号煤层顶板直接充水含水层。煤层附近的含水层是煤炭开发过程中煤矿水害的主要来源，是煤炭安全生产的重大隐患，明确煤层附近的含水层有利于煤矿的安全生产。

3 研究区3号煤开发的环境问题

3.1 夹矸问题

煤层夹矸的排放与堆积不当不仅大量占用土地，而且矸石自然排放大量的硫化物和烟尘污染空气，在大气降水的溶解和淋滤作用下，矸石中的有害元素进入地表或地下成为固体污染源。因此，应在夹矸的堆放地和其一定的范围内采取防放措施，并留足防护带。同时加强对煤矸石的综合利用，使它对环境的污染减小到最低程度。研究区3号煤中具有一定的夹矸含量，开发过程中将产生夹矸问题，其排放、处理与堆积将影响矿区生态，展开煤矸石的综合利用将有助于解决这一环境问题，如建材、煅烧水泥熟料等，但矸石中的污染性元素，尤其是重金属元素等，需要经过化工过程处理后才展开综合利用。

3.2 煤炭资源有害元素

煤炭资源利用过程中的另外一大环境问题属于煤中有害元素通过燃烧等向外界释放。研究区3号煤的有害成分测试结果显示，原煤中含有硫、磷、氯、砷、氟等环境有害元素，容易在燃烧利用过程中释放。通过浮选、高温脱除化工处理等方法，可以在一定程度上减弱其环境影响。

4 结论

对研究区3号煤的煤岩煤质特征研究结果表明，研究区3号煤分布稳定，厚度较好，有利于煤炭资源开发；3号煤有机组分中以镜质组为主，平均为70%以上，元素以以碳、氢含量为主，煤灰成分以SiO2、Al2O3为主，3号煤变质阶段为贫煤，可作为动力用煤和民用煤或高炉喷吹用煤；3号煤平均甲烷含量为2.83mL/g·r，瓦斯成份以甲烷及氮气为主，属Ⅲ类不易自燃煤层，对安全生产有利，但在顶板附近存在砂岩含水层，是安全生产的隐患；3号煤的资源利用面临煤层夹矸的排放与堆积、煤中有害元素通过燃烧等向外界释放两个环境问题，对煤矸石及煤炭展开高温脱除化工处理等将有助于减弱3号煤资源利用的环境影响。