天然焦地質(zhì)勘查研究

苗 琦, 權(quán)巨濤, 秦云虎, 朱文偉，王 佟

(1.自然資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100034； 2.中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038；3.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院，江蘇徐州 221006； 4.安徽省煤田地質(zhì)局，合肥 230088)

0 引言

天然焦作為煤的共伴生礦產(chǎn)，對天然焦無勘查技術(shù)標準或規(guī)范，無資源量分類標準和估算指標，估算的資源量一直未被列入礦產(chǎn)資源儲量表。特別是《礦產(chǎn)資源綜合勘查評價規(guī)范》(GB/T 25283-2010)已發(fā)布實施，要求今后對天然焦應(yīng)隨煤一起進行綜合勘查綜合評價工作，因此，研究其勘查類型、勘查工程間距、勘查方法、質(zhì)量要求、可行性評價與資源儲量估算等方面要求指導(dǎo)天然焦資源的勘查與評價工作。

1 天然焦概況

我國天然焦勘查研究始于1956年，華東地質(zhì)勘查局325地質(zhì)隊王東爵工程師在勘探淮北閘河煤田時，首次發(fā)現(xiàn)并提出“天然焦”的概念，同年，國內(nèi)開始對天然焦礦石用于冶煉進行了研究[1-2]。國際上，日本、印度、美國等曾有天然焦成因、結(jié)構(gòu)及巖相特征分類研究的報道[3-9]。

1980年以來，天然焦的勘查、開發(fā)、利用等相關(guān)領(lǐng)域的研究工作陸續(xù)在國內(nèi)礦山企業(yè)、勘查單位、科研機構(gòu)、大專院校展開[10-12]。目前，我國有173個礦種，天然焦尚未作為單獨礦種，在BG/T25283-2010《礦產(chǎn)資源綜合勘查評價規(guī)范》附錄A中被明確為煤炭的共伴生礦石礦產(chǎn)。天然焦作為客觀存在的礦石資源，它具有一定的燃燒熱值、低灰分、低電阻率、低硫等特征，可用來代替燃料資源、或作化工原料和電器工業(yè)原料。礦石產(chǎn)品主要用于發(fā)電配煤[13-15]、民用型煤[11,16]、燒制水泥等燃料[8]，氣化用煤[8]、制造電石[17]、化工原料[18-21]、電子工業(yè)原料[22-23]、建材[18,24-25]等工業(yè)性選冶利用尚處于研究或小規(guī)模試驗階段。

本文指的天然焦是指巖漿侵入煤層，煤在巖漿熱和巖漿中的熱液與揮發(fā)性氣體等的影響下，受熱干餾而成的焦炭。據(jù)調(diào)研，我國的天然焦主要是這種類型(變質(zhì)型)，均產(chǎn)于含煤巖系原煤層頂?shù)装宸秶鷥?nèi)，主要分布在長江以北巖漿巖發(fā)育的含煤巖系地層中，集中在安徽、河南、江蘇、山東、河北、山西、遼寧、吉林、黑龍江九個省區(qū)，總資源量40億t左右。

2 天然焦礦床特征

2.1 天然焦礦床地質(zhì)特征

煤層在天然封閉環(huán)境中，當巖漿呈巖床或巖墻侵入，在高溫和熱液影響下，發(fā)生焦化作用，從而產(chǎn)生天然焦[26-28]。由于地下環(huán)境封閉，故天然焦的形成過程相當于單側(cè)煉焦時人工焦炭的形成過程。生成天然焦的類型和數(shù)量取決于巖漿溫度、侵入規(guī)模和接觸方式。Kwiecinska and Petersen應(yīng)用SEM-EDX分析方法對煤轉(zhuǎn)換成天然焦進行了研究[29]，解釋了天然焦組分的形成與溫度之間的關(guān)系，天然焦由焦化基質(zhì)、原生成分和新生成分三種組分組成。

影響煤接觸變質(zhì)作用形成天然焦因素包括：巖漿巖侵入體的規(guī)模、層位、產(chǎn)狀、形態(tài)和巖性，煤層厚度與結(jié)構(gòu)，原煤的變質(zhì)程度和頂?shù)装鍘r性，原煤中無機礦物含量等，基性、超基性巖漿對煤的接觸變質(zhì)影響大。

對淮北煤田天然焦礦床中的礦體特征進行了詳細研究[14]，認為礦體的特征分為外部形態(tài)特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征兩個方面，從工業(yè)利用角度來看，天然焦礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的變化對礦體勘查影響不大。從地質(zhì)勘查角度研究礦體，礦體厚度、形態(tài)、產(chǎn)狀和規(guī)模是影響地質(zhì)勘查的礦體外部形態(tài)特征。

煤層變質(zhì)形成天然焦后，由于礦體的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造均發(fā)生了明顯的變化[29]，使得天然焦礦體在含煤巖系地層中的地球物理測井和地震等方面顯示出自身的物性特征[30]，這些特征與同地共伴生的煤層具有明顯的差異。

2.2 天然焦礦石特征的認識

通過天然焦樣品物理性質(zhì)觀測、鏡下組分結(jié)構(gòu)鑒定和化學(xué)分析測試，結(jié)合前人的研究成果，對天然焦礦石特征的認識如下：

(1)宏觀物理特征。天然焦的宏觀物理特性與煤具有明顯的差異性。表現(xiàn)在天然焦顏色為灰黑色至鋼灰色，條痕深灰色，光澤暗淡，呈致密塊狀、多孔狀或?qū)訝顦?gòu)造，粒狀或角礫狀結(jié)構(gòu)，不具備煤的煤巖組分與類型特征。致密塊狀者比重大、多孔狀者比重相對較小，質(zhì)地堅硬。這些特征是各產(chǎn)品煤種所不具備的。

(2)顯微組分特征。天然焦的顯微組分特性與煤顯微煤巖特征具有明顯的差異性。表現(xiàn)在天然焦單偏光下透明的組分具高突起或中等突起，具有粒狀鑲嵌結(jié)構(gòu)、片狀(梳狀、束狀)結(jié)構(gòu)、破片結(jié)構(gòu)，顯示出組分重結(jié)晶，正交偏光下具有明顯的各向異性或各向同性消光現(xiàn)象，可見各種形態(tài)的氣孔，有時可見殘留的惰性組分碎片。光片顯微鏡下均可見黑色小球體，反射率比殘留的正常煤高。這些特征是區(qū)分煤的主要定性指標。

(3)化學(xué)性質(zhì)和工藝性能指標?？傮w上各項化學(xué)分析指標與煤(無煙煤、貧煤)沒有明顯的界線，尚未出現(xiàn)類似于煤炭分類的定量指標。但是，天然焦與同地的殘留煤揮發(fā)分產(chǎn)率、碳含量/氫含量比的指標相比較，表現(xiàn)為前者大幅降低，后者大幅提高。

(4)天然焦的微觀結(jié)構(gòu)。天然焦屬于從非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的無煙煤到晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的石墨的中間過渡物-隱晶質(zhì)半石墨化的無煙煤。

2.3 天然焦與煤的識別特征

天然焦礦石與煤礦石的區(qū)別主要體現(xiàn)在礦石宏觀物理特征、顯微特征和某些化驗測試指標[32-38]。

天然焦宏觀特征與無煙煤相比有明顯的差別，顏色呈黑灰至鋼灰色，條痕深灰色，表面粗糙，光澤暗淡，已不具備煤的原生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，多順裂隙破裂成碎塊，密度大。具有不同程度的六方柱狀節(jié)理，節(jié)理或裂隙內(nèi)有方解石、黃鐵礦、石英或巖漿巖細脈等礦物質(zhì)充填(表1)及殘留的煤炭斑塊或碎屑。

表1 天然焦與無煙煤的宏觀物理特征對比

與煤相比較，天然焦的測試項目中，揮發(fā)分(Vdaf)和氫含量(Hdaf)主要表現(xiàn)為降低，碳含量(Cdaf)、鏡質(zhì)組最大反射率(Ro,max)、視密度(ARD)等增加，見表2。其中，鏡質(zhì)組最大反射率、揮發(fā)分、氫含量和碳氫含量比值(w(C)/w(H))可作為天然焦與煤的劃分指標。

表2 天然焦與煤的主要測試項目特征對比

3 天然焦地質(zhì)勘查

3.1 樹立綠色勘查的理念

黨的十八大將生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會主義事業(yè)“五位一體”總體布局；黨的十九大指出建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計，要踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，實行最嚴格的生態(tài)環(huán)境保護制度，建設(shè)美麗中國。綠色勘查開發(fā)是礦產(chǎn)領(lǐng)域踐行生態(tài)文明戰(zhàn)略的具體舉措，是生態(tài)文明戰(zhàn)略背景下一種全新的勘查開發(fā)模式，也是是新時代保障國家能源資源安全的必然要求。綠色勘查是綠色發(fā)展理念在地質(zhì)勘查領(lǐng)域的具體實踐，是基于符合環(huán)保要求達到找礦效果的一種勘查新措施或新方法。

3.2 勘查類型及勘查工程間距的確定

勘查類型及勘查工程間距的確定主要采用類比法。一是收集全國同類礦種勘查資料，二是參照成礦地質(zhì)背景、礦床成因、控礦因素等特征相近礦種規(guī)范要求，三是結(jié)合全國天然焦分布主要省(區(qū))勘查實踐經(jīng)驗。本著“定性與定量相結(jié)合，重點考慮定性”的原則提出，一是天然焦地質(zhì)勘查工作在詳查階段以前(含詳查)均隨煤炭勘查進行，單獨的天然焦勘查只發(fā)生在勘探階段。在詳查之前獨立于煤炭勘查以外來研究天然焦的勘查類型和工程間距，會使研究的結(jié)果失去對天然焦地質(zhì)勘查工作的指導(dǎo)意義。二是大量的勘探資料表明，因巖漿侵入煤層的隨機性，造成天然焦的實際賦存狀態(tài)復(fù)雜，規(guī)律性較差。完全用定量方法確定勘查工程間距，不符合《固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范總則》“根據(jù)客觀地質(zhì)規(guī)律的要求，不同地質(zhì)可靠程度、不同勘查類型的勘查工程間距應(yīng)視實際情況而定”的原則。三是現(xiàn)有的天然焦資源主要分布于現(xiàn)有的煤炭勘探權(quán)或采礦權(quán)范圍內(nèi)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造類型對煤和天然焦是基本一致的，而影響天然焦的勘查線距(影響著資源控制程度高度)確定的主要因素是天然焦礦體的穩(wěn)定程度，且天然焦礦體的穩(wěn)定程度只會比原煤層降低，考慮到目前天然焦礦的獨立勘查很少，在勘探階段，原針對煤層的勘查工程線距對天然焦礦床顯得控制程度不足。因此，其控制資源/儲量級別的基本線距，只給出“控制的”和“推斷的”，大致相當于煤炭勘查線距的“降級”使用。

按井田構(gòu)造復(fù)雜程度分為四類，按天然焦層穩(wěn)定程度分為Ⅳ型。天然焦的構(gòu)造復(fù)雜程度與煤炭一致。按構(gòu)造推薦的鉆探工程間距為：控制的：簡單類500～1 000m，中等類500～1 000m，復(fù)雜和極復(fù)雜類不做具體規(guī)定。

按穩(wěn)定程度推薦的鉆探工程間距為：控制的：穩(wěn)定型500～750m，較穩(wěn)定型250～500m，不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定型不做具體規(guī)定。

3.3 開采技術(shù)條件要求

天然焦礦床產(chǎn)于含煤巖系，其水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)、焦塵爆炸性、焦自燃傾向性和地溫等開采技術(shù)條件特征與煤炭基本一致。

考慮到含天然焦的地層受巖漿巖影響，其焦層圍巖的工程地質(zhì)條件較煤炭復(fù)雜的實際情況，提出了“選擇數(shù)量不少于三分之一的工程地質(zhì)鉆孔采取焦樣，進行物理力學(xué)性質(zhì)試驗，并測定焦的堅固性系數(shù)(f)，研究焦層對加工、開采的影響”要求，著重強調(diào)天然焦礦體開采技術(shù)條件的查明程度。

3.4 礦石質(zhì)量研究程度要求

根據(jù)調(diào)研，巖漿侵入煤層中形成的天然焦礦體多數(shù)存在巖漿巖小巖體(脈)、細小的巖漿巖與天然焦混合體、天然焦與煤層混合體、純天然焦層、薄煤層多層共存的狀況，在平面和剖面上大致呈現(xiàn)出巖漿巖吞蝕區(qū)—焦巖混合區(qū)—純焦層區(qū)—焦煤混合區(qū)—煤層區(qū)，巖漿的侵入致使焦層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造較原煤層更為復(fù)雜，增加了天然焦開采、加工、利用的難度。針對這一特點，除了明確與煤炭相近似的要求外，還提出了對天然焦礦體中“巖漿巖巖性分布特征、以及巖漿巖對天然焦礦石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、物理力學(xué)性質(zhì)等變化的影響進行研究”的要求。

3.5 勘查工作質(zhì)量要求

(1)地形與工程測量、地質(zhì)填圖、水工環(huán)工作、地面物探：各個勘查階段與煤炭地質(zhì)勘查要求一致。

(2)勘查工程：考慮到天然焦一般受構(gòu)造控制，天然焦層可能會在地表前部出現(xiàn)，研究提出了采用地表槽探和淺深部鉆探工程對礦體進行控制的質(zhì)量要求。

(3)樣品的采集、加工、測試：樣品采樣測試是勘查工作中的重要內(nèi)容之一，參照執(zhí)行的是《煤炭資源勘查煤質(zhì)評價規(guī)范》。根據(jù)研究，天然焦礦石在物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、工藝性能、瓦斯、粉塵爆炸性、自燃傾向性等方面，其采樣種類和測試項目與煤炭基本一致。除了明確天然焦與煤炭近似的樣品種類和測試項目要求外，還提出了焦顯微鑒定樣、焦礦石物理力學(xué)性質(zhì)樣、巖漿巖樣等采集方法、加工要求和測試項目等質(zhì)量控制要求， 意在重點查明天然焦對開采、加工、利用的影響程度。

3.6 天然焦礦床工業(yè)指標

《固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范總則》規(guī)定礦床工業(yè)指標“由礦石質(zhì)量(化學(xué)的或物理的)指標和礦床開采技術(shù)條件兩部分組成”。確定的工業(yè)指標有：灰分、硫分、最低可采厚度和發(fā)熱量。目前天然焦與煤沒有顯著的指標進行區(qū)分，但是兩者在物理特征、化學(xué)特征、地球物理測井參數(shù)特征(簡稱物性特征)存在較為明顯的差異，且隨天然焦產(chǎn)地和層位的不同，變化程度不同(表3、表4、表5)。

表3 天然焦與無煙煤的物理特征對比

表4 天然焦與無煙煤的主要測試項目特征對比

表5 無煙煤與天然焦的物性變化

目前收集的地方規(guī)范和各類天然焦地質(zhì)報告中，資源儲量估算指標均為灰分、硫分、最低可采厚度和發(fā)熱量四項指標，其中，灰分(≤40%)和硫分(≤3%)指標均一致，可采厚度和發(fā)熱量指標在不同的地區(qū)，采用的指標數(shù)值不同，表6給出了國內(nèi)26個地質(zhì)報告采用的工業(yè)指標具體數(shù)值。其中，最低可采厚度指標為≥0.6～1.0m，(≥0.6m的3個、≥0.7m的7個、≥0.8m的9個、≥1.0m的8個)；最低發(fā)熱量指標為≥16.0～22.1 MJ/kg(≥16.0的2個、≥17.0的12個、≥22.1的12個)?？紤]到天然焦與煤在礦石質(zhì)量(化學(xué)的或物理的)指標和礦床開采技術(shù)條件具有緊密的關(guān)聯(lián)性、天然焦開采難度較煤大和絕大多數(shù)天然焦產(chǎn)品用途單一的情況，對工業(yè)指標提出了具體要求：

1)灰分(A)≤40%。

2)硫分(St,d)≤3%。

3)可采厚度≥1.0m。

4)發(fā)熱量(Qnet，d)≥17.0 MJ/kg。

表6 地方規(guī)范及國內(nèi)部分天然焦礦床采用的工業(yè)指標一覽表

3.7 資源儲量估算

(1)估算垂深：根據(jù)研究掌握的天然焦礦床地質(zhì)勘查和礦井開采情況，綜合考慮開采的經(jīng)濟價值，天然焦地質(zhì)勘查提出了“一般為1 000m，最大不超過1 200m”的要求，與煤炭基本一致。

(2)天然焦的工業(yè)用途：天然焦礦石的化驗測試特性決定了它的工業(yè)用途。對于化工原料用途主要測試水分、灰分、硫分、固定碳、灰熔性、熱穩(wěn)定性、天然焦抗碎強度、粒度等指標；豎窯燒石灰、水泥用途主要考慮發(fā)熱量、灰分、天然焦塊體的落下機械強度；發(fā)電用途主要考慮天然焦水分、灰分、硫分、灰熔點及發(fā)熱量等參數(shù)；制作型煤用途主要考慮發(fā)熱量、熱穩(wěn)定性、熱效率、灰熔融性、上火速及強度等指標。此外天然焦的熱爆性、結(jié)渣性等指標對工業(yè)用途也有一定的影響。針對天然焦主要用于發(fā)電配煤、民用型煤、燒制水泥等燃料的情況，提出按灰分、硫分含量級別分別估算的要求。

(3)天然焦的產(chǎn)狀(傾角)：考慮到天然焦層的產(chǎn)狀影響到資源儲量估算的精度這一實際情況，提出了不同傾角情況下，投影面積和采用厚度的具體要求，與煤炭基本一致。

4 問題及建議

經(jīng)過對天然焦勘查、開發(fā)資料的收集、研究，以及對部分天然焦礦井的實地調(diào)研、與企業(yè)和管理部門的研討，地勘單位、礦山企業(yè)、資源管理部門等都對《規(guī)范》的制訂大多持肯定態(tài)度，總體上普遍反映制訂并發(fā)布該標準是必要、適時和妥當?shù)?。但在個別問題上尚存在一些問題及分歧：

4.1 關(guān)于探采對比的問題

經(jīng)山東、江蘇、安徽三省13個煤礦(含少量天然焦的煤礦)及天然焦礦走訪調(diào)研，與企業(yè)專家座談證實，有4個開采天然焦的礦井，發(fā)現(xiàn)勘查時期500m的工程控制網(wǎng)度圈定的331資源量和1 000m的工程控制網(wǎng)度圈定的332資源量，在開采時資源總儲量下降70%以上，探采比例不足30%。原因是巖漿沿煤層順層狀侵入，巖漿巖與礦層直接接觸，礦層內(nèi)既有天然焦、煤層、煤焦混合層和焦巖混合層，又有巖漿巖層，開采揭露焦礦層穩(wěn)定程度實際為不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定，達不到地質(zhì)報告確定的穩(wěn)定或較穩(wěn)定程度。造成按地質(zhì)報告確定的礦井設(shè)計開拓方案不能實施，無法達到建井設(shè)計預(yù)計的產(chǎn)能。

因此，天然焦地質(zhì)勘查提出的地質(zhì)研究程度、勘查控制程度、勘查類型與勘查工程間距、天然焦資源儲量估算等內(nèi)容，與目前天然焦開采實際尚有一定差距。需要在今后天然焦地質(zhì)勘查和礦井開采實踐中驗證和補充完善。

4.2 資源儲量比例

目前，除了《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》和《釩礦地質(zhì)勘查規(guī)范》給出了不同勘查階段資源儲量比例外，其他礦類(種)地質(zhì)勘查規(guī)范均未給出不同勘查階段的資源儲量比例要求，收集的27個天然焦地質(zhì)勘查報告中也未表述資源儲量比例的符合性，《固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范總則》也只給出了不同勘查階段勘查程度的定性要求。在實際工作中，勘查設(shè)計和資源儲量評審過程中常常遇到不同勘查階段不同類型的資源儲量到底應(yīng)該達到何種比例要求的問題，由于這涉及到勘查手段的選取、勘查工作部署、實物工作量，特別是勘查投入的多少，礦業(yè)權(quán)人、地勘單位的技術(shù)人員、儲量評估師都遇到類似的困惑。根據(jù)研討結(jié)果及有關(guān)專家的要求，天然焦礦床不同的勘查階段的資源儲量比例參考下列要求：

(1)普查階段：推斷的資源量一般應(yīng)不少于總資源量的30%。

(2)詳查階段：控制的資源儲量一般應(yīng)不少于總資源量的30%。

(3)勘探階段：探明的、控制的資源儲量之和一般應(yīng)不少于查明資源儲量的50%，探明的(預(yù))可采儲量應(yīng)主要分布在首采地段且滿足礦山建設(shè)還本付息的需要。

(4)達不到上述資源儲量比例的，應(yīng)說明具體原因。

該比例只是根據(jù)我國少數(shù)獨立天然焦勘查的地質(zhì)資料分析研究的結(jié)果，探采實例太少，尚需在今后天然焦勘查和礦井開采實踐中驗證和補充完善。