楊峰，高文博，羅錦昌*，惠一凡 (.新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 83799；.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

煤炭資源作為我國能源供應(yīng)的主要部分，其地位在短期內(nèi)難以被代替。三塘湖盆地地處新疆維吾爾族自治區(qū)東北部，西側(cè)與準(zhǔn)噶爾盆地相鄰，南部為吐哈盆地，是西北重要含煤區(qū)域，煤炭資源極為[1-3]豐富。前人對(duì)該區(qū)的研究主要集中在庫木蘇礦區(qū)、漢水泉礦區(qū)和條湖礦區(qū)，關(guān)于石頭梅礦區(qū)的研究較為欠缺，本文以煤巖學(xué)、煤化學(xué)等理論為指導(dǎo)，以石頭梅礦區(qū)鉆孔的煤樣分析結(jié)果為基礎(chǔ)，研究9-1煤層煤巖、煤質(zhì)特征，進(jìn)行工藝性能相分析，為評(píng)價(jià)煤巖、煤質(zhì)、高效開采利用煤炭資源等提供依據(jù)[4]。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

石頭梅礦區(qū)位于新疆三塘湖煤田三塘湖勘查區(qū)石頭梅凸起西南部，東西長約20.5 km，南北平均寬約9.8 km，面積194.67 km2，如圖1所示。礦區(qū)地表為第四系廣泛覆蓋，含煤地層超覆于石炭系、二疊系之上。該礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造是一種由軸向東西轉(zhuǎn)北東的復(fù)式向斜構(gòu)造，地層傾角通常在5～10°之間，南翼傾角15～30°，北翼受到斷層的影響，傾角在30～65°左右。有斷層落差大于50 m的梯形斷層5條，落差小于50 m的梯形斷層1條。該區(qū)煤層主要存在于西山窯組下段(J2x1)，含煤1～9層。煤層編號(hào)為5～12號(hào)。煤層總厚2.08～69.30 m，平均厚38.85 m，該段地層平均厚約350 m，含煤系數(shù)為11.1%[5-6]。

圖1 三塘湖礦區(qū)石頭梅礦區(qū)位置圖

9-1煤層，位于西山窯組下段中部，共有187個(gè)鉆孔控制該層，182個(gè)見煤點(diǎn)，182個(gè)可采點(diǎn)。該煤層與9-2煤層間距在2～10 m之間，平均間距為10.47 m，局部厚度可達(dá)20～30 m。煤層厚度為1.14～53.59 m，平均厚度23.24 m; 可采厚度為1.29～53.59 m，平均厚度23.68 m。煤層結(jié)構(gòu)情況不一，簡單-復(fù)雜，一般夾矸1-3層，局部4-6層，最大可達(dá)9層。該煤層由9號(hào)復(fù)煤層分離出來，厚度上在詳查區(qū)南部，厚度較大，走向和傾向上變化不大；詳查區(qū)中北部，因由9號(hào)復(fù)煤層分離而來，故厚度變化較大，總體趨勢(shì)為走向上由西向東，逐漸變薄；傾向上由南向北有變薄趨勢(shì)。該煤層可采煤層面積大約186 km2，1 000 m以淺，該煤層可采面積約132 km2，可采性指數(shù)(Km)=1.0，可以穩(wěn)定開采。煤層頂板巖性以粉砂巖為主，局部煤層為中砂巖，底板巖性為粉砂巖、局部為中砂巖、粗砂巖。

2 煤質(zhì)特征

2.1 煤的物理性質(zhì)

勘查區(qū)以暗色煤為主，含少量亮煤，黑色，光澤暗淡，少量黑色絲狀炭黑，褐色條紋，條帶狀構(gòu)造，塊狀構(gòu)造，半堅(jiān)硬，裂隙呈階梯狀，有少量殼狀孔，內(nèi)生裂隙較發(fā)育?？刹擅簩?-1號(hào)煤層密度1.27～1.40 g/cm3，平均為1.32 g/cm3。

2.2 煤巖顯微特征

有機(jī)組分以惰質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組次之。測(cè)試樣品鏡質(zhì)組含量在4.3%～23.5%，平均17.5%，惰質(zhì)組含量76.5%～95.7%，平均82.5%。鏡質(zhì)組主要以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中的基質(zhì)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體為主，基質(zhì)鏡質(zhì)體油浸反射色為淺灰色-灰白色，不完全顯示細(xì)胞結(jié)構(gòu)，為無固定狀表面純凈且結(jié)構(gòu)殘缺，略顯-顯凸起；碎屑鏡質(zhì)體大多為不規(guī)則狀結(jié)構(gòu)，也可見基質(zhì)半鏡質(zhì)體，其油浸反射色為淺灰白色，顯凸起[7]?？傮w而言，鏡質(zhì)組較惰質(zhì)組分布較少，惰質(zhì)組以絲質(zhì)體中的氧化絲質(zhì)體和微粒體為主，其結(jié)構(gòu)保存不完整，油浸反射色為白色-亮白色，凸起高。煤巖組分成果如表1所示。

表1 石頭梅礦區(qū)9-1號(hào)煤層煤巖組分表

2.3 煤的化學(xué)性質(zhì)

2.3.1 水分

9-1煤層屬低水分煤層。其含水率在1.55%～8.49%之間，平均為4.29%。浮煤空氣干燥基的水資源利用率在1.27%～9.60%之間，平均為6.24%。

2.3.2 灰分產(chǎn)率

9-1號(hào)煤層原煤干燥基灰分產(chǎn)率(Ad)在4.74%～33.01%之間，平均為10.92%，洗選后浮煤灰分產(chǎn)率(Ad)在2.05%～15.83%之間，平均4.54%，根據(jù)我國煤炭質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本煤層灰分產(chǎn)率以特低灰為主，低灰次之，總體屬低灰-特低灰的煤層，如圖2所示。

圖2 石頭梅礦區(qū)9-1號(hào)煤層灰分等值線圖

2.3.3 揮發(fā)分產(chǎn)率

9-1號(hào)煤層煤樣干燥無灰基揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)在23.18%～52.04%之間，平均為33.40%，浮煤Vdaf在29.26%～51.53%之間，平均33.59%，根據(jù)《煤炭資源勘查煤質(zhì)評(píng)價(jià)規(guī)范》，煤層揮發(fā)分產(chǎn)率以中高揮發(fā)分煤層為主，高揮發(fā)分和中等揮發(fā)分煤層少量，總體屬中高揮發(fā)分煤，如圖3所示。

圖3 石頭梅礦區(qū)9-1號(hào)煤層揮發(fā)分等值線圖

石頭梅礦區(qū)9-1煤層工業(yè)分析成果如表2所示。

表2 石頭梅礦區(qū)9-1煤層工業(yè)分析成果表(兩極值/平均值)

2.3.4 元素分析

9-1號(hào)煤層原煤無灰基碳元素含量在73.31%～84.27%，平均79.59%。其次為干燥無灰基氧加硫元素的含量，其含量在12.02%～17.13%之間，平均為14.79%，氫元素含量在1.42%～7.79%之間，平均4.32%，氮元素少量，平均1.29%，如表3所示。

2.3.5 有害元素

石頭梅礦區(qū)9-1煤層有害元素分析成果如表4所示。

表4 石頭梅礦區(qū)9-1煤層有害元素分析成果表

硫：經(jīng)過測(cè)試，原煤干燥基全硫處于0.06%～1.28%之間，其平均值為0.44%；浮煤干燥基全硫在0.01%～0.37%之間，平均值為0.26%。本煤層原煤總體以特低硫、特硫?yàn)橹?，僅出現(xiàn)個(gè)別中硫煤點(diǎn)，根據(jù)GB/T 15224.2—2010《煤炭質(zhì)量分級(jí) 第2部分：硫分》，總體屬特低硫-低硫煤。

磷：原煤干燥基磷含量在0～0.078%之間，平均值為0.012；浮煤干燥基磷含量在0～0.021%之間，平均值為0.006%；經(jīng)洗選后，浮煤的干燥基磷含量大大降低，原煤以特低磷、低磷為主，可見個(gè)別中磷和高磷煤層點(diǎn)，依照國內(nèi)煤中有害元素含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本煤層總體屬特低磷-低磷煤。

氯：原煤中氯離子含量為0.012%～0.017 9%，平均為0.049%。其中，低氯煤和特低氯煤是主要的見煤點(diǎn)，特低氯煤是本區(qū)的主要煤層，但有些點(diǎn)氯相對(duì)富集。

氟：原煤氟含量18～223 μg/g，平均56 μg/g；浮煤fad含量10～74 μg/g，平均31 μg/g，氟含量普遍偏低。

砷：本煤層各孔空氣干燥基砷含量一般在0～2 μg/g之間，平均為1 μg/g。

3 煤的工藝性能

3.1 煤的發(fā)熱性

9-1號(hào)煤層煤樣高位發(fā)熱量(Qgr.d)：在21.06～30.35 MJ/kg之間，平均為27.76 MJ/kg；經(jīng)洗選后，浮煤空氣高位發(fā)熱量(Qgr.ad)在27.41～30.82 MJ/kg，平均為28.71 MJ/kg。按照我國煤質(zhì)分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，9-1號(hào)煤層為高發(fā)熱量煤層，如圖4所示。

圖4 石頭梅礦區(qū)9-1號(hào)煤層高位發(fā)熱量等值線圖

3.2 煤的灰成分及灰融性

3.2.1 灰分

9-1號(hào)煤層煤樣SiO2含量一般在22.96%～55.45%之間，平均38.02%。Al2O3含量一般在8.04%～20.34%之間，平均13.27%。Fe2O3含量在1.92%～15.54%之間，平均7.55%。CaO含量在3.78%～34.25%之間，平均17.52%。MgO含量在0.77%～10.15%之間，平均3.05%。SO3含量在1.36%～13.05%之間，平均8.25%。TiO2含量在0.55%～1.39%，平均0.81%。

3.2.2 灰融性

9-1號(hào)煤層煤樣煤灰熔融性其軟化溫度(ST)在1121～1 400 ℃之間，平均為1 223 ℃，屬較低軟化溫度灰。煤灰流動(dòng)溫度(FT)在1147～1 400 ℃，平均為1 255 ℃，屬較低流動(dòng)溫度灰。

3.3 煤對(duì)二氧化碳化學(xué)反應(yīng)性

煤對(duì)二氧化碳化學(xué)反應(yīng)性測(cè)試成果如表5所示。

表5 煤對(duì)二氧化碳化學(xué)反應(yīng)性測(cè)試成果表

根據(jù)沸騰床氣化爐對(duì)原料煤的要求是活性越大越好，一般在950 ℃時(shí)對(duì)CO2分解率大于60%即可[8]。對(duì)煤層二氧化碳(CO2)的還原性進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)，煤層隨著溫度的升高，煤層的活性逐漸增強(qiáng)，當(dāng)溫度大于于950 ℃，該煤層極其活躍，二氧化碳(CO2)還原率80%以上。

3.4 煤層的可磨性

煤的可磨性指數(shù)大小主要受煤中所含礦物質(zhì)的種類和數(shù)量、煤巖結(jié)構(gòu)、揮發(fā)分、水分等差異的影響，本次對(duì)全區(qū)可采煤層進(jìn)行了煤層可磨性試驗(yàn)。煤層可磨性HGI在50～105，平均值為71，為較難-中等可磨煤。

3.5 熱穩(wěn)定性

9-1煤層TS+6值為58.64%～73.62%，平均為66.29%。根據(jù)我國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 560—2008《煤的熱穩(wěn)定性分級(jí)》可知，9-1號(hào)煤層的煤以中熱穩(wěn)定性為主，如表6所示。

表6 石頭梅礦區(qū)9-1號(hào)煤層熱穩(wěn)定性測(cè)試成果表

3.6 煤層結(jié)渣性

石頭梅礦區(qū)9-1號(hào)煤層結(jié)渣性測(cè)試成果如表7所示。

表7 石頭梅礦區(qū)9-1號(hào)煤層結(jié)渣性測(cè)試成果表

根據(jù)對(duì)區(qū)內(nèi)9-1號(hào)煤層進(jìn)行了結(jié)渣性試驗(yàn)分析，該煤層為弱粘結(jié)結(jié)渣性煤層。

3.7 煤的粘結(jié)性及焦渣特征

本區(qū)粘結(jié)指數(shù)變化不大，一般在0～8之間，平均值為1，屬于不粘結(jié)煤。焦渣特征為2～3。

4 煤的工業(yè)用途

石頭梅礦區(qū)9-1號(hào)煤煤儲(chǔ)層厚度大，結(jié)構(gòu)比較簡單，煤質(zhì)變化小，層位穩(wěn)定，灰分的含量低，熱值高，有害元素含量相對(duì)較低。無粘結(jié)煤和長焰煤是火電和煤化的高品質(zhì)煤種，也可用作工業(yè)鍋爐民用。

5 結(jié)語

石頭梅礦區(qū)9-1煤層以暗煤為主，含少量亮煤。該煤層屬于特低-低灰、中高揮發(fā)分、特低硫-低硫硫、高發(fā)熱量煤；特低磷-低磷、低氟、特低-低氯、低砷；弱粘結(jié)結(jié)渣、較難-中等可磨、低流動(dòng)溫度灰、CO2還原性強(qiáng)。根據(jù)其煤質(zhì)特點(diǎn)和煤的種類，該煤層煤炭可用于火力發(fā)電、廠房鍋爐、煤化工以及民用。