石頭梅露天礦資源特征及綠色開發(fā)構(gòu)想

張 盈,張壽庭，張振國，王兆生，劉 娜

(1.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院，遼寧省阜新市，123000；3.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北省唐山市，063210)

三塘湖煤田位于新疆東北部巴里坤縣，是國家西部大開發(fā)計劃所確定的全國最大的整裝煤田勘查區(qū)，淺層(埋深1 000 m以淺)煤炭儲量約為514.44×108t，深部(埋深2 000 m以淺)資源量達1 200×108t[1]，是新興能源基地和“疆煤外運、疆電外輸”戰(zhàn)略的保障[2-4]。石頭梅礦區(qū)位于三塘湖煤田中部偏南(92°55′57″～ 93°12′40″E，44°26′28″～44°35′07″N)，東西長20.5 km，南北寬9.8 km，面積約194.67 km2，是新疆能源集團主要礦權區(qū)[5-6]。

1 礦區(qū)概況

石頭梅礦區(qū)位于巴里坤北部的荒漠戈壁，構(gòu)造屬三塘湖盆地石頭梅凸起，南依欽莫烏拉山，地勢向北傾斜。盆地地形平坦，海拔最高點860 m，最低700 m，地表風化嚴重，被第四系礫石、砂土覆蓋。由于深居大陸腹地，遠離深海大洋，終年干旱，降水稀少，年均降水不足200 mm，蒸發(fā)量則高達2 000 mm。地面干涸，植被稀疏。風能資源異常豐富，大風(七級以上)天數(shù)年均約120 d；日照充足，年均日照時數(shù)2 858.0～3 373.4 h，是國內(nèi)光能資源豐富地區(qū)之一，太陽輻射年均在613.2～661.4 kJ/cm2。

為實現(xiàn)新疆優(yōu)勢資源轉(zhuǎn)化，加快三塘湖煤田的開發(fā)建設，高等級的礦區(qū)公路已修建完工，作為“疆煤外運”今后主要通道的北翼鐵路已完成立項；“疆電外輸”規(guī)劃通道三塘湖-哈密-重慶的±800 kV特高壓直流輸電工程也已立項建設。

1.1 礦區(qū)構(gòu)造

石頭梅露天礦構(gòu)造上位于三塘湖盆地東南部凸起部位，西側(cè)為漢水泉凹陷，東側(cè)為條湖2個凹陷[4]。邊界斷裂由西南方的白衣山逆斷裂(∠70°，L=104 km)，東南方的疙瘩彎逆斷裂(∠65°，L=12.5 km)以及北部的沙河壩逆斷裂(∠55°，L=8.9 km)所控制。礦區(qū)內(nèi)主要斷層為SF3(逆斷層，NE向)，還發(fā)育SF1、SF2、DF23等北西向小型逆斷層，北為SM1背斜、南為SW1向斜，如圖1所示。

圖1 礦區(qū)位置及地質(zhì)簡圖

1.2 礦區(qū)地層

古生代、中生代和新生代陸相沉積構(gòu)成礦區(qū)主要地層，可劃分為石炭系(C)、二疊系(P)、侏羅系(J)、新近系(N)和第四系(Q)。煤系地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)，屬湖沼相沉積，盆地內(nèi)廣泛分布，巖性以石英長石砂巖、粉砂巖和泥巖為主。含煤地層總厚度約350～1 000 m，由邊緣向沉降中心增厚。礦區(qū)內(nèi)西山窯組可分為3段：下段(J2x1)以煤和深色不同粒級的砂巖為主，可見植物化石碎片，為主要儲層(共9層煤)，厚度約300～550 m；中段(J2x2)以淺色石英長石砂巖(中細粒級)為主，含亮煤透鏡體，厚度約200 m；上段(J2x3)以灰綠色、淺灰色石英長石粉砂巖為主，夾厚層砂礫巖，含硅化木，厚度約180 m。

新近系(N)為強氧化湖相沉積，以紅色礫巖、砂泥巖為主，超覆于侏羅系之上，上被第四系覆蓋；第四系(Q)為沖積、洪積層(Q3pl、Q4pl)，大面積覆蓋，由礫石層、亞砂土組成，呈未膠結(jié)-半膠結(jié)狀。礫石直徑10～20 mm，偶見150～200 mm，圓度差異不大，成分隨基巖巖性而變化。由于局部地表強烈剝蝕，野外可見煤層露頭及煤線，如圖2所示。

圖2 礦區(qū)地貌、露頭及巖心照片

1.3 水文地質(zhì)

礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，主要有3個含水層。

(1)第四系孔隙含水層。由沖洪積礫石、砂及泥土等松散堆積物構(gòu)成，呈水平展布，厚度約10 m，孔隙度大、透水能力強。

(2)新近系孔隙含水層。由泥巖、粉砂巖和多層砂礫巖等組成，厚度10～30 m，是主要的含水層位。單位涌水量0.009 3～0.230 4 L/(s·m)、滲透系數(shù)0.041 8～0.557 2 m/d，為弱-中等富水性，水質(zhì)為中高礦化度的Cl·SO4-Na·Ca型。

(3)侏羅系孔隙-裂隙含水層組。由粒度不等的碎屑巖(泥巖-細砂巖)及煤層組成，各層呈交互狀，構(gòu)成煤層的頂?shù)装?。由上部含水層垂直入滲補給，涌水量0.004 2～0.177 6 L/(s·m)、滲透系數(shù)0.000 7～0.854 4 m/d，水質(zhì)為中高礦化度的SO4·Cl-Na型。地下水徑流方向由南向北，與地層傾斜方向一致，在礦區(qū)北部低凹處匯集。

礦區(qū)水源補給途徑為大氣降水和冰雪融水，地表無常年徑流，偶見較大降水過程，可在局部低洼處形成暫時地表積水，然后快速滲入地下，成為地下水補給途徑，也是地下水和地表水唯一的水力聯(lián)系方式。由于礦區(qū)蒸發(fā)量是降水量的10多倍，屬極度干燥環(huán)境，因而二者之間的水力聯(lián)系相當微弱。

2 資源特征

2.1 儲量特征

石頭梅礦區(qū)煤系地層為侏羅系西山窯組下段(J2x1)，含煤9層，編號依次為5、6、7、8、9-2、9-1、10、11、12號，其中7、9-2、9-1、11、12號煤層為本區(qū)的主要可采煤層，厚度0.95～69.30 m，平均厚度38.16 m。含煤面積約186 km2，淺部(埋深1 000 m以淺)含煤面積132 km2，探明淺部(埋深1 000 m以淺)煤炭資源量約49×108t，深部(埋深2 000 m以淺)煤炭資源儲量約120×108t[1]。由此可見，礦區(qū)煤炭資源量豐富，可以滿足特大型礦山開采的資源儲備要求。規(guī)劃一期為露天開采，產(chǎn)量為1 000萬t/a；二期為地下開采，產(chǎn)量為2 000萬t/a。

2.2 煤質(zhì)特征

石頭梅礦區(qū)煤種以高-特高發(fā)熱量(27.85～30.37 MJ/kg)的31號不粘煤為主，部分為41、42號長焰煤；以暗煤為主，亮煤含量少，呈塊狀、半堅硬，密度1.30～1.35 g/cm3；顯微組分以惰質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組次之，可見粘土礦物及脈狀黃鐵礦。礦區(qū)主要開采煤層中，7號煤層為微質(zhì)泥煤；9-1、9-2和11號煤層為微鏡惰煤；12號煤層主體亦為微鏡惰煤，但含少量的微質(zhì)泥煤。7號煤層鏡質(zhì)組反射率為0.47%～0.48%，為0階變質(zhì)；9-2號煤層鏡質(zhì)組反射率為0.68%～0.70%，為I-II階變質(zhì)；9-1號煤層鏡質(zhì)組反射率在0.67%～0.71%，為II階變質(zhì)；11號煤層鏡質(zhì)組反射率為0.63%～0.69%，12號煤層鏡質(zhì)組反射率為0.61%～0.70%，兩者均為I-II階變質(zhì)?？傮w上，石頭梅礦區(qū)主要煤種屬低水分、特低-低灰分、中高揮發(fā)分的優(yōu)質(zhì)煤種。含硫量平均低于0.50%(0.01%～1.52%)，屬特低-低硫煤；磷含量0.01%～0.05%，為特低-低磷煤，含有極少的氟、砷等有害元素。根據(jù)不同煤層灰分含量，可選等級為易選-中等可選。

2.3 煤巖特殊屬性

三塘湖盆地賦存多種能源礦產(chǎn)，不僅是儲量豐富的聚煤盆地，同時也是儲量可觀的含油氣盆地。先后發(fā)現(xiàn)侏羅系、二疊系和石炭系等不同地質(zhì)時代的3套含油氣層系，以砂巖油氣藏為主要類型廣泛分布于中侏羅統(tǒng)西山窯組[7-9]。至2019年底，主要采油區(qū)單井產(chǎn)量超2.0 t/d，年產(chǎn)油量達50.0萬t。基于這種獨特的能源共存形式，礦區(qū)相當大的部分煤中含油量偏高，尤其是長焰煤，焦油產(chǎn)率(Tar,d)可達15.9%，屬高油煤，與毗鄰的條湖長焰煤16%的產(chǎn)油率相差無幾[10]?？傮w上，石頭梅礦區(qū)煤質(zhì)為含油煤，其中有相當比例的富油煤和高油煤[11]。

綜上所述，石頭梅礦區(qū)煤炭儲量巨大，煤質(zhì)優(yōu)良，開發(fā)條件優(yōu)越，以不粘煤、長焰煤等優(yōu)質(zhì)煤種為主的礦產(chǎn)品，不僅可供火力發(fā)電、工業(yè)鍋爐用煤及民用煤，更可觀的應用前景是作為煤化工原料進行深加工，走煤炭綜合利用的途徑。

3 煤炭綠色開發(fā)構(gòu)想

在制定《新疆能源集團三塘湖礦區(qū)石頭梅一號露天礦煤炭綜合開發(fā)利用方案》之初，經(jīng)過廣泛的市場調(diào)研，將石頭梅露天礦煤炭產(chǎn)品的目標市場定位為“就地消化”和“外運”兩個方向。其中，“就地消化”定位包括兩個部分，一是以礦區(qū)總體建設為引導，作為礦區(qū)內(nèi)燃煤電廠、低熱值煤綜合利用電廠以及新疆“煤電基地”建設電源工程的煤源基地，為礦區(qū)總體建設提供充足的煤炭供應保證；二是為礦區(qū)周邊的生產(chǎn)、在建和規(guī)劃煤電項目提供煤炭，積極落實國家實施的“疆電外輸”能源總體戰(zhàn)略?！巴膺\”定位是依托國家能源建設政策和宏觀規(guī)劃，近期來看，以外運至甘肅蘭州、河西走廊、寧夏中衛(wèi)及西南川渝地區(qū)為主，遠期來看，隨著蘭新鐵路貨運專線、北翼鐵路的修建，市場擴展至青海、湖北、湖南和江西等省，為國家實施“疆煤外運”煤炭總體規(guī)劃提供支撐。

然而，隨著時間推移，市場風險也越來越大：首先，新疆煤炭產(chǎn)量隨著諸多新建礦區(qū)大規(guī)模的投產(chǎn)而日益飆升，遠大于市場需求，產(chǎn)能嚴重過剩；其次，原計劃的煤炭“就地消化”的主要途徑——坑口電廠和低熱值煤綜合利用電廠均處于規(guī)劃階段，產(chǎn)能無法就地消耗，而“疆煤外運”不僅存在供應量和供應價格方面的風險，還會受到運輸成本的影響，產(chǎn)品煤在市場競爭力上失去價格優(yōu)勢；再者，由于國家的“去產(chǎn)能”政策的實施，內(nèi)地高耗能、高污染產(chǎn)業(yè)大規(guī)模限產(chǎn)，煤炭和電力供應日益過剩，市場風險也不斷上升。因此，必須及時調(diào)整規(guī)劃方向，改變原煤輸出的預設方案，立足自身就地消化，增大深加工力度，提高產(chǎn)品附加值，實施“節(jié)水-低碳-綠色-多元-長鏈”綜合式建設方案，走綠色礦山開發(fā)建設的道路。

(1)立足自身消化產(chǎn)能，發(fā)電是最重要的途徑，但燃煤發(fā)電需要充足的水資源保證[12-13]。鑒于礦區(qū)嚴重缺水的自然條件和外部引水工程尚未修建完工的現(xiàn)狀，積極發(fā)展節(jié)水型項目是當務之急。因此，坑口電廠、配套設施的設計、建設及運行都必須把高效用水和深度節(jié)水作為出發(fā)點，貫穿到設計理念、設備選型、運行管理各環(huán)節(jié)。

(2)國家對環(huán)境保護的重視程度日益提高，使得煤炭類高耗能企業(yè)環(huán)境保護壓力不斷增長，以低能耗、低污染為特征的“低碳經(jīng)濟”成為工礦企業(yè)生存和發(fā)展的必然選擇。基于礦區(qū)風能、光能資源豐富的特征以及新疆能源集團在風力發(fā)電、光伏發(fā)電領域深厚的技術積淀和豐富經(jīng)驗，利用太陽能、風能輔助坑口燃煤發(fā)電具有得天獨厚的優(yōu)勢，尤其是礦區(qū)開發(fā)前期，風能-太陽能發(fā)電可以充分解決生產(chǎn)(電鏟采掘、電車運輸?shù)?、生活用電，降低燃油、燃氣消耗。

(3)煤炭露天開采不可避免造成自然景觀破壞和環(huán)境污染(水、空氣、噪聲、固體廢棄物等)等系列問題。要最大限度降低對生態(tài)環(huán)境的破壞，走綠色礦山的道路是必然歸宿。綠色礦山建設對技術、人員、設備、工藝、管理等均提出了明確的要求，綠色礦山理念應貫穿于礦山設計、建設、生產(chǎn)的整個生命周期中，通過科學的規(guī)劃設計，集約化開采、集成化工藝、數(shù)字化管理等一系列手段，突破傳統(tǒng)發(fā)展模式的約束，從而實現(xiàn)資源高效開發(fā)利用，達到資源開發(fā)、環(huán)境保護、社會和諧的有機統(tǒng)一。

(4)依據(jù)礦區(qū)煤炭資源特征和煤質(zhì)特點，為規(guī)避單一產(chǎn)品的市場風險，應力求產(chǎn)品的多元化，“宜焦(煉焦)則焦、宜氣(氣化)則氣”。力圖降低初級煤產(chǎn)品走向市場的比重，把煉焦、煤制油氣、煤制腐植酸等納入規(guī)劃范疇。多元化產(chǎn)品可避免單一原煤產(chǎn)品價格波動對企業(yè)造成的致命沖擊，多元化生產(chǎn)可最大限度提高煤的利用率，實現(xiàn)資源最終的綜合利用。

(5)為保證礦區(qū)開發(fā)的良性發(fā)展，應力求降低煤炭初級產(chǎn)品在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中的比重，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，延長產(chǎn)業(yè)鏈，大力發(fā)展下游產(chǎn)業(yè)。借鑒集團公司托克遜潔凈能源多聯(lián)產(chǎn)項目建設經(jīng)驗，重點發(fā)展技術含量較高的煤制烯烴、醇醚、電石、合成氨等產(chǎn)業(yè)，提高產(chǎn)品附加值，可實現(xiàn)資源的高效、循環(huán)綜合利用，又有利于形成真正具有市場競爭力的產(chǎn)業(yè)鏈。

4 結(jié)語

(1)石頭梅礦區(qū)是新疆能源集團目前投資最大的開發(fā)項目，對其資源特征的細致、深入的分析，有助于開發(fā)方案的科學制定。

(2)實施“節(jié)水-低碳-綠色-多元-長鏈”綜合式綠色礦山建設方案，是石頭梅露天礦高起點建設、高科技生產(chǎn)、高效益運營和可持續(xù)發(fā)展的有力保障。