神府矿区洁净煤划分及绿色开发建议

魏云迅 李聪聪 乔军伟 杜芳鹏 尘福艳 谭富荣 雒 铮

(1.中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西省西安市，710199；2.陕西省地理空间信息工程技术研究中心，陕西省西安市，710054；3.中国矿业大学，江苏省徐州市，221008)

煤炭是我国最具优势的能源资源，也是重要的工业原料。在相当一段时期，煤炭仍然是我国的基础能源。《煤炭工业发展“十三五”规划》描绘出集约、高效的现代煤炭工业体系的蓝图，安全绿色、清洁高效的开发与利用方式正逐渐完善[1]。

本文在分析神府矿区主采煤层煤岩、煤质特征的基础上，讨论了灰分、挥发分、硫分、发热量和有害微量元素的分布规律，依据最新煤炭资源潜力评价提出的煤炭洁净等级划分方案[2-5]，对矿区主要煤层的煤炭资源洁净等级进行了划分，梳理了前人关于煤炭开采对环境影响的研究[6-8]，提出了合理的绿色开发建议，对加快实现煤炭资源的清洁高效利用具有一定指导意义。

1 矿区概况

神府矿区是我国重要的煤炭资源和煤化工产业基地，煤炭资源丰富，开发程度高，煤类主要为低变质的长焰煤、不黏煤，具有发热量高、低灰、低硫和高挥发分等特点[9]。矿区位于陕西省最北端神木、府谷两县境内，共划分为2个开采区、12个井田、1个预留区。

神府矿区位于鄂尔多斯盆地东北缘，构造单元处于神府矿区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡区的东胜-靖边斜坡的东缘中部。含煤地层为侏罗系中下统延安组，属内陆湖泊三角洲沉积[9]。区内含煤地层为侏罗系中下统延安组，共含7层煤，其中4-2煤层不可采，1-2煤层零星可采，2-2和3-1煤层大部可采，3-2煤层局部可采，4-3和5-2煤层全区可采，各可采煤层单层厚度1.10～6.29 m，平均1.25～4.45 m，不含夹矸，属稳定性中厚层煤。

2 煤岩煤质特征

2.1 煤岩特征

整理分析已有地质勘查资料，结合前人研究成果[10-11]发现，神府矿区各煤层煤的镜质体平均最大反射率为0.51%～0.62%，属于低阶烟煤；各煤层宏观煤岩组分以暗煤为主，亮煤次之，含少量镜煤和丝炭，宏观煤岩类型以半暗—半亮型煤为主。煤岩显微组分体积分数88.5%～97.8%，以镜质组和惰质组为主，壳质组含量较低；矿物体积分数0.2%～4.8%，以黏土类为主，其次为碳酸盐类、硫化物类矿物。

2.2 煤质特征

2.2.1 灰分(Ad)

神府矿区各煤层原煤灰分产率为1.47%～43.02%，平均为8.48%(N=2161)(N表示样本数量，下同)，集中分布在5%～10%，主要为低灰分煤，低中灰煤、特低灰煤次之，各煤层间差异较小，仅郭家湾、柠条塔井田个别点的4-2、5-2煤层为中高灰煤，为30%～40%。浮选后，各煤层灰分产率均大幅下降，为1.02%～9.63%，平均为3.69%(N=2139)。

4-3和5-2煤层的原煤灰分等值线图见图1。对比发现其分布规律基本一致，即矿区东区北部及西区南部原煤灰分产率较低，但5-2煤层的原煤灰分产率在矿区中部有明显富集区。

图1 神府矿区主要可采煤层原煤灰分等值线图

2.2.2 挥发分(Vdaf)

神府矿区各煤层原煤挥发分产率为20.79%～52.74%，平均为36.42%(N=2154)，集中分布在28%～50%，主要为中高挥发分、高挥发分煤，各煤层间差异较小。浮选后，各煤层挥发分产率未发生明显变化，为24.62%～47.99%，平均为36.11%(N=2117)。

2.2.3 硫分(St,d)

神府矿区各煤层原煤全硫含量为0.05%～2.46%，平均为0.33%(N=2113)，其中绝大部分小于0.5%(N=1940)，为特低硫煤，仅2个样品超过2.0%。浮煤全硫含量为0～0.65%，平均为0.23%(N=787)。矿区中部硫分含量相对较高，南部和北部低，如图2所示。垂向上，硫分含量变化较小。形态硫分析表明，特低、低硫煤基本以有机硫为主、硫化铁硫次之；中-高硫煤则以硫铁矿硫为主、有机硫次之，易于浮选。

2.2.4 发热量(Qgr,d)

矿区各煤层原煤干燥基高位发热量(Qgr,d)为13.8～33.60 MJ/kg，平均为29.25 MJ/kg(N=1090)，属高热值煤。平面上，大体有从郭家湾井田向榆家梁井田增大的趋势。

2.2.5 有害元素

煤中有害微量元素的研究是洁净煤地质研究的重要内容，本文主要统计分析神府矿区各煤层的氟、氯、砷和铅的干燥基含量。

(1)氟(F)。氟是煤中挥发性较强的有害元素，在煤的开采、加工利用及燃煤过程中释放的氟易对环境造成巨大污染。矿区各煤层原煤氟含量测试数据显示，氟含量为4～630 μg/g，平均为64.59 μg/g(N=920)，以特低氟煤为主，低氟煤次之。高氟煤(氟含量>200 μg/g)样品点为30个，占比为3%，主要分布在沙沟岔及石窑店的5-2煤层中。各煤层原煤经洗选后降为特低氟煤，表明其主要赋存在无机矿物中。

(2)氯(Cl)。矿区各煤层原煤氯含量为0.001%～0.224%，平均值为0.02%(N=929)，其中特低氯煤(氯含量≤0.05%)占比为91.9%，低氯煤(0.05%～0.15%)占比为7.8%，仅2个样品点的氯含量大于0.15%，分布于柠条塔井田3-1煤层中。垂向上，下部煤层中氯含量高于中、上部煤层，因为氯在温湿气候的泥炭层中具有较强运移能力。浮选后，各煤层氯含量均有所增大，表明其主要赋存在有机矿物中。

图2 神府矿区主要可采煤层硫分等值线图

(3)砷(As)。砷作为Ⅰ类环境敏感元素，对生态环境和人体健康危害极大。矿区内各煤层原煤砷含量为0～22 μg/g，平均为1.52 μg/g(N=869)，96.67%的样品原煤砷含量≤4.0 μg/g，属一级含砷煤；仅29个样品的原煤砷含量大于4.0 μg/g，为二级含砷煤，零星分布于郭家湾、石窑店、榆家梁、三道沟井田。浮选后，各煤层砷含量明显降低，表明其主要赋存在无机矿物中。

3 洁净煤等级划分

《煤炭工业发展“十三五”规划》明确提出要推进煤炭分质分级梯级利用和煤炭清洁高效利用，而无论从煤炭的燃料还是原料角度出发，煤炭洁净等级划分都是基础工作之一。根据唐书恒[12]等提出的煤炭洁净等级评价体系，结合前人方案[3-5]，确定洁净煤等级6级划分方案，如表1所示，再综合灰分、全硫、氟、氯、砷等与煤炭清洁利用相关的要素对神府矿区各主要煤层进行划分，结果如表2所示。

表1 洁净煤等级划分方案

表2 神府矿区主要煤层洁净等级划分结果

通过对各煤层灰分、全硫、氟、氯、砷含量的统计，对照6级划分方案，并采用“就高不就低”原则，神府矿区各主要煤层原煤洁净等级为Ⅱ级，属较好洁净煤；浮选后大多达到Ⅰ级，仅5-2煤层受Cl含量影响其洁净等级仍为Ⅱ级。但一般认为，煤中氯含量小于0.15%是安全的[13]。

4 绿色开发建议

神府矿区主要可采煤层洁净等级较高，煤中有害元素富集度较低，适合采用地下气化、直接液化等绿色开发技术。但目前由于煤炭开发产生的地质环境现状问题不可忽视。

4.1 主要地质环境问题

煤炭资源的大规模开发会产生一系列地质环境问题，这引起众多科研工作者的注意。钱鸣高、缪协兴等[14-15]研究了绿色矿山建设技术；虎维岳[16]对深部煤炭开采的矿山地质灾害现状进行了总结，提出了深部煤层资源地质条件勘探、开采过程中地质灾害、矿井水害、瓦斯灾害、热害等方面需解决的关键问题；范立民2014年提出了“煤炭开采强度”的概念，研究了煤炭开采与地质灾害发育的关系，指出了适度开发的合理建议[6-7]；谭学玲等[17]基于2005-2016年12期MOD13Q1数据，采用像元二分法、线性回归趋势线法和地形面积差异修正系数等方法，研究榆神府矿区植被覆盖度的时空分布特征和变化趋势，并结合地形地貌、土地利用和采矿活动等数据分析其与植被覆盖度变化的关系。

神府矿区作为榆神府地区最早开采的矿区及重要的能源化工基地，资源开发引发的环境问题较为突出。目前，矿区内榆家梁、杨伙盘井田属高强度开采区，其他井田多为中强度开采区，存在的地质环境问题一方面表现为煤水矛盾突出、生态问题严重；另一方面表现为矿山地质灾害频发[8]，以地面塌陷、地裂缝、矿震、地表水体缩减、地下水位下降、土地退化等为主[18]。

4.2 建议

2017年以来，“绿色煤炭资源”的研究不断深入[19-22]，对煤炭地质工作提出了新要求，同时也带来了新机遇。建议在神府矿区煤炭资源开发过程中，加强对煤质本身的研究，矿区主要煤层具有低灰、低硫、高挥发分、低有害元素的特点，适合气化及直接液化[10，23]；加强对煤中金属元素的研究以及煤中金属元素测试技术和富集成矿机理的研究，青龙寺、郭家湾等井田个别样品点的煤中锗(Ge)、镓(Ga)含量为10～26 μg/g，具有进一步研究的价值；加大绿色开采技术应用，通过IN-SAR等遥感技术加强对环境的影响监测和评价。

5 结论

(1)神府矿区各煤层煤的镜质体平均最大反射率为0.51%～0.62%，属于低阶烟煤；宏观煤岩组分以暗煤为主，亮煤次之，宏观煤岩类型以半暗—半亮型煤为主。

(2)神府矿区各煤层原煤以低灰、中高挥发分、高热值煤为主，煤中有害元素富集度低，原煤洁净等级皆为Ⅱ级；浮选后洁净等级多达到Ⅰ级。

(3)开发过程中，应加强对煤岩煤质本身的研究及分类分级，加强对煤中金属元素的研究，加大地下气化、直接液化等绿色开采技术应用，建立对环境的影响监测和评价体系。