昭通盆地褐煤煤岩煤质特征及清洁利用方向

李聪聪 宁树正 杜芳鹏,3 雒 铮 谭富荣

(1.中煤航测遥感集团有限公司，陕西省西安市，710199；2. 中国煤炭地质总局，北京市丰台区，100038；3. 西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西省西安市，710069)

我国拥有丰富的褐煤资源，据估计褐煤约占我国煤炭总储量的12.7%。随着优质煤炭资源的不断消耗，资源量丰富的褐煤资源逐渐得到重视，在我国未来能源供应的构成中将占据重要的位置。褐煤含水量和含氧量高、发热量低，导致褐煤直接利用效率相对较低、经济性差，使得褐煤的开发利用受到限制，长期以来被视作一种劣质煤，但褐煤具有良好的液化活性，是一种适宜煤炭直接液化的煤种。目前在原有燃烧的基础上，随着生态文明建设对能源发展和煤炭清洁高效利用的新要求，褐煤液化、气化、褐煤制化工产品、提取褐煤蜡与腐植酸等是实现褐煤资源高效利用的主要方向。

云南省褐煤资源总量达205亿t，占全国褐煤资源量的12.6%，居我国褐煤资源储量第二位，仅次于内蒙古自治区。其中昭通盆地褐煤资源量80亿t，位居云南新生代褐煤盆地之首。前人曾对昭通盆地新近系的聚煤作用、煤地球化学特征及煤层气富集规律等进行研究，并对该区褐煤的液化、气化性能进行了区域上的初步分析，但是对矿区内褐煤的煤岩煤质分布特征深入研究相对较少，对云南昭通盆地褐煤煤岩煤质进行系统分析评价，对促进褐煤资源的清洁高效利用具有参考意义。

1 矿区概况

昭通盆地是国家规划的大型煤炭基地矿区之一，位于云贵高原乌蒙山的北部，是一个发育在古近系之上的残留山间盆地，呈北东—南西向近似椭圆形展布，北东—南西方向长20 km、北西—南东方向宽8～15 km，面积约230 km2，盆地内广泛发育新近系中新统、更新统和全新统，均以角度不整合超覆于泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系和白垩系之上。含煤地层为新近系上新统茨营组，整体呈一宽缓的复向斜，自西向东由荷花向斜、海子向斜、诸葛营向斜和凤凰山、狮子山两个狭小背斜组成，一般含可采煤层3层，由上而下编号为M1、M2、M3，其中M2煤层为主要可采煤层，可采总厚度达80～130 m，区内煤层厚、倾角平缓、埋藏浅，易剥易采，适于露天开采。目前昭通盆地分为海子、荷花、诸葛营、红卫4个勘探区，褐煤资源暂未大规模实质性开发。

2 采样与测试

本次研究过程中，收集了云南昭通盆地以往勘探地质报告中大量钻孔煤质测试的数据，并对昭通盆地荷花井田M2煤层的褐煤剖面进行系统采样，从地表煤层顶板砂砾岩松散层开始由上至下采样，采样点间隔为2 m，地表煤层揭露厚度约30 m。本次共取得M2煤层垂向剖面煤样13个，由上至下编号为ZT-01至ZT-13，主要对 M2煤层煤样的工业分析、全硫、灰成分、煤灰熔融性、哈氏可磨指数、粘结指数、微量元素、煤岩显微组分等指标进行了测试分析，见表1。

表1 昭通盆地 M2煤层采样测试数据

3 煤岩特征

(1)宏观煤岩特征。M2煤呈黑褐色，暗淡土状光泽，以块状构造为主，偶见水平层理、平坦状及参差状断口。宏观煤岩组分中除丝炭及偶见少量镜煤外，其他组分无法辨认。

(2)显微煤岩特征。腐植组和稳定组与转化率有着较好的正相关关系，在三大显微组分组中：惰质组属于非活性显微组分，在通常的液化反应条件下难于液化；而腐植组和稳定组统称为活性组分，容易直接液化。

昭通盆地 M2煤的显微组分以腐植组为主，含量为85%～97.85%，平均为92.80%；其次为稳定组，含量为0.70%～6.11%，平均为4.60%；惰质组含量最少，含量为0～5.70%，平均为2.58%。显微煤岩类型属暗亮—亮煤型，以亮煤型为主。

昭通盆地的无机显微组分以粘土矿物为主，含量为0.40%～15.70%，平均为13.86%，有少量的黄铁矿、微量的石英和方解石，偶见褐铁矿和白铁矿。通常在煤层上部的无机组分含量较低，下部含量较高，且多分布在煤的凝胶化基质中。

4 煤质特征分析

本次昭通盆地褐煤煤质分布特征分析采用平面与垂向相结合的方式，平面分布特征根据勘探地质报告的钻孔煤质测试数据进行分析，垂向变化特征研究采用以往煤田勘查钻孔煤质化验结合实地煤层剖面采样的测试数据进行。M2煤层煤质指标等值线见图1，煤层整体指标垂向变化见图2。

(1)水分(Mad)。水分是影响褐煤利用的重要因素，我国褐煤的水分含量为25%～40%，水分含量高，对煤的氧化、蓄热和散热过程都有一定的影响。褐煤的干燥提质是其高效利用的重要途径，昭通盆地 M2煤层原煤水分含量为7.28%～35.18%，平均为14.92%，属中高全水分煤。

图1 M2煤层煤质指标等值线

图2 煤层整体指标垂向变化

(2)灰分(Ad)。灰分含量的高低对煤的液化无明显影响，但对煤转化终端产品的质量有负面影响，一般认为煤中的无机组分越低，越有利于煤炭直接液化。昭通盆地 M2煤层原煤灰分产率为8.37%～37.14%，平均为16.83%。按GB/T15224.1-2010《煤炭质量分级 第一部分：灰分》中煤炭资源评价灰分分级，昭通盆地M2煤层原煤主要为低灰煤，含有少量的特低灰煤、中灰煤、中高灰煤。平面上，矿区大部分区域的原煤灰分产率介于12%～28%。总体上，原煤灰分呈现为东北部和西南部较高、中部较低，由东北部向西南部表现为先变小再变大的趋势，如图1(a)所示。在垂向上，从 M2煤层至 M3煤层灰分有逐渐增大趋势，针对 M2煤层而言，从顶部到底部灰分逐渐增大。

(3)挥发分(Vdaf)。煤的挥发分产率与液化性能表现出明显的正相关关系。昭通盆地 M2煤层原煤挥发分产率为50.73%～63.56%，平均为55.59%，属特高挥发分煤。M2煤层挥发分在平面上变化较小，矿区大部分区域的原煤挥发分产率介于54%～61%。总体上，原煤挥发分呈现为东北部和西南部较高、中部较低，由东北部向西南部表现为先变小再变大的趋势，如图1(b)所示，昭通盆地西部荷花井田M2煤层13个样品挥发分产率为54.73%～76.86%，挥发分从上至下变化不大，平均为58.79%。

(4)硫分(St,d)。煤中硫分含量也是影响煤炭直接液化的因素之一， M2煤层原煤硫分含量为0.26%～3.32%，平均为0.86%，属低-中硫煤，如图1(c)所示，主要以硫化铁硫和有机硫为主，硫酸盐硫极少。剖面上 M2全硫含量为0.45%～0.85%，从上至下变化不大，平均为0.62%。在垂向上，从 M2煤层至 M3煤层硫分含量有逐渐增大趋势，针对 M2煤层而言，从顶部到底部硫分含量变大，由低-中硫煤逐渐过渡为高硫煤。

(4)氢碳原子比(H/C)。煤中氢碳原子比对煤直接液化有重大影响，氢碳原子比与煤的转化率有着良好的相关性。昭通盆地 M2煤层原煤氢碳原子比为0.84～0.97，平均值为0.92。平面上，矿区大部分区域的原煤氢碳原子比介于0.90～0.95。总体上，原煤氢碳原子比呈现中部较低，东北部与西南部较高的趋势，氢碳原子比在垂向上变化范围较大，呈现中部低两端高的特点。

(5)煤灰熔融性(ST)。昭通盆地 M2煤层的煤灰熔融性范围为1145℃～1380℃，平均为1250℃。 M2煤以中熔灰分(85.7%)为主，含少量难熔灰分(4.8%)和易熔灰分(9.5%)。

(6)煤灰成分。昭通盆地 M2煤层煤灰中主要成分SiO2含量为23.42%～65.27%，平均为36.33%；Al2O3含量为7.97%～28.98%，平均为15.10%；Fe2O3含量4.17%～19.99%，平均为7.20%；CaO含量为5.20%～36.88%，平均为23.41%； MgO含量为1.36%～9.82%，平均为5.06%；SO3含量为1.43%～16.58%，平均为9.03%。总体上以硅铝酸盐氧化物为主，碱性氧化物次之。灰成分指数K[K=(SiO2+Al2O3)/(Fe2O3+CaO+MgO)]较低，平均为0.84，说明灰分的来源主要以陆相为主。

(7)焦油产率与腐植酸。 M2煤层原煤焦油产率为3.05%～10.23%，平均为7.27%，属富油煤，煤层中绝大部分是游离腐植酸，含量一般为30%～50%，平均值为42.72%，如图1(d)所示，属中—富腐植酸煤。

5 褐煤综合利用方向评价

昭通盆地主要可采煤层 M2煤层主要为褐煤，本次以采样化验和资料收集为基础，以煤岩显微组分(惰质组含量)和煤质(灰分、挥发分、氢碳原子比、硫分等)两方面7项参考指标进行研究，结果如表2所示，通过对昭通盆地 M2煤层的液化性能进行分析发现， M2煤层符合直接液化用煤的评价指标，可作为直接液化用煤。结合GB/T23810-2009直接液化用原料煤技术条件中项目指标值，秦云虎等提出直接液化用煤(原煤)指标分级方案，在符合上述指标的前提下，将灰分小于12%的褐煤划分为优质液化用煤，将灰分介于12%～25%之间的褐煤划分为一般液化用煤。

表2 M2煤层直接液化用煤参考指标

6 结论

受成煤古地理条件和沉积环境的控制，昭通盆地新近系 M2煤层的优质液化用煤分布于矿区西北部，全部位于海子向斜，分布面积占整个矿区面积的6%，其余全部为一般液化用煤，占整个矿区范围的94%，如图3所示。可将褐煤直接液化作为昭通盆地煤炭清洁高效利用的方向之一。

(1)在前期地质勘查钻孔煤质资料分析的基础上，结合实地采样测试，采用平面与垂向分析的方式对昭通盆地M2煤层煤岩煤质特征进行分析，得出M2煤层属中高全水分、低灰分、特高挥发分、低—中硫分、高氢碳原子比、富油煤、中—高腐植酸褐煤的结论。

(2)对比直接液化用煤评价指标，认为昭通盆地M2褐煤可作为直接液化用煤，可将褐煤直接液化作为昭通盆地煤炭清洁高效利用的方向之一。

图3 昭通盆地 M2煤层液化用煤分区图