汾陽市煤炭下部鋁土礦資源開發(fā)潛力研究

王斌峰

(山西省礦產(chǎn)資源調(diào)查監(jiān)測(cè)中心,太原 030024)

汾陽市位于霍西煤田北部,區(qū)內(nèi)南部大面積分布富含煤層的石炭、二疊紀(jì)地層及賦存鐵鋁的石炭紀(jì)本溪組鐵鋁巖段地層,是重要的煤鋁資源集中區(qū)。煤炭資源自20世紀(jì)90年代以來已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；_發(fā),后備可采資源保障充足,而鋁土礦資源開發(fā)初步啟動(dòng),但尚無可供接替的儲(chǔ)備資源,目前鋁土礦開發(fā)行業(yè)發(fā)展后勁明顯不足。為保障區(qū)域煤鋁工業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展,合理利用已有煤礦的開采系統(tǒng)開發(fā)下部的鋁土礦資源是促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要研究課題[1]。

1 工程概況

1.1 資源開發(fā)現(xiàn)狀

汾陽市含煤的石炭、二疊系地層主要分布于境內(nèi)南部,是區(qū)內(nèi)重要的煤鋁資源集中區(qū)。汾陽市西南部含煤地層穩(wěn)定,煤層賦存標(biāo)高適宜開采,現(xiàn)有龍峰煤業(yè)、龍山煤業(yè)、正升煤業(yè)、正宏煤業(yè)四座煤礦,井田內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組,可采煤層2#、4#、5#、7#、9+10+11#煤層,煤層賦存標(biāo)高1 000～510 m;東南部煤系地層被晉中斷陷盆地巨厚松散層覆蓋,煤層賦存標(biāo)高-950～350 m,均位于奧灰水位之下。多年來，由于水文地質(zhì)帶壓開采問題,煤炭資源一直未開發(fā)利用。區(qū)內(nèi)西部的煤系地層剝蝕程度高,本溪組地層賦存深度淺,是有利的鋁土礦開發(fā)區(qū),分布鋁土礦開采礦山一座,主要開采石炭系中統(tǒng)本溪組鋁土礦,如圖1所示。汾陽市目前的煤鋁礦產(chǎn)開發(fā)絕大多數(shù)為煤鋁單礦種獨(dú)立開發(fā)。區(qū)內(nèi)資源開發(fā)目前未實(shí)現(xiàn)煤鋁綜合勘查、綜合利用[2]。

1.2 煤炭地質(zhì)特征

研究區(qū)內(nèi)勘查開發(fā)的煤礦位于霍西煤田北部的核心區(qū)域,含煤地層主要為山西組和太原組。其中,山西組含1#、2#、4#、5-1#、5-2#共5層煤；2#煤層在本礦區(qū)為穩(wěn)定可采煤層；4#和5-2#煤層為較穩(wěn)定局部可采煤層；1#和5-1#煤層不可采。本組地層總厚度為59 m,煤層總厚度為2.99 m,含煤系數(shù)為5.07%。太原組含6#、7-1#、7-2#、8#、9+10+11#共5層煤,其中9+10+11#煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層,7-2#為大部分可采煤層,6#、7-1#、8#煤層不可采；本組地層平均厚度為85 m,煤層總厚度8.51 m,含煤系數(shù)為10.01%。

1.前寒武基底及古生界碳酸巖地層；2.鋁土礦(點(diǎn))；3.煤礦(點(diǎn))；4.鋁土礦剝蝕邊界及分布范圍；5.9+10+11號(hào)煤風(fēng)氧化邊界及分布范圍；6. 2號(hào)煤風(fēng)氧化邊界及分布范圍；7.斷盆地巨厚松散覆蓋層等厚線；8.斷層圖1 汾陽市煤鋁層系分布范圍圖Fig.1 Distribution range map of coal and aluminum strata in Fenyang City

1.3 鋁土礦地質(zhì)特征

研究區(qū)內(nèi)的石炭系本溪組為本區(qū)鋁土礦及其共伴生礦產(chǎn)的主要賦存層位,為濱海相碳酸鹽巖和碎屑巖沉積建造,與下伏奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組呈平行不整合接觸關(guān)系。依據(jù)巖性、巖相劃分自下而上分為兩段：一段以發(fā)育鐵鋁巖為特征,為鋁土礦及其共伴生礦的含礦巖段,主要巖性自下而上為山西式鐵礦、鐵鋁巖、鋁土礦(巖)、硬質(zhì)耐火粘土礦、粘土巖等,俗稱含礦段；本段地層厚度為2.77～13.70 m,平均厚6.83 m,厚度變化較大。二段以碎屑巖、泥質(zhì)巖、薄煤層(線)和灰?guī)r互層狀產(chǎn)出為特征,主要由泥巖、頁巖、粘土巖夾1～2層薄層石灰?guī)r或泥灰?guī)r組成,底部局部夾煤線,灰?guī)r極不發(fā)育,大部地段缺失；本段地層厚5.77～27.95 m,平均厚15.19 m。

在以往煤炭勘查階段因工作量和經(jīng)費(fèi)不足等原因,多數(shù)煤層勘查鉆孔施工至9+10+11#煤層底板即終孔,只有少數(shù)鉆孔施工至奧陶灰?guī)r終孔,但基本上不對(duì)鋁土礦取樣化驗(yàn)分析,區(qū)內(nèi)以往對(duì)鋁土礦的綜合勘查力度不足。參照周邊區(qū)域鋁土礦地質(zhì)勘查成果,本區(qū)鋁土礦礦石的結(jié)構(gòu)可分為碎屑狀、粗糙狀和致密狀三種自然類型。碎屑狀和粗糙狀礦石質(zhì)量較好,致密狀礦石質(zhì)量次之。礦石構(gòu)造可分為塊狀和薄層狀,塊狀礦石質(zhì)量相對(duì)較好。鋁土礦Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.45%～78.12%,SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.02%～39.88%,A/S約為2.6～18.6。區(qū)域鋁土礦中的Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.45%～34.26%之間,平均值為4.20%,屬含鐵型。礦石中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.014%～0.250%之間,屬低硫型礦石,鋁土礦石屬低硫、含鐵型鋁土礦。

2 開發(fā)潛力評(píng)價(jià)

2.1 資源潛力評(píng)價(jià)

研究區(qū)位于霍西盆地,鋁土礦沉積于盆地西坡北部,盆地西有呂梁古陸,東有靈石水下隆起,南北有盆地邊緣水下隆起,是山西境內(nèi)封閉性最好、成礦條件最有利的成礦盆地。盆地西坡的汾陽-孝義-交口一帶露頭鋁土礦帶長(zhǎng)60 km,寬15 km,已查明淺部鋁土礦資源量為3.95億t[3]。汾陽市煤鋁資源集中區(qū)同屬霍西盆地,具有有利于鋁土礦沉積的古地理特征,在研究區(qū)西南部外圍從北至南分布著菽禾、李家村、西武堡、杜村、柴場(chǎng)、西梁莊、長(zhǎng)安、相王等數(shù)個(gè)成型露頭鋁土礦床,指示研究區(qū)煤層下部的本溪組鐵鋁巖段有條件賦存鋁土礦。

根據(jù)該區(qū)內(nèi)煤下鐵鋁巖段的賦存特征,推測(cè)本區(qū)煤下鋁礦體呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出,產(chǎn)狀比較平緩,宜采用資源量估算公式(1)評(píng)價(jià)研究區(qū)煤炭下部鋁土礦資源潛力[4]。

m=S×d×ρ/10000×δ

(1)

式中:m為資源量,萬t;S為潛力區(qū)分布面積,m2;d為礦體平均厚度,m;ρ為礦石平均密度,t/m3;δ為面含礦系數(shù)。

潛力區(qū)分布面積(S):依據(jù)周邊鋁土礦勘查資料及煤炭勘查鉆孔資料圈定了鐵鋁巖段分布范圍,確定了煤炭下部鋁土礦資源潛力區(qū)面積為48.6 km2。

礦體平均厚度(d):鋁土礦體的厚度主要受含礦層位本溪組鐵鋁巖段沉積厚度的控制,據(jù)以往煤炭勘查資料可知,評(píng)價(jià)區(qū)本溪組鐵鋁巖段平均厚度為6.83 m,略高于區(qū)域外圍鋁土礦區(qū)鐵鋁巖段平均厚度6.45 m,故可取研究區(qū)外圍鋁土礦床中鋁土礦的平均厚度2.29 m作為評(píng)價(jià)區(qū)鋁土礦體的平均厚度。

礦石平均密度(ρ):深部鋁土礦與淺部鋁土礦成礦古地理環(huán)境相同,霍西盆地鋁土礦礦石類型較簡(jiǎn)單,多屬低硫、含鐵型鋁土礦,且鋁硅品位的變化對(duì)密度值的影響不大,故可參考研究區(qū)外圍鋁土礦床小密度樣品測(cè)試結(jié)果的平均值2.78 t/m3。

面含礦系數(shù)(δ):深部鋁土礦與淺部鋁土礦成礦古地理環(huán)境相同,評(píng)價(jià)區(qū)斷裂構(gòu)造不發(fā)育,沒有成礦后構(gòu)造對(duì)礦體形成破壞,上覆煤系地層形成保護(hù)蓋層避免了鋁土礦成礦后遭受剝蝕,故可采用研究區(qū)外圍的鋁土礦床面含礦系數(shù)的平均值40.20%作為評(píng)價(jià)區(qū)面含礦系數(shù)參考值。

據(jù)此預(yù)測(cè)研究區(qū)鋁土礦遠(yuǎn)景資源量可達(dá)1.24億t,汾陽市煤下鋁分布范圍廣,各大煤礦的下部均具備鋁土礦和山西式鐵礦含礦地層的賦存條件,從煤下鋁分布面積上來看,是現(xiàn)在已經(jīng)勘查的鋁土礦總面積的數(shù)倍,資源儲(chǔ)量巨大。

2.2 開發(fā)經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)價(jià)

煤炭工業(yè)和鋁工業(yè)是山西省的重要戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)。呂梁市深化能源革命綜合改革,推進(jìn)煤下鋁資源勘查開采試點(diǎn)取得初步成效,汾陽市實(shí)施煤鋁資源共采對(duì)提高資源綜合利用率、支撐鋁工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、保障國(guó)家資源安全具有重要意義。汾陽市下一步煤下鋁土礦勘查可通過收集對(duì)比區(qū)內(nèi)以往煤礦勘查階段的石炭系中統(tǒng)巖性柱狀圖,收集掌握周邊大中型鋁土礦區(qū)已完成的中深孔鉆探資料及后期開發(fā)采掘資料,更加詳細(xì)地了解區(qū)內(nèi)巖相古地理特征,從而有效篩選、確定鋁土礦找礦靶區(qū)。同時(shí)在采煤掘進(jìn)巷道中向下實(shí)施坑內(nèi)鋁土礦勘查鉆孔,相比地表鉆探勘查,鉆孔進(jìn)尺明顯減少,有效節(jié)約勘查資金。在煤下鋁開發(fā)階段,利用煤礦現(xiàn)有的開拓系統(tǒng)向深部直接開拓，實(shí)現(xiàn)鋁土礦開采與煤炭開采共用開拓系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng),可大幅降低開采成本[5-6]。煤下鋁的開發(fā)從宏觀政策和經(jīng)濟(jì)意義上來講無疑是可行的。

2.3 開發(fā)技術(shù)可行性評(píng)價(jià)

經(jīng)濟(jì)可行的前提是開采技術(shù)條件可行。煤下鋁的賦存層位是煤層與奧灰水之間的良好隔水層,煤下鋁的開發(fā)過程也是對(duì)隔水層的破壞過程,因此煤下鋁開采技術(shù)條件的研究要著重研究煤下鋁礦體賦存空間的水文地質(zhì)條件。研究區(qū)內(nèi)奧灰水位標(biāo)高545～570 m,汾陽市西南部的煤鋁資源集中區(qū)的正宏、正升、龍山、龍峰煤礦內(nèi)煤下鋁土礦賦存標(biāo)高450～550 m,絕大多數(shù)區(qū)域煤下鋁土礦賦存標(biāo)高位于奧灰水位之上,目前不存在帶壓導(dǎo)水的問題,但開發(fā)利用前必須將相關(guān)地質(zhì)問題勘查清楚,特別是水文地質(zhì)及帶壓開采問題。在開采過程中造成應(yīng)力釋放不均勻的情況下,或因奧灰水頭壓力局部過高,在隔水層變薄地帶,奧灰?guī)r溶水有突破底板的可能。因此,煤下鋁土礦開采準(zhǔn)備前,必須進(jìn)行奧灰水的帶壓開采可行性專題研究。在理論研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行水文地質(zhì)勘探,重點(diǎn)查清煤層底板隔水巖層的厚度、巖性變化規(guī)律、抗壓強(qiáng)度及節(jié)理、裂隙發(fā)育情況。圈定煤層底板隔水層的薄弱區(qū)段,在生產(chǎn)過程中采取有針對(duì)性的技術(shù)措施進(jìn)行防范或治理,所以開發(fā)技術(shù)是可行的[7-9]。東南部煤炭資源后備區(qū)的白壁關(guān)勘查區(qū)位于晉中斷陷盆地巨厚松散層覆蓋區(qū),煤下鋁土礦資源賦存標(biāo)高為-980～410 m,賦存深度約為540～1 830 m。白壁關(guān)井田奧陶系灰?guī)r厚度大、巖溶裂隙特別發(fā)育,本區(qū)奧灰?guī)r含水層水位埋藏較深,位于區(qū)域奧灰水的徑流區(qū),屬?gòu)?qiáng)含水層。太原組9+10+11#煤層及煤下鋁開采過程中水患威脅是非常嚴(yán)重的,有底板突水風(fēng)險(xiǎn),奧灰水位標(biāo)高為578～595 m,煤層及煤下鋁平均賦存標(biāo)高為100 m,帶壓水頭近500 m水柱,全部位于奧灰水位之下,不具備開發(fā)意義。

因此,綜合資源潛力、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)三個(gè)方面的因素進(jìn)行可行性評(píng)價(jià),汾陽市除白壁關(guān)勘查區(qū)外,煤炭下部鋁土礦資源的開發(fā)均有條件從露天開采走向坑采,表明煤鋁綜合開發(fā)利用是可行的。

3 結(jié)論

1)汾陽市煤炭下部鋁土礦資源潛力巨大,是現(xiàn)已查明的鋁土礦資源量的數(shù)倍,進(jìn)行煤鋁資源綜合開發(fā)很有必要。

2)煤鋁綜合開發(fā)要依托政策支持,廣泛收集區(qū)域成型鋁土礦區(qū)資料,詳細(xì)研究煤礦勘查開發(fā)階段并形成地質(zhì)資料,預(yù)測(cè)深部鋁土礦賦存特征,加大勘查投入,實(shí)現(xiàn)煤下鋁勘查重大突破[6-7]。

3)汾陽市煤鋁資源集中區(qū)除白壁關(guān)勘查區(qū)外資源開發(fā)均有條件實(shí)現(xiàn)綜合開發(fā),開發(fā)利用過程中要著重研究礦體賦存空間的水文地質(zhì)條件。