神府矿区5-2煤层富油煤赋存特征及资源潜力评价

李华兵，姚 征，李 宁，高 骏，谢 青，王 强

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

富油煤是一种特殊的煤炭资源。依据《矿产资源工业要求手册(2014 修订版)》中焦油产率的分级标准(葛金干馏条件下)，煤炭可分为高油煤(Tar,d>12%)、富油煤(Tar,d=7%～12%)和含油煤(Tar,d≤7%)，广义的富油煤包括高油煤和富油煤[1]。本次研究主要是对广义富油煤进行资源评价。焦油产率较高的富油煤经过低温干馏，在隔绝空气或惰性气氛条件下加热至600～800℃，经过一系列化学反应和物理变化，得到煤气、煤焦油和半焦或焦炭等，是煤炭转化和煤清洁利用的基础[2]。煤炭从传统的、单一的燃料向原料转变，运用低温干馏工艺生产半焦和低温煤焦油，提高产品附加值和应用效率，是煤化工替代石油化工的发展方向之一[3]。

影响煤焦油产率的主要因素包括成煤物质、煤化程度、热解温度、煤热解升温速率和煤的活性组分。相对于腐植煤，腐泥煤富含壳质组分，具有更高的挥发分产率和焦油产率[4-5]。随着煤化程度的提高，煤中挥发分、H/C、氧含量等都呈下降趋势[6-7]。原煤热解焦油产率在600℃时达到最大值，热解终温的升高促使焦油发生二次裂解，使得焦油产率降低[8]。快速升温热解比慢速热解更有利于提高轻质气相产物的产率，主要是提高了碳、氢转化为轻质气相烃类产物的效率[9]。陕北侏罗纪煤田煤质优良，原煤洁净等级为Ⅲ级，低热演化程度、高挥发分、高氢碳原子比的特点使其在煤炭直接液化利用方面具有较大的优势[10-11]。

神府矿区煤炭资源丰富，以往研究在富油煤分布范围、资源潜力及开发前景等方面缺乏系统性，资源潜力不清，开发前景不明。在系统分析神府矿区5-2煤层富油煤赋存特征的基础上，开展富油煤资源潜力评价，以绿色发展理念为导向，实现煤炭高效清洁利用，延长煤炭价值链，对加强生态文明建设、黄河中段生态环境脆弱区环境保护和陕北地区煤炭转型具有重要的经济和社会意义[9,12]。

1 地质概况

1.1 矿区地质背景

神府矿区位于鄂尔多斯盆地东北边缘，构造单元处于鄂尔多斯地台二级构造单元伊(伊克昭盟)–陕(北)单斜东缘中部，西部为天环坳陷，北部为伊盟隆起，东部是晋西挠折带。三叠纪中晚世，本区才逐渐与华北地区解体分离，成为独立的内陆沉积盆地——鄂尔多斯盆地的一部分，而在此之前，与华北地台为一整体[13]。

矿区地层总体为向西缓倾的单斜，倾角1°～3°，坡降一般5‰～17‰，未发现落差大于30 m 断层和明显的褶皱构造，也无岩浆活动，仅表现为一些宽缓的大小不等的波状起伏。地壳大范围的长期缓慢沉降，造成鄂尔多斯侏罗–白垩纪盆地的早期扩张及普遍充填，中侏罗统含煤岩系即形成于这一阶段。

1.2 成煤沉积环境

鄂尔多斯盆地延安组主要是三角洲平原相和滨湖相沉积。神府矿区5-2煤层形成于覆水较深、还原程度高的滨湖、浅湖/湖泊边缘三角洲以及沼泽环境中，煤化程度较低。草本植物、低等植物和浮游生物等成煤物质发育，显微组分中活性组分(壳质组+镜质组)体积分数为15%～25%，氢元素含量高，H/C原子比相对较高。煤中活性组分及氢元素含量是煤生烃物质基础[14]。B.P.Tissot 等[15]根据范氏图推测，在成煤过程中壳质组的热演化途径与Ⅱ型干酪根基本相同，Ⅱ型干酪根经过热演化生成石油，说明壳质组有较强的生油潜力，是富油煤的生油母质。

1.3 煤层及煤岩煤质特征

神府矿区内煤层分布范围广，全区均含煤，且煤层发育层数较多，自上而下约7 层，其中5-2煤层全区可采，大部分区域不含夹矸，局部地区含1～2层夹矸[16]。5-2煤层位于延安组的下部，可采厚度为1.35～7.85 m，平均5.61 m，属于厚煤层，变异系数22%[16]，煤层厚度变化不大(图1)。

图1 神府矿区5-2 煤层厚度分布Fig.1 Thickness distribution of No.5-2 coal seam in Shenfu Mining Area

5-2煤层主要呈黑色，煤岩成分以暗煤、亮煤为主，夹镜煤条带或透镜体，丝炭沿层面呈长条带或透镜体分布，厚1～3 mm，常见丝炭化植物叶片和茎干的薄片出现在镜煤的上、下部位。5-2煤层属于低水分、特低灰分、中高挥发分煤，原煤全水分平均为7.49%，灰分平均为7.87%，挥发分平均为34.92%[17]。

2 富油煤赋存特征

2.1 焦油产率特征

对神府矿区历年钻孔资料以及井下实地采样测试数据进行整理，得到5-2煤层焦油产率。钻孔数量755 个，井下采样63 处，采集样品163 件，覆盖整个矿区，能够代表神府矿区焦油产率的真实情况。统计结果表明：5-2煤层焦油产率介于 4.12%～17.58%，平均值9.81%，表明神府矿区5-2煤层整体上达到富油煤水平，部分地区的焦油产率超过12%，最高可达17.85%，已经达到高油煤的标准。其中，焦油产率最低值在郭家湾井田，为4.12%，最大值为17.85%，位于红柳林井田，两者相差4 倍。

按照焦油产率分级，数据中焦油产率小于7%的含油煤(ET)样品有23 个，7%～12%的富油煤(RT)样品为694 个，大于12%的高油煤(HT)样品为38 个，各级别焦油产率占比如图2 所示。因此，神府矿区5-2煤层绝大部分焦油产率大于7%，属于富油煤，表明神府矿区5-2煤层富油煤整体上发育良好[18]。

图2 神府矿区5-2 煤层各焦油产率所占比例Fig.2 The tar-yield proportion of No.5-2 coal seam in Shenfu Mining Area

2.2 富油煤分布特征

对神府矿区各井田5-2煤层焦油产率情况进行统计分析，结果见表1，并绘制焦油产率等值线图(图3)。通过对焦油产率数据研究分析，得到神府矿区5-2煤层富油煤的分布特征。总体而言，神府矿区富油煤赋存特征主要为焦油产率高、整体发育稳定、局部存在差异性、面积广、潜力巨大等特点。

表1 神府矿区各井田5-2 煤层焦油产率情况Table 1 The tar-yield proportion of 5-2 coal seam in Shenfu mining area

图3 神府矿区5-2 煤层焦油产率分布Fig.3 The tar-yield distribution of No.5-2 coal seams in Shenfu Mining Area

1) 焦油产率高

神府矿区5-2煤层焦油产率介于4.12%～17.58%，平均值 9.81%，平均值不仅高出富油煤临界值近3%，也大于陕西省境内陕北和黄陇侏罗纪煤田高焦油产率平均值9.4%[19]。焦油产率小于7%的只占到3.05%，焦油产率大于7%约占97%，而焦油产率大于10%的钻孔接近50%，表明神府矿区5-2煤层的焦油产率较高。

2) 发育稳定

对神府矿区红柳林井田、柠条塔井田、石窑店井田等焦油产率高值点进行顺层采样，在直线长度为2 000 m 的范围，每隔40 m 采集一个样品进行化验测试，评价富油煤发育的稳定性。通过计算煤焦油产率平均值、标准差和变异系数，并以变异系数为煤的富油性稳定程度评价指标，小于10%指示稳定性等级优、10%～12%指示稳定性良、12%～15%指示稳定性中、大于15%指示稳定性差[20]。从表2 可以看出，富油煤发育稳定性良好。

表2 富油煤发育稳定性分析Table 2 Stability analysis for tar-rich coal of 5-2 coal seam

3) 发育面积广

神府矿区面积约2 400 km2，5-2煤层达到可采厚度的面积约1 344.80 km2，富油煤和高油煤发育面积为1 295.45 km2，约占可采厚度发育面积的96%，其中高油煤面积约 8.66 km2，富油煤面积为1 286.79 km2，含油煤面积为49.35 km2。

4) 富油煤开发潜力大

神府矿区5-2煤层达到可采厚度的煤炭资源量约为4 918.01 Mt(截至2018 年底)，其中高油煤资源量为42.75 Mt，占比0.87%；富油煤资源量约为4 659.02 Mt，占比 94.73%；含油煤资源量为216.24 Mt，占比4.40%；高油煤和富油煤储量之和达到4 701.77 Mt，占比95.60%，开发前景巨大。

5) 富油煤分布区域存在差异

从焦油产率等值线图(图3)可以看出，神府矿区富油煤分布南北存在差异，总体上南部区域焦油产率高、北部低。南部富油煤发育良好，尤其是西南部紧靠榆神矿区的红柳林井田和柠条塔井田最高。北部区域焦油产率相对较低，大柳塔井田以北区域、郭家湾井田周边区域以及三道沟井田的东北部等区域的焦油产率较低。这表明在陕北侏罗纪煤田腹地富油煤发育较好，而边缘区域发育较差。

3 富油煤资源潜力评价

3.1 评价方法

富油煤作为一种特殊的煤炭资源，对其资源潜力评价属于煤炭资源评价的范畴。煤炭资源评价采用地质学、数学、经济学和系统工程学等为基础的边缘学科方法[21]。富油煤发育受多种因素影响，不能用单一的标准来评价，必须综合各方面的因素。本次研究首先把富油煤资源潜力分为若干因素进行综合考量，再把这些因素细分，进行层次分析[22]，具有较好的实用性和有效性。

3.2 评价参数

根据神府矿区5-2煤层富油煤赋存特征，把该区富油煤资源潜力的影响因素分为资源赋存、煤层赋存、开发技术和社会环境效益4 部分[23]。资源赋存包括煤炭焦油产率、资源量、煤层厚度等；煤层赋存情况包括煤层发育状况、顶底板岩性及稳定程度等；开发技术主要是对富油煤开发能力进行评价，一般大型企业聚集区，有利于发挥技术优势；社会环境效益是指资源开采过程中对区域煤炭工业转型和黄河中段环境脆弱区的影响。

根据层次分析法，把资源赋存、煤层赋存、开发技术和社会环境效益4 个因素作为主要指标，并细分为10 个评价参数，建立富油煤资源潜力评价体系[21](表3)。考虑到神府矿区煤层赋存条件、开采技术和经济效益基本相同，而富油煤是主要评判标准，所以对资源赋存状况赋值0.4 分，其余3 项各赋值0.2 分，按照评价参数进行赋分并累加，得到每项影响因素的最终得分。

表3 富油煤资源潜力指标等级划分Table 3 Tar-rich coal resource potential index classification

3.3 评价结果

通过对神府矿区富油煤资源潜力评价各项指标进行分析，得到各井田的综合评价结果(表4)。由表中可知，神府矿区5-2煤层富油煤资源开发潜力综合得分介于71.7～85.5 分，平均77.34 分，属于资源富集有利区。各井田煤层赋存条件相近，煤层结构简单，顶底板岩性多以砂岩、泥质砂岩为主，稳定程度基本相同，煤层变异系数为20%～30%，相差不大。在开发技术和社会环境效益方面略有不同，但总体上较为相近。

表4 富油煤资源潜力评价结果Table 4 Results table of resource potential

由于煤质、成煤环境和成煤物质存在差异，不同井田焦油产率差别较大(表1)。另外，煤层厚度和资源量也呈现区域差异性。因此，研究区富油煤资源赋存条件方面相差较大。红柳林井田、柠条塔井田、大柳塔井田、张家峁井田、石窑店井田等综合评价得分在80 分以上，资源赋存得分均在30 分以上，富油煤发育良好、焦油产率高、煤层厚度大、剩余储量巨大。

3.4 有利区划分

根据本次富油煤资源潜力评价结果，对神府矿区5-2煤层富油煤资源有利区进行划分。红柳林井田、柠条塔井田、大柳塔井田、张家峁井田、石窑店井田等各要素赋存条件达到优质级别，以10%焦油产率等值线和5 m 煤厚等值线将以上井田划分为Ⅰ、Ⅱ两个有利区(面积约700 km2，富油煤储量超过2 000 Mt)，即为下一步神府矿区5-2煤层富油煤勘探开发的最有利区域(图4)。

图4 神府矿区5-2 煤层富油煤资源有利区划分Fig.4 Distribution of the resource favorable area for 5-2 coal seams

有利区Ⅰ主要包括红柳林井田、柠条塔井田、张家峁井田，面积约 337.7 km2，煤层平均厚度5.31 m，焦油产率平均为10.05%。Ⅱ号有利区主要包括大柳塔井田、大海则井田、石窑店井田、青龙寺井田，面积约365.4 km2，煤层厚度平均为5.04 m，焦油产率平均为9.34%。选定的有利区煤层稳定，资源潜力较大，国家能源集团、陕西煤业化工集团等大型企业聚集，技术力量较强，有利于推动富油煤转化和高效利用。

4 结论

a.神府矿区5-2煤层焦油产率平均值为9.81%，整体上达到富油煤水平，部分地区已经达到高油煤的标准。钻孔数据和采集样品中，富油煤和高油煤占比近97%，表明研究区富油煤整体上发育良好。

b.从焦油产率、变异系数、富油煤面积和储量、差异性等数据来看，研究区富油煤赋存特征主要为焦油产率高、整体发育稳定、局部存在差异性、面积广、潜力巨大等特点。

c.采用层次分析法评价富油煤的资源潜力，把资源赋存、煤层赋存、开发技术和社会环境效益4 个因素作为主要指标，对4 项指标细分10 个评价参数后，建立富油煤资源潜力评价体系。经分析，研究区富油煤资源开发潜力平均综合得分77.34 分，属于资源富集有利区。

d.根据资源潜力评价结果，将研究区共划分为2 个富油煤资源有利区，其含煤面积约为700 km2，煤层厚度均大于5 m，焦油产率大于9%，富油煤储量超过2 000 Mt。主要包括红柳林井田、柠条塔井田、张家峁井田、大柳塔井田、大海则井田、石窑店井田、青龙寺井田。有利区面积广、焦油产率高、资源潜力大，周边大型煤炭企业较多，技术资金力量雄厚，在目前开采条件下已经实现产业化，为下一步富油煤勘探开发指明了方向。