云南圭山煤矿主要可采煤层煤质特征及综合利用研究

李新民，明添学,2，苏肖宇，程胜辉,2

(1.云南省地质调查院，云南 昆明 650051；2.自然资源部三江成矿作用及资源勘查利用重点实验室，云南 昆明 650051)

依据《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》，2020年我国煤炭消耗量约占能源消耗总量的60%以上，且在未来相当长的一段时间，煤炭作为我国主要能源的地位将不会发生改变[1]。然而，粗放式的资源开采对生态环境造成了严重破坏，甚至在局部地区形成了不可逆转的严重后果。随着我国生态文明建设的不断深入，绿色能源发展战略被提上了重要的议事日程，煤炭能源的清洁利用将成为主要的发展方向。煤质特征参数是煤炭资源评价的主要内容，不同工艺对煤质的要求不同，同时直接决定了煤炭资源的用途，并影响煤炭的选别、加工及转化工艺[2]。

本文以圭山煤矿K6煤层、K7a煤层、K7b煤层、K9a煤层、K9b煤层为研究对象，通过其煤质特征、主要有用元素、有害元素和煤层气赋存情况的分析研究，以期为区内煤炭资源的开发利用以及提高资源综合利用水平和清洁能源建设提供参考。

1 含煤区地质背景

圭山煤矿位于云南省红河州弥勒县及泸西县境内，呈北东-南西向带状展布。大地构造位置处于扬子陆块区(Ⅵ)-上扬子古陆块(Ⅵ-2)之滇东被动陆缘(Ⅵ-2-4)南部，属华南聚煤域西南部云贵成煤区，为滇东老厂圭山煤田西南段。该区域为晚二叠世，西侧为康滇古陆，东南侧为黔桂海，海水常由北东和南东方向侵退，使该区成为海陆交互(以海退成煤为主)的成煤环境(图1)。

图1 上扬子盆地晚二叠世构造简图Fig.1 Late permian tectonic diagram of the Upper Yangtze basin(注：①-安顺场-丽江断裂；②-箐河-程海断裂；③-红河断裂；④-安宁河断裂；⑤-甘洛-小江断裂；⑥-师宗-贵阳断裂；⑦-水城-紫云断裂；⑧-华蓥山断裂；⑨-松桃-独山断裂；Ⅰ1-康滇古陆；Ⅰ2-越北古陆；Ⅰ3-江南古陆。)

通过对煤矿区主要标志层物性特征、 煤岩层组合特征、主要煤层煤质特征进行综合对比分析，含煤地层可划分为二叠系上统龙潭组(P3l)和长兴组(P3c)，属陆地边缘相区，沿岸线呈带状展布，受海水、河流共同作用影响，沉积物在垂向层序上表现为海陆交互变化，以较细的陆源碎屑岩为主，夹薄层状、透镜状泥灰岩等海相层[3]。含煤地层为6～22层，经对比确定的可编号煤层11层，煤层平均厚17.56 m，含煤系数12.83%。主要可采煤层5层，编号分别为K6、K7a、K7b、K9a、K9b，平均煤层厚11.46 m(表1)。

表1 圭山煤矿主要煤层特征Table 1 Characteristics of main coal seams in Guishan coal mine

续表1

2 煤质特征

2.1 煤岩特征

研究区主要可采煤层煤岩类型以半亮型及半暗型煤岩为主，暗淡型次之，属半暗-半亮型煤岩。 煤岩成分以暗煤岩及亮煤岩为主，间夹矿化丝炭和镜煤条带。 煤岩显微组分中，有机组分含量为65.64%～78.90%，平均72.86%，以镜质组和惰质组为主，含微量壳质组。无机组分含量为21.10%～34.36%，平均27.14%，以氧化硅矿物为主，黏土矿物、硫化物矿物以及碳酸盐矿物次之。各煤层最大镜质组反射率(R0)为1.32%～1.59%，平均为1.42%，属焦煤阶段。

2.2 主要煤质指标

煤矿区可采煤层主要煤质指标见表2。煤中水分含量为0.81%～1.35%，平均0.99%，为特低水分煤，水分含量随煤层由上至下逐渐降低；灰分含量为22.87%～33.19%，平均26.79%，除K7b煤层为中高灰分煤外，其余均为中灰分煤，表现为中部煤层灰分产率较高，上下部煤层灰分产率低；挥发分含量为20.66%～24.90%，平均22.13%，为中等挥发分煤，表现为上部煤层挥发分含量较低，中下部煤层挥发分含量相对较高；固定碳含量为49.76%～60.83%，平均57.10%，除K7b煤层为低固定碳外，其余煤层均为中等固定碳，表现为中部煤层固定碳较低，上下部煤层固定碳较高；全硫含量为1.35%～2.77%，平均1.69%，除K7b煤层为中硫分煤、K9a煤层为中高硫分煤外，其余均为低中硫分煤，表现为中下部煤层硫分较高，上部及底部煤层硫分较低(图2)。其中，煤层中有机硫含量为0.08%～0.18%，平均0.13%，占全硫含量的7.7%；硫酸盐硫含量为0.43%～1.10%，平均0.63%；黄铁矿硫含量为0.70%～1.59%，平均0.93%；无机硫(硫酸盐硫和黄铁矿硫)占全硫含量的92.3%。由上述分析可知，无机硫是引起煤层硫分变化的主要因素，表明该地区晚二叠世成煤环境主要为浅水沼泽环境[4]。煤层中硫分组成以黄铁矿硫为主，通过洗选后可大幅降低硫分含量。综上所述，矿区可采煤层为特低水分、中灰分、中等挥发分、中硫分焦煤(JM24、JM25)，可作为炼焦主煤或配煤使用[5]。

表2 圭山煤矿主要可采煤层工业分析和硫含量测试结果Table 2 Test results of industrial analysis and sulfur content in main recoverable coal seams in Guishan coal mine

图2 可采煤层主要煤质指标垂向变化曲线Fig.2 Vertical change curve of main coal quality index of coal seam

煤层中灰分除少量来自成煤植物外，主要是外来物质，包括成煤期混入和后期变质作用带入，其含量变化与沉积期的古地理环境有一定的联系，总体表现为由海向陆渐次递增的特点[4]。灰分组成通常用Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti、P、S等元素的氧化物表示(表3)。煤矿区主要可采煤层灰成分以酸性氧化物SiO2和Al2O3为主，Fe2O3、CaO、MgO、TiO2和SO3次之，K2O、Na2O、P2O5等少量。SiO2含量为49.25%～54.73%，平均52.14%；Al2O3含量为22.32%～28.10%，平均25.09%；SiO2+Al2O3含量为75.39%～78.66%，平均77.23%；主要碱性氧化物Fe2O3+CaO+MgO含量为13.52%～17.60%，平均14.91%。 灰成分指数K[K=(Fe2O3+CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)]可作为聚煤环境的判别参数，并采用“灰成分端元分析法”建立灰成分与聚煤环境之间的联系。本文认为腐殖煤灰成分指数介于0.03～0.22之间属较弱还原型，变化在0.23～1.23之间则属较强还原型[6-7]。研究区煤层的灰成分指数为0.17～0.22，因此其成煤环境为较弱还原型。

表3 圭山煤矿主要可采煤层灰成分分析结果Table 3 Analysis results of ash composition in main coal seams in Guishan coal mine

以煤层灰成分中SiO2+Al2O3、CaO+MgO和Fe2O3+SO3三个组分的百分含量为端元，来反映聚煤环境的不同介质条件，接近SiO2+Al2O3端元反映以黏土矿物为代表的陆源矿物类型，多与淡水介质注入有关；接近CaO+MgO端元反映煤层中钙镁矿物含量较高，属半潮湿气候条件下的弱氧化-强还原环境，且碱度相对较高，Ca2+、Mg2+等离子易于沉淀；接近Fe2O3+SO3端元表明煤层中硫铁矿含量较高，一般代表相对闭塞的局限沼泽环境[7]。据三角端元图解(图3)可知，研究区为还原性较弱的聚煤环境，总体上可能更接近于陆源区。

图3 煤灰成分三角端元图解Fig.3 Diagram of triangular-end elements of coal ash composition

3 煤层中伴生元素分布特征

煤层中除组成有机质的主要元素C、H、N、O、S外，还赋存多种有用微量元素和有害微量元素[8]。煤层中伴生的有用元素一般包括Li、Nb、Ta、Sr、Rb等稀有金属元素，Sc、Y、La、Ce、Gd等稀土元素，Ga、Ge、In等分散元素以及Cr、Mn、V、Cu、Zn、Ni、Co、Mo、Ba、Th、U等。研究伴生有用元素合有害元素的分布情况，将为区内煤炭资源的合理高效使用以及清洁利用提供依据。

将矿区可采煤层伴生有用元素平均含量与中国标准煤和世界标准煤中伴生元素的平均值进行对比(表4)[1,9]，矿区主要可采煤层中Ga元素含量为30.8～46.6 μg/g，平均38.14 μg/g，是中国标准煤中Ga含量的4.70～7.11倍，是世界标准煤中Ga含量的5.31～8.03倍；Ge元素含量为4.40～7.36 μg/g，平均6.22 μg/g，是中国标准煤中Ge含量的1.58～2.65倍，是世界标准煤中Ge含量的2.00～3.35倍；In元素含量为0.19～0.23 μg/g，平均0.21 μg/g，是中国标准煤中In含量的3.80～4.60倍，是世界标准煤中In含量的6.33～7.67倍。由上述可知，矿区煤层中Ge元素相对轻富集，Ga、In元素相对富集。

表4 煤中伴生有用元素含量对比Table 4 Content of associated useful elements in coal

煤层中有害元素除S外，通常还有P、As、Hg、F、Cl、Pb、Se等微量元素。煤层中S元素和P元素在炼焦时随矿物质转入焦炭，冶炼时S元素易使生铁产生热脆性，P元素易使生铁产生冷脆性，严重影响钢铁质量；F元素是有毒物质，对人体损害极大，轻者形成氟斑牙，重者出现氟骨病，甚至完全丧失劳动力和生活自理能力[9-10]；As、Hg、Cl、Pb、Se等元素则为有毒、有害，或者是致癌物质，对环境和人类身体健康影响较大。

表5为样品分析测试结果。由表5可知，圭山煤矿可采煤层中有害微量元素主要有P、As、F、Cl等。各煤层Pd含量平均为0.048%～0.067%，除K9b煤层为低磷煤层外，其余均为中磷煤，含磷量无明显的变化规律；Asd含量平均为2.17～4.35 μg/g，除K9a煤层为二级含砷煤层外，其余均为一级含砷煤层，砷含量变化不明显；Cld含量平均为0.033%～0.055%，除K6和K9b煤层为特低氯煤外，其余均为低氯煤层，表现为中部煤层含氯较高，上部及底部煤层含氯较低；Fd含量平均为97.72～126.67 μg/g，均为低氟煤层，表现为上部煤层含氟较高，中下部煤层含氟相对较低。可采煤层中Pd、Cld含量均超过中国标准煤含量的平均值，在煤炭开发利用过程中应注意有害元素的前期洗选和后期排放回收。

表5 煤中主要有害元素含量Table 5 Content of main harmful elements in coal

4 煤层气赋存特征

煤层气是一种赋存于煤层中的烃类气体，以CH4为主要成分，以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中，是煤的伴生矿产资源。煤层气属于非常规天然气，是目前国际上常见的洁净、优质能源和化工原料[11]。其热值是通用煤的2～5倍，与天然气相当，可以与天然气混输混用，1 m3纯煤层气的热值相当于1.13 kg汽油、1.21 kg标准煤，且燃烧后几乎不产生任何废气，是优质的工业、化工、发电和居民生活燃料[12]。

研究区主要可采煤层气体成分以CH4和N2为主，CO2及重烃含量较少。 其中，CH4占比为39.33%～74.91%，平均57.24%；N2占比为15.61%～49.97%，平均32.07%；CO2占比为3.00%～6.51%，平均4.65%；C2～C8占比为4.48%～8.17%，平均6.05%(表6)。瓦斯分带均属氮气-沼气带，各煤层埋深450～990 m，基本为中埋深，煤层气含量为3.39～5.04 m3/t。

表6 煤层气成分、含量测定结果表Table 6 Test results of composition and content of coalbed methane

经初步估算，矿区煤层气资源总量约为21亿m3，为小型规模；地质储量丰度为0.15亿m3/km2，资源量丰度较低。当煤层气空气浓度达到5%～16%时，遇明火就会产生爆炸，若将煤层气直接排放到大气当中，温室效应约为CO2的21倍，对生态环境破坏极强[11-12]，但若在采煤之前先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%～85%，且不会对生态环境造成影响。因此，矿区煤层气的开发利用对提高煤矿瓦斯事故的防范水平，有效减少温室气体排放以及地区清洁能源建设具有一定的促进作用。

5 结 论

1) 圭山煤矿主要可采煤层为特低水分、中灰分、中等挥发分、中硫分焦煤(JM24、JM25)，可作为炼焦主煤或配煤使用。煤中硫分组成以黄铁矿硫为主，有机硫占比较少；灰成分以酸性氧化物为主，且灰成分指数较小。表现出成煤环境为接近于陆源区的较弱还原型。

2) 煤矿区主要可采煤层中Ga、In元素呈相对富集状态，其中Ga元素含量是中国标准煤中Ga含量的4.70～7.11倍，是世界标准煤中Ga含量的5.31～8.03倍；In元素含量是中国标准煤中In含量的3.80～4.60倍，是世界标准煤中In含量的6.33～7.67倍，以上两种元素具备高元素煤开发的潜在价值，应注意综合利用。

3) 煤矿区煤层气资源经初步估算约为21亿m3，为小型气藏。开展区内煤层气资源的综合利用，对提高煤矿瓦斯事故的防范水平，减少温室气体排放以及地区清洁能源建设具有一定的促进作用。

4) 煤矿区可采煤层中有害元素相对富集，Pd、Cld等元素含量均超过中国标准煤含量的平均值，在煤炭开发利用过程中，应注意对有害元素的前期洗选和后期排放回收。