基于關(guān)聯(lián)度分析的煉焦煤稀有性研究

吳玉程，金智新，包研科，鄧存寶，郝朝瑜，王雪峰，陳 曦，李雨成

(1.太原理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院，b.安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，太原 030024； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

煉焦煤是一種以熱反應(yīng)結(jié)焦性為主要特征的中等變質(zhì)程度煙煤的統(tǒng)稱，是鋼鐵工業(yè)不可替代的稀缺原料。世界煉焦煤資源中，肥煤、焦煤、瘦煤約占1/2，其經(jīng)濟(jì)可采儲量約為5 000億t；其中，低灰、低硫、強(qiáng)粘結(jié)性優(yōu)質(zhì)焦煤資源不足600億t[1-2]。國土資源部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：全國保有查明煉焦煤資源量為3 073億t，占全國煤炭保有查明資源儲量的19%；而經(jīng)濟(jì)可采的煉焦煤儲量僅占12.85%[3]。導(dǎo)致煉焦煤稀有性的原因有哪些？應(yīng)該如何更好地保護(hù)和利用煉焦煤？這些是值得我們深入研究的問題。

近年來，許多學(xué)者對煉焦煤的稀缺性進(jìn)行了深入研究。宋元青等[4]基于山西煉焦煤的資源稟賦，分析了山西稀缺煉焦用煤的分布特征及勘查開發(fā)中存在的問題，發(fā)現(xiàn)稀缺煉焦煤中焦煤保有資源儲量較大，而氣肥煤儲量不足。鄧小利等[5]在研究了中國稀缺煉焦煤資源分布特征后認(rèn)為，由于煉焦煤不同煤類資源量和占用量極度不匹配，如不進(jìn)行有效規(guī)劃和管理，長此以往必將出現(xiàn)煉焦煤資源緊缺。張勛等[6]通過建立煉焦煤產(chǎn)量的慣性增長模型，預(yù)測30～40 a后煉焦煤可采儲量將接近枯竭。李緒萍等[7]依據(jù)廣義能量系統(tǒng)建立了煉焦煤慣性增長模型，并推斷出近幾年煉焦煤產(chǎn)量的環(huán)比增長率，發(fā)現(xiàn)近年來我國煉焦煤產(chǎn)量呈破壞性增長。胡榮華[8]系統(tǒng)地研究了江蘇省稀缺煉焦煤資源的區(qū)域分布和煤種分布,發(fā)現(xiàn)江蘇省7個礦區(qū)稀缺煉焦煤成煤時代主要是石炭—二疊紀(jì)，且主要分布在徐州礦區(qū)和豐沛礦區(qū)。上述研究從現(xiàn)有資源的分布及探明儲量的角度說明了煉焦煤的稀缺性及目前制定規(guī)劃保護(hù)性開發(fā)政策的必要性。但是，煉焦煤的稀缺性是否具有必然性，將來能否有望找到儲量豐富的煉焦煤，這些都需要從其成因方面做進(jìn)一步的分析。

由煉焦煤的形成過程可知：首先，成煤植物中必須含有可轉(zhuǎn)化為凝膠體的物質(zhì)；其次，還需同時具備成煤植物的堆積沉積環(huán)境、變質(zhì)動力和含煤地層的古地溫等因素。這些因素多表示為文字表述型的、描述事物性質(zhì)與規(guī)定事物類別的定性數(shù)據(jù)。對定性數(shù)據(jù)的分析和描述通常使用列聯(lián)表。本研究利用列聯(lián)表從煉焦煤的成因影響因素角度進(jìn)一步闡明造成煉焦煤稀缺性的成因影響因素的關(guān)聯(lián)性，以便更好地預(yù)估煉焦煤儲量、保護(hù)并利用好煉焦煤資源。

1 研究方法

1.1 列聯(lián)表分析的基本原理

若總體中的個體同時具有兩個屬性X和Y，根據(jù)X和Y的各個狀態(tài)，可以對n個樣品按兩種不同的屬性進(jìn)行分類，兩種分法的不同組合可以把n個樣品交叉分成r×c類。用nij表示使X=xi，Y=yj的樣品數(shù)，它們可以列成表1的形式，即由兩個以上的變量進(jìn)行交叉分類組成的頻數(shù)分布表，這個表就是列聯(lián)表[9-16]。因為只有兩個屬性，所以也稱之為二維列聯(lián)表，nij為頻數(shù)。

表1 r×c列聯(lián)表Table 1 Contingency Table of r×c

記

其中：

(X,Y)的概率分布如表2所示。

表2 (X,Y)的概率分布表Table 2 Probability distribution Table of (X,Y)

設(shè)A,B是定義在r×c列聯(lián)表上的不相交的兩個類，稱為事件。

條件概率

(1)

是在事件A發(fā)生的條件下事件B發(fā)生可能性大小的度量。

相對機(jī)會

(2)

刻畫在同一條件A下，事件B發(fā)生與B不發(fā)生的概率比，簡稱機(jī)會。

條件機(jī)會

(3)

刻畫在不同條件A和B下，事件C發(fā)生的機(jī)會比。τ(C|A,B)>1表明條件A比B更容易誘發(fā)事件C.

1.2 行變量與列變量的關(guān)聯(lián)程度度量

數(shù)理統(tǒng)計學(xué)證明，在r×c列聯(lián)表上，度量行、列關(guān)聯(lián)程度的統(tǒng)計量為

(4)

式中，自由度v=(r-1)(c-1).歸一化為

(5)

稱θ為r×c列聯(lián)表上行變量X和列變量Y之間的Pearson-χ2關(guān)聯(lián)度，性質(zhì)如下：

0≤θ≤1；θ=0?X和Y獨立；θ=1?P(Y=f(x))=1.

在同一個列聯(lián)表上，θ的大小是有意義的。θ值越大，兩個變量X和Y統(tǒng)計分布規(guī)律之間相互影響越大。

若兩個列聯(lián)表的r,c值不相等，則度量統(tǒng)計量的自由度v不相等，此時比較θ的大小沒有意義。因此，可以借助概率

(6)

評估列聯(lián)表行、列之間的關(guān)聯(lián)程度，概率p稱為X和Y關(guān)聯(lián)性的判真風(fēng)險度。

在應(yīng)用中，p值的應(yīng)用可遵循如下準(zhǔn)則：

1) 若0.60≤p≤1.00，則X和Y之間不存在關(guān)聯(lián)性；

2) 若0.40≤p≤0.60，則X和Y之間不確定關(guān)聯(lián)性；

3) 若0.20≤p≤0.40，則X和Y之間存在弱關(guān)聯(lián)性；

4) 若0.10≤p≤0.20，則X和Y之間存在可解釋的關(guān)聯(lián)性；

5) 若0≤p≤0.10，則X和Y之間存在可解釋的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。

應(yīng)用中，若關(guān)聯(lián)度θ1和θ2可比，判真風(fēng)險度p1和p2可以作為對θ1和θ2的可信賴評估。若p1

2 結(jié)果與討論

2.1 煤種與成煤因素的關(guān)聯(lián)頻數(shù)

基于第三次全國煤田預(yù)測中80個主要礦區(qū)成煤因素的統(tǒng)計資料，參考文獻(xiàn)[17-19]中的討論，整理出煉焦煤煤種與成煤植物、地質(zhì)年代、沉積環(huán)境、變質(zhì)動力、地溫梯度的5個二維列聯(lián)表(見表3-表7).表中關(guān)聯(lián)頻數(shù)分別為在5種成煤因素下，瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、氣肥煤以及氣煤等煤種出現(xiàn)的次數(shù)。

由式(1)-(6)可計算出煉焦煤煤種分別與成煤植物、成煤年代、沉積環(huán)境、變質(zhì)動力、地溫梯度的關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險度，以及條件概率、相對機(jī)會和條件機(jī)會。

成煤植物與煤種的關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險度如下：

θ=0.160 5，p=0.326 2<0.40 .

進(jìn)一步利用τ值評估條件機(jī)會，得出煉焦煤各個煤種均滿足如下關(guān)系：

O(煤種|蕨類植物)>O(煤種|裸子植物) .

注意到表3中沒有被子植物出現(xiàn)，表明在新生代地層中賦存煉焦煤的機(jī)會為零。

表3 煤種與成煤植物關(guān)聯(lián)頻數(shù)表Table 3 Associated frequency of coal type and coal-forming plants

表4中，由中生代的侏羅紀(jì)向新生代發(fā)展，地質(zhì)勘查尚未發(fā)現(xiàn)白堊紀(jì)和古近紀(jì)地層中賦存煉焦煤；由古生代的石炭紀(jì)向元古生代遷延，地質(zhì)勘查尚未發(fā)現(xiàn)泥盆紀(jì)地層中賦存煉焦煤。這表明地質(zhì)年代對煉焦煤的形成有一定的影響。

表4 煤種與成煤年代關(guān)聯(lián)頻數(shù)表Table 4 Associated frequency of coal type and coal-forming age

由表4分析煉焦煤賦存地層的地質(zhì)年代與煤種的關(guān)聯(lián)性，計算關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險度，得到：

θ=0.409 0， 0.60≤p=0.637 1≤1.00 .

由表4發(fā)現(xiàn)：三疊紀(jì)焦煤的賦存機(jī)會是其他地質(zhì)年代的2倍；石炭紀(jì)瘦煤賦存機(jī)會是侏羅紀(jì)瘦煤賦存機(jī)會的3倍；古生代肥煤的賦存機(jī)會是中生代肥煤賦存機(jī)會的2倍；中生代1/3焦煤和氣煤的賦存機(jī)會高于古生代；氣肥煤在各個地質(zhì)年代的賦存機(jī)會均可以忽略。

由表5分析煉焦煤成煤時期的沉積環(huán)境同煤種的關(guān)聯(lián)性，計算關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險度，得到：

θ=0.455 7， 0.40≤p=0.410 7<0.60 .

由表5可知，在陸相條件下，地層中賦存煉焦煤的機(jī)會為零。相對于湖泊相和海相，在過渡相條件下地層中賦存煉焦煤的機(jī)會明顯較小，表明隔絕空氣的水體覆蓋環(huán)境對煉焦煤的形成有一定的影響。

表5 煤種與沉積環(huán)境關(guān)聯(lián)頻數(shù)表Table 5 Associated frequency of coal type and sedimentary environment

由表6分析變質(zhì)動力與煉焦煤煤種的關(guān)聯(lián)性，計算關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險度，得：

θ=0.573 2， 0.00≤p=0.001 6<0.10 .

由表6可知：在深成變質(zhì)過程中，演化出氣煤的機(jī)會最大；石炭紀(jì)在深成變質(zhì)和接觸變質(zhì)雙因素變質(zhì)過程中，演化出瘦煤和焦煤的機(jī)會遠(yuǎn)大于其他煤種；其他地質(zhì)年代沒有這一特征。在石炭紀(jì)、二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)，多因素變質(zhì)演化出瘦煤、焦煤的機(jī)會大于其他煤種，三疊紀(jì)沒有這一特征。

表6 煤種與變質(zhì)動力關(guān)聯(lián)頻數(shù)表Table 6 Associated frequency of coal type and metamorphic power

由表7分析地溫梯度同煉焦煤煤種的關(guān)聯(lián)性，計算關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險度，得：

θ=0.503 8， 0.00≤p=0.016 0<0.10 .

由表7可知：相對于更高或更低的地溫梯度，在2.5～3.0 ℃/hm的地溫梯度條件下煉焦煤賦存的機(jī)會比最高；無論在哪個地質(zhì)年代，對煉焦煤的任何一個煤種，2.5～3.0 ℃/hm范圍的地溫梯度都是關(guān)鍵的賦存特征。

表7 煤種與地溫梯度關(guān)聯(lián)頻數(shù)表Table 7 Associated frequency of coal type and geothermal gradient

2.2 關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險度

由上述計算結(jié)果可以看出：裸子植物和蕨類植物對煉焦煤煤種的形成存在弱關(guān)聯(lián)性；石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)四個地質(zhì)年代不能采用關(guān)聯(lián)性解釋不同煉焦煤煤種形成之間的差異；四類沉積環(huán)境與不同煉焦煤煤種的形成之間存在不確定的關(guān)聯(lián)性；變質(zhì)動力與煉焦煤煤種之間存在可解釋的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性；地溫梯度與煉焦煤煤種之間存在可解釋的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。

2.3 煉焦煤稀有性分析

煤地質(zhì)學(xué)研究表明，在不同地質(zhì)年代，形成煤的植物種類不同，新生代為被子植物，中生代為裸子植物，古生代為蕨類植物。各種成煤植物中的有機(jī)化合物主要含有碳水化合物、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和脂類化合物。煉焦煤的熱反應(yīng)結(jié)焦性源自成煤植物中脂類化合物、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素在復(fù)雜的化學(xué)物理過程中形成的凝膠體。在被子植物、裸子植物和蕨類植物中均富含木質(zhì)素；裸子植物中，除木質(zhì)素之外還富含蛋白質(zhì)；蕨類植物中，除木質(zhì)素之外還富含脂類化合物。因此，植物種類與煉焦煤煤種的形成之間存在弱關(guān)聯(lián)性。在石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)四個地質(zhì)年代的地層中均有煉焦煤賦存，說明這四個地質(zhì)年代與煉焦煤煤種的形成之間不存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。

即使成煤植物中含有可轉(zhuǎn)化為凝膠體的物質(zhì)，也不一定會形成煉焦煤。在成煤因素中，成煤植物的堆積沉積環(huán)境、變質(zhì)動力和含煤地層的古地溫是主要因素。陸相、湖泊相、陸海過渡相和海相等不同沉積環(huán)境對形成的煉焦煤煤種有一定的影響，相互之間存在著不確定的關(guān)聯(lián)性。變質(zhì)動力因素對煉焦煤的形成有較大的影響，深層變質(zhì)、接觸變質(zhì)、熱液變質(zhì)和動力變質(zhì)條件下均有可能形成煉焦煤。深層變質(zhì)和接觸變質(zhì)共存的變質(zhì)過程記為“深層/接觸變質(zhì)”。在深層/接觸變質(zhì)的基礎(chǔ)上，至少還存在熱液變質(zhì)、動力變質(zhì)中任一種因素的變質(zhì)過程稱為“多因素變質(zhì)”。這幾種情形對煉焦煤煤種的影響不同，它們之間存在著強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。而含煤地層古地溫是形成煤巖的關(guān)鍵因素，與煉焦煤的形成之間也存在著必然聯(lián)系，地溫梯度對不同煉焦煤煤種的形成有顯著的影響。因此，煉焦煤成煤的特殊條件是造成其儲量稀少的原因。

3 結(jié)論

煉焦煤是在復(fù)雜的地質(zhì)動力學(xué)過程中形成的一種特殊煤類。與普通煤的形成過程相比較，造成煉焦煤賦存稀少的原因主要如下：

1) 在下至白堊紀(jì)至古近紀(jì)的地層、上至石炭紀(jì)至泥盆紀(jì)的地層中，煉焦煤的賦存概率為0.與我國早石炭紀(jì)至早白堊紀(jì)之間漫長的聚煤期相比，煉焦煤形成的年代十分局限。

2) 成煤植物中可形成凝膠體的物質(zhì)在不同的地質(zhì)年代演化為煉焦煤所需的沉積環(huán)境和變質(zhì)動力不盡相同。湖泊相沉積環(huán)境和深成變質(zhì)作用條件下，植物中可形成凝膠體的物質(zhì)最終演化為煉焦煤的概率最大。其他相沉積環(huán)境作用條件下形成煉焦煤的概率則較小。

3) 變質(zhì)動力和地溫梯度同煉焦煤煤種的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性表明：適合形成煉焦煤的地溫梯度需在2.5～3.0 ℃/hm范圍內(nèi)，即在成煤年代、成煤植物、沉積環(huán)境同時滿足的條件下，關(guān)鍵因素變質(zhì)動力和古地溫最終將植物中可形成凝膠體的物質(zhì)演化為煉焦煤。