山西省河東煤田安平勘查區煤炭資源潔凈度評價

王曉帥，唐躍剛，康浩，楊承偉，葉愷

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083)

0 引言

中國目前仍然是世界上最大的煤炭生產和消費國，2017年中國煤炭生產和消費量分別占世界煤炭生產總量和消費總量的45.6%和50.7%[1]。2016年中國煤炭消費量和生產量分別占國內能源消費和生產總量的62.0%和69.6%[2]。截止2017年底，中國煤炭的儲采比為39年[1]，盡管煤炭在多元化的能源結構中比重逐年下降，但我國能源資源的特點及發展現狀決定了在相當長的時期內煤炭在一次能源生產和消費結構中的主體地位不會改變。在可以預見的未來幾十年內，煤炭仍然是我國的主體能源。煤炭作為主體能源推動國民經濟發展的同時，其大量利用也會帶來一系列環境問題，如煤中的黃鐵礦等硫化物，燃燒過程會產生SO2，造成酸雨問題[3-4]；燃煤排放細顆粒物貢獻了空氣中部分PM2.5[5-8]、煤炭消費量與煙氣粉塵排放量存在長期均衡關系[9]、煤中的微量元素在燃煤過程排放導致的地方病[10-11]等。對煤炭資源的潔凈程度進行等級評價及等級區域的劃分，是潔凈煤地質的主要研究內容之一[12]，也是控制煤炭利用帶來的環境問題需要做的基礎工作之一。煤炭資源潔凈度評價，是對煤炭資源的可潔凈潛勢做出評估，是以實現合理開采和潔凈利用煤炭資源為目標，從源頭上控制煤源污染的重要手段。

目前，煤炭資源質量和潔凈評價有幾種不同的方案。袁三畏根據煤類、灰分、硫分、發熱量、可選性五項指標，將煤炭劃分優等質量煤、中等質量煤、低等質量煤三個等級[13]；中國煤炭地質總局針對全國煤炭資源，將煤的潔凈等級劃分為：潔凈潛勢好、潔凈潛勢較好、潔凈潛勢中等、潔凈潛勢較差、潔凈潛勢差五個等級[14-15]；王文峰等提出煤中有害元素潛在污染綜合指數概念，并據此劃分出潔凈煤、次潔凈煤、較不潔凈煤、不潔凈煤四個等級[16-17]；唐書恒等針對資料相對齊全地區的煤炭資源，將煤的潔凈等級劃分為：潔凈煤、較潔凈煤、較不潔凈煤、不潔凈煤四個等級[14]；楊淑婷、唐躍剛等總結前人潔凈煤等級劃分方案，并根據最新的國家標準和煤炭行業標準，將煤的潔凈等級劃分為六個等級，分別為特好潔凈煤、好潔凈煤、較好潔凈煤、中等潔凈煤、較差潔凈煤、差潔凈煤六個等級，并應用于山西省煤炭資源評價中[15,18]。朱士飛，秦云虎建立了煤炭資源潔凈等級五級分級方案，根據硫分、灰分的不同，將煤的潔凈等級分為好潔凈煤、較好潔凈煤、中等潔凈煤、較差潔凈煤、差潔凈煤五級，并對云南省保有資源量進行了潔凈潛勢評價[19]。Tang等對比煤炭洗選前后特征，提出了潔凈度(cleanability)的概念，并給出潔凈度計算公式，根據潔凈度數值將煤炭資源潔凈潛勢劃分為五級[20]。該方法是以煤的有害物質的脫除率為基礎，對比煤炭洗選前后的有害物質脫除情況，綜合評價煤炭的可潔凈性，更能準確地反應煤炭的潔凈潛勢。因此，本文章采用該方法對河東煤田安平詳查區的全區可采煤層的煤炭資源進行潔凈度評價，并通過地質塊段法[21]計算不同潔凈度等級煤炭資源的儲量。

1 安平勘查區概況

山西省是中國的產煤大省，煤炭產業也是山西省的支柱性行業[22-24]。經過多年持續高強度開采，山西省煤炭資源儲量越來越少，高質量的煤炭資源也越來越少。對安平詳查區的煤炭資源進行潔凈度評價，可以為高質量煤炭資源的圈定、煤炭資源的分質分級利用提供科學依據。

安平勘查區處于山西省西南部(圖1)，具體位于臨汾市吉縣縣城正南方，北起吉縣柏山寺鄉西頭村，南至鄉寧縣昌寧鎮下寬井村，西起吉縣柏山寺鄉西掌村，東至吉縣中垛鄉南坪村?？辈閰^面積約為63.72km2?？辈閰^鉆孔原則上垂直于地層走向呈直線布置，共6條勘查線，普查和詳查施工鉆孔共15個，個別鉆孔受地形影響及施工條件所限進行了適當位移動，位移最大的鉆孔為B0102孔，位移148.59m，雖與實施方案中設計的孔位不一致， 但小于孔距(1 500m)的10%，不影響數據的使用?？辈閰^總體為一個向斜構造，兩翼地層傾角為2°～11°，基本對稱，自勘查區北部延伸至西南。區內未發現斷層，未發現有陷落柱和巖漿巖，根據DZ/T0215-2002《煤、泥炭地質勘查規范》[21]， 勘查區構造屬簡單類型?？辈閰^煤層發育較好，其中2號和10號煤層為穩定的全區可采煤層[25]。本勘查區潔凈度評價工作，針對2號和10號煤層展開。

圖1 安平勘查區位置Figure 1 The location of Anping general exploration areas

2號煤層位于二疊系下統山西組下部，底板垂深848.95～1 173.08m，平均1 055.09m，煤層厚度2.63～5.19m，平均厚度4.20m，含0～3層泥巖夾矸，結構較簡單，為全區穩定的可采煤層。10號煤層位于石炭系上統太原組下部，底板垂深892.63～1 221.40m，平均1 098.90m，煤層厚度1.95～4.55m，平均厚度2.97m。含夾矸0～2層，結構簡單，總體厚度變化不大，為全區穩定的可采煤層[25]。

2 評價方法

首先收集安平詳查區地質報告，并提取鉆孔數據及煤層煤質數據(包括灰分、硫分、浮煤產率、視密度等)。根據潔凈度公式[20]，計算各煤層在不同鉆孔點處的潔凈度數值。

C=∑TnRn

(1)

C：潔凈度；

n：指標名稱(有害元素和灰分)；

Tn：系數，結合實踐經驗、經濟效益、 脫除難易程度等綜合確定；

Rn：指標的理論脫除率(%)

W原：原煤質量；

W精：精煤質量；

α原：原煤中的指標含量(%)；

α精：精煤中的指標含量(%)；

λ：理論精煤回收率(%)；

綜合考慮灰分、硫分及其他指標，如有害微量元素，對煤炭質量好壞的影響程度，公式(1)簡化為C=RAd+10RS(RAd和RS分別為洗選過程灰分的脫除率和硫的脫除率)，并根據C值將煤炭潔凈度等級劃分為五級，見表1。

表1 潔凈度等級表[20]Table 1 Cleanability classification scheme

本文采用簡化后的潔凈度計算公式，進行各煤層鉆孔點處的潔凈度數值計算。計算結果見表2。

表2 安平勘查區煤炭資源潔凈度Table 2 The cleanability of coal resources in Anping general exploration area

*null-鉆孔煤質參數不全，無法進行潔凈度計算。

根據表2中的潔凈度數據，對2號和10號煤層進行潔凈度分級，并利用MAPGIS軟件繪制不同潔凈度煤炭資源分布圖?？偨Y歸納不同潔凈度煤炭資源分布規律，并結合勘查區地質背景，分析影響不同潔凈度煤炭資源分布的地質原因。

基于不同潔凈度煤炭資源分布圖，采用地質塊段法[21]，估算各潔凈度等級煤炭資源量。安平詳查區構造復雜程度為簡單類型，各煤層厚度較穩定，含夾矸不超過3層，煤層結構均為簡單-較簡單，煤層傾角不超過15°[25]，故采用煤層的偽厚度和水平投影面積估算資源量，公式如下[21]。

Q=S×M×D

式中：Q為各塊段資源量(t)；S為各塊段水平面積(m2)；M為塊段平均煤層厚度(m)；D為各塊段煤層平均視密度(t/m3)。

3 結果與討論

3.1 安平勘查區2號煤層

安平勘查區2號煤層，潔凈度范圍3.79～9.77，包含一般、較好、好三類潔凈度等級煤炭資源，區內沒有差和較差潔凈度煤炭分布，各類煤炭估算資源量見表3，各類潔凈度等級煤炭分布見圖2。

安平勘查區2號煤層，總體上發育較好和好潔凈度煤炭資源， 估算儲量分別為18 294.73萬t和10 091.46萬t，分別占比61.44%和33.89%，一般潔凈度煤炭資源極少分布，占比4.67%，沒有鉆孔發現差和較差潔凈度等級的煤炭資源。

表3 安平勘查區2號煤層煤炭資源量Table 3 The predicted reserve of No.2 coal seam in Anping general exploration area

安平勘查區2號煤層，中等潔凈度煤炭資源在安平勘查區南部B0301鉆孔附近極少分布，以較好潔凈度煤炭資源為主，分布在南部、中部及中北部，好潔凈度煤炭資源主要分布在勘查區最北部B1701鉆孔附近、中偏南部B0702和B0504等鉆孔附近，在最南部B0102鉆孔極少分布。

3.2 安平勘查區10號煤層

安平勘查區10號煤層，潔凈度范圍4.25～9.06，包含一般、較好、好三類潔凈度等級煤炭資源，區內沒有差和較差潔凈度煤炭分布，各類煤炭估算資源量見表4，各類潔凈度等級煤炭分布見圖3。

圖2 安平勘查區2號煤層潔凈度煤炭資源分布Figure 2 The distribution of different cleanability coal resources of No.2 coal seam in Anping exploration area

表4 安平勘查區10號煤層煤炭資源量Table 4 The predicted reserve of No.10 coal seam in Anping general exploration area

安平勘查區10號煤層，總體上發育一般和較好潔凈度煤炭資源，估算資源量分別為20 574.74萬t和4 434.41萬t，分別占比80.72%和17.40%，好潔凈度煤炭資源極少分布，占比1.89%，沒有鉆孔發現差和較差潔凈度等級的煤炭資源。

安平勘查區10號煤層，中等潔凈度煤炭資源在安平勘查區中部偏南B1301鉆孔附近和中部偏北B0504、B0303和B0503附近分布，以較好潔凈度煤炭資源為主，分布在勘查區的大部分區域，好潔凈度煤炭資源主要分布在勘查區最北部、中偏南部B0701附近極少分布。

3.3 討論

本文中采用的潔凈度評價方法，潔凈度數值主要取決于洗選前后原煤和浮煤中灰分產率和硫分含量[20]?；曳之a率和煤中礦物質存在一定的關系[26-28]。影響煤中礦物質的地質因素主要包括：成煤母質、沉積環境、火山碎屑的侵入、熱液作用、風化氧化等[27-28]。影響煤中硫含量的地質因素包括：沉積環境尤其是海水的影響、成煤時代、物源區距離、成煤植物、細菌活動、海底火山及熱液等[29-33]，這些因素間接的影響煤的潔凈度。

本次評價，安平勘查區全區可采煤層，共評價估算得資源量約為55 265.865萬t，煤炭資源包含一般、較好和好潔凈度等級的三類煤炭資源，以較好潔凈度等級煤炭資源為主，約占總資源量的70.33%，各類煤炭資源百分比具體見表5。

安平勘查區不發育巖漿巖、陷落柱及斷層[25]，所以它們對不同潔凈度煤炭資源分布的影響是需要進一步研究分析的?？辈閰^早三疊世地層發育多個褶皺，均形成于成煤期后[25]，沿褶皺軸向，分布不同潔凈度的煤炭資源，與軸向同一位置的褶皺兩翼，分布相同潔凈度的煤炭資源，因此，褶皺構造對不同潔凈度煤炭資源分布的影響是不明顯的。2號煤層和10號煤層分別屬于二疊系下統山西組和石炭系上統太原組，兩煤層均包括一般、較好、好三類潔凈度等級煤炭資源，但不同潔凈度煤炭資源分布規律及儲量有所不同。從分布面積上看，2號煤層以較好潔凈度和好潔凈度煤炭資源為主，少量分布一般潔凈度煤炭資源；10號煤層以中等潔凈度和一般潔凈度煤炭資源為主，少量分布好潔凈度煤炭資源。從儲量來看，2號煤層一般潔凈度等級煤炭資源量少于10號煤層，較好和好潔凈度等級煤炭資源量的和多于10號煤層。安平勘查區山西組主要形成于淺水三角洲平原環境，太原組主要形成障壁島、三角洲平原和濱外陸棚等環境[25]，故該勘查區2號煤層沉積環境偏陸相，10號煤層沉積環境偏海陸過渡相[25，34]。

圖3 安平勘查區10號煤層潔凈度煤炭資源分布Figure 3 The distribution of different cleanability coal resources of No.10 coal seam in Anping exploration area

表5 安平勘查區可采煤層煤炭資源量Table 5 The predicted reserve of minable coal seams in Anping general exploration area

總體而言2號煤層煤炭資源潔凈度等級優于10號煤層潔凈度等級，兩層煤沉積環境不同，表明成煤環境對煤的潔凈度有明顯的影響，且陸相煤的潔凈度優于海陸過渡相煤。成煤環境對煤炭資源潔凈度有明顯的影響。

4 結論

安平勘查區共評價估算得資源量55 265.865萬t，潔凈度等級包含一般、較好和好等三類，其中以較好潔凈度等級煤炭資源為主，兩層煤好和較好潔凈度煤炭資源都大于80%。褶皺構造對煤的潔凈度影響是不明顯的；成煤的沉積環境對煤的潔凈度有明顯的影響，且陸相煤的潔凈度優于海陸過渡相煤。巖漿巖、陷落柱及斷層等對不同潔凈度等級煤炭資源分布規律的影響是需要進一步研究的。

潔凈度可以較準確地反映煤在洗選過程中的潔凈潛勢，即浮煤相對于原煤灰分和硫的脫除程度，但并不能準確地反映洗選后浮煤的實際質量好壞。另外，本文采用的潔凈度數值計算方法，沒考慮煤中有害微量元素在洗選前后的變化情況。這兩點是本文的不足之處，也是潔凈度計算方法需要進一步優化的地方。

致謝

感謝山西省煤炭地質勘查研究院的工作人員對資料收集工作的幫助與支持！感謝各位評審專家對此文章的審閱！