0 引 言

煤炭工业粗放式的开采和加工使煤炭质量不断下降，矿区周边生态环境遭到污染。因此严格控制煤炭开采及加工过程，提高煤炭质量，建立清洁、安全、可持续的煤炭开采利用体系是今后煤炭工业发展方向[1-4]。煤质特征作为评判煤炭质量和洁净程度的重要指标，对煤炭资源开发和利用起着决定性作用，成煤环境和后期改造等因素使得各个区域煤层形成具有不同的煤质特征。宝日希勒露天煤矿位于陈旗煤田宝日希勒勘探区的东部，行政区划隶属内蒙古自治区呼伦贝尔市陈巴尔虎旗宝日希勒镇和海拉尔区谢尔塔拉镇管辖，已初步发现采取优质煤炭资源储量16.26亿t，煤炭资源潜力巨大。煤层全区发育，以含特厚或中厚煤层为特征，煤层赋存集中而且埋藏较浅，是本次煤质勘查测定的对象。前人对宝日希勒露天煤矿煤岩煤质特征的分析主要以开采方式、边坡稳定性等为主，而未对影响煤炭洁净等级的主要煤质指标和煤中有害元素的分布区域进行系统划分，尤其未对研究煤炭洁净等级进行研究[5]。本文通过研究煤层煤质试验数据，对12、21、31、32+3煤层的煤质特征进行分析评价，总结出煤层的硫分、灰分等重要煤质指标和煤类分布的特征，依据最新煤炭资源潜力评价提出的煤炭洁净等级6级划分方案，初步分析了矿区煤炭资源的洁净等级，从而便于进行煤种分类、差别化管理，以期达到最小成本的治理和最小化污染效果。该方法在煤炭资源潜力评价及部分勘查区煤质评价中已经得到了很好的应用[6-10]。对今后矿井建设、煤炭资源开发规划、清洁利用具有重要意义[11]。

1 地质概况

1.1 构造特征

陈旗煤田位于新华夏系第三沉降带海拉尔沉降区的中偏北部，东以免渡河断裂与原林凹陷为邻，西以上库力断裂与西乌珠尔盆地相望，南以海拉尔河区域性东西向构造与呼山盆地、南屯-西索木盆地为邻，北邻莫勒格尔河凸起。海拉尔河沉降区的构造格局是新华夏系与区域性东西向构造的复合。陈旗煤田位于海拉尔盆地群西北部，为一断陷型向斜含煤盆地、走向近东西，南北两侧为F3、F4盆缘断裂控制，煤系基底为兴安岭群火山岩系。矿区位于陈旗煤田的中西部，西接巴彦哈达区。

1.2 含煤地层

宝日希勒露天煤矿区域发育的地层有:古生界泥盆系上统变质岩系，中生界侏罗系上统白音高老组，白垩系下统的梅勒图组和大磨拐河组，第四系。其中，宝日希勒露天煤矿二矿区含煤地层为大磨拐河组，二矿区位于勘查区第48～66勘探线南部，面积约9.7 km2。地层厚595～1 540 m，其中含煤段最大厚度178.08 m，平均厚度139.39 m，共含6个煤组，自上而下编号为B、1、2、3、4、5煤层组，含煤9层自上而下编号为B、12、13、21、22、31、32+3、4、5煤层，其中可采煤层为 12、21、31、32+3。煤层平均总厚度45.96 m，含煤段含煤系数为33%。

2 煤的物理性质与煤岩特征

2.1 物理性质

依据相关煤质特征研究[12-14]，矿区内各煤层的煤均呈黑褐色或黑色，条痕为棕色，光泽暗淡或为沥青光泽，多为层状构造，也有块状，少量为片状，条带结构、均一结构及木质结构都有。偶尔可见清晰的年轮，也有少量的透镜状和纤维状结构，断口多为参差状和阶梯状，外生裂隙发育，质地较松软，真密度为1.50～1.57 g/cm3，视密度为1.15～1.22 g/cm3。

2.2 宏观煤岩类型

矿区各煤层宏观煤岩组分以暗煤为主，次为丝炭，有时有亮煤及少量镜煤，呈细条带或透镜状夹于其中，宏观煤岩类型为暗淡型煤及半暗型煤。

2.3 微观煤岩特征

有机组分:矿区内煤层(含矿物基)有机显微组分含量92.2%～95.0%，其中腐植组含量42.9%～51.0%，惰质组含量42.2%～47.6%，壳质组含量1.7%～1.8%。

无机组分:无机显微组分含量在3.9%～6.6%，其中以黏土矿物为主，其次为碳酸盐类、硫化铁类及氧化硅类。黏土矿物为黑色细粒状聚集体和黑色细粒状黏土，碳酸盐类为方解石，硫化铁类为黄铁矿，氧化物类为石英。

2.4 煤的工业分析和元素分析

2.4.1 工业分析

1)水分(Mad):矿区内主要煤层原煤平均水分5.11%～11.64%，浮煤平均水分8.73%～12.59%，表明原煤浮选后煤的外在水分增加0.50%～3.62%。12、21、31及32+3等4个煤层增加的幅度较小，水分提高4.3%～13.1%，而13煤增加的幅度较大，达70.8%。

2)灰分(Ad):矿区内主要煤层原煤灰分平均13.04%～15.89%，根据GB/T 15224.1—2010《煤炭质量分级 第1部分:灰分》，矿区煤均属于低灰煤。各煤层之间原煤灰差异不大，下部煤层原煤灰分稍高于上部煤层原煤灰分。浮煤平均灰分8.49%～10.17%，低于原煤灰分，表明浮选后原煤灰分普遍下降3.65%～6.12%，脱灰率达27.2%～38.5%。

3)挥发分(Vdaf):矿区内主要煤层原煤平均挥发分40.50%～42.56%，垂向上变化不明显，根据MT/T 849—2000《煤的挥发分产率分级》，各煤层均为高挥发分煤。浮煤平均挥发分40.52%～43.33%，稍高于原煤。

4)固定碳(FCdaf):区域内主要煤层原煤平均FCdaf在57.46%～59.50%，根据MT/T 561—2008《煤的固定碳分级》标准，均为中高固定碳煤。浮选后，主要煤层的浮煤平均FCdaf 在56.67%～59.48%，稍低于原煤，在垂向上变化不明显。

2.4.2 元素分析

矿区内主要煤层元素分析成果见表1。原煤和浮煤中Cdaf平均含量分别为73.02%～74.90%、75.03%～76.05%；Hdaf平均含量分别为4.49%～4.54%、4.67%～4.87%；Ndaf平均含量分别为0.84%～0.99%、1.41%～1.75%；Odaf的平均含量分别为19.56%～21.53%、17.31%～18.16%。

表1 宝日希勒露天煤矿煤层元素分析
Table 1 Ultimate analysis of coal seam in Baorixile Open-pit Coal Mine %

2.4.3 有害元素分析

矿区内煤层有害元素分析见表2。

表2 宝日希勒露天煤矿煤层有害元素分析
Table 2 Analysis of harmful elements of coal seam in Baorixile Open-pit Coal Mine

1)硫(St.d):矿区内主要煤层原煤平均硫分0.12%～0.18%，依照CB/T 15224.2—2010《煤炭质量分级 第2部分:硫分》，各煤层均为特低硫煤。浮选后，浮煤平均硫分0.16%～0.17%。12及21煤平均降低0.01%，31及32+3煤则增加0.03%～0.04%。矿区内主要煤层无论原煤和浮煤硫分含量均很低，浮选前后变化不大，从平面上看，分布比较均匀。矿区内主要煤层硫分中，硫酸盐硫及硫化物硫含量甚微(甚至是0)，有机硫占93.7%(甚至100%)，说明矿区内主要煤层的硫是以有机硫为主。有机硫属内在硫分，浮选很难去除。

2)氯(Cld):矿区内主要煤层原煤氯含量在0.003%～0.012%，依照GB/T 20475.2—2006《煤中有害元素含量分级 第2部分:氯》，属特低氯煤。

3)磷(Pd):矿区内12、21及31煤层原煤中的磷含量分别为0.004%、0.007%、0.008%。依照MT/T 562—1996《煤中磷含量分级》，均为特低磷煤；32+3煤层原煤中的磷含量为0.024%，为低磷煤。

4)砷(Asd):矿区内主要煤层原煤砷含量很低，平均1 μg/g。按照MT/T 803—1999《煤中砷含量分级》标准，为一级含砷煤。

2.5 煤的工艺性能

2.5.1 发热量

矿区内主要煤层原煤干燥基高位发热量(Qgr,d)平均24.33～25.08 MJ/kg，依照GB/T 15224.3—2010《煤炭质量分级 第3部分:发热量》标准，均为中高发热量煤。煤层干燥基低位发热量(Qnet,d)平均23.55～24.14 MJ/kg。浮煤干燥基高位发热量普遍高于原煤0.98～2.45 MJ/kg。

2.5.2 其他性质

1)煤的活性:矿区内主要煤层在950 ℃时，CO2还原率为75.44%～88.68%，表明煤的活性较好。

2)煤的热稳定性(TS+6):矿区内12和21煤分别为66.3%和68.3%，均为较高热稳定性煤；31煤为38.1%，属低热稳定性煤。

3)煤的可磨性:煤的可磨性是指将煤研磨成粉的难易程度，为计算磨煤机能耗、指导磨煤系统设计提供依据[15]。经测定，矿区内主要煤层的哈氏可磨性指数(HGI)21煤为94，12煤及31煤分别为101及106，按照MT/T 852—2000《煤的哈氏可磨性指数分级》标准，21煤为易磨煤，12及31煤为极易磨煤。

4)煤的低温干馏:12、21和32+3煤经低温干馏后得到的干基焦油产率(Tar,d)分别为7.7%、7.4%和7.9%，均为富油煤。

5)煤灰成分、灰熔融性:煤灰熔融性对锅炉、气炉的选择起决定性作用，是工业用煤的评价指标之一[16]。根据煤灰成分测定结果，SiO2含量平均值在44.52%～60.92%；Al2O3含量平均值在18.01%～24.68%；TiO2含量平均值在0.24%～0.47%；Fe2O3含量平均值在2.82%～11.88%，CaO含量平均值在6.55%～11.07%；MgO含量平均值在0.33%～0.94%；K2O含量平均值在0.14%～0.39%；Na2O含量平均值在1.54%～2.40%；MnO2含量平均值在0.11%～0.30%；SO3含量平均值在2.74%～3.44%。测试结果表明，矿区内12、21及31四个煤层煤灰软化温度(ST)在1 177～1 232 ℃，按照MT/T 853.1—2000《煤灰软化温度分级》标准，这3个煤层为较低软化温度灰，32+3煤灰软化温度为1 344 ℃，为中等软化温度灰。

6)煤灰的结渣性:矿区内只有31煤进行了煤灰结渣性试验，在炉栅截面流速0.1、0.2、0.3 m/s时，均为中等结渣性煤。经计算补勘区主要煤层的熔渣指数(Rs)在0.02～0.06，均为低度结渣。

7)煤的可选性评定:经本次补勘，对12及31两个煤层的钻孔煤芯样进行简易筛分，浮沉试验。矿区内主要煤层可选性等级见表3。

表3 宝日希勒露天煤矿主要煤层可选性分级
Table 3 Washability classification of the main coal seam in Baorixile Open-pit Coal Mine

12煤的拟定选后Ad=12%时，分选密度1.47 kg/L，δ±0.1含量最终值67.9%，属极难选；31煤的拟定选后Ad=12%时，分选密度1.48 kg/L，δ±0.1含量最终值50.1%，属极难选。

8)煤类:矿区主要煤层浮煤挥发分均大于40%，透光率(Pm)平均35%～47%，恒湿无灰基高位发热量低于24 MJ/kg，依据GB/T 5751—2009《中国煤炭分类》标准，矿区内煤层煤类12、21、31煤均为褐煤二号，32+3煤以褐煤二号为主，有少量的长焰煤。

2.6 煤的工业用途

矿区12、21、31、32+3煤层以低灰、高挥发分、中高固定碳、特低硫、特低氯、特低～低磷、一级含砷煤为主。通过分析原煤工艺性能，说明煤层以褐煤二号为主，属中高发热量、焦油产率较高、中等结渣煤，其中21煤为易磨煤，12及31煤为极易磨煤、极难选煤。煤层厚度变化较大，结构较简单，有害元素含量相对较低。故矿区内的煤可配煤炼焦、作为动力用煤及民用煤[17-19]。

3 煤炭洁净等级划分

对煤炭资源进行洁净等级界定及区域划分是评定煤炭质量的重要方法。依据最新的国家标准和煤炭行业标准建立的煤炭资源洁净等级6级划分方案，参考文献[20]对评价因子6级浓度限值的划分方法进行分级，其中灰分、硫分依据GB/T 15224.1—2010 《煤炭质量分级 第1部分:灰分》、GB/T 15224.2—2010《煤炭质量分级 第2部分:硫分》的5级划分方案确定其6级浓度限值，其他有害元素采用相应国家标准标中浓度的最小和最大限值分别作为I级和VI级浓度限值，中间级别的浓度限值根据灰分和硫分的划分方案做近似等比计算获得，最终确定了评价因子的6级浓度限值(表4)。主要以有害元素砷、磷、氯进行分析，对矿区煤洁净等级进行初步划分。在综合评级过程中，若各评价因子的洁净等级不一致，则以洁净等级最差者为准。

表4 洁净煤等级划分方案及评价因子
Table 4 Coal cleanliness partition scheme and assessment indices %

矿区煤洁净等级综合评级结果见表5，其中12煤、21煤及31煤、32+3煤洁净等级为Ⅱ级，属好洁净煤，洁净程度较高。

表5 矿区煤洁净等级划分结果
Table 5 Partitioned results of mining area coal cleanliness

注:综合评级以各评价因子评级的最差者为准。

4 结 论

1)宝日希勒露天煤矿区含煤地层为大磨拐河组，宏观煤岩组分以暗煤为主，显微煤岩组分以腐植组和黏土矿物为主。经工业分析显示原煤灰分平均13.04%～15.89%，硫分平均0.12%～0.18%，Qgr,d全区平均为24.33～25.08 MJ/kg，Qnet,d平均在23.55～24.14 MJ/kg，透光率平均35%～47%，确定本区的煤层以褐煤二号为主，属低灰、特低硫、中高发热量煤。

2)矿区煤洁净等级综合评级中，12煤、21煤、31煤和32+3煤洁净等级均为Ⅱ级，属好洁净煤，洁净程度较高。

3)根据矿区煤层煤质特征分析及煤洁净等级划分结果，确定矿区原煤属高挥发分、中高固定碳、中高发热量、中等结渣、焦油产率较高、有害元素含量低、好洁净煤。煤炭质量较好，可减少煤炭开发、利用过程中产生的污染，是较好的动力用煤、气化用煤和炼油用煤原料，实用广泛，经济价值较大。

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