许 婷，李 宁，姚 征，谢 青，高 骏，李华兵

(1.陕西省矿产地质调查中心，陕西省西安市，710068；2. 陕西省地质调查院，陕西省西安市，710054)

煤炭是我国的主要能源和重要的工业生产原料，但在推动我国经济发展的同时，也带来了一系列生态环境问题[1-3]。在“双碳”目标下，环保要求日益严格，能源结构调整和生态环境保护的双重压力，促使煤炭清洁高效利用成为煤炭行业发展的必由之路[4-5]。煤炭在化学转化中，不同工艺对煤质有不同的要求，因此系统研究煤岩煤质特征是划分煤炭洁净等级的基础，也是煤炭清洁高效利用的重要依据。

陕北侏罗纪煤田是我国西北地区重要的煤炭基地，煤炭资源丰富且煤质优良，具有低灰、低硫、高发热量、高含油等特点[6-8]。庙哈孤矿区位于陕北侏罗纪煤田东北边缘地区，由于其处于煤田的边缘地带，与神府、榆神、榆横矿区相比，受重视程度并不高，因此对该区煤岩煤质特征的研究较少，也未对其清洁利用潜力及方式进行过系统研究。为了充分利用煤田边缘的煤炭资源，优化煤炭资源开发利用的方式，以庙哈孤矿区可采煤层为研究对象，以煤化工利用为目的对其煤岩煤质特征进行分析，并评价其洁净利用等级、探讨其清洁利用方向，可为该区煤炭资源清洁高效利用提供依据。

1 地质概况

庙哈孤矿区行政区划隶属府谷县庙沟门镇、哈镇、孤山镇管辖，该区属于伊陕斜坡东北边缘侏罗纪沉积区[9]，矿区南部地区主体为向SW倾斜的单斜构造，倾角1°～3°，局部发育为宽缓的波状起伏；北部地区发育近东西向、宽4～5 km的狭长断陷带，区内尚未发现岩浆活动迹象。含煤地层为侏罗系中统延安组，共含煤9层，自上而下编为2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2上、5-2、5-3号煤层，可采煤层5层，分别为2-2、3-1、4-2、5-1、5-2号煤层，可采煤层厚度均值为1.71～3.67 m，以中厚-厚煤层为主，煤层结构简单，发育稳定。

2 煤岩煤质特征

2.1 煤岩特征

庙哈孤矿区可采煤层煤岩成分以暗煤、亮煤为主，夹镜煤条带或透镜体。宏观煤岩类型以半暗煤为主，半亮煤次之。显微煤岩组成中有机显微组分含量较高，平均含量为95.37%～98.70%。其中，镜质组均值为33.61%～54.33%，惰质组均值为39.57%～63.73%，壳质组均值为0.84%～1.65%，镜惰比均值为0.54～1.47。根据李小彦[10]关于富惰质组煤的划分方案(惰质组含量大于30%、镜惰比小于2为富惰质煤)判断，认定庙哈孤矿区可采煤层属于富惰质组煤。各煤层无机显微组分含量较低，平均含量为1.30%～4.63%。以碳酸盐类为主，均值为1.05%～1.69%；其次为粘土类，均值为0.47%～5.40%；硫化物少量，均值为0.25%～0.60%。各煤层煤化程度较低，镜质组最大反射率均值为0.49%～0.57%，属0-I级变质阶段，为低煤化度烟煤，可采煤层煤岩鉴定成果见表1。

表1 可采煤层煤岩鉴定成果

2.2 化学性质

(1)水分(Mad)。各可采煤层水分含量均值为8.88%～9.43%，属低水分煤。经过选煤处理后，浮煤水分含量均值为3.53%～6.78%。相比原煤，水分含量有所降低。

(2)灰分(Ad)。各可采煤层原煤灰分产率均值为6.35%～9.97%，属特低灰分煤，经过选煤处理后，浮煤灰分产率均值为3.58%～4.96%。相比原煤，灰分产率均有不同程度的降低。

(3)挥发分(Vdaf)。各可采煤层原煤挥发分产率均值为34.64%～37.42%，属中高-高挥发分煤，其中3-1、4-2号煤层为高挥发分煤，2-2、5-1、5-2号煤层为中高挥发分煤。浮煤挥发分产率均值为34.21%～37.30%。相比原煤，挥发分产率有所降低，但变化较小。

(4)硫分(St,d)。各可采煤层原煤全硫主要以硫化铁硫和有机硫为主，经选煤处理后，浮煤中的硫化铁硫含量有所降低，硫酸盐硫和有机硫与原煤相比变化不大。原煤全硫含量均值为0.25%～0.36%，总体上各煤层原煤全硫含量差别不大，含量均较低，均属特低硫煤，经选煤处理后，浮煤全硫含量比原煤有所降低，均值为0.19%～0.30%。

(5)氢碳原子比(H/C)。各可采煤层原煤氢碳原子比均值为0.63～0.69，浮煤氢碳原子比均值为0.66～0.72。

2.3 工艺性能

(1)发热量(Qgr,d)。各可采煤层原煤干燥基高位发热量均值为27.99～30.36 MJ/kg，依据《煤炭质量分级 第3部分：发热量》(GB/T 15224.3-2010)标准，各煤层均为高发热量煤。

(2)煤灰熔融性。各可采煤层的煤灰熔融性软化温度(ST)均值为1 158～1 243 ℃。按照《煤灰软化温度分级》(MT/T 853.1-2000)标准，各煤层以较低软化温度灰为主。煤灰熔融性流动温度(FT)为1 179～1 284 ℃。按照《煤灰流动温度分级》(MT/T 853.2-2000)标准，各煤层灰融点较低。

(3)黏结指数(GRI)。各可采煤层黏结性指数均为0，按照《烟煤黏结指数分级》(MT/T 596-2008)标准，各煤层均为不黏煤。

(4)哈式可磨性指数(HGI)。各可采煤层原煤哈氏可磨性指数均值为49～69，按照《煤的哈氏可磨性指数分级》(MT/T 852-2000)标准，除2-2号煤层为中等可磨煤外，其他煤层均为较难磨煤。

(5)热稳定性(TS+6)。各可采煤层热稳定性指标均值为60.07%～74.50%。根据《煤的热稳定性分级》(MT/T 560-2008)标准，各煤层均属中-中高热稳定性煤。

(6)煤对二氧化碳的反应性(α)。在950 ℃时，煤对二氧化碳的反应性均值为53.40%～64.0%，各可采煤层在950 ℃时煤对二氧化碳的反应性良好。

2.4 有害元素

(1)氯。各可采煤层原煤氯含量(Cld)均值为0.014%～0.017%，浮煤氯含量均值为0.008%～0.046%，按照《煤中有害元素含量分级 第2部分：氯》(GB/T 20475.2-2006)分级标准，各煤层均属特低氯煤。

(2)氟。各可采煤层原煤氟含量(Fd)均值为35.6～168.0 μg/g，浮煤氟含量均值为32.1～132.0 μg/g，按照《煤中有害元素含量分级 第5部分：氟》(GB/T 20475.5-2020)分级标准，各煤层均属特低氟-低氟煤，其中5-2号煤层为低氟煤，其他煤层均属特低氟煤。

(3)砷。各可采煤层原煤砷含量(Asd)均值为1～2 μg/g，浮煤砷含量均值为0～1 μg/g，按照《煤中有害元素含量分级 第3部分：砷》(GB/T 20475.3-2012)分级标准，各煤层均属特低砷煤。

3 庙哈孤矿区煤类与洁净等级划分

3.1 煤类

根据《中国煤炭分类》(GB/T 5751-2009)标准，煤类以表征煤化程度的浮煤干燥无灰基挥发分产率(Vdaf)和黏结性指数(GR.I.)以及辅助分类指标透光率(PM)确定。庙哈孤矿区各可采煤层黏结指数均为0，透光率均大于50%，因此煤类主要依据干燥无灰基挥发分来划分，除3-1号煤层浮煤挥发分产率大于37%、为长焰煤41号(CY41)外，其他2-2、4-2、5-1、5-2号煤均为不黏煤31号(BN31)。

3.2 洁净等级划分

煤炭洁净等级划分是煤炭质量评价的基础，也是煤炭绿色、清洁、高效利用的依据之一。根据唐书恒等[11]研究人员提出的洁净煤潜力评价方法，结合庙哈孤矿区可采煤层的煤质特征及煤炭清洁利用的相关指标，选取灰分(Ad)、硫分(St,d)、砷含量(Asd)、氯含量(Cld)及氟含量(Fd)5个评价因子进行洁净等级划分，洁净等级划分方案及评价因子见表2。

表2 洁净等级划分方案及评价因子

当各指标的洁净等级不一致时，采取“就低不就高”的原则，以评级等级差者为准，庙哈孤矿区洁净煤潜力见表3。

表3 庙哈孤矿区洁净煤潜力

由表3可以看出，庙哈孤矿区各煤层原煤硫分、氯、砷含量均较低，洁净等级均达到Ⅰ级，灰分产率均值为6.35%～9.97%，按照洁净等级划分均属Ⅱ级。2-2、3-1、4-2、5-1、5-2号煤层氟含量分别为35.60 μg/g、87.33 μg/g、73.67 μg/g、44.33 μg/g、168.00 μg/g，氟含量变化较大，按照洁净等级划分标准，2-2、3-1、4-2、5-1号煤层综合评价洁净等级为Ⅱ级，属好洁净煤。5-2号煤层由于氟含量较高，综合评价洁净等级为Ⅴ级，属较差洁净煤。

经选煤处理后，浮煤各指标含量均有不同程度的降低，其中灰分产率小于5%，洁净等级上升为Ⅰ级。浮煤中的氟含量也有不同程度的下降，其中2-2、3-1、4-2、5-1、5-2号煤层氟含量分别为32.10 μg/g、60.25 μg/g、70.43 μg/g、36.74 μg/g、132.00 μg/g，按照洁净等级划分标准，2-2、3-1、4-2、5-1号煤层浮煤综合评价洁净等级上升为Ⅰ级，属特好洁净煤。5-2号煤层浮煤综合评价洁净等级上升为Ⅲ级，属较好洁净煤。经过选煤处理后，煤的洁净程度明显变好。

较好洁净煤直接利用对环境污染较小，而较差洁净煤直接利用则对周边环境污染较严重[12]。研究区中5-2号煤层氟含量偏高，煤燃烧产生的氟化物排入大气后会对环境造成严重的污染和破坏，因此，可以先通过选煤处理脱氟后再有效利用，从而提高煤炭清洁程度，降低对环境的污染。

4 庙哈孤矿区煤炭清洁利用方向

4.1 优质动力用煤

庙哈孤矿区可采煤层总体具有低灰、低硫、低有害元素的特点，整体清洁度较好且发热量较高，平均高位发热量为27.99～30.36 MJ/kg，属高发热量煤，高清洁度和高发热量决定了其为优质动力用煤。实际上该区已开采的煤炭资源，主要作为动力煤使用。其中氟含量较高的煤层及地区需引起注意，脱氟处理是其清洁利用的必要保障。

4.2 低温干馏用煤

富油煤资源的利用是低阶煤清洁利用的重要组成部分。根据《矿产资源工业要求手册(2014修订版)》焦油产率(Tar,d)划分标准[13]，即Tar,d≤7%，为含油煤；Tar,d为7%～12%，为富油煤；Tar,d>12%，为高油煤。根据研究区低温干馏数据分析表明，可采煤层原煤的焦油产率普遍大于7%，均值为8.99%～10.57%，各煤层均为富油煤，总体焦油产率较高，具有较大的低温干馏制油潜力。

4.3 气化液化用煤

用作动力用煤并减少其中有害成分的排放，是煤炭清洁利用的重要方式，而将其转化成清洁产品来替代直接燃烧，则是另一种有效的清洁利用方式[14-15]。煤制油是以煤炭为原料，通过化工手段生产油品，是煤炭清洁利用的重要途径之一，主要分为煤直接液化和煤间接液化。

对比直接液化用煤的煤质技术要求，庙哈孤矿区煤具有较高的惰质组含量，属典型的富惰质组煤，挥发分产率大部分小于37%，甚至35%，氢碳原子比也小于0.70，因此庙哈孤矿区煤并不适合作为直接液化用煤。

煤间接液化主要建立在“气化”的基础上，应当纳入气化用煤范畴[3,15]。煤的气化工艺较多，主要包括常压固定床、流化床、水煤浆气流床、干煤粉气流床气化等，不同气化工艺对煤质的要求不同。对比《常压固定床气化用煤技术条件》(GB/T 9143-2008)、《流化床气化用原料煤技术条件》(GB/T 29721-2013)、《气流床气化用原料煤技术条件》(GB/T 29722-2013)等技术条件的要求，庙哈孤矿区煤的变质程度低，镜质组最大反射率均值为0.49%～0.57%，具有较强的反应生气能力，此外还具有特低灰、无黏结性、较低灰熔融性、较高热稳定性及CO2反应良好等特点，使其可以成为优质气化原料用煤，并符合常压固定床气化用煤、水煤浆气流床和干煤粉气流床气化用煤的煤质要求，部分符合流化床气化用煤的煤质要求。

5 结论

通过对庙哈孤矿区可采煤层煤岩和煤质特征进行分析后得出，该矿区各煤层主要为低水分、特低灰分、中高-高挥发分、特低硫、高发热量、较低灰融点、无黏结性、较难磨、中-中高热稳定性的富油煤，并参照煤炭清洁利用潜力评价体系，对各煤层的洁净等级进行了划分，除5-2号煤层氟含量相对较高、洁净等级相对较差外，其他各煤层洁净等级均较好。

作为大煤田边缘的煤炭资源，庙哈孤矿区煤质优良、清洁程度高，但其为低阶的富惰质组煤，不适合作为直接液化用煤，建议其清洁利用方式主要为优质的动力用煤、气化或煤间接液化用煤。同时其又为焦油产率较高的富油煤，可以优先选择低温干馏制油的方式加以分级提质利用，从而优化该区煤炭资源的开发利用方式，实现煤炭资源绿色、清洁、高效利用。