1. 引言
研究区位于陕北石炭二叠纪煤田府谷矿区西北部，因受构造影响，煤层埋藏较深，区内地质工作程度较低，煤层煤质特征研究处于空白 [1] [2] [3] 。由于煤质特征对煤炭资源开发和利用起着决定性作用，因此本次研究通过对比煤质实验数据，对马家梁–房子坪地区4号煤层的煤质特征进行了分析评价，总结出区内4号煤层的硫分、灰分等重要煤质指标和煤类分布的特征，对煤炭资源的合理开发利用具有指导意义。
2. 地质概况
马家梁–房子坪位于府谷县城以北，距县城约45~60 km处，呈南北向带状展布，南北向长约10.77~14.12 km，东西向宽约7.7 km，面积约101 km2。行政区划隶属陕西省府谷县麻镇和哈镇管辖。
研究区含煤地层为石炭系上统太原组(C2t)和二叠系下统山西组(P1s)，发育可采煤层5层，自上而下编号为2、4、6、8、9-2煤，其中2、4号煤层位于山西组，6、8、9-2号煤层位于太原组。
4号煤层是区内主要可采煤层之一，位于山西组第一旋回上部，层位稳定，分布广泛，厚度5.17~24.88 m，平均10.82 m，煤层结构较复杂–复杂，一般含3~5层夹矸，夹矸岩性主要为泥岩，次为炭质泥岩。4号煤层厚度大，资源量丰富，分析研究其煤质特征，对今后煤炭资源开发利用具有重要意义。
3. 煤岩特征
3.1. 物理特征及宏观煤岩组分
4号煤层物理性质为黑色，条痕褐黑色，沥青光泽，常见阶梯状、参差状和少量棱角状断口，硬度中等，性较脆。内、外生裂隙发育。条带状结构，层状、似层状构造。依据本次钻孔化验资料，4煤视密度平均值为1.47 × 103 kg/m3，真密度平均值为1.55 × 103 kg/m3。
宏观煤岩类型以半亮型、半暗淡型煤为主，次为暗淡型，偶见光亮型煤。
3.2. 显微煤岩组分
据钻孔显微煤岩资料(表1)，4号煤层有机总量为75.6%~91.7%，镜质组含量33.9%~55.6%，镜质组主要为基质镜质体、均质镜质体、结构镜质体；惰质组含量31.2%~38.8%，主要为丝质体、半丝质体及它们的碎片体，粗粒体、碎屑惰质体；壳质组含量2.7%~3.9%，主要为孢子体、角质体、树脂体、树皮体。无机显微组分以粘土类矿物为主，呈团块状、微层状、充填细胞胞腔，含量为6.9%~23.7%，碳酸盐类矿物次之，呈方解石脉状充填于裂隙中，含量0.8%~1.3%。
Table 1. Test results of maceral content and reflectivity
表1. 4号煤层显微组分含量及反射率测试结果表
3.3. 煤化程度
4号煤层在显微光度计上的油浸反射光下所测定的镜质组平均最大反射率(表1)为0.70%~0.74%，根据《镜质体反射率的煤化程度分级》(MT/T 1158-2011)，4号煤煤化程度属中煤级煤第II阶段。
4. 工业分析
4.1. 水分
对4号煤层的原、浮煤样品进行分析，原煤水分含量为2.33%~3.51%，平均2.99%，浮煤水分含量为1.20%~2.97%，平均2.07%，原、浮煤都属特低水分煤。
4.2. 灰分产率
4号煤原煤灰分(Ad) 14.72%~31.26%，平均21.43%，按照《煤炭质量分级标准第1部分：灰分》(GB/T 15224.1~2010)，总体属低灰–中灰煤。从4号煤层灰分产率等值图(图1)中可以看出，灰分具西高东低特征，西部以中灰煤为主，东部以低灰煤为主。浮煤灰分6.47%~9.85%，平均8.20%。
4.3. 挥发分产率
原煤干燥无灰基挥发分产率为36.16%~40.38%，平均38.59%，浮煤干燥无灰基挥发分产率为36.27%~39.94%，平均37.75%。按《煤的挥发分产率分级》(MT/T 849-2000) [4] ，4号煤层属高挥发分煤。
4.4. 灰成分
原煤煤灰成分经煤样测试表明(表2)，4号煤层煤灰成分主要为二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、三氧化二铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、二氧化钛(TiO2)、三氧化硫(SO3)、氧化镁(MgO)、氧化钾(K2O)及氧化钠(Na2O)等。其中以二氧化硅为主，三氧化二铝其次，其余含量较少。
5. 元素组成
5.1. 元素分析
4号煤层原煤经煤样分析测试，其中碳含量为78.46%~81.72%，平均80.85%，浮煤碳含量为80.84%~82.6%，平均81.94%；氢含量为4.61%~5.30%，平均5.07%，浮煤氢含量为5.05%~5.46%，平均5.25%；氮含量为1.24%~1.47%，平均1.39%，浮煤氮含量为1.38%~1.54%，平均1.45%；氧含量为11.81%~15.22%，平均12.53%，浮煤氧含量为10.17%~12.00%，平均10.77%。碳氢比为15.96，氮氢比为0.27。
Figure 1. The ash contour map of seam No. 4
图1. 4煤灰分等值线图
表2. 4号煤层煤灰成分
5.2. 有害元素
5.2.1. 硫
4号煤层原煤全硫(St,d)含量0.32%~0.81%，平均0.45%。按照《煤炭质量分级标准第2部分：硫分》(GB/T 15224.2-2010) [5] ，属低硫煤。由硫分等值线图(图2)可知，4号煤层硫分总体变化不大，东部略高于西部。浮煤全硫含量0.44%~0.80%，平均0.55%。
4号煤层原煤各种硫以有机硫(So,d)为主，为0.22%~0.43%，平均0.34%，硫化铁硫(Sp,d)次之，为0.04%~0.36%，平均0.13%，硫酸盐硫(Ss,d)含量最次，为0.01%~0.01%，平均0.01%；浮煤以有机硫(So,d)为主，为0.42%~0.64%，平均0.52%，硫化铁硫(Sp,d)次之，为0.01%~0.16%，平均0.05%，硫酸盐硫(Ss,d)含量最次，均为0.01%~0.01%，平均0.01%。
Figure 2. The sulfur contour map of seam No. 4
图2. 4煤硫分等值线图
5.2.2. 其它有害元素
煤样测试结果表明：4号煤层原煤磷分含量为0.008%~0.050%，平均0.027%，总体属低磷煤；原煤氯含量为0.175%~0.607%，平均0.259%，总体属中氯煤；原煤氟含量为113~572 μg/g，平均294 μg/g，总体属高氟煤；原煤砷含量为0~1 μg/g，经过浮选后砷含量为0~1 μg/g，属特低砷煤。
6. 工艺性质
6.1. 发热量
4号煤原煤干基高位发热量为18.02~27.74 MJ/Kg，平均22.29 MJ/kg，经洗选后，浮煤空气干基高位发热量28.91~30.77 MJ/Kg，平均为29.84 MJ/kg。依据《煤炭质量分级标准第3部分：发热量》(GB/T15224.3-2010) [6] ，8号煤属中高发热量煤。
6.2. 其它工艺性能
1) 煤的粘结性和焦渣特性：4号煤层粘结指数为26~81，平均48；煤层原煤焦渣特征一般为4~6，主要为5，浮煤焦渣特征一般为5~6，主要为6；煤粘结指数和焦渣特征数据表明，4号煤属弱粘结煤，结焦。
2) 煤灰熔融性：4号煤层煤灰软化温度较高，为1360˚C~ > 1500˚C，属较高~高软化温度灰级别。
6.3. 煤类
依据采样测试分析结果，按《中国煤炭分类》(GB/T 5751-2009) [7] ，采用浮煤挥发分产率(Vdaf 900˚C)和粘结指数(GR∙I)两项指标对4号煤进行分类，4号煤煤类以气煤为主，少量1/2中黏煤。
7. 结论
1) 马家梁–房子坪研究区4号煤层属低水分、低灰–中灰、高挥发分、中高发热量、特低硫、低磷、中氯、高氟、特低砷煤。
2) 该煤层较稳定，全区可采，煤类以气煤为主，应用范围广阔，可用于动力用煤、液化用煤、气化用煤及炼焦配煤。
基金项目
本文由陕西省地勘基金项目“陕西省陕北石炭–二叠纪煤田府谷矿区马家梁–房子坪勘查区普查”(编号1212011120888)资助。