地质因素对炼焦煤煤质及成焦特性的影响研究

王 岩，杨承伟，曲思建

( 1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；4.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

煤的物理和化学性质由成煤环境及其成岩作用过程中的变化所决定。成煤地质因素直接影响煤炭在炼焦过程中能量输出和成焦性能的优劣。煤炭的清洁高效利用的工艺性质根本由变质程度和煤岩组成决定，显微组分的种类和组成等特征的差异，会造成不同的物化性质及工艺性能[1-6]。基于我国优质炼焦煤资源短缺背景，探讨煤岩组分性质的差异，可为煤炭的分质利用提供依据。

炼焦用煤的选择和配比的重点是研究煤中显微组分的组成和含量，利用镜质组反射率鉴别配煤种类等。煤的显微组分的组成、分类、含量和成因特征，都会影响炼焦用煤的品质，其中显微组分的种类和含量影响尤为突出[7]。从早古生代到新生代，成煤环境从浅海—滨海过渡相—陆相演化，形成的煤在物质成分和性质等方面也发生相应的变化。晚古生代海陆过渡相形成的煤黏结性较强，而中生代以来陆相形成的炼焦煤的粘结性相对较弱。对不同聚煤时代煤岩组分和煤化程度相近的煤进行对比研究后可知，其化学工艺性质，尤其是粘结性有很明显的差异，而且煤岩成分不同、煤化程度相近的煤也具有这种特征。这些粘结性强的煤都形成于海陆过渡相。这种现象不仅表现在不同时代煤之间，而且同一时代、不同沉积环境的煤还原性也不相同，所以沉积环境及其沼泽水介质的变化是影响煤岩煤质发生变化的重要因素之一。

目前针对地质因素对成焦特性的研究仅仅集中表述显微组分的差异对成焦性质的影响，并没有结合地质因素和成煤环境等根本控制因素进行讨论。针对我国优质焦煤资源枯竭现实问题，研究地质因素对炼焦煤及其成焦特性的影响，用地质的视角指导配煤炼焦过程中煤炭的最大化和最优化利用，进而提出以煤地质学为基础研究炼焦煤煤岩煤质差异性的地质地球化学控制因素(物源性质、构造沉降、沉积环境和湖平面变化等)，具有重要意义。本文综合运用煤化学、煤岩学、煤地球化学方法，通过光学显微镜和煤岩自动分析系统研究了沁水煤田炼焦煤的岩石学特征。通过工业分析和灰成分分析确定炼焦煤的主要化学成分组成和受物源影响程度，并结合研究区地质背景和沉积相确定煤岩组分差异、煤质特征差异和成焦特性差异的地质控制因素。

1 地质背景

1.1 层序Ⅰ古地理特征

沁水煤田石炭二叠纪岩相古地理图如图1所示，从图1(a)中看出，本层序发育有三角洲平原相、障壁岛相、潟湖相、潮坪相、和碳酸盐陆棚相。物源方向主要来自山西省西北部内蒙古古陆(阴山古陆)，而海侵方向在沁水煤田北东向。层序Ⅰ的煤层基本发育在潮坪—潟湖的沉积环境[8，9]。在聚煤中心区域内泥炭沉积速度和地壳沉降速率有较好的一致性时，泥炭可以此时期连续发育，形成的煤层也会较厚；当泥炭堆积速率大于地壳沉降速度，泥炭堆积从聚煤中心向外扩展，并发展成彼此相连形成基底不平的大型沼泽。

图1 沁水煤田石炭二叠纪岩相古地理图

1.2 层序Ⅱ古地理特征

从图1(b)可知，层序Ⅱ从下至上有河流相，上三角洲平原相，下三角洲平原相，潟湖—潮坪相，障壁岛相以及碳酸盐陆棚相等[10]。物源方向主要来自研究区西北部的阴山古陆，海侵方向则由山西阳泉以东的地区转移到山西高平地区南东方向。上三角洲平原发育聚煤中心，向海侵方向泥炭沼泽越不发育。障壁岛可以阻止海水的大规模侵入，使得障壁岛后区域水动力条件不足，水体深度增加，有利于泥炭沼泽和潮坪环境的发展。

1.3 层序Ⅲ古地理特征

层序Ⅲ主要的沉积相为冲积平原相、河流相、三角洲平原相、三角洲前缘相、潮坪—潟湖相。物源来自西北向，海侵则来自研究区东南向。层序Ⅲ的煤主要形成于三角洲平原相，煤层较厚、煤质较好，而三角洲前缘及潮坪—潟湖环境形成的煤层相对较薄。主采煤层形成于三角洲平原环境的泥炭沼泽中，总体上聚煤条件好，发育的煤层厚，往三角洲前缘及潮坪—潟湖煤层变薄。

2 煤岩煤质特征

2.1 煤岩学特征

煤的组成比较复杂，用肉眼观察可以分辨出不同的宏观煤岩类型；在镜下可以分辨出不同的显微煤岩类型和显微煤岩类型。镜质组是由植物的木质纤维组织受凝胶化作用转化形成的显微组分(图2)。低中煤阶时，镜质组反射光下呈灰至浅灰色；挥发分产率较高，黏结性最好，是炼焦的最主要成分。

图2 研究区煤中均质镜质体

影响显微组分的地质因素主要有成煤母质类型、成煤期气候环境、泥炭沼泽环境，古森林火灾等因素[11-16]学术界现已达成共识是成煤母质从根本上决定了显微组分类型的演化。成煤期的气候条件可以直接影响到成煤母质和聚煤环境。成煤环境的氧化-还原性、酸碱度、埋藏速率等对显微组分有很大的影响，尤其是镜质组和惰质组的含量占比受成煤环境影响很大。惰质组一般是由植物残骸受到丝炭化作用形成的(图3)，当成煤植物的组织在积水较少，湿度不足的条件下，木质纤维组织经脱水作用和缓慢氧化作用，或者受到火焚后，又转入缺氧环境，经进一步煤化作用后形成惰质组。煤中两大组分通常不是独立存在，经常观察到两种组分共存(图4)。

图3 研究区煤中丝质体和半丝质体

图4 研究区煤中镜质体和惰质体共存

2.2 煤质特征

研究区煤的工业分析和结焦性结果见表1。YT煤，GX-2煤，LS-10煤和MY-9煤的平均灰分产率分别为9.12%，8.51%，9.97%和7.81%，均属于低灰煤；PY-10煤，GX-8煤和 MY-2煤的平均灰分产率为10.25%，10.07%和10.99%。可以看到，研究区灰分变化不大，产率稳定在10%左右。全硫含量变化很大，最低仅为0.47%，最高可达2.65%，山西组和太原组含硫量分异明显。研究区煤的平均最大反射率范围为1.04%～1.64%，煤类主要为焦煤。通过焦炭反应性测定和反应后强度数据可知，同种煤类焦炭的反应性和强度大小不一，这就需要从煤岩学和煤地质学角度去解析。

表1 研究区煤质特征

2.3 成焦特性表征

由表2中胶质层厚度及粘结指数等指标可以看出，研究区各煤的粘结性及流动性较好且差别不大；活惰比从1.038到1.687不等，活性组分含量与反射率有较强的正相关关系，活惰比高的煤，反射率较高。焦炭反应后强度与活惰比也呈现较强的正相关性。焦炭的抗碎强度(M40)强度集中在80左右，仅MY煤所得的焦炭抗碎强度为79.2，并且其耐磨强度(M10)最高，达6.8。

表2 研究区样品煤焦性质

3 炼焦用煤煤质的地质影响因素

影响炼焦煤质特征的主要地质因素贯穿于煤炭的发育、形成、后期改造全过程，煤炭在发育过程中的差异性保存就会影响煤中显微组分和无机组分的组成、种类、含量等；煤化作用阶段控制着煤炭的变质程度、煤级和煤类。从地质的角度去探究炼焦用煤的成因、性质和利用途径是解决实际生产中的配煤混乱和不精准问题的关键所在。本次研究主要从源区物源性质、构造沉降、沉积环境和湖平面变化四个方面着手，探讨泥炭聚集时期煤质差异的主要控制因素。

3.1 源区母岩性质

陆源区母岩性质与主要含煤盆地中发育的煤层的矿物质种类、含量和地球化学背景值有密切的关系[17]。相对于成煤环境稳定的地区，沉积过程对煤炭影响较小，铝硅比这一地球化学指标可以有效地反映成煤过程中除原地基底外源岩的性质。铝硅比值在3～8指示源岩主要为基性组分，8～21指示源岩为中性组分，21～70指示源岩为酸性。这个指标广泛应用于各大煤田，例如云南主要煤田[18]、内蒙古大青山煤[19]、贵州晚二叠世煤[20]、Kentucky煤[21]以及吉林省煤[22]。诸多研究也应用这一指标推断不同煤田煤的源区母岩性质。研究区在成煤期远离阴山物源区(图1)，铝硅比均未超过1(表3)，说明研究区受物源区影响很小。

3.2 构造沉降速率

聚煤盆地基底的构造沉降速率往往控制着泥炭沼泽的形成，进而影响泥炭沼泽的水位、成煤植物的埋藏情况，最终反映在煤的显微组分差异和无机质的含量方面[23]。相较于伸展裂陷或前陆冲断陡坡带背景的盆地构造部位，大型坳陷或前陆盆地地区的基底沉降速率明显较高。伴随着基底沉降速率，盆地内泥炭的堆积速率若与沉积速率相匹配，则泥炭沼泽会稳定保持在低水位，保证泥炭堆积持续发生，所形成的煤通常具有较高的镜质组含量，无机质含量也相对较高。例如我国东北早白垩世、古近系和云南新近系断陷盆地煤中镜质组含量甚至可以超过90%[24-27]，鄂尔多斯侏罗系大型含煤坳陷盆地煤中镜质组含量一般在40%上下，局部可达60%以上[28，29]。

表3 研究区煤的灰成分

研究区印支期地块总体构造格局是近南北方向展布的大型隆起和坳陷(图1)。分布于隆起带的煤级较低，如临汾地区，分布有长焰煤、气煤、气肥煤。而分布在坳陷带的煤级较高，如长治是中高变质煤。山西中部阳泉—太原西山—离石东西一线为中高变质煤，南部吕梁山至霍山间的霍西煤田灵石—霍县一带，以中变质的肥煤、焦煤为主，部分为瘦煤和贫瘦煤。坳陷带由于受到挤压和地温的影响，煤的变质程度高，并且呈现高活惰比。所产的焦炭质量较好，焦炭的反应后强度高，抗碎强度(M40)大，耐磨强度(M10)小等特点。

3.3 沉积水位

泥炭沼泽的覆水程度直接控制沼泽氧化-还原性和无机质来源，覆水程度深的沼泽通常处于还原环境，水体平静也能沉积较多的无机质，在所形成的煤层中镜质组含量、矿物质含量相对较高[30-32]。

研究区山西组煤层形成时，泥炭沼泽以弱氧化或弱还原环境为主，沼泽覆水浅，水流活动性强；煤相的垂向演化一般由浅覆水滞流沼泽相经浅覆水活流沼泽相，进而变为干燥沼泽相。所以，泥炭堆积时凝胶化作用弱，丝炭化作用强。反映在煤岩组成上，煤中惰质组含量增高。也正是由于此特点，导致煤层的黏结性有差异。山西组煤多具有透镜状、线理状结构和微波状层理，反映煤相较弱覆水的低位泥炭沼泽特点。研究区北部在泥炭沼泽发育时为注水区，水动力作用较强，水流顺着地势向研究区中部进发，水流的定向流动会将形成的凝胶化物质带走，从而降低了煤中的镜质组含量。

研究区太原组煤中镜质组含量最高，煤中矿物硫铁矿较多，镜煤条带较多，呈较规则的水平层状构造，反映近海强覆水低位泥炭沼泽的特点。海水的多期次侵入，形成不连续的三角洲相、泻湖相、潮坪相等沉积环境(图1)，主要为弱还原-还原环境。太原组形成时，多次的广泛海侵，使泥炭堆积处于近海型聚煤环境，受海水影响，沼泽介质酸度降低，呈中性或弱碱性，有利于微生物大量繁殖，沼泽中植物残体木质部的生物降解作用显著增强。植物残体处于沼泽水上部分遭受腐朽作用向氧化丝质体演化。水下部分遭受强烈的生物降解凝胶化作用后，大部分膨胀降解成水溶凝胶。

3.4 挥发分产率的地质影响因素

挥发分产率在煤化作用中主要受温度、压力和时间的影响。随着煤层埋藏深度的加深，地热增温率逐渐增高，挥发分产率随之降低。可以发现，地热增温率的高低决定煤的挥发分产率的高低。在低煤级阶段，煤中的挥发分产率主要受显微组分的影响；壳质组具有最高的挥发分产率，惰质组具有最低的挥发分产率，镜质组介于两者之间[33]。但是，随着变质程度的增加，挥发分呈现降低的趋势。研究区煤的挥发分产率是山西组的挥发分产率一般都高于太原组煤。显微煤岩分析结果表明，煤中惰质组含量相对较高，而镜质组含量一般较低。而惰质组的挥发分较镜质组低，如图5所示。这是因为山西组煤在形成时，泥炭沼泽环境相对比较干燥导致的。

图5 挥发分与最大反射率的关系

研究区煤的挥发分产率在 17%～30%之间，挥发分产率分布特征为中部低于东部和西部，这与煤类分布呈现相同趋势。研究区东部挥发分出现双值特征，即同一地区，不同煤层，挥发分产率出现最高值和低值。研究区煤的挥发分产率与镜质组含量具有明显的正相关关系(图6)，指示煤岩组分的差异在一定程度上影响了挥发分产率的分布。灵石和长治太原组煤层煤中挥发分产率普遍高于平遥，介休和古县的山西组煤层，这种挥发分产率倒置现象，并非热作用所致，主要由于太原组煤层形成于相对还原的沼泽环境，具有相对高的镜质组含量有关。

图6 镜质组含量与挥发分产率的关系

4 结 论

1)在煤地质研究方面，显微组分的变化与沉积环境的氧化还原性、覆水深度等有密切相关。显微组分中镜质组形成于强覆水还原条件，惰质组形成于氧化条件。结果显示，炼焦用煤的工艺性优劣取决于显微组分组成、水体流动性、氧化-还原性及煤相特征，氧化还原性为强还原、浅覆水的低位沼泽环境条件下煤的镜质组越高，这一结果对预测煤的结焦性具有借鉴意义。

2)地壳运动和构造运动影响不同构造区煤的成焦特性。分布于隆起带的煤级较低，而分布在坳陷带的煤级较高，坳陷带由于受到挤压和地温的影响，煤的变质程度高，并且呈现高活惰比。所产的焦炭质量较好，焦炭的反应后强度高，抗碎强度大，耐磨强度小等特点。

3)炼焦煤的工艺性质实质上就是煤的显微组分组成和煤化程度的反映。煤岩学的手段和方法在探究煤的形成过程之时也同样解释了煤炭利用方式不同的根本差异。今后随着科技的进步，煤分子结构研究必然是发展方向，基于煤岩组分尺度上的研究基础，分子结构尺度的研究必定会为煤化工的绿色高效发展提供新的机遇和挑战。