馬 麗 ，王雙明 ，段中會 ，楊 甫 ，付德亮 ，賀 丹 ，張麗維

(1.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710026；3.陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司，陜西 西安 710026；4.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

中國是世界最大的碳排放國，占世界能源碳排放總量的28.8%[1-2]，自2020 年國家提出“2030 年碳達峰、2060 年碳中和”的莊嚴承諾以來，建筑、交通、工業(yè)等各行各業(yè)紛紛從各自的技術(shù)領(lǐng)域提出低碳技術(shù)，風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉创罅Πl(fā)展。研究表明，我國能源稟賦特征決定短期內(nèi)仍以化石能源為主，其中煤炭占比超68%，占據(jù)一次能源生產(chǎn)主體[3]；煤炭消費占比近年來略有下降，但目前依然占比最大(2019 年占比約58%、2020 年占比56.8%)，王雙明[4]、王國法等[5]指出，煤炭作為國家能源主體地位短期內(nèi)不會改變，扮演了能源穩(wěn)定器和壓艙石的角色，我國煤炭的低碳開發(fā)與利用是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的必經(jīng)之路。陜西省是我國煤炭大省，煤炭資源量居全國第四、煤炭產(chǎn)量居全國第三，陜西煤炭以低–中低變質(zhì)程度為主，具有揮發(fā)分高、燃點低、焦油產(chǎn)率高等特點，傳統(tǒng)的煤炭利用方式以工業(yè)燃料為主，2019 年煤發(fā)電量2 118 億kW·h，距離煤炭低碳開發(fā)利用還有很大差距。近年來，許多學(xué)者相繼開展陜北等地的煤炭清潔高效利用研究。許婷[6]、王銳[7]、李華兵[8]等分別研究了榆神礦區(qū)、神府礦區(qū)富油煤分布規(guī)律及控制因素；謝青等[9]研究黃陵礦區(qū)富油煤焦油產(chǎn)率特征及主控地質(zhì)因素；姚征[10]、周國慶[11]等研究了陜北石炭–二疊紀及三疊紀煤巖特征及富油煤規(guī)律；王雙明等[12]提出富油煤的油氣屬性及綠色低碳開發(fā)思路。筆者延續(xù)煤基油氣資源的理念，從煤中焦油產(chǎn)率分布規(guī)律和資源量等方面對陜西省富油煤資源潛力進行評價，并提出開發(fā)建議，以期為煤炭資源低碳開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

1 陜西省富油煤分布規(guī)律

煤是由有機物和無機物組成的復(fù)雜混合物，從礦產(chǎn)資源角度，按照《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(2014 年修訂版)》[13]中焦油產(chǎn)率分級標準，分為含油煤(Tar,d≤7%)、富油煤(7%12%)。筆者利用陜西省五大煤田(陜北侏羅紀煤田、陜北石炭–二疊紀煤田、陜北三疊紀煤田、黃隴侏羅紀煤田、渭北石炭–二疊紀煤田)的5 000 余組煤質(zhì)數(shù)據(jù)，繪制了全省煤炭焦油產(chǎn)率等值線圖，如圖1 所示。

圖1 陜西省五大煤田焦油產(chǎn)率等值線Fig.1 Contour map of tar yield in five coalfields of Shaanxi

從圖中可以看出，五大煤田富油煤平面分布規(guī)律為：陜北侏羅紀煤田2?2煤主體為富油煤型(富油煤占比87.57%)，有小片高油煤(高油煤占比7.4%)、零星含油煤，焦油產(chǎn)率呈現(xiàn)中部較高，向東北部和西南部略有降低的趨勢；在榆橫礦區(qū)北部和新民礦區(qū)東部局部地段，出現(xiàn)連片高油煤；在新民礦區(qū)北部石圪臺礦區(qū)有個別含油煤樣點，平均焦油產(chǎn)率9.99%。陜北三疊紀煤田3 煤為富油煤–高油煤型(高油煤占比48.98%、富油煤占比51.02%)，礦區(qū)中南部中莊井田南部以富油煤為主，北部以高油煤為主。黃隴侏羅紀煤田2 煤為富油煤–含油煤型(富油煤占比67.09%、含油煤占比30.26%)，南北向特征是中部以富油煤為主、向南北兩側(cè)漸變?yōu)楹兔?；東西方向特征為由西向東富油煤占比逐漸增大，到東部黃陵礦區(qū)間雜出現(xiàn)小范圍高油煤區(qū)。陜北石炭–二疊紀煤田為富油煤–含油煤型(富油煤占比60.54%、含油煤占比29.93%)，由北向南富油煤占比逐漸降低，焦油產(chǎn)率逐漸下降，至南部吳堡礦區(qū)主體為含油煤。渭北石炭–二疊紀煤田5 煤為主體含油煤型，所有煤層焦油產(chǎn)率值一般小于7%。焦油產(chǎn)率統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 陜西省五大煤田主采煤層焦油產(chǎn)率統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistical table of tar yield of main coal seams in five coalfields of Shaanxi

垂向上，陜北侏羅紀煤田2?2、3?1、4?2、5?2煤焦油產(chǎn)率平均值依次為9.99%、10.15%、9.80%、9.06%，由淺至深焦油產(chǎn)率表現(xiàn)為先增大再減小的趨勢；黃隴侏羅紀煤田2、3?1煤平均焦油產(chǎn)率依次為7.96%、7.57%，上部煤層焦油產(chǎn)率略高；陜北三疊紀煤田5 煤平均焦油產(chǎn)率11.96%、3 煤平均焦油產(chǎn)率11.89%，上部煤層焦油產(chǎn)率略高；陜北石炭–二疊紀煤田4、9 煤平均焦油產(chǎn)率分別為8.50%和10.15%，下部煤層焦油產(chǎn)率略高，其中，吳堡礦區(qū)焦油產(chǎn)率變化較大；渭北石炭–二疊紀煤田，3、5 煤平均焦油產(chǎn)率分別為1.47%、2.30%，下部煤層焦油產(chǎn)率略高(樣本少)。各煤田單井焦油產(chǎn)率特征如圖2 所示。

圖2 單井焦油產(chǎn)率Fig.2 Single well tar yield

2 富油煤主要影響因素

2.1 煤變質(zhì)程度

從成煤時代來看，焦油產(chǎn)率由高到低依次為：三疊紀煤、侏羅紀煤、石炭–二疊紀煤。通過煤的揮發(fā)分(Vd)產(chǎn)率、鏡質(zhì)體反射率(Rmax)、碳元素(Cd)含量和氫元素(Hd)含量、水分(Mad)含量、發(fā)熱量等煤巖煤質(zhì)指標可以確定煤的變質(zhì)程度。從表2 可看出，三疊紀煤變質(zhì)程度Ⅰ?Ⅱ級；陜北侏羅紀煤變質(zhì)程度Ⅰ級；黃隴侏羅紀煤變質(zhì)程度以Ⅰ級為主，僅在黃陵礦區(qū)和彬長礦區(qū)變質(zhì)程度Ⅰ?Ⅱ級；陜北石炭–二疊紀煤田，北部古城及府谷礦區(qū)變質(zhì)程度為Ⅰ?Ⅱ級，南部吳堡礦區(qū)變質(zhì)程度Ⅲ?Ⅳ級。

表2 煤層變質(zhì)程度特征參數(shù)Table 2 Statistical table of parameters of coal seam metamorphism

各主采煤層的鏡質(zhì)體反射率一般為0.51%～1.50%，從圖3 可以看出，鏡質(zhì)體反射率Rmax與焦油產(chǎn)率關(guān)系由正相關(guān)到負相關(guān)，轉(zhuǎn)折點在0.85%～1.05%范圍內(nèi)，低變質(zhì)煤隨變質(zhì)程度增高焦油產(chǎn)率增大，中高變質(zhì)煤隨著變質(zhì)程度增高焦油產(chǎn)率降低。

圖3 焦油產(chǎn)率與鏡質(zhì)體反射率相關(guān)性Fig.3 Analysis of correlation between vitrinite reflectance and tar yield

從圖4 可以看出，黃隴侏羅紀煤田、陜北侏羅紀煤田、陜北三疊紀煤田和陜北石炭–二疊紀煤樣的焦油產(chǎn)率與揮發(fā)分產(chǎn)率呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.312 4～0.658 7；與氫元素含量呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2僅黃隴侏羅紀煤田較高，其他相關(guān)性差；與碳元素含量呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2較低。各煤田相關(guān)性基本一致，相關(guān)系數(shù)有較大差異。

圖4 焦油產(chǎn)率影響因素分析Fig.4 The influencial factors to tar yield

2.2 顯微組分

以陜北三疊紀煤田永勝煤礦5 號煤(YS5)、陜北侏羅紀煤田西灣煤礦(XW2)和陜北石炭?二疊紀煤田吳堡礦區(qū)T1 煤(WBT)為例，YS5 鏡質(zhì)組占比70.25%、殼質(zhì)組6.08%、惰質(zhì)組23.67%，鏡惰比為2.96；XW2鏡質(zhì)組占比61.33%、殼質(zhì)組0.26%、惰質(zhì)組36.7%，鏡惰比1.67；WBT 鏡質(zhì)組占比50.01%、殼質(zhì)組0.34%、惰質(zhì)組38.58%，鏡惰比1.29。綜合評判，焦油產(chǎn)率與鏡質(zhì)組含量呈現(xiàn)弱正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.15；與惰質(zhì)組占比呈現(xiàn)弱負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.21 如圖5 所示。受地質(zhì)條件影響，各區(qū)相關(guān)系數(shù)差異較大，以XW 煤田為例，焦油產(chǎn)率與鏡質(zhì)組正相關(guān)性好，R2=0.68，且基質(zhì)鏡質(zhì)組相關(guān)性較其他亞顯微組分好，R2=0.32。

圖5 顯微組分與焦油產(chǎn)率相關(guān)性Fig.5 The correlation between macerals and tar yield

2.3 沉積環(huán)境

同一成煤時期，沉積相、成煤物質(zhì)及煤層賦存條件等因素都會影響煤炭焦油產(chǎn)率。從圖6 可以看出，三角洲平原沉積穩(wěn)定，還原性較好，焦油產(chǎn)率相對較高；前三角洲沉積、水動力頻繁、氧化程度高焦油產(chǎn)率略低；曲流河沉積環(huán)境不穩(wěn)定，下部曲流河沉積相較上部焦油產(chǎn)率高、橫向上焦油產(chǎn)率變化較大。

圖6 陜北侏羅紀沉積相剖面圖Fig.6 Jurassic Sedimentary facies section in northern Shaanxi

煤灰組分也可以反映沉積環(huán)境氧化還原性，灰分中的CaO 指示成煤環(huán)境的酸堿度，F(xiàn)e2O3和硫化物指示氧化還原條件，從圖7 可以看出，CaO 與焦油產(chǎn)率呈較弱的負相關(guān)性，F(xiàn)e2O3在焦油產(chǎn)率呈弱正相關(guān)(圖7)。

圖7 煤灰成分與焦油產(chǎn)率的相關(guān)性分析Fig.7 Analysis of correlation between coal ash-constituents and tar yield

鏡惰比可指示成煤時期覆水程度，從圖8 中可以看出，陜西省境內(nèi)富油煤的鏡惰比多位于1～4，成煤時期以潮濕–弱覆水–弱還原環(huán)境為主，焦油產(chǎn)率隨鏡惰比增大而增大，但相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)R2為0.16。

圖8 鏡惰比與焦油產(chǎn)率相關(guān)性分析Fig.8 Correlation between Mirror idleness ratio and tar yield

3 富油煤資源量預(yù)測

3.1 富油煤資源量

資源量估算是以《煤炭礦區(qū)資源儲量核查技術(shù)要求》為準則，以2012 年全省煤炭礦產(chǎn)資源利用現(xiàn)狀調(diào)查中儲量核查成果為基礎(chǔ)，更新近年來地質(zhì)勘查報告經(jīng)評審備案的儲量估算成果。根據(jù)各礦區(qū)分煤層焦油產(chǎn)率等值線(焦油產(chǎn)率為7%和12%的等值線)圈定的富(高)油煤范圍對原有資源量塊段進行切割分區(qū)，區(qū)塊富油煤資源量與總富油煤資源計算方法如下：

式中：Q為某煤層的塊段資源儲量，103t；Qfn為第n塊富油煤的塊段資源儲量，103t；Sfn為資源量計算塊段內(nèi)富油煤的面積，km2；S為資源量計算塊段內(nèi)含煤面積，km2。

同樣的方法計算第n塊高油煤的塊段資源儲量Qhn。

式中：QF為富油煤資源量(富油煤與高油煤資源量統(tǒng)稱)，103t；Qhn為第n塊高油煤的塊段資源儲量，103t。

由上式計算得到全省預(yù)測富油煤資源量QF為1 550.33 億t(其中：富油煤資源量為1 407.81 億t，高油煤142.52 億t)。綜合來看，83.3%的QF分布在陜北侏羅紀煤田，7.9%分布在黃隴侏羅紀煤田，2.4%分布在陜北三疊紀煤田，6.4% 分布在陜北石炭–二疊紀煤田。

3.2 焦油資源量

根據(jù)富油煤與高油煤的分布范圍，分煤層、分區(qū)塊統(tǒng)計富(高)油煤焦油產(chǎn)率，區(qū)塊煤層焦油資源量和焦油資源總量計算方法如下：

式中：QTfn為第n塊段內(nèi)富油煤焦油資源量，103t；Tar,d為該塊段焦油產(chǎn)率平均值，%。

礦區(qū)焦油資源總量為各煤層富油煤焦油資源與高油煤焦油資源量之和：

式中：QT為內(nèi)蘊焦油資源量總和，103t；QThn為第n塊段內(nèi)高油煤焦油資源量，103t。

全省預(yù)測富(高)油煤中內(nèi)蘊焦油資源量合計144.50 億t，其中，高油煤內(nèi)蘊焦油資源17.62 億t，富油煤內(nèi)蘊焦油資源126.88 億t。綜合來看富油煤與高油煤內(nèi)蘊焦油資源量中，85.99%分布在陜北侏羅紀煤田、5.36% 分布在黃隴侏羅紀煤田、3.02% 分布在陜北三疊紀煤田、5.63% 分布在陜北石炭–二疊紀煤田(表3)。

表3 陜西省富油煤資源量統(tǒng)計Table 3 Statistics of oil-rich coal resources 單位：億t

3.3 控制程度

根據(jù)數(shù)據(jù)點平面分布情況，結(jié)合DZ/T 0215?2002《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》對地質(zhì)勘查線距及低溫干餾測試數(shù)量的規(guī)定，把富油煤的控制程度分為3 類(圖9)，控制點間距小于2 000 m 時為Ⅰ類；介于2 000～4 000 m 為Ⅱ類；大于等于4 000 m 為Ⅲ類。富油煤與高油煤資源中控制程度為Ⅰ類占64.67%、Ⅱ類占30.33%、Ⅲ類占5%；其中，控制程度為Ⅰ類的資源量中，陜北侏羅紀煤田占83.44%、黃隴侏羅紀煤田占9.86%、陜北三疊紀煤田占0.93%、陜北石炭–二疊紀占5.77%(表4)。

圖9 富(高)油煤的控制程度Fig.9 Schematic diagram of control degree of oil-rich coal

表4 富油煤資源控制程度統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Oil-rich coal resource control level table 單位：億t

3.4 煤炭資源中潛在富油煤資源量

從圖4 分析可知，煤炭焦油產(chǎn)率與揮發(fā)分有較強的正相關(guān)性，其中，陜北三疊紀煤的相關(guān)系數(shù)大于0.5，獲得計算公式Tar,d=0.332 5ω(Vd)?3.394 9。按照陜西省2 000 m 以淺煤炭資源估算總量，預(yù)測陜西煤炭資源總量中富(高)油煤資源總量，其計算方法如下：

全省富(高)油煤資源量=查明資源量中富(高)油煤資源+(潛在資源量–查明資源量)×預(yù)測焦油產(chǎn)率。

預(yù)測全省富(高)油煤資源量共計3 845 億t，其中內(nèi)蘊焦油資源量325 億t。

4 富油煤低碳開發(fā)建議

索永錄[14]、楊士元[15]等研究發(fā)現(xiàn)，至2011 年，陜西省煤炭資源采區(qū)煤炭采出率和礦井煤炭采出率分別達到75.28%和62.57%，與美國等發(fā)達國家相比還有較大差距，煤炭回采不完全、煤柱保留等不同程度造成煤炭資源浪費。以陜北煤炭開采為例，煤礦通常同時開采1～2 層煤，采煤造成的裂隙帶發(fā)育高度與煤層開采高度的裂采比最大28 倍，單煤層開采很大程度上增加了其余可采煤層的開采難度，造成勘查與開發(fā)的極大困難，成為煤炭資源開發(fā)的一大屏障。基于煤炭的油氣資源稟賦，從資源開發(fā)利用角度，筆者提出原位多煤層協(xié)同熱解共采的建議(圖10)：即在煤炭資源現(xiàn)場，通過鉆孔對地下注熱等方式，將煤層加熱至450℃以上，通過加熱實現(xiàn)煤–油氣同采，進而實現(xiàn)多煤層原位地下熱解協(xié)同共采的目的。該方法避免井下開采對人員及設(shè)備的安全威脅，可以通過控制加熱時間實現(xiàn)煤炭資源高采出率，實現(xiàn)多煤層同步開采，具有熱量綜合利用率高且占地小等優(yōu)點。

圖10 多煤層原位協(xié)同熱解共采Fig.10 Schematic diagram of multi-coal seam co-mining by in-situ co-pyrolysis

5 結(jié)論

a.陜西省五大煤田富油煤分布規(guī)律清晰，焦油產(chǎn)率由高至低分別為陜北三疊紀煤田、侏羅紀煤田、石炭–二疊紀煤田。同一成煤時期，煤焦油產(chǎn)率受物質(zhì)組成、沉積環(huán)境、埋藏深度等因素控制，焦油產(chǎn)率表現(xiàn)出一定差異，如陜北侏羅紀煤田高于黃隴侏羅紀煤田、陜北石炭–二疊紀煤田高于渭北–石炭二疊紀煤田。

b.全省查明的煤炭資源量中，富油煤與高油煤資源量為1 550 億t。預(yù)計全省2 000 m 以淺煤炭資源(探獲+潛在資源量=4 160 億t)中，富油煤與高油煤資源量總計3 845 億t，初步估算其中內(nèi)蘊焦油資源量325 億t，資源量可觀。按照2020 年全省煤炭資源產(chǎn)量6.79 億t 的生產(chǎn)規(guī)模，每年陜西產(chǎn)出的煤炭中有大約6 000 萬t 焦油，是大慶油田產(chǎn)量的1～2 倍，煤中油氣資源潛力亟需引起重視。

c.針對目前煤炭資源開采中資源浪費問題，基于煤的油氣資源特征，提出煤炭原位地下熱解實現(xiàn)煤–油氣一體化開采的理念，為煤炭資源開采開辟新思路，助力“碳達峰、碳中和”目標早日實現(xiàn)。但是煤炭開采對煤層地質(zhì)條件要求苛刻，目前對富油煤資源的控制網(wǎng)度遠達不到現(xiàn)階段煤炭開采的勘探程度，今后煤基油氣資源勘查工作仍有待加強。

致謝：感謝陜煤地質(zhì)集團有限公司各子公司為項目提供研究樣品及測試參數(shù)！