研究论文
元宝山露天煤矿煤层煤质特征及洁净等级划分
摘 要：为了合理清洁利用元宝山露天煤矿的煤，基于元宝山露天煤矿地质概况、含煤地层特征及煤的物化性质，对矿区煤的煤质特征进行工业分析，确定煤的类型、工业性能和用途，根据最新煤炭资源潜力评价提出的煤炭洁净等级6级划分方案，选取灰分、硫分、有害元素氟、砷等4个评价因子对矿区煤的洁净等级进行初步划分。结果表明：矿区煤的宏观煤岩组分以亮煤和暗煤为主，显微煤岩组分以镜质组为主;矿区煤属低灰、中硫、高挥发分、中发热量型的2号褐煤;矿区主要煤层5煤、6煤洁净等级为Ⅲ～Ⅳ级，属较好～中等洁净煤，总体煤洁净等级为Ⅳ级，属中等洁净煤。由于矿区煤为中发热量、热稳定性较差，且与CO2化学反应性好、焦油产率较高、中等洁净的煤样，煤炭质量和洁净等级较好，可作为动力用煤、气化用煤和炼油用煤原料，经济价值较大。
关键词：元宝山露天煤矿;煤质特征;洁净等级;工艺性能;工业用途
0 引 言
近年来，随着煤炭工业的迅猛发展，煤炭的高强度开采和粗放式加工利用现象日渐严重，煤炭资源总体质量不断下降，生态环境遭到污染。加强煤炭资源的清洁开发利用和分选加工，提高煤炭质量，建立清洁、高效、低碳、安全、可持续的现代煤炭清洁利用体系是今后煤炭工业发展的必然趋势[1-2]。煤质作为评判煤炭质量和洁净程度的重要指标，在煤炭的勘探、开发和加工利用过程中发挥着重要作用。唐跃刚等[3]对山西省太原组和山西组的煤质空间分布及煤变质程度进行研究，为山西省煤炭资源的评价和合理开发利用提供有利依据;潘强等[4]对宁东矿区煤质与不同气化技术的匹配性进行研究，发现仅羊场湾煤适合制备水煤浆，其余煤质更适合采用GSP干煤粉气化技术，提高了宁东矿区煤的清洁利用率;石瑛[5]和胡明岩[6]探讨了煤质分析在煤的勘探、开采及合理利用等阶段的意义，并强调应加强煤质的检测、监督和管理工作。杨淑婷等[7]依据我国最新煤炭资源预测工作要求，构建了煤炭资源洁净等级评价指标体系，确定了评价方法，并进行了等级量化。前人对元宝山露天煤矿的研究主要集中在开采方式、边坡稳定性和疏干排水等方面，未对矿区煤层煤质特征和煤炭洁净等级进行研究。
本文基于矿区地质概况、含煤地层特征及煤的物化性质，研究矿区的煤层煤质特征及洁净等级，确定煤的工业性能和用途。
1 矿区地质简况
元宝山露天煤矿作为我国五大露天煤矿之一，位于内蒙古自治区赤峰市东35 km[8]。矿区面积12.857 4 km2，行政区属元宝山区建昌营镇管辖。矿区附近交通便利。矿区主要含煤地层为中生界白垩系下统阜新组，也是矿区唯一含煤地层。矿区构造复杂程度中等，为南荒向斜的一部分，呈被F1断层切去东南翼的不完整平缓向斜构造，断层发育，以北东向和北西向为主，且均为正断层。地层倾角3°～14°，平均8°。矿区岩浆岩为玄武岩，属喷出玄武岩熔岩流，覆盖于新近系地层之上，分布于矿区东北部，厚度7～34 m，对矿区煤层无影响。
2 含煤地层
元宝山露天煤矿含煤地层为白恶系下统阜新组，岩性以灰、灰白色粗砂岩为主，夹中、细砂岩、砾岩、灰黑色泥岩和煤层，厚度250～470 m，平均厚度340 m，共含12个煤层，即3、4、5-2、5、6-2、6、7、8、9、10、11、12煤层，5-2、6-2两个煤层分别由5煤、6煤分叉出来，其中5、6两个煤层是本区的主要煤层。4、5-2、5、6-2、6、7煤层为露天开采，位于含煤建造[9]中部，煤层最大可采厚度为124.36 m，全区发育且较稳定。9、10、11煤层厚度逐渐变薄，仅南部可采，为露天深部区，由井工开采。矿区煤层平均厚度70.11 m，含煤系数20.6%。
3 煤质特征
3.1 物理性质
矿区煤的颜色一般呈黑褐色，稍经风化后呈黑色，条痕呈褐色，弱油脂和沥青光泽，受风化后则变为暗淡光泽。常见贝壳状、平坦状断口，块状构造，性脆、吸水性强。煤的真密度1.54～1.59 g/cm3，视密度1.19～1.31 g/cm3，透光率(PM)30%～61%，平均44%。条带状结构较常见。煤的原生裂隙和次生裂隙均不发育，亮煤有时存在垂直层面裂隙，裂隙较平坦，有时被钙质薄膜或黄铁矿薄膜充填。
3.2 煤岩特征
煤的宏观煤岩组分由镜煤、亮煤、暗煤和丝炭组成，是肉眼可分辨的煤基本组成单元[9]。矿区的宏观煤岩组分以亮煤和暗煤为主，亮煤、暗煤互成条带状分布，镜煤、丝炭呈透镜状夹于亮煤和暗煤中。宏观煤岩类型主要是半亮型，其次为半暗型，再次为光亮型和暗淡型煤。
矿区煤的显微组成以镜质组为主，惰质组含量较同一时代的其他显微组分高。其中，镜质组在透射光下为浅褐至褐色，正交偏光下完全消光，反射光下浅灰至灰色，结构清楚，可见基质、条带状镜煤、木煤、木质镜煤，镶边镜煤等;惰质组结构清楚，包括有保存良好的丝炭、木质丝炭、镜煤质丝炭及半丝炭，常集中呈薄夹层出现;丝炭组分较少见，占1%～3%，包括小孢子、树脂体、角质层、木栓质体，前2种含量较多;矿物质约占5%，多为石英、黏土为主，局部黄铁矿较多，在裂隙中有时为方解石充填，显微煤岩类型为微镜煤。
3.3 化学性质
在详查、勘探、补勘和开采过程中采集各类煤样，对可采煤层煤质进行工业分析，煤质数据来源于《元宝山露天煤矿煤炭资源储量核实报告》。元宝山露天煤矿原煤煤质工业分析与元素分析见表1。
3.3.1 工业分析
1)水分(Mad)
露天区原煤水分中最低是7煤，为9.32%，最高是5煤，为20.83%，平均14.72%;井工区原煤水分平均13.40%，全区平均14.71%，含量中等。
2)灰分(Ad)
露天区灰分最低是4煤，为7.53%，最高是7煤，为38.77%，平均为14.92%;井工区灰分平均为27.34%，全区灰分平均为13.33%，依据GB/T 15224.1—2010《煤炭质量分级 第1部分：灰分》，确定矿区煤为低灰煤。
表1 元宝山露天煤矿原煤煤质工业分析与元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of row coal in Yuanbaoshan open-pit coal mine %
注：表中数据为(最小值～最大值)/平均值。
3)挥发分(Vdaf)
露天区主要煤层的原煤挥发分最低是7煤，为36.39%，最高是4煤，为51.71%，平均43.73%;井工区平均40.25%，全区平均42.00%，依据MT/T 849—2000《煤的挥发分产率分级》，确定矿区煤为高挥发分煤。
3.3.2 元素分析
本区煤层中原煤碳(Cdaf)含量最低是5煤，为70.24%，最高是6煤，为76.85%，平均73.03%;氢(Hdaf)含量最低是5煤，为3.35%，最高是6煤，为6.18%，平均4.93%;氮(Ndaf)含量最低是7煤，为0.61%，最高是6煤，为2.36%，平均0.97%。
3.3.3 有害元素
1)硫分(St,d)
本区煤层原煤的硫分最低是5-2煤，为0.57%，最高是6煤、9煤，为3.00%，全区平均1.51%，依据GB/T 15224.2—2010《煤炭质量分级 第2部分：硫分》，确定矿区煤为中硫煤。
2)磷(Pd)
煤层中磷含量最低是11煤，为0.005%，含量最高是4煤、9煤，为0.014%，一般0.005%～0.014%，平均含量为0.010%。依据GB/T 20475.1—2006《煤中有害元素含量分级 第1部分：磷》，确定矿区煤为特低～低磷分煤。
3)氯(Cld)、氟(Fd)、砷(Asd)
依据GB/T 20475.2—2006《煤中有害元素含量分级 第2部分：氯》、MT/T 966—2005《煤中氟含量分级》、GB/T 20475.3—2012 《煤中有害元素含量分级 第3部分：砷》，矿区煤中氯含量在0～0.008%，为特低氯煤。氟含量在84×10-4%～223×10-4%，4煤、6煤和8煤为中氟煤，其余为低氟煤。各煤层中砷含量在3.76×10-4%～33.1×10-4%，11煤为中砷煤，其余为低砷煤。
综上，矿区煤中有害元素含量较低，可减少煤炭开发、利用过程中产生的污染。
3.4 工艺性能
1)发热量
Qgr,ad最高是6煤，为21.71 MJ/kg，最低是5-2煤，为18.48 MJ/kg，全区平均20.71 MJ/kg。Qgr,maf最高是6煤，为23.71 MJ/kg，最低是4煤，为21.83 MJ/kg，全区平均小于24 MJ/kg。Qgr,d最高是4煤，为25.38 MJ/kg，最低是8煤，为19.76 MJ/kg，全区平均24.14 MJ/kg。根据GB/T 15224.3—2010《煤炭质量分级 第3部分：发热量》，确定为中发热量煤。Qnet,d最高是4煤，为25.17 MJ/kg，最低是8煤为19.56 MJ/kg，全区平均22.67 MJ/kg。
2)煤灰成分与煤灰熔融性(ST、FT)
元宝山露天煤矿煤灰成分与煤灰熔融性见表2。本区主要煤层中的煤灰成分以SiO2为主，平均含量为48.99%，Al2O3平均含量为13.40%，Fe2O3平均含量为13.41%，CaO平均含量为6.10%，MgO平均含量为1.99%，TiO2平均含量为1.05%，其余成分含量低。
表2 元宝山露天煤矿煤灰成分与煤灰熔融性
Table 2 Coal ash composition and fusibility of Yuanbaoshan open-pit coal mine
注：表中数据为(最小值-最大值)/平均值。
煤灰熔融性对锅炉、气炉选择起决定性作用，是工业用煤的评价指标之一[10]。矿区煤灰软化温度(ST)最高、最低点均为6煤，分别为1 445、1 070 ℃，全区平均1 193 ℃，温度较低，根据煤气化依据MT/T 853.1—2000《煤灰软化温度分级》和MT/T 853.2—2000《煤灰流动温度分级》，确定矿区煤灰为较低软化温度灰和较低流动温度灰。
3)可磨性
可磨性是计算磨煤机能耗、指导磨煤系统设计的依据[11]。可磨性指数4煤最小，为30，7煤最大，为54。根据MT/T 852—2000《煤的哈氏可磨性指数分级》，6、7、8煤为较难磨煤，其余为难磨煤。
4)低温干馏
焦油产率(Tar,d)最低是5煤，为5.6%，最高是4煤，为12.7%，全区平均8.4%。其中5、6-2煤层焦油产率小于7%，为含油煤，4煤层12.7%，为高油煤，其他各煤层在7.2%～10.2%，为富油煤。
5)热稳定性(TS+6)
热稳定性最低34.7%，最高60.3%，平均50.2%。根据MT/T 560—2008《煤的热稳定性分级》，井田煤属于低热稳定性煤。
6)煤对二氧化碳的反应性
煤对CO2反应性(活性)是评价煤气化性能的重要指标[12]。常压下温度达950 ℃时，6煤层之上CO2还原率超过90%，7～8煤层CO2还原率超过84.6%，若达1 000 ℃，大部分煤层超过90%，说明矿区煤对CO2的反应性较强，气化性能较好。
3.5 煤类及工业用途
矿区在1973年、1979年均被初定为褐煤，后期复核报告也定为褐煤。分析得出：矿区煤的水分平均14.71%，灰分平均13.33%，硫分平均1.51%，挥发分平均42.00%，透光率30%～61%，平均44%，Qgr,d平均24.14 MJ/kg，Qgr,maf平均小于24 MJ/kg，故确定矿区煤为低灰、中硫、中发热量的2号褐煤(HM2)。
由于矿区煤的水分中等、灰分低、发热量中等、焦油产率较高、热稳定性低、与CO2反应性好，故可作为动力用煤、炼油用煤和气化用煤原料。也有研究发现其矿物质可用于生产水泥，优化水泥生料易烧性[13]，工业用途广泛。
4 煤炭洁净等级划分
煤炭洁净等级划分是评价煤炭质量的重要依据[7]。根据新一轮煤炭资源潜力评价提出的煤炭洁净等级6级划分方案，文献[7]对评价因子6级浓度限值的划分方法进行分级，其中灰分、硫分依据GB/T 15224.1—2010《煤炭质量分级 第1部分：灰分》、GB/T 15224.2—2010《煤炭质量分级 第2部分：硫分》的5级划分方案确定其6级浓度限值，其他有害元素采用相应国家标准标中浓度的最小和最大限值分别作为I级和VI级浓度限值，中间级别的浓度限值根据灰分和硫分的划分方案做近似等比计算获得，最终确定了评价因子的6级浓度限值，见表3。有害元素选取中，前人未将磷作为评价因子，氯的浓度大部分都低于其最低浓度限值0.005%，故本次主要对有害元素氟、砷分析，对矿区煤洁净等级进行初步划分。在综合评级过程中，若各评价因子的洁净等级不一致，则以洁净等级最差者为准。
表3 洁净煤等级划分方案及评价因子
Table 3 Coal cleanliness class scheme and assessment indices
矿区煤洁净等级综合评级结果见表4，其中4、5-2、5、7煤洁净等级为Ⅲ级，属较好洁净煤;6-2煤、6煤洁净等级为Ⅳ级，属中等洁净煤;8、9、10、11、12煤洁净等级为Ⅴ级，属较差洁净煤;露天矿区煤洁净等级为Ⅲ级，属较洁净煤，井工矿区煤洁净等级为Ⅴ级，属较差洁净煤，矿区煤总体洁净等级为Ⅳ级，属中等洁净煤。
5 结 论
1)元宝山露天煤矿含煤地层为白垩系下统阜新组，宏观煤岩组分以亮煤和暗煤为主，显微煤岩组分以镜质组为主。全区灰分平均13.33%，硫分平均1.51%，Qgr,d全区平均24.14 MJ/kg，Qgr,maf小于24 MJ/kg，透光率平均44%，确定本区煤的分级属于低灰、中硫、中发热量的2号褐煤。
表4 矿区煤洁净等级划分结果
Table 4 Results of the mining area coal cleanliness class
注：*表示取井工矿区平均值，综合评级以各评价因子评级的最差者为准。
2)矿区4、5-2、5、7煤洁净等级为Ⅲ级，属较好洁净煤;6-2、6煤洁净等级为Ⅳ级，属中等洁净煤;8、9、10、11、12煤洁净等级为Ⅴ级，属较差洁净煤;露天矿区比井工矿区煤洁净程度高，矿区煤总体为Ⅳ级，属中等洁净煤。
3)矿区煤为中等水分、中发热量、热稳定性较差、与CO2化学反应性好、焦油产率较高、有害元素含量低、中等洁净煤，煤炭质量较好，可减少煤炭开发、利用过程中产生的污染，是较好的动力用煤、气化用煤和炼油用煤原料，应用广泛，经济价值较大。
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Characteristics and cleanliness class of coal seam in Yuanbaoshan open-pit coal mine
Abstract:In order to use the coal from Yuanbaoshan open-pit coal mine reasonably and cleanly,the coal quality was analyzed based on general geology,characteristics of coal-bearing strata and coal physico-chemical property.The type,industrial properties and utilization approaches of such coal were determined.According to the new coal resource potential evaluation of the proposed coal cleanliness class scheme grade 6,the cleanliness of this mining area coal seam was drew primarily from the aspects of ash,sulfur,F and As contents.The results show that clarain and durain are the main lithotypes of the mining area coal.Huminite is the main maceral of this mining area coal.The low ash,medium sulfur and high volatile contents,as well medium calorific value of No.2 lignite are the typical coal characteristics in this mining area.The cleanliness class of main coal seam 5 and 6 is Ⅲ-Ⅳ,which belongs to the better-medium clean coal.The cleanliness class of the mining area coal is Ⅳ,which belongs to the medium clean coal.Because of its medium calorific value,poor thermal stability,great chemical reactivity with CO2,higher tar yield and medium cleanliness,the quality of this lignite is thought be better.The lignite can be used as a raw material for combustion,gasification and coking with a greater economic value.
Key words:Yuanbaoshan open-pit coal mine;coal quality characteristics;cleanliness;process performance;industrial use
中图分类号：TQ533
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2017)06-0026-06
收稿日期：2017-08-29;责任编辑李柏熹
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.06.005
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51374121)
引用格式：何保，李振南.元宝山露天煤矿煤层煤质特征及洁净等级划分[J].洁净煤技术，2017，23(6)：26-31.
HE Bao，LI Zhennan.Characteristics and cleanliness class of coal seam in Yuanbaoshan open-pit coal mine[J].Clean Coal Technology，2017，23(6)：26-31.
