大南湖矿区煤岩煤质特征及清洁利用方向探讨

何建国， 秦云虎， 马 荣， 朱士飞

(1.江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)，江苏徐州 221006；2.中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室，江苏徐州 221006；3.中国矿业大学，江苏徐州 221006)

0 引言

“富煤、贫油、少气”是我国能源结构特点，从现有能源消耗来看，煤炭仍将是我国能源消费的主体，党的十八大以来，随着生态文明建设的不断推进以及碳达峰和碳中和等政策的实施，煤制油气、煤成油等煤炭绿色、清洁、高效利用不仅能改善我国“贫油、少气”能源结构，缓解煤炭燃烧带来的环境压力重要措施，更是实现我国2060年碳中和的重要保障[1-3]。新疆煤炭资源丰富，位于东疆的大南湖煤矿区是重要的煤炭资源基地，通过对大南湖煤的煤岩特征，煤质的化学特征、工艺性能、有害元素等方面的系统研究，为该区煤炭资源的清洁、高效利用提供了科学依据[4-5]。

1 矿区概况

大南湖矿区位于新疆哈密市南部，矿区内现有一号矿井、二号露天矿井和大南湖三号矿和1个勘查区，矿区位于一级构造单元了墩隆起中的二级构造单元大南湖浅凹陷[6](图1)。大南湖矿区西山窑组(J2x)含煤50层， 其中以25煤层为全区可采煤层。

图1 大南湖矿区位置及区域地质构造Figure 1 Da’nanhu mining area position and regional tectonics

本次研究以25煤层为研究对象，采集大南湖矿区2号露天矿25煤层31件样品进行煤岩煤质分析分析，评价其洁净利用方向。

2 煤岩特征

2.1 宏观煤炭特征

大南湖矿区25煤层颜色均呈黑-褐黑色，煤质较硬，不易破碎，呈层状-块状构造，条带状结构。煤层光泽暗淡，多呈弱沥青光泽。用地质锤敲开样品，见有参差状、贝壳状断口，节理较发育，裂隙及节理发育，煤心轻污染手。煤层见方解石薄膜和黄铁矿。宏观煤岩类型以暗淡型、半暗型煤为主。

2.2 显微煤岩特征

1)镜质组特征。镜质组以基质镜质体为主(胶结丝质体碎片和壳质组)(图2a)；其次是结构镜质体，胞腔变形，中空(图2b)；少数均质镜质体(图2c)、团块镜质体(图2d)。矿区内25煤镜质组含量为22.37%～81.30%，平均含量53.08%。

2)惰质组特征。惰质组以半丝质体为主(图3a、b)；其次是氧化丝质体(图3d)和碎屑惰质体(被基质镜质体胶结)(图3c)，偶见粗粒体(图3e)及微粒体(呈团状、条状)(图3f)。矿区内25煤惰质组含量为15.70%～77.63%，平均含量44.76%。

3)壳质组特征。壳质组组分以小孢子体为主(图4a)，其次是角质体(图4b)，少数树脂体(图4d、e、f)、木栓质体(图4e)，图3c为角质体荧光照片，图3f为树脂体荧光照片。矿区内25煤壳质组含量为0.30%～7.30%，平均含量3.37%。

图2 镜质组显微组分特征Figure 2 Vitrinite maceral features

图3 惰质组显微亚组分特征Figure 3 Inertinite submaceral features

图4 壳质组显微亚组分特征Figure 4 Exinite submaceral features

4)矿物组分特征。25煤层无机组分主要为黏土矿物(图5a)，呈团状，或充填丝质体胞腔(图5a，5b)，次为硫化物类和氧化硅类矿物，偶见碳酸盐类矿物。硫化物类主要为黄铁矿(图5c)，多见充填状，少数粒状、团块状；氧化硅矿物为石英，呈棱角状颗粒(图5d中间)，碳酸盐类矿物以方解石为主，呈充填裂隙状(图5d右上部)。

5)镜质体反射率特征。大南湖矿区25煤层镜质体反射率为0.21%～0.43%，平均为0.33%，属于0变质阶段，即低变质阶段烟煤。

图5 矿物组分特征Figure 5 Mineral component features

3 煤质特征

本次在收集了大南湖矿区3个矿区，1个勘查区的钻孔煤质资料和勘探地质报告基础上，结合采样测试数据分析25煤层化学特征、工艺性能和有害元素。

3.1 化学特征

3.1.1 工业分析

1)水分(Mad)。大南湖矿区25煤层原煤水分含量为3.50%～21.37%，平均11.38%；浮煤水分含量为3.50%～20.66%，平均9.63%。

2)灰分(Ad)。大南湖矿区25煤层原煤灰分产率(Ad)为5.71%～27.42%，平均11.93%；浮煤灰分产率(Ad)为4.71%～26.11%，平均9.01%。按《GB/T 15224.1-2018煤炭质量分级 第1部分：灰分》资源分级，大南湖矿区25煤层低灰煤占比最高，其次为特低灰煤，中灰煤占比最低。在平面分布上，位于矿区北部的大南湖三矿大部区域和东部大南湖一矿和二矿部分区域原煤灰分以低灰煤为主，矿区西南部大部分为特低灰煤(图6)。

图6 25煤层灰分产率等值线Figure 6 Coal No.25 ash yields isogram

3)挥发分(Vdaf)。 25煤层原煤挥发分(Vdaf)产率为24.38%～44.56%，平均39.90%，浮煤挥发分(Vdaf)产率为32.23%～44.41%，平均40.54%(N=232)。按《(MT/T 849-2000)煤的挥发分产率分级》，矿区内高挥发分煤占比最高，少量为中高挥发分煤。在平面分布上，矿区25煤层北部及南部大部分区域挥发分产率在39.0%～43.0%，但矿区西北部大南湖三矿挥发分产率略低，总体上，25煤层挥发分呈现出中部低，西部和东部高的特点(图7)。

图7 25煤层挥发分产率等值线Figure 7 Coal No.25 volatile matter yields isogram

图8 25煤层硫分等值线Figure 8 Coal No.25 sulfur contents isogram

3.1.2 全硫(St,d)

大南湖矿区25煤层原煤全硫(St,d)含量为0.06%～1.97%，平均为0.42%，浮煤全硫(St,d)含量为0.01%～0.93%，平均0.20%。按《GB/T 14224.2-2010煤炭质量分级 第2部分：硫分》资源分级，大南湖矿区25煤层主要为特低硫煤，少部分为低硫煤。平面上分布上，矿区25煤层大部分硫分小于0.50%，仅在矿区北部，大南湖一矿西北部和大南湖二矿北部有部分区域的硫分大于0.50%。总体来看，25煤层硫分呈中部高，四周低的特点(图8)。

25煤层中各种形态硫含量绝大部分小于0.50%，仅有个别有机硫(So,d)和硫化铁硫(Sp.d)值位于0.50%～1.00%，极个别硫化铁硫(Sp.d)值位于1.00%～2.00%(N=34)；洗选后全硫含量略有增加。

3.2 工艺性能

1)灰熔融性。根据25煤层勘探报告的煤质数据统计，结合本次采样测试数据，25煤的煤灰熔融性软化(ST)范围为1 110～1 320℃，平均1 207℃，煤灰熔融性流动温度(FT)为1 120～1 360℃，平均1 248℃。参考煤灰软化温度(ST)分级和煤灰流动温度(FT)分级，大南湖矿区煤灰软化温度(ST)大多属中等软化温度灰，流动温度(FT)大多属较低流动温度灰。

2)煤的黏结指数(GR.I)。根据对25煤层的煤质数据统计，结合本次采样测试数据，25煤的黏结指数绝大多数为0，按《MT/T 596-2008烟煤黏结指数分级标准》划分，矿区内的煤为不黏结煤(BN)，煤层焦渣特征指数为1～2，为极微弱熔融黏结，因此判断其为无黏结或微黏结性煤。

3)煤的热稳定性(TS+6)。根据对25煤层煤质数据统计，结合本次采样测试数据，25煤层的热稳定性为55.10%～73.30%，平均65.11%，按照《(MT/T 560—2008)煤灰热稳定性分级》，属于较高热稳定性煤，有利于气化过程的正常运行。

4)与二氧化碳反应性(950℃)。根据对25煤层煤质数据统计，结合本次采样测试数据，25煤层二氧化碳反应性(950℃)为89.1%～98.6%，平均96.1%，反应活性高，在气化过程中有助于减少耗氧量，降低能耗。

5)哈氏可磨性指数(HGI)。大南湖矿区25煤层哈氏可磨性指数(HGI)为51～107，平均86.7，主要集中在80～100，按照哈氏可磨性指数分级，属于易磨煤。可磨性好，可以减少煤炭在破碎过程中的能耗，降低生产成本。

3.3 煤中有害元素

25煤层原煤元素含量见表1。

表1 25煤层原煤元素含量测试分析统计成果

大南湖矿区25煤层原煤磷(P)含量为0～0.148%，平均含量为0.018%，主要属于特低—低磷分煤；氯(Cl)含量为0.002%～0.313%，平均含量为0.071%，主要属于低氯煤，氯含量远低于中国煤和世界煤平均值；砷(As)含量为0～8μg/g，平均含量为3μg/g，属于一级含砷煤，氯含量低于中国煤和世界煤平均值；氟(F)元素含量为18～304μg/g，平均含量104μg/g，属于低氟煤，氟含量低于中国煤平均值；铀(U)元素含量为0～2μg/g，平均含量1μg/g，铀含量低于中国煤平均值。

4 煤类及清洁利用方向探讨

4.1 煤类

由于大南湖矿区25煤层煤化程度较低，根据浮煤挥发分(Vdaf)、黏结指数(GR·I)、透光率(PM)，按照《GB/T 5751—2009中国煤炭分类》，25煤层煤类为长焰煤(表2)。

表2 25煤层煤质指标及煤炭分类

4.2 清洁利用方向

通过对大南湖25煤层煤岩组分、化学特征、工艺性能等指标分析，依据液化、气化用煤资源评价原则[9-11]，对照直接液化和不同气化工艺对煤质要求的不同要求，大南湖25煤层原煤惰质组含量超过35%，不适宜液化，其他指标满足一级流化床气化用煤、一级干煤粉气流床气化用煤和一级固定床气化用煤指标要求(表3)。

图9 25煤层气化用煤评价Figure 9 Coal No.25 gasification coal assessments

依据煤炭清洁利用潜势评价体系[9-12]，综合大南湖矿区25煤层灰分、全硫、氟、砷、氯等指标的统计及分析测试数据对清洁利用潜势进行综合评价，若个评价指标洁净等级不一致时。以洁净等级差者为准。综合评价结果见表4，25煤层原煤综合评价洁净等级为Ⅲ级，属较好洁净煤。浮煤综合评价洁净等级为Ⅱ，属好洁净煤(表4)。

表3 25煤层煤质指标与气化用煤评价指标

表4 25煤层煤质洁净等级划分

5 结论

1)大南湖矿区25煤层宏观煤岩类型以暗淡型、半暗型煤为主；煤岩显微组分中有机质含量高，平均含量达到93%以上，有机质以镜质组分为主，次为惰质组，壳质组占比最低；无机组分以黏土、氧化硅矿物为主，含量低。

2)大南湖矿区25煤层以低灰、高挥发分、特低硫、较高热稳定性、易磨的长焰煤为主；煤中氯、砷、氟、铀等元素含量均低于中国煤平均值。

3)根据大南湖矿区25煤层煤岩煤质特征，对比气化、液化特殊用煤煤质技术要求，25 煤层煤质指标符合一级流化床气化用煤、一级干煤粉气流床气化用煤和一级固定床气化用煤指标要求为主。

4)根据煤炭清洁利用潜势评价体系，大南湖矿区25煤层原煤洁净等级为Ⅲ级，属较好洁净煤；浮煤洁净等级为Ⅱ级，属好洁净煤。