多煤层煤质分析法研究

郑雪

（山东省煤田地质局 第五勘探队，山东 济南 250100）

0 引 言

煤炭资源是我国重要的能源之一，占我国一次能源的比重达到了75%[1-2]。随着工业化社会的深入发展，对资源的消耗进一步加剧。尤其是对于电能的消耗，截止到2020 年由煤炭燃烧所代表的火力发电更是占到了我国发电比重的69%[3]。但由矿井开采的煤炭不能直接投入到生产使用之中，其原因在于原煤在开采和运输过程中，无法避免地混入了岩石等各种杂质，随着煤炭开采进入了机械化阶段，其杂质含量往往更高，导致煤炭质量下降[4]。因此在煤炭开采之后为了满足不同用户的需求，需要对原煤进行选煤操作用以去除煤炭中的杂质和含硫量以此方法提高煤炭质量[5]。一般围绕煤矿的开采会在其周边设置一系列配套设施，如选煤厂来大量节省人力和运输成本。但传统的选煤厂的选洗系统洗煤效果有限，无法将原煤全方位选洗，仅能起到排矸的用途，使得此种煤炭质量较低，往往销售价格低廉无法发挥其经济效益。因此选煤厂的设计需要考虑当地煤质情况及煤炭的用途，选定合适的选煤方法与工艺流程对于发挥煤炭的最大经济效益有着重要作用。针对选煤，不少学者进行了研究，李宝明[6]针对煤质分析和检查对选煤厂设计的重要性进行了研究，认为煤炭的形成和外界条件密切相关，不同的环境下形成的煤炭类型不同，即便在同一矿区中也可能出现截然不同的煤质，针对选煤厂的设计应当首先对煤质进行全方位检查，进而保证煤炭质量；李鹏波[7]以王坡选煤厂的水处理系统为对象，针对煤炭的产量和质量进行了研究，并提出了相应的改造工艺，结果发现在应用改进后的选煤系统的工艺之后，精煤产量提高了3.42%，且单位介耗与药耗明显降低，大幅度节省了成本的同时提高了精煤产量。虽然学者们对于洗煤工程及煤质的分析方法进行了大量研究，但鲜有研究针对具体的煤矿工程总结性地提出煤质分析的相关理论方法并进行系统的论证。

本文以东欢坨矿井选煤厂为对象，针对其中的选煤工程，采用多煤层煤质分析法对矿井中的多个煤层煤质数据及开采比例进行研究并与传统分析法的优缺点进行对比，为多煤层煤质分析法在实际工程的应用提供指导作用。

1 工程概况

东欢坨矿井属于开滦有限责任公司，位于开平煤田车轴山两侧处。矿井总体井田面积达42 km2，斜向长14 km，宽3 km。经多次地质勘探结果显示，井田处含有41 条大断层。煤田地质地层属石炭二叠系地层，共有17 层含煤层，其中可开采煤层占9 层，可开采煤层为5、7、8、9、10、12-1、12-2、12-3、14-1 号煤层、9 层总厚度约为19.8 m，本文针对其中的8、9、10、12-1、12-2 号煤层进行研究。对于可开采煤层的灰份和硫份，8、9、10、12-1 号煤层的灰分平均为16%，8、9 号煤层的硫份小于1%，为低硫含量煤，10、12-1 号煤层的硫份为2%左右，为中硫含量煤。

井田所处区域为独立水文单元，各个煤层涌水量均不相同，其中可开采煤层中5 号煤层为强含水层，7、8、9、10、12-1 号煤层为弱含水层，12-2号煤层为极强含水层。在地下500 m 以上的煤层中，所探测到的最大出水量为65 m3/min，远大于正常出水量35 m3/min。

本文所研究的8、9、10、12-1、12-2 号煤层，平均每层厚度约为1.4 m，煤层自西向东存在22°～29°不等的倾角，5 个研究煤层的平均倾角约为24°，煤层构造较为简单，煤炭主要以生产气煤为主。受地质构造影响，位于风道口附近70 m 出存在明显的薄煤层，该层厚度平均0.7 m 左右，薄煤层由风道口向开采区域延伸约45 m。5 个研究煤层的开采区域厚度约为1.7 m，平均可开采指数为0.9，平均变异系数约为32.5%。

2 研究方法

2.1 传统分析法

首先采用传统分析方法对不同时间段的原煤质量进行分析。由于使用传统分析法进行分析需要获取不同时间段的煤矿开采接续表，因此本文收集了2020 年东欢坨矿井每月在8、9、11、12-1、12-2号煤层的开采情况，见表1。

表1 煤层开采情况Table 1 Eoal seam mining situation

对于传统分析方法，基于上述不同时间段的煤矿开采接续表，确定各月不同煤层的开采比例及其开采量，之后将8、9、11、12-1、12-2 号煤层的开采情况按照所确定的开采比例进行加权平均用以获取矿井原煤的出井数据，基于此便可得对所有煤层出井的原煤煤质进行分析，最后按照不同时间段进行排序处理，得到东欢坨矿井各时间段不同煤层的原煤煤质分析数据。

2.2 多层煤质分析法

区别于传统的煤质分析法，多层煤质分析法首先对研究的8、9、11、12-1、12-2 号煤层进行统计分析，根据不同煤层之间表现出的性质将其进行归类处理，经统计分析发现8 号煤层和9 号煤层性质较为相似，其余3 种煤层性质相近，因此将8 号煤层和9 号煤层归为一类，为了便于后文分析，这里将其简称为上煤，11、12-1、12-2 号煤层归为一类，简称下煤。

在此统计分析下，原来需要分析的5 个煤层简化为了2 个，在此简化条件下，将开采层的原煤开采情况进行比例划分，这里将上煤与下煤之比划分为11 种情况，并在确定配比的情况下绘制了所生产的两种不同类型的煤与配比的利润变化曲线，如图1 所示。通过两种不同类型的煤的利润变化曲线便可以确定所需生产煤的煤层配比，将利润最大化。

图1 动力煤和炼焦煤随煤层配比的利润变化曲线Fig.1 Profit variation curve of thermal coal and coking coal with coal seam ratio

3 结果分析

3.1 工业指标分析

为了在工业指标层面对煤质进行分析，收集并获取了8、9、11、12-1 号煤层所开采的原煤的灰分、硫分、挥发分、发热量、胶质层、粘结指数等工业指标，各煤层所开采的原煤工业指标见表2。

表2 各煤层所开采的原煤工业指标

表2 为各煤层所开采的原煤工业指标，从表2的数据可以看出，各工业指标中，8 号煤层与9 号煤层之间的灰分、硫分、挥发分、发热量、胶质层、粘结指数等工业指标较为相近，二者所表现出的共同点在于灰分相对较高，硫分相对较低且二者发热量与粘结指数均较低，而11 号煤层和12-1 号煤层之间的指标较为相近，二者所表现出的共同点在于灰分相对较低，硫分相对较高且二者发热量与粘结指数均较8 号煤层与9 号煤层高。

3.2 粒度组成分析

煤炭的粒度组成特点主要取决于煤层的开采方式和赋存方法，不同的开采方式和赋存方法，对原煤的粒度影响极大，对于研究煤层的赋存和开采方法，本文将其总结并统计得到了8、9、11、12-1、12-2 号煤层的赋存及开采统计表，见表3。

表3 研究煤层各层的赋存及开采方式统计表Table 3 Statistical table of occurrence and mining methods of each layer of coal seam

表3 为各煤层所开采的原煤工业指标，从表3数据可以看出，各煤层的赋存和开采方式中，8 号煤层与9 号煤层之间的赋存条件较为相近，原煤开采方式均为轻型综采且二者煤层厚度均在3 m 以上相对较厚，而11 号煤层和12-1 号煤层、12-2 号煤层之间的赋存条件较为相近，三者的开采方式均为只采不放且厚度均在2～3 m，相对上煤较薄。

3.3 浮沉组成分析

原煤的浮沉组成特性主要体现在基元灰分和浮物累积性，对于研究煤层不同的基元灰分，本文将其按照1.3～1.8 归纳为7 个不同的密度级别，总结并统计得到了8、9、11、12-1、12-2 号煤层的不同密度级下的基元灰分统计结果，见表4。

表4 研究各煤层在不同密度级下的基元灰分统计结果Table 4 The statistical results of elemental ash of each coal seam at different density levels

表4 为8、9、11、12-1、12-2 号煤层在不同密度级下的基元灰分统计结果，从表4 的数据可以看出，8 号煤层和9 号煤层在不同密度级下的基元灰分相差不大，二者在1.3～1.6 低密度级区间内的基元灰分均较高，而11、12-1、12-2 号煤层在不同密度级下的基元灰分较为相近，三者在1.6～1.8高密度级下的基元灰分均较高。

对于研究煤层浮物累积性，本文针对不同煤层中1.4 密度级下的150～ 0.5 mm 的浮物累计情况，总结并统计得到了8、9、11、12-1、12-2 号煤层中原煤浮物累计情况统计结果，见表5。

表5 研究各煤层的原煤浮物累计情况统计结果Table 5 Statistical results of the accumulation of rawcoal floats in each coal seam

表5 为8、9、11、12-1、12-2 号煤层中原煤浮物累计情况统计结果，从表5 的数据可以看出，8 号煤层和9 号煤层在1.4 密度级下的浮物累计灰分均在13.6%左右，但二者产率却相差6%～7%，同理11、12-1、12-2 号煤层灰度相近产率却呈现出较大区别，其可能原因在于原煤灰分不同所致，因此在表5 所示数据的基础上，将上煤和下煤的灰分进行同一化处理，并将结果绘制成了如图2 所示的各煤层下的原煤浮物累计灰分曲线。

图2 各煤层下的原煤浮物累计灰分曲线Fig.2 Accumulated ash curve of rawcoal float under each coal seam

图2 为修订后的各煤层下的原煤浮物累计灰分曲线，从图2 中可以看出，针对同一密度级8 号煤层和9 号煤层的原煤浮物累计灰分相近，二者具备相近的浮沉性质；而11、12-1、12-2 号煤层的原煤浮物累计灰分相近，三者具备同一浮沉性质。

综合上述三方面的分析可知，无论是从工业指标、粒度组成或是浮沉组成，所划分的上煤或是下煤具备相似的性质，因此针对此种相似性质的煤层可共用同一煤质资料进行分析，相较于传统的逐层加权分析方法，简化后的分析法可以大大提高分析效率，减少分析误差。

4 结 论

本文依托东欢坨矿井选煤厂为对象，针对其中的选煤工程，采用多煤层煤质分析法对矿井中的多个煤层煤质数据及开采比例进行研究并与传统分析法的优缺点进行对比，得出了如下结论。

（1）对于工业指标、粒度组成和浮沉物组成相似性质的煤层可共用同一煤质资料进行分析，相较于传统的逐层加权分析方法，简化后的分析法可以大大提高分析效率，减少分析误差。

（2）通过煤层简化分析后获取的配比与利润规律，可以确定所需生产煤种的煤层配比，将利润最大化。