陕北三叠纪煤田子长矿区瓦窑堡组特高焦油产率煤富集规律分析

李华兵，李 宁，姚 征，谢 青，高 骏，许 婷

(1.陕西省矿产地质调查中心，西安 710068； 2.陕西省地质调查院，西安 710054)

0 引言

实现煤炭安全绿色开采、清洁高效利用是推动能源生产和消费革命的要求，是煤炭资源向绿色能源转变的根本出路，“绿色煤炭”是煤炭绿色开发的基础[1]。煤作为一种能源资源，不仅是工业的“粮食”，还可以成为工业的“血液”。近年来，用煤炼油成为一种新的潮流。煤焦油就是煤通过低温干馏在干馏和气化过程中得到液态产物，作为一种优质的原料油，经过后期加工生成成品油，是普通燃料油的替代产品[2]。另外，煤焦油也在一定程度上保证国家的能源安全。中国工程院院士王双明曾说过“富油煤不仅是煤，更是煤基的油气资源，若在煤炭热解技术和规模化发展上取得突破，西部地区丰富的煤炭资源可替代一至两个大油田”。

陕北三叠纪煤田子长矿区瓦窑堡组煤层厚度较薄，夹矸多，煤层回采率低[3]。同时，该矿区煤质好，目前大多用做配焦煤，综合利用率低。针对这种现状，利用低温干馏得到煤焦油可以提高该区煤炭利用价值。本文在充分利用低温干馏数据的基础上，对子长矿区特高焦油产率煤的富集特点进行分析，为煤炭高效利用提供支撑。

1 区域地质及煤层特征

1.1 地质概况

晚三叠世，随着印支造山运动，华北克拉通整体抬升。受此影响，鄂尔多斯盆地呈现西高东低的态势，沉积中心由盆地西南部转移至中部的陕北子长地区[4]。鄂尔多斯盆地在晚三叠世沉积形成了厚煤层瓦窑堡组(相当于延长组长1段)。瓦窑堡组是在相对稳定的构造条件下由一系列河流、湖泊及湖泊三角洲环境沉积而成。晚三叠世末期，由于受到印支造山运动的影响，盆地整体向上隆起，瓦窑堡组遭受到不同程度的剥蚀，仅在榆林横山—延安富县一带保留[5]，其中子长地区煤层最厚，达到1～3m。

1.2 煤层特征

瓦窑堡组自下而上分为五段，含煤层(煤线)20余层，最多可达36层，可采和局部可采2层，具对比意义的煤层7层，编号自下而上依次为1、2、3、3-1、4、5、6。煤层总厚度达11 m左右，含煤系数1.67%，局部地较高为2.53%，富煤中心在子长县与蟠龙镇一带[6]。

子长矿区主要可采煤层为5、3号煤层。5号煤层位于瓦窑堡组第四段的中上部，煤层较稳定，煤厚0～3.10m，平均1.34m，含夹矸0～7层，矸厚0.01～0.50m，顶板岩性为泥岩、粉砂岩，底板岩性为泥岩、黏土岩[7]。3号煤层位于瓦窑堡组第四段的下部，属局部可采煤层，煤厚0.50～1.35m，上距5号煤40～90m，含夹矸1～2层，厚0.05～0.35m，顶板岩性为泥岩、砂岩，底板岩性为泥岩、细粒砂岩[8]。

2 子长矿区特高焦油产率煤赋存特征

煤经过低温干馏得到焦油产率，根据现行标准，焦油产率(Tard)大于12%为高油煤，也被称为特高焦油产率煤[9]，焦油产率小于7%为含油煤，位于两者之间的是富油煤。陕北三叠纪煤田瓦窑堡组煤层煤焦油产率普遍大于12%，属于特高焦油产率煤，是低温干馏炼油用煤的理想原料，应用前景广阔[10]。

陕北三叠纪煤田子长矿区瓦窑堡组以高油煤为主，分布连续性好。5号、3号煤焦油产率平均值和中位数高于12%(图1)，显示煤的特高含油性优势。5号煤富油性更佳，其高油煤发育占比为91.28%，煤层厚度以中厚—厚层为主。3号煤焦油产率稳定性更强，但煤层厚度较薄(表1)。

图1 陕北三叠纪煤田主采煤层低温干馏焦油产率(Tard特征对比图)Figure 1 Northern Shaanxi Triassic coalfield main mineablecoal seam low temperature carbonization tar yield(Tard features comparison)

表1 陕北三叠纪煤田主采煤层低温干馏焦油产率(Tard)对比表

2.1 5号煤层特高焦油产率煤分布特征

通过对开采5号煤层的矿井进行样品采集分析，发现5号煤层厚度零线以内基本上都是富油煤，其中大部分为高油煤，多数集中在子长县城周边。研究区5号煤层发育面积约为249.4km2，高油煤发育面积227.67km2，占比91.28%；富油煤面积21.73km2，占比8.72%；含油煤只是零星发育(图2)。

图2 子长矿区5号煤层特高焦油产率煤分布图Figure 2 Zichang mining area coal No.5 extra-hightar yield coal distributions

羊马河井田、焦家沟煤矿东部、自备煤矿等区域的焦油产率达到16%以上，极值点位于焦家沟煤矿东部，达到18.7%。富油煤只是在个别矿井发育，主要分布于天任煤矿、永兴煤矿、禾草沟一号煤矿。含油煤只在永兴煤矿零星发育，极值点为6.2%(表2)。

表2 陕北三叠纪煤田5号煤层原煤低温干馏焦油产率(Tard)数据表

2.2 3号煤层特高焦油产率煤分布特征

3号煤层原煤焦油产率为10.8%～18.6%，平均为13.7%，浮煤焦油产率为16.0%～16.8%，平均为16.4%，属高油煤，是特高焦油产率煤。

3号煤相对于5号煤焦油产率总体较低，发育面积也有所下降。研究区内3号煤层发育面积为198.27km2，其中高油煤发育面积为134.79km2，占比68%；富油煤发育面积为63.48km2，占比32%(图3)。

图3 子长矿区3号煤层特高焦油产率煤分布图Figure 3 Zichang mining area coal No.3 extra-hightar yield coal distributions

高油煤主要在矿区中东部发育，呈带状分布，自禾草沟一号煤矿北部向北，一直到前进煤矿，极值点出现在羊马河井田为18.2%。富油煤主要在矿区的北部、西部和南部发育，其中南部贯屯煤矿总体较低，极值点也在贯屯煤矿为7.2%(表3)。

表3 陕北三叠纪煤田3号煤层原煤低温干馏焦油产率(Tard)表

3 特高焦油产率煤富集主控因素分析

3.1 以低—中等变质程度的气煤为主

煤化其实就是一个脱水、脱氢、脱氧、增碳的过程[11]。随着煤化程度的由低到高，煤焦油产率也呈逐渐下降的趋势[12]。这是由于随着煤化度的提高煤中，有机质含量逐渐降低，挥发分、H/C、氧含量等都在下降[13]。研究区5号煤层镜质组最大反射率为0.74%，3号煤层为0.76%，属低-中变质程度(第II变质阶段)的气煤一气肥煤范畴，以气煤为主，少量气肥煤。垂向上5号煤变质程度稍高[14]。

对比榆神矿区3号煤，发现挥发分与焦油产率基本上呈现正相关关系(图4)。5号煤层原煤挥发分变化为37.28%～45.24%，平均值为42.07%；3号煤层原煤挥发分变化为36.73%～42.96%，平均值为40.9%。氢含量变化为5.12%～6.06%，综合平均值5.46% ～5.73%。 氧含量变化在7.05%～10.96%，综合平均值8.34% ～8.64%[15]。5号、3号均属高挥发分、较高含氢、含氧煤，有机质含量较高，因此焦油产率相对较高。

图4 挥发分与焦油产率关系对比图Figure 4 Relationship between volatile matter content and tar yield

另外，研究区5号煤上部夹一层厚4～14m的腐泥煤[16]，这些夹层使得煤层具有较高的挥发分和焦油产率。

3.2 煤中活性组分较高

煤的焦油产率受煤中活性组分和矿物质含量影响，镜质组和壳质组挥发分和氢含量都较高，加热后易软化分解，是产生煤焦油的主要来源，而且壳质组的挥发分产率和焦油产率高于镜质组和惰质组[17]。

5号、3号煤层的显微煤岩组成中有机含量平均值为91.6%～95.4%。活性组分(壳质组+镜质组)平均含量变化为65.2%～77.9%，惰质组平均含量变化为13.8%～24.6%(表4)[18]。由此可见，5号、3号煤活性组分含量高，焦油产率也较高。

表4 5号、3号煤层显微煤岩特征表

3.3 还原程度高成煤环境

5号、3号煤活性组分(壳质组+镜质组)、有机含量、含氢、含氧量较高，最主要的原因是瓦窑堡组成煤环境还原程度高。

瓦窑堡组煤层主要发育在河流、三角洲和沼泽等环境中[19]。在煤层沉积的早期，成煤环境由河流向湖泊-三角洲逐渐过渡，富煤带主要位于河流沼泽地带，并逐渐向三角洲平原过渡。到成煤环境中期时，湖泊范围周期性扩张，富煤带主要形成于三角洲平原沼泽[20]。因此，瓦窑堡组煤层的沉积环境主要是陆相的湖泊、三角洲及沼泽，这些环境都是强还原环境，成煤物质草本植物、低等植物和浮游生物发育较好[21]，活性组分、有机含量偏高，最终形成特高焦油产率煤层。

4 结论

1)瓦窑堡组5号、3号原煤焦油产率平均值和中位数高于12%，其中，5号煤焦油产率平均为12.55%，高油煤发育面积占比为91.28%；3号煤焦油产率平均为13.7%，高油煤发育面积占比为68%，显示煤的特高含油性优势，是特高焦油产率煤层。

2)5号、3号煤层镜质组最大反射率为0.74%～0.76%，属低—中变质程度(第II变质阶段)的气煤一气肥煤范畴，具有高挥发分、较高含氢、含氧的特点，有机质含量较高，因此焦油产率相对较高。

3)5号、3号煤层的显微煤岩组成中有机含量、活性组分(壳质组+镜质组)平均含量高，加热后易软化分解，能够产生煤焦油，焦油产率也较高。

4)5号、3号煤的沉积环境主要是陆相的湖泊、三角洲及沼泽等强还原环境，成煤物质发育较好，活性组分、有机含量偏高，最终形成特高焦油产率煤层。