李聰聰 寧樹正 杜芳鵬,3 雒 錚 譚富榮

(1.中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西省西安市，710199；2. 中國煤炭地質(zhì)總局，北京市豐臺區(qū)，100038；3. 西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，陜西省西安市，710069)

我國擁有豐富的褐煤資源，據(jù)估計褐煤約占我國煤炭總儲量的12.7%。隨著優(yōu)質(zhì)煤炭資源的不斷消耗，資源量豐富的褐煤資源逐漸得到重視，在我國未來能源供應(yīng)的構(gòu)成中將占據(jù)重要的位置。褐煤含水量和含氧量高、發(fā)熱量低，導(dǎo)致褐煤直接利用效率相對較低、經(jīng)濟(jì)性差，使得褐煤的開發(fā)利用受到限制，長期以來被視作一種劣質(zhì)煤，但褐煤具有良好的液化活性，是一種適宜煤炭直接液化的煤種。目前在原有燃燒的基礎(chǔ)上，隨著生態(tài)文明建設(shè)對能源發(fā)展和煤炭清潔高效利用的新要求，褐煤液化、氣化、褐煤制化工產(chǎn)品、提取褐煤蠟與腐植酸等是實現(xiàn)褐煤資源高效利用的主要方向。

云南省褐煤資源總量達(dá)205億t，占全國褐煤資源量的12.6%，居我國褐煤資源儲量第二位，僅次于內(nèi)蒙古自治區(qū)。其中昭通盆地褐煤資源量80億t，位居云南新生代褐煤盆地之首。前人曾對昭通盆地新近系的聚煤作用、煤地球化學(xué)特征及煤層氣富集規(guī)律等進(jìn)行研究，并對該區(qū)褐煤的液化、氣化性能進(jìn)行了區(qū)域上的初步分析，但是對礦區(qū)內(nèi)褐煤的煤巖煤質(zhì)分布特征深入研究相對較少，對云南昭通盆地褐煤煤巖煤質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)分析評價，對促進(jìn)褐煤資源的清潔高效利用具有參考意義。

1 礦區(qū)概況

昭通盆地是國家規(guī)劃的大型煤炭基地礦區(qū)之一，位于云貴高原烏蒙山的北部，是一個發(fā)育在古近系之上的殘留山間盆地，呈北東—南西向近似橢圓形展布，北東—南西方向長20 km、北西—南東方向?qū)?～15 km，面積約230 km2，盆地內(nèi)廣泛發(fā)育新近系中新統(tǒng)、更新統(tǒng)和全新統(tǒng)，均以角度不整合超覆于泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系和白堊系之上。含煤地層為新近系上新統(tǒng)茨營組，整體呈一寬緩的復(fù)向斜，自西向東由荷花向斜、海子向斜、諸葛營向斜和鳳凰山、獅子山兩個狹小背斜組成，一般含可采煤層3層，由上而下編號為M1、M2、M3，其中M2煤層為主要可采煤層，可采總厚度達(dá)80～130 m，區(qū)內(nèi)煤層厚、傾角平緩、埋藏淺，易剝易采，適于露天開采。目前昭通盆地分為海子、荷花、諸葛營、紅衛(wèi)4個勘探區(qū)，褐煤資源暫未大規(guī)模實質(zhì)性開發(fā)。

2 采樣與測試

本次研究過程中，收集了云南昭通盆地以往勘探地質(zhì)報告中大量鉆孔煤質(zhì)測試的數(shù)據(jù)，并對昭通盆地荷花井田M2煤層的褐煤剖面進(jìn)行系統(tǒng)采樣，從地表煤層頂板砂礫巖松散層開始由上至下采樣，采樣點(diǎn)間隔為2 m，地表煤層揭露厚度約30 m。本次共取得M2煤層垂向剖面煤樣13個，由上至下編號為ZT-01至ZT-13，主要對 M2煤層煤樣的工業(yè)分析、全硫、灰成分、煤灰熔融性、哈氏可磨指數(shù)、粘結(jié)指數(shù)、微量元素、煤巖顯微組分等指標(biāo)進(jìn)行了測試分析，見表1。

表1 昭通盆地 M2煤層采樣測試數(shù)據(jù)

3 煤巖特征

(1)宏觀煤巖特征。M2煤呈黑褐色，暗淡土狀光澤，以塊狀構(gòu)造為主，偶見水平層理、平坦?fàn)罴皡⒉顮顢嗫?。宏觀煤巖組分中除絲炭及偶見少量鏡煤外，其他組分無法辨認(rèn)。

(2)顯微煤巖特征。腐植組和穩(wěn)定組與轉(zhuǎn)化率有著較好的正相關(guān)關(guān)系，在三大顯微組分組中：惰質(zhì)組屬于非活性顯微組分，在通常的液化反應(yīng)條件下難于液化；而腐植組和穩(wěn)定組統(tǒng)稱為活性組分，容易直接液化。

昭通盆地 M2煤的顯微組分以腐植組為主，含量為85%～97.85%，平均為92.80%；其次為穩(wěn)定組，含量為0.70%～6.11%，平均為4.60%；惰質(zhì)組含量最少，含量為0～5.70%，平均為2.58%。顯微煤巖類型屬暗亮—亮煤型，以亮煤型為主。

昭通盆地的無機(jī)顯微組分以粘土礦物為主，含量為0.40%～15.70%，平均為13.86%，有少量的黃鐵礦、微量的石英和方解石，偶見褐鐵礦和白鐵礦。通常在煤層上部的無機(jī)組分含量較低，下部含量較高，且多分布在煤的凝膠化基質(zhì)中。

4 煤質(zhì)特征分析

本次昭通盆地褐煤煤質(zhì)分布特征分析采用平面與垂向相結(jié)合的方式，平面分布特征根據(jù)勘探地質(zhì)報告的鉆孔煤質(zhì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，垂向變化特征研究采用以往煤田勘查鉆孔煤質(zhì)化驗結(jié)合實地煤層剖面采樣的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行。M2煤層煤質(zhì)指標(biāo)等值線見圖1，煤層整體指標(biāo)垂向變化見圖2。

(1)水分(Mad)。水分是影響褐煤利用的重要因素，我國褐煤的水分含量為25%～40%，水分含量高，對煤的氧化、蓄熱和散熱過程都有一定的影響。褐煤的干燥提質(zhì)是其高效利用的重要途徑，昭通盆地 M2煤層原煤水分含量為7.28%～35.18%，平均為14.92%，屬中高全水分煤。

圖1 M2煤層煤質(zhì)指標(biāo)等值線

圖2 煤層整體指標(biāo)垂向變化

(2)灰分(Ad)?；曳趾康母叩蛯γ旱囊夯療o明顯影響，但對煤轉(zhuǎn)化終端產(chǎn)品的質(zhì)量有負(fù)面影響，一般認(rèn)為煤中的無機(jī)組分越低，越有利于煤炭直接液化。昭通盆地 M2煤層原煤灰分產(chǎn)率為8.37%～37.14%，平均為16.83%。按GB/T15224.1-2010《煤炭質(zhì)量分級 第一部分：灰分》中煤炭資源評價灰分分級，昭通盆地M2煤層原煤主要為低灰煤，含有少量的特低灰煤、中灰煤、中高灰煤。平面上，礦區(qū)大部分區(qū)域的原煤灰分產(chǎn)率介于12%～28%?？傮w上，原煤灰分呈現(xiàn)為東北部和西南部較高、中部較低，由東北部向西南部表現(xiàn)為先變小再變大的趨勢，如圖1(a)所示。在垂向上，從 M2煤層至 M3煤層灰分有逐漸增大趨勢，針對 M2煤層而言，從頂部到底部灰分逐漸增大。

(3)揮發(fā)分(Vdaf)。煤的揮發(fā)分產(chǎn)率與液化性能表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。昭通盆地 M2煤層原煤揮發(fā)分產(chǎn)率為50.73%～63.56%，平均為55.59%，屬特高揮發(fā)分煤。M2煤層揮發(fā)分在平面上變化較小，礦區(qū)大部分區(qū)域的原煤揮發(fā)分產(chǎn)率介于54%～61%?？傮w上，原煤揮發(fā)分呈現(xiàn)為東北部和西南部較高、中部較低，由東北部向西南部表現(xiàn)為先變小再變大的趨勢，如圖1(b)所示，昭通盆地西部荷花井田M2煤層13個樣品揮發(fā)分產(chǎn)率為54.73%～76.86%，揮發(fā)分從上至下變化不大，平均為58.79%。

(4)硫分(St,d)。煤中硫分含量也是影響煤炭直接液化的因素之一， M2煤層原煤硫分含量為0.26%～3.32%，平均為0.86%，屬低-中硫煤，如圖1(c)所示，主要以硫化鐵硫和有機(jī)硫為主，硫酸鹽硫極少。剖面上 M2全硫含量為0.45%～0.85%，從上至下變化不大，平均為0.62%。在垂向上，從 M2煤層至 M3煤層硫分含量有逐漸增大趨勢，針對 M2煤層而言，從頂部到底部硫分含量變大，由低-中硫煤逐漸過渡為高硫煤。

(4)氫碳原子比(H/C)。煤中氫碳原子比對煤直接液化有重大影響，氫碳原子比與煤的轉(zhuǎn)化率有著良好的相關(guān)性。昭通盆地 M2煤層原煤氫碳原子比為0.84～0.97，平均值為0.92。平面上，礦區(qū)大部分區(qū)域的原煤氫碳原子比介于0.90～0.95?？傮w上，原煤氫碳原子比呈現(xiàn)中部較低，東北部與西南部較高的趨勢，氫碳原子比在垂向上變化范圍較大，呈現(xiàn)中部低兩端高的特點(diǎn)。

(5)煤灰熔融性(ST)。昭通盆地 M2煤層的煤灰熔融性范圍為1145℃～1380℃，平均為1250℃。 M2煤以中熔灰分(85.7%)為主，含少量難熔灰分(4.8%)和易熔灰分(9.5%)。

(6)煤灰成分。昭通盆地 M2煤層煤灰中主要成分SiO2含量為23.42%～65.27%，平均為36.33%；Al2O3含量為7.97%～28.98%，平均為15.10%；Fe2O3含量4.17%～19.99%，平均為7.20%；CaO含量為5.20%～36.88%，平均為23.41%； MgO含量為1.36%～9.82%，平均為5.06%；SO3含量為1.43%～16.58%，平均為9.03%?？傮w上以硅鋁酸鹽氧化物為主，堿性氧化物次之?；页煞种笖?shù)K[K=(SiO2+Al2O3)/(Fe2O3+CaO+MgO)]較低，平均為0.84，說明灰分的來源主要以陸相為主。

(7)焦油產(chǎn)率與腐植酸。 M2煤層原煤焦油產(chǎn)率為3.05%～10.23%，平均為7.27%，屬富油煤，煤層中絕大部分是游離腐植酸，含量一般為30%～50%，平均值為42.72%，如圖1(d)所示，屬中—富腐植酸煤。

5 褐煤綜合利用方向評價

昭通盆地主要可采煤層 M2煤層主要為褐煤，本次以采樣化驗和資料收集為基礎(chǔ)，以煤巖顯微組分(惰質(zhì)組含量)和煤質(zhì)(灰分、揮發(fā)分、氫碳原子比、硫分等)兩方面7項參考指標(biāo)進(jìn)行研究，結(jié)果如表2所示，通過對昭通盆地 M2煤層的液化性能進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)， M2煤層符合直接液化用煤的評價指標(biāo)，可作為直接液化用煤。結(jié)合GB/T23810-2009直接液化用原料煤技術(shù)條件中項目指標(biāo)值，秦云虎等提出直接液化用煤(原煤)指標(biāo)分級方案，在符合上述指標(biāo)的前提下，將灰分小于12%的褐煤劃分為優(yōu)質(zhì)液化用煤，將灰分介于12%～25%之間的褐煤劃分為一般液化用煤。

表2 M2煤層直接液化用煤參考指標(biāo)

6 結(jié)論

受成煤古地理條件和沉積環(huán)境的控制，昭通盆地新近系 M2煤層的優(yōu)質(zhì)液化用煤分布于礦區(qū)西北部，全部位于海子向斜，分布面積占整個礦區(qū)面積的6%，其余全部為一般液化用煤，占整個礦區(qū)范圍的94%，如圖3所示。可將褐煤直接液化作為昭通盆地煤炭清潔高效利用的方向之一。

(1)在前期地質(zhì)勘查鉆孔煤質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實地采樣測試，采用平面與垂向分析的方式對昭通盆地M2煤層煤巖煤質(zhì)特征進(jìn)行分析，得出M2煤層屬中高全水分、低灰分、特高揮發(fā)分、低—中硫分、高氫碳原子比、富油煤、中—高腐植酸褐煤的結(jié)論。

(2)對比直接液化用煤評價指標(biāo)，認(rèn)為昭通盆地M2褐煤可作為直接液化用煤，可將褐煤直接液化作為昭通盆地煤炭清潔高效利用的方向之一。

圖3 昭通盆地 M2煤層液化用煤分區(qū)圖