新疆准东煤田库兰喀孜干勘查区煤质特征分析

林波，孙增兵

(1.山东省地质测绘院，山东 济南 250002；2.山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261000)

0 引言

煤炭是中国一次性能源中的主力能源[1]，同时作为重要的生产生活资源，其在经济社会发展中有着重要作用[2]。在煤田地质勘探中，煤质特征研究是开发煤炭资源的基础和依据，也是确定煤在工业利用和评价开采利用过程中对环境影响的基础性研究[3-4]，具有重要意义。首先，煤质特征参数是煤炭资源评价的主要内容，不同的灰分、挥发分及硫分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[5]；其次，在地质研究方面，煤质特征参数中必然包含丰富的古气候、古生物和古地理在内的成煤信息。为此，国内外众多学者在煤质特征方面进行了大量研究[6-20]。

本文以准东煤田东部库兰喀孜干勘查区钻探资料和勘探成果资料为基础，对该区所含煤层煤质特征进行了分析总结，为今后该地区的煤炭开发利用提供材料支撑。

1 地质概况

准东煤田位于准噶尔盆地东部隆起带北缘，卡拉麦里山南麓，西部和南部分别以沙帐断折带和奇台低凸起为界，东部一直延伸到梧桐窝子凹陷，整体呈三角形[21-29]。

库兰喀孜干勘查区位于准噶尔盆地东部，区域构造属于准东煤田东部老君庙凹陷(图1A)，区内发育地层由老至新有早二叠世芨芨槽子群、早侏罗世八道湾组和三工河组、中侏罗世西山窑组、晚侏罗世石树沟群、古近纪独山子组和第四纪地层(图1B)。除西北部边缘产状较陡外，绝大部分区域产状平缓，局部地段有缓波状起伏，倾向指向凹陷中心[4]。其中的中侏罗世西山窑组和晚侏罗世八道湾组为主要含煤地层，含煤层共23层，西山窑组见8～22层，总厚度38.00～54.30m，平均厚度45.55m，自上而下为1煤～19煤；八道湾组见4层，总厚度为7.30m，编号20煤～23煤(图1C)。经划分对比可知，各煤层总体结构简单，其中2煤、13煤、15煤等为全区可采煤层，4煤、9煤、17煤、21煤、23煤为大部可采煤层，5煤、8煤、12煤、14煤等4个煤层为局部可采煤层(表1)。

1—砂土、黏土；2—风成砂；3—碎砾石、砂砾；4—胶结砂砾岩；5—独山子组；6—石树沟群；7—西山窑组；8—三工河组；9—八道湾组；10—下芨芨槽子群；11—孔雀屏组；12—六棵树组；13—石钱滩组；14—巴塔玛衣内山组；15—石英纳长斑岩；16—断层；17—推测/隐伏断层；18—泉水(咸)图1 区域地质概况(A、B)和主要含煤地层柱状示意图(C)(据孙增兵，2018，有修改)

表1 勘探区可采煤层特征表

2 物理性质及煤岩特征

2.1 物理性质

区内各可采煤层物理性质基本相同，一般为黑色，易染手，条痕为黑色、参差状断口，呈块状及不均匀层状构造，以丝炭、暗煤为主，不显光泽或显弱丝绢光泽，易风化呈碎块状，裂隙不发育，视密度平均介于1.30～1.38之间；易燃，煤灰呈浅灰白色。

2.2 宏观煤岩成分类型

煤层宏观煤岩组分以丝炭、暗煤为主，亮煤次之；宏观煤岩类型为半暗型煤—暗淡型煤。

2.3 显微煤岩组分

勘查区各主采煤层显微煤岩特征如表2所示，可见各煤层中有机组分含量较高，无机组分含量较低。

2.3.1 有机组分

有机质组分含量范围为81.8%～94.9%，以镜质组和惰质组为主，其中：镜质组主要以无结构镜质体中的碎屑镜质体为主，平均含量为13.1%～32.2%(表2)；惰质组以氧化丝质体和碎屑惰质体为主，平均含量为67.8%～86.4%。此外，壳质组含量极少，主要为小孢子体，呈蠕虫状分布，平均含量为0～0.6%(表2)。

表2 各煤层煤岩组分鉴定成果表

2.3.2 无机组分

各煤层无机矿物组分含量范围为5.1%～18.2%(表2)，以黏土矿物为主，呈浸染状或薄层状分布；含少量的碳酸盐类矿物和少量的硫化物矿物，其中碳酸盐类矿物含量为0.0%～0.7%，硫化物矿物含量为0.2%～1.0%(表2)。

2.3.3 煤成因、变质阶段及煤岩类型

从煤层的显微煤岩组分看，以镜质体和惰质体为主，元素分析中氢元素含量较低，说明成煤植物以植物茎、根等木质纤维组成，区内煤成因类型为腐植煤类。根据样品测试表明，各煤层镜质组平均反射率为0.65%～0.74%，表明本区变质阶段以Ⅱ阶为主(表2)。各煤层煤岩类型以微镜惰煤为主，仅在个别钻孔中见有微泥质煤和微惰煤(表2)。

3 化学分析

3.1 工业分析

3.1.1 水分

水分是煤中的无用物质，它的存在将降低煤的利用价值。煤在燃烧时，水分的蒸发要消耗部分热量，降低煤的发热量[25]。

根据测试资料统计，西山窑组中各煤层原煤水分含量区间变化较大，浮煤水分含量变化不大。其中，各煤层原煤水分值(Mad)在2.38%～14.10%之间，平均值为6.60%，浮煤水分值(Mad)在2.41%～10.10%之间，平均值为6.75%(表3)。按《煤的全水分分级标准》(MT/T850—2000)，区内煤层以中水分煤为主。

表3 西山窑组各主采煤层工业分析成果表

3.1.2 灰分

根据现有测试资料和采样点统计，区内各煤层原煤灰分产率(Ad)在2.45%～40.69%之间，平均值约为11.90%；浮煤灰分产率(Ad)在2.01%～9.72%之间，平均值约为4.03%(表3)。可看出煤灰分含量区间变化较大，按照GB/T15224.1—2004动力煤的灰分分级国家标准，绝大多数煤层属低灰分煤。只有2煤原煤灰分产率(Ad)为4.28%～18.00%，均值为7.88%(表3)，属特低灰分煤。

3.1.3 挥发分

根据现有测试资料和采样点统计，区内西山窑组各煤层原煤挥发分产率(Vdaf)为25.65%～40.76%之间，平均值约为32.09%；浮煤挥发分产率(Vdaf)为26.22%～36.42%之间，平均值约为30.67%(表3)。可以看出煤挥发分含量区间变化较小，按国家煤炭行业标准MT/T849-2000划分，均属于中高挥发分煤。

3.2 元素分析

煤中除含有部分矿物杂质和水分以外，其余可燃质由多种碳、氢化合物和其他有机物组成，其主要化学元素有碳、氢、氮、氧、硫[30-31]。

根据现有测试资料和采样点统计结果显示，区内煤的元素组成中，以碳为主，氢、氮含量较少，且含量均相差不大(表4)。其中：碳含量在原煤中介于78.32%～80.52%之间，平均值79.51%；浮煤中介于77.98%～80.97%之间，平均值79.92%，属于高固定碳煤。氢含量在原煤中介于3.80%～4.18%之间，平均值4.04%；浮煤中介于3.67%～4.16%之间，平均值3.87%。氮含量在原煤中介于0.92%～1.07%之间，平均值1.01%；浮煤中介于0.93%～1.20%之间，平均值1.05%。氧+硫含量在原煤中介于14.31%～16.61%之间，平均值15.45%；浮煤中介于13.95%～17.31%之间，平均值15.09%(表4)。

3.3 有害组分分析

3.3.1 硫

各煤层原煤全硫平均含量为0.16%～0.24%，根据标准(GB/T15224.2-2010)，各煤层原煤的干燥基全硫含量均<0.50%，浮煤中含量介于0.11%～0.18%之间，属于特低硫煤(图2)。其他各种硫中以有机硫最多，含量在0.10%～0.15%之间，其次为硫化铁硫，含量在0.07%～0.10%之间，不含硫酸盐硫。

表4 各煤层元素测试分析成果表

①—原煤极值范围；②—浮煤极值范围；③—原煤平均值；④—浮煤平均值图2 煤层全硫测试分析成果

3.3.2 其他有害组分

(1)磷：2煤、4煤、8煤、12煤和17煤原煤中磷平均含量为0.004%～0.010%，根据国家煤炭行业标准(MT/TMTT966—2005)划分，属特低磷煤；而5煤、9煤、13煤、14煤和15煤中磷平均含量为0.011%～0.031%，属低磷分煤。

(2)氟：原煤全区氟平均含量在42～74μg/g之间，按国家煤炭行业标准(MT/TMTT966—2005)，属特低氟煤。

(3)氯：2煤、8煤、9煤、12煤、13煤、15煤和17煤原煤全区氯平均含量为0.055%～0.094%，按国家煤炭行业标准(MT/T597—1996)划分，属低氯煤；而4煤、5煤和14煤原煤全区氯平均含量为0.039%～0.049%，属特低氯煤。

(4)砷：原煤中砷平均含量为(1～2)×10-4μg/g，浮煤中平均含量均为1×10-4μg/g，按国家煤炭行业标准(MT/T803—1999)划分，为一级含砷煤。

4 工艺性能

4.1 发热量

西山窑组煤层中，2煤、9煤、12煤和13煤原煤高位发热量(Qgr·d)平均值介于27.21～30.90MJ/kg，根据国家标准(GB/T15224.3—2010)，均属高热值煤；而4煤、5煤、8煤、14煤、15煤和17煤原煤高位发热量平均值介于24.31～27.20MJ/kg，均属中高热值煤(图3)。低位发热量(Qnet·d)平均值为24.55～27.42MJ/kg(图3)，均大于煤炭资源量估算指标的最低发热量标准。

①—高位发热量极值范围；②—低位发热量极值范围；③—高位发热量平均值；④—低位发热量平均值图3 原煤高位发热量与低位发热量测试分析成果

4.2 其他工艺性能

4.2.1 黏结性

区内各煤层浮煤黏结指数皆为0，各煤层焦渣特征指数为2，各煤层为极微弱熔融黏结，表明该区为不黏结煤。

4.2.2 可磨性

根据各煤层可磨性结果及国家煤炭行业标准(MT/T852—2000)看，2煤、4煤、5煤、9煤和13煤可磨性介于80～100，属易磨煤；8煤、14煤、15煤和17煤可磨性介于60～80，属中等可磨煤。

4.2.3 热稳定性

根据各煤层热稳定性结果及国家煤炭行业标准(MT/T560—1996)看，4煤热稳定性介于50%～60%，属中热稳定煤层；2煤、8煤、9煤、13煤和15煤热稳定性介于60%～70%，属较高热稳定煤层；5煤、14煤和17煤热稳定性大于70%，属高热稳定煤层。

4.2.4 低温干馏

各煤层焦油产率在3.6%～5.4%之间，平均焦油产率均小于7%，属含油煤。

4.2.5 灰熔融性

根据各煤层煤的灰熔融性及国家煤炭行业标准MT/T853.1—2000划分，2煤、4煤、5煤、9煤、12煤、13煤、15煤和17煤灰软化温度介于1100～1250℃之间，属较低软化温度灰为主的煤层；8煤灰软化温度大于1250～1350℃，属中等软化温度灰为主的煤层；14煤灰软化温度大于1350～1500℃，属较高软化温度灰为主的煤层。

5 结语

通过以上分析，本区煤层宏观煤岩组分以丝炭、暗煤为主，亮煤次之，煤岩类型为半暗型煤-暗淡型煤，显微煤岩类型以微镜惰煤为主，见少量微泥质煤和微惰煤，变质阶段以Ⅱ阶为主。各煤层以中水分、特低—低灰、中高挥发分、高固定碳、特低硫、低磷分、特低氟、特低—低氯、一级含砷、中高—高热值、不黏结、中等可磨—易磨、中热—较高热—高热稳定、含油、较低—较高软化温度灰为主的煤层为主，为优质的动力用煤，具有广泛的开发利用前景，对周边矿区的基础地质研究工作，以及在该地区的找煤方向探索具有重要的指导意义。