曹家滩煤矿煤质特性及清洁利用途径分级研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾殧殧殧殧资源利用与节能收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：陕西煤业化工集团有限责任公司科学技术研究计划项目（）作者简介：雷亚军（），男，陕西兴平人，高级工程师，硕士，主要从事煤炭安全高效开采技术研究及企业管理工作。通讯作者：乔军伟（），男，河南洛阳人，副教授，博士，现从事煤炭安全高效开采地质保障技术研究。引用格式：雷亚军，乔军伟，李增林，等 曹家滩煤矿煤质特性及清洁利用途径分级研究 能源与环保，（）：，（）：曹家滩煤矿煤质特性及清洁利用途径分级研究雷亚军，乔军伟，李增林，蔺亚兵，焦龙祥，师庆民，苏刚，王生全，王昌建，（陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西 榆林 ；西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 ；陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 ）摘要：煤炭资源清洁高效利用是实现国家“双碳目标”的有效途径。通过对陕西陕北侏罗纪煤田曹家滩煤矿采集样品煤质数据的综合分析，探讨了该矿煤质特性及清洁利用途径。研究结果表明，研究区主采煤层属特低低灰分、中高高挥发分、特低低硫、特高热值的长焰煤和不黏煤，砷、氯、氟、磷有害元素含量属低特低，热稳定性好，可选性属易选煤。参照不同用途煤质的评价指标对曹家滩煤矿主采煤层的煤质进行了分级评价。结果显示，曹家滩煤矿各主采煤层可以作为优质动力用煤、煤制兰炭用煤、煤制焦油用煤及气化用煤的优选矿区；各煤层大部分区域为 级动力用煤，部分为 级动力用煤；各煤层部分区域为 级兰炭用煤，大部分为 、级兰炭用煤，仅有部分区域不可用于兰炭用煤；各煤层大部分区域为 级煤制焦油用煤，小部分区域为 级煤制焦油用煤；各煤层的大部分区域可以应用于气流床气化用煤和固定床气化用煤，但是受煤对二氧化碳反应性指标的制约均不能应用于流化床气化用煤；各煤层的全部区域可以用于固定床气化用煤。研究可为曹家滩煤矿煤炭资源的清洁、高效的利用提供指导。关键词：曹家滩煤矿；煤岩特性；煤质特性；清洁利用中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，；年第 期能源与环保第 卷 ，；，；，：；我国能源结构呈现“缺油、少气、相对富煤”的资源禀赋特征 。在相当一段时期内，煤炭资源仍然是我国的基础能源 。陕西陕北侏罗纪煤田是我国重要的大型煤炭基地，其南部的榆神矿区是该煤田重要的煤炭产能供给区 。然而，榆神矿区大规模的煤炭资源主要利用途径为电煤，造成优质煤炭资源低水平利用。随着国家能源结构调整以及国家“双碳”战略目标制定，“十四五”时期继续推进煤炭技术革命，对煤炭的清洁高效利用提出了更高的要求，深化推进煤炭优质分选和提质加工是各煤矿企业发展的重大任务 。煤炭实现清洁和分级利用不仅可以合理优化原料煤产业布局，实现“专煤专用”，同时对提高国家能源战略安全保障也具有重要的意义 。为此，开展榆神矿区南部煤炭煤质特性及清洁利用途径研究，对陕北侏罗纪煤田煤炭资源高效利用、能源结构调整和产业升级具有重要意义。曹家滩煤矿是陕西煤业下属国有重点煤炭生产企业，同时也是榆神矿区南部重要的大型煤矿 。前人对榆神矿区的聚煤规律和煤岩富油性进行了系统研究，但针对煤岩煤质特性及其清洁利用途径尚未开展系统研究 。本文以曹家滩煤矿主采煤层作为研究对象，通过对现场地质勘查以及样品采集，探究煤岩特征、煤质特性以及其工艺性能，进而对研究区煤炭清洁利用途径进行分级划分。研究可为曹家滩煤矿煤炭资源清洁、高效利用提供指导，同时还可为榆神矿区煤炭高质量发展提供借鉴。地质背景曹家滩煤矿位于陕西省榆林市北部，榆神矿区南部（图 ）。研究区自然地理上属于鄂尔多斯高原东北部，陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠东南缘，为沙丘沙地和风沙滩地、黄土梁峁地貌 。矿区地层为由老至新依次为：三叠系上统永坪组（），侏罗系下统富县组（），侏罗系中统延安组（）、直罗组（）、安定组（），白垩系下统洛河组（），新近系（）及第四系（）。榆神矿区整体位于陕北单斜，地质构造较为简单。矿区地层总体为走向 、倾向 、倾角不足 的单斜构造，局部有宽缓的波状起伏，煤层产状平缓。曹家滩井田三维地震勘探报告显示全区共解释断层 条，根据断点性质及特征，条断层均为正断层。总体上研究区构造复杂程度为简单类型。图 研究区位置及构造 曹家滩井田内的含煤地层为侏罗系中统延安组。根据沉积旋回、岩煤组合及物性特征，陕北侏罗纪煤田延安组划分为 段，每段各含一个煤组，自上而下编为 号煤组。曹家滩井田 个层段均含煤，含可采煤层共 层，分别为 、上、（下）、（上）、下、煤层。曹家滩煤矿地质资源储量 ，设计生产能力 ，采用斜井及立井综合开拓方式，共分为 个开采水平，分别布置在 煤层、煤层、煤层和 煤层 个可采煤层中。矿井于 年正式投产，目前开采 煤层。本次样品测试是在煤田地质勘探采样测试的基础上 ，再在煤矿井下采用刻槽法补充采样，将所有测试数据汇总后进行综合分析。煤岩分析采用煤炭行业标准 煤岩分析方法一般规定。煤工业分析采用国家标准 煤的工业分析方法。煤岩特征曹家滩煤矿煤岩特征见表 ，其中，、煤层以半亮煤为主，次为半暗煤；、煤层以半暗 年第 期雷亚军，等：曹家滩煤矿煤质特性及清洁利用途径分级研究第 卷煤为主，次为暗淡煤。各煤层的物理性质变化不大，均为黑色，粉色呈褐黑色，弱沥青沥青光泽，条带状结构，贝壳状、阶梯状、参差状断口；内生裂隙不甚发育，裂隙被方解石脉或黄铁矿薄膜填充。研究区煤的镜质组反射率分布在 。显微组分测试结果显示有机组分惰质组综合平均值为 ，并具原始氧化特征；镜质组综合平均值为 ；壳质组综合平均值为 。各煤层无机矿物质含量较低，一般小于 ，成分以碳酸盐矿物为主，其次为黏土类和硫化物。表 曹家滩煤矿显微煤岩组分成果统计 煤层有机显微组分 镜质组惰质组壳质组有机总量无机显微组分 黏土类硫化物碳酸盐镜质组反射率 （）（）（）（）（）（）（）煤质特性对曹家滩煤矿各煤层煤质工业分析表明（表），各煤层原煤空气干燥基水分综合平均 ，最高内在水分 ，反映出低阶煤水分偏高的基本特征。各煤层原煤灰分综合平均 ，属煤炭资源评价的特低灰分煤层（图 （）。各煤层挥 发 分 平 均 ，属中高高挥发分煤（图 （）。煤层硫分综合平均值在 ，主要以特低硫煤为主，部分低硫煤及少量中硫煤。各煤层干燥基低位发热量（，）在 ，综合平均值在 ，各煤层均属动力煤的特高发热量煤。表 曹家滩煤矿煤质工业分析成果统计 煤层 ，（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）有害元素方面，煤属特低磷分煤，其余煤层磷含量综合平均值在 ，属低磷分煤。煤中氯含量一般在 ，综合平均值为 ，属特低氯煤。各煤层砷含量极微，一般在 ，综合平均值 ，属一级含砷煤。（下）、（上）各煤层氟含量在 ，综合平均值为 ，属低高氟煤。煤的工艺特性方面，各煤黏结性指数测定绝大多数为 ，部分 ，少量为 、，表明研究区煤以不黏结煤为主，少量弱黏结煤。格金低温干馏实验（）中焦油产率（，）各煤层综合平均值在 ，属富油煤；半焦产率（）综合平均值在 。各煤哈氏可磨性指数为 ，表明各煤层可磨性指数较小，属中等可磨煤，用以燃烧本区煤的熔炉应保持磨煤机的机械性能。在 测温时，煤对二氧化碳还原率综合平均值在 ，属化学反应性较差的煤；各煤层主要为不结渣及中等结渣煤，部分强结渣煤。煤的透光率在 ，透光率高，为长焰煤类。各煤中含有腐植酸，其值在 ，说明本区煤在成煤过程中遭受过氧化作用，年第 期能源与环保第 卷从而产生次生腐植酸。图 主采煤层灰分、挥发分箱型分布 清洁利用途径及分级特征 动力用煤依据神府南部矿区动力用煤综合指标研究，发热量（，）、灰分（）、全硫（，）、挥发分（）、水分（）等影响着动力用煤的煤质质量。其中，发热量作为评价动力用煤的核心指标影响着动力用煤对煤质的选择，灰分、硫分为环保型指标，由此可将动力用煤划分为级、级、级、级。发热量作为评价动力用煤的核心指标影响着动力用煤对煤质的选择，曹家滩煤矿各煤层发热量平均值为 ，反映出曹家滩煤矿各煤层的发热量普遍大于动力用煤级发热量 的要求，因此曹家滩煤矿各煤层按照动力用煤评价均属于发热量级。曹家滩各煤层的灰分平均值在 ，灰分平均值较低。按照动力用煤灰分评价标准，曹家滩煤矿各煤层灰分均低于灰分级指标小于 的要求，因此曹家滩煤矿各煤层的灰分均为动力用煤灰分级指标。硫分是影响动力用煤环境污染与环保经济成本的关键指标，曹家滩煤矿硫分含量平均值普遍在 ；其中硫分平均值低于 的煤层有 、，硫分平均值分布在 的煤层有、。由此反映出 、煤层的大部分区域为动力用煤硫分级指标，其他区域为动力用煤硫分级指标。挥发性主要影响煤的着火性，曹家滩煤矿主要是煤级较低弱黏煤和长焰煤，挥发分平均值在 ，总体上曹家滩煤矿各煤层的挥发分均大于动力用煤挥发分级指标 的要求，因此曹家滩煤矿各煤层均属于动力用煤挥发分级指标。按照动力用煤质指标评价原则，即采用单项指标依次叠加、叠加指标归属最低级的原则，即不同单项指标叠加后的区域均归属各单项级指标时，动力用煤分级为级；其中归属某一单项指标级时，动力用煤分级为级；其中归属某一单项指标级时，动力用煤分级为级。因此，曹家滩煤矿各煤层按照动力用煤煤质指标进行评价主要取决于硫分含量。各主采煤层动力用煤分级评价结果如图 所示。评价结果显示各煤层的大部分区域属于动力用煤级，其他区域为动力用煤级。煤制兰炭及煤制焦油根据 兰炭用煤的技术条件（），兰炭用煤适用于长焰煤、不黏煤和弱黏煤。依据神府南部矿区煤制兰炭综合指标研究，兰炭用煤要求关键指标排序为：固定碳、挥发分、灰分、全硫。曹 家 滩 煤 矿 各 煤 层 固 定 碳 综 合 平 均 值 在 ，均满足煤制兰炭用煤固定碳级指标 的要求。挥发分指标方面，各煤层的挥发分均满足煤制兰炭用煤挥发分级指标 的要求。灰分指标方面，曹家滩各煤层的灰分平均值在 ，但各煤层灰分均存在大于 的区域，各煤层灰分最大值为 ，分布于 煤层，即各煤层均存在部分区域煤质不能满足煤制兰炭用煤灰分、级指标要求。因此，曹家滩各煤层的大部分区域煤质均能满足煤制兰炭用煤煤质灰分小于 的要求，部分区域的煤质能够达到煤制兰炭用煤灰分级指标的要求。全硫含 年第 期雷亚军，等：曹家滩煤矿煤质特性及清洁利用途径分级研究第 卷量方面，曹家滩煤矿硫分含量平均值普遍在 ，但是除 煤层外其他煤层硫分的最大值均超过了 ，也就是说曹家滩煤矿除 煤层全部区域及其他煤层的大部分区域硫分含量均能够满足煤制兰炭用煤煤质硫分级指标小于 的要求；其中 、煤层的硫分最小值均小于 ，即在 、煤层的部分区域硫分能够满足兰炭用煤煤质硫分级指标小于 的要求。由此可见，曹家滩煤矿各煤层能否用于煤制兰炭生产，主要取决于各煤层的灰分和硫分指标，从现阶段煤质勘查和化验资料来看，、煤层的部分区域为级兰炭用煤，其他各煤层的大部分区域为、级兰炭用煤，除 煤层外的其他各煤层均有部分区域不可用于兰炭用煤。图 动力用煤分级评价结果 富油煤通过热解技术可以转化为油、气和半焦，具有集煤、油、气资源属性于一体的特点，是一种煤基油气能源矿产资源。依据神府南部矿区煤制焦油综合指标研究，热解焦油用煤技术要求的关键指标排序为：焦油产率、挥发分、固定碳、灰分、水分。矿产资源工业要求手册（修订版）将焦油产率介于 的煤称为富油煤，大于 为高油煤，小于 为含油煤，通常将焦油产率大于 的煤统称为富油煤。曹家滩各煤层综合平均值在 ，均属富油煤。对挥发分、固定碳、灰分、水分的进一步分级研究，可以确定曹家滩煤矿各煤层作为煤制焦油用煤的煤质分级。曹家滩煤矿各煤层挥发分均大于煤制焦油挥发分级指标大于 的要求。曹家滩煤矿各煤层固定碳综合平均值在 ，均满足煤制焦油用煤固定碳级指标在 的要求。曹家滩煤矿各煤层水分平均值在 ，均小于煤制焦油用煤水分级指标小于 的要求。灰分指标方面，灰分小于 的为级指标，灰分大于 的为级指标，曹家滩各煤层灰分平均值均小于 ，但 是 各 煤 层 灰 分 最 大 值 均 大 于 ，因此曹家滩各煤层大部分区域灰分达到了煤制焦油灰分级指标要求，其他区域均能够满足煤制焦油灰分