山西煤下鋁勘查開發主要問題及對策

張亞寧,劉漢斌,2

( 1.山西大學資源與環境工程研究所，山西 太原 030006，2.山西省煤炭地質局，山西 太原 030006)

鋁是現代工業的原材料，對國民經濟和社會發展具有重要作用。鋁的產量和消耗量在所有金屬中排名第二，僅次于鋼鐵[1]。鋁土礦是冶鋁工業的原料，山西是我國的鋁土礦大省，截止2017年底全省擁有鋁土礦石保有儲量15.3 億t，占比全國的32.44%，擁有興縣、寧武-原平、汾陽-孝義、交口-汾西4 個鋁土礦國家規劃礦區[2]。目前，山西露頭及淺覆蓋區鋁土礦勘查基本完成，急需尋找后備資源。隨著自然資源部“三深一土”戰略以及煤系共伴生礦產理念的提出，中深部鋁土礦逐漸成為鋁土礦勘查的主要方向，煤下鋁的勘查與開發逐漸引發重視[3]，并在豫西取得重大突破[4]。晉豫同屬華北聚煤盆地腹地，剝蝕和沉積環境類似，豫西煤下鋁勘查的巨大成功給山西煤下鋁的地質找礦很大啟迪[5]。翟自峰等[6]首先提出了山西煤下鋁勘查的可能性，并首次分析了山西煤下鋁的分布規律和找礦前景，同時圈定了12 個成礦有利區。董自祥等[7]分析了河東煤田興縣井田煤鋁聯合開采的可能性，認為煤鋁聯合開采在工藝、技術、經濟上都是可行的。李志剛等[8]探討了河東煤田中不同資源條件下煤鋁共生資源聯合開發模式，并根據煤鋁賦存條件, 提出了三種開采方案。王樂[9]根據黃輝頭礦的資源賦存條件，分析對比了3種煤下鋁礦山建設的方案，優選了煤鋁共采的上行開采方案。黃丹等[10]在工業實驗的基礎上提出了煤下鋁的協同充填覆巖控制技術。煤下鋁的勘查開發是個復雜的系統工程，受國家政策、礦業權、地質條件多方面影響，并且在煤礦的勘查、建設、生產、閉坑不同階段所面臨的地質問題也不同。本文在山西鋁土礦已有資料的基礎上，詳細了分析山西煤下鋁在勘查和開發方面存在的困難與問題，并提出相應的解決方案。

1 本溪組分布范圍和地層特征

1.1 地層特征

在山西大部分地區，本溪組指以奧陶或寒武系侵蝕面為底，平行不整合于中、下奧陶系或寒武系之上，太原組晉祠砂巖以下的一套海侵相沉積地層[11]。本溪期山西全省西南部和北部相對較高古陸區，中間也存在局部如原平古陸、霍山古陸等局部隆起[12]（圖1）。

圖1 山西省本溪期古地理圖和本溪組現代殘余范圍 （古地理圖據王銀川等[12]修改）Fig. 1 Paleogeographic map of the Benxi period in Shanxi Province and Modern residual range of the Benxi Formation

根據灰巖中北部厚，南北減薄直尖滅的特征判斷本溪期海水自北東東方向侵入山西全省。整個中石炭世山西為陸表還環境，間有局限臺地、障壁島和潮坪相。本溪組一般分為下中上三段，下段為雞窩狀黃鐵礦又稱山西式鐵礦，中段為灰、灰白色鋁質巖、鋁質泥巖（G 層鋁土礦）。上段一般為黑灰色泥巖粉砂巖夾薄煤層及1 ～ 6 層灰巖（半溝灰巖）。本溪組全省厚0 ～ 60 m，一般厚20 ～ 40 m，全省總的變化趨勢是中北部厚，南部薄，整體向西北向西南變薄[13]。長治-陵川-陽城、鄉寧-河津等地，本溪組厚度小于15 m，最南部的夏縣-垣曲小區僅發育底部的鐵鋁巖段，厚0 ～ 10 m，詳見表1。

表1 山西不同地區本溪組厚度 數據引自文獻[13]Table 1 Thickness of Benxi Formation in different areas of Shanxi Data from the references [13]

1.2 各段分布范圍

本溪組底部黃鐵礦主要分布于晉城、陵川、沁水、陽泉、和順、盂縣、孝義等地，臨縣-盂縣以北地區發育較差[13]。中間鐵鋁巖段厚度值高值區（＞15 m）主要分布在山西中東部的盂縣-壽陽-左權一線以東的三角形區域內以及孝義-陽泉曲和平陸以東地區。低值區（＜9 m）主要分布在沁水盆地中南部晉城-長治-武鄉-祁縣-霍州-沁水一線的長舌形區域內和靜樂-嵐縣-婁煩一帶。中值區（9 ～ 15 m）主要分布于低值區和高值分布區之間的縱貫山西南北大部的地區以內[13]。半溝灰巖在北部大同-懷仁一帶僅發育一層，厚度最大可達5 m，向南至太原陽泉地區灰巖層數增多（一般2 ～ 4 層，太原東山最多可見6 層），厚度變小，泥質含量增高，陽城-鄉寧以南以及陵川-長治地區灰巖缺失[13-14]（表1）。本溪組煤層在山西大多不可采，其中山西北部區多為薄煤層，中部區局部較厚，南部區多為煤線。

2 煤下鋁土礦分布特征和找礦前景

2.1 分布特征

山西煤下鋁土礦位于石炭-二疊系含煤地層下部的本溪組鐵鋁巖段。煤下鋁是地表鋁土礦的的自然延伸，礦體特征與地表鋁土礦類似，一般以似層狀為主，具有為透鏡狀，少數為漏斗狀。表2 為山西地表露頭區鋁土礦礦體的厚度特征。

表2 山西省煤下鋁土礦找礦前景區面積和礦體特征 [6]Table 2 The area and ore body characteristics of the prospecting area of the aluminum below Shanxi coal [6]

可見，山西省淺部鋁礦石厚度大多介1 ～ 3 m左右，最大6.6 m。鋁硅比5 左右，最大為8。深部煤下鋁的鋁硅比系數比較地表鋁土礦大，硫鐵含量升高，夾層和礦體邊界均較地表鋁土礦復雜。如興縣趙家焉鋁土礦平均Al2O3含量61.22%，Fe2O3含量9.08%，S平均含量1.59%，鋁硅比8.65，屬于高硫中鐵型鋁土礦[15]。

2.2 找礦前景

根據山西鋁土礦的成因特點和賦存條件，結合已有的鋁土礦礦床，圈定了12 個山西煤下鋁找礦遠景區（圖2）。

圖2 山西省煤下鋁土礦找礦遠景區 （據翟自峰[6]、劉曉雪[5]等修改）Fig. 2 Prospecting area for coal mining in Shanxi province

可見山西煤下鋁找礦遠景區主要位于寧武煤田、霍西煤田、河東煤天、沁水煤田東北部、中西部邊緣、西山煤田北部以及五臺和平陸兩個煤產地。表2 為山西煤下鋁土礦找礦前景區面積和礦體特征。從中可以看出，山西河東煤田中北部鋁土礦礦體厚度最大，沁水煤田南部最薄。河東煤田離柳礦區、霍西煤田霍州礦區以及沁水煤田陽泉礦區煤下鋁硅鋁比值最高，達到5 以上。

3 目前存在的問題

目前的鋁土礦勘查，主要指埋深300 m 以淺的鋁土礦。區別地表鋁土礦，一般意義上的煤下鋁指300 m 以深，不包括現在鋁土礦探礦權、采礦權證的煤層深部的鋁土礦[16]。煤下鋁的勘查開發是個復雜的系統工程，涉及到國家資源政策、礦業權、地質條件多方面因素。目前煤下鋁的勘查和開發在礦體資源量、國家政策和勘查規范、以及勘查難度上面還有諸多問題。在資源量方面，受傳統思維的影響，煤礦以往一直對煤下鋁的重視程度不夠，導致對煤下鋁基礎資料、基礎數據積累不夠，對礦體資源量和開發潛力掌握不夠，影響開發戰略和開發思路。在政策方面，由于煤鋁屬于不同的礦種和開采深度，礦業權重疊現象嚴重[17]。勘查開發方面，煤下鋁勘查開發目前國內尚無成熟的大規模工業化的成功案例[10]，勘查和開發經驗積累都還遠遠不夠。

3.1 資源量方面

煤下鋁礦體賦存特征、成礦規律、資源量不清。煤礦深部鋁土礦不同于淺部露頭出露區，沒有礦體的直觀反應。而以往的找煤為主的勘查思路，對下伏鋁土礦重視程度不夠，巖心采取率、采樣代表性、分析化驗指標均重視不夠，導致對煤下鋁資源量和資源賦存特征不明。近年來，以興縣黃輝、孝義魏家溝和申家莊等礦區為代表，一大批隱伏鋁土礦相繼被發現，尤其申家莊礦區發現隱伏鋁土礦資源量近2 億t[18]，充分顯示山西煤下深部隱伏鋁土礦床找礦前景好，資源量巨大。

3.2 政策方面

雖然《中華人民共和國礦產資源法》、《山西省礦產資源管理條例》、《山西省鋁土礦資源開發利用規劃》明確要求對于具有工業價值共(伴)生礦產資源必須統一規劃、綜合勘探、綜合評價、綜合開發、綜合利用, 最大限度提高資源利用率和產出率。但在實際執行過程中，由于煤礦“采礦權”范圍不包括下部鋁土礦的含礦層位，因而在煤礦“兩證”范圍內開展鋁土礦找礦勘查工作存在法律上的障礙[17]，因此礦權的重疊也是一個很大的問題，需要煤礦企業和政府以及自然資源管理部門三方進行統一協調。但由于煤和鋁屬于不同的礦產，分屬不同管理部分，未來需要更加靈活和與時俱進的礦業權配置政策。此外，由于國內煤下鋁的勘查剛發才剛剛起步，因此目前沒有一套統一的煤下鋁勘查規范和預算標準，導致煤下鋁的勘查與開發無法可依。

3.3 勘查方面

第一、礦體形態復雜。受沉積環境的制約，本溪組鐵鋁巖段的礦體形態均較復雜，礦體形態、厚度、組合受奧陶系灰巖侵蝕面控制，一般呈溶斗狀或窩子狀，產狀變化大，勘查和開采難度均較大。第二、勘查難度大。煤下鋁的埋深普遍超過300 ～ 500 m，且與上覆地層物性差異不大，難以直接查勘探，需要通過查明下伏奧陶系古侵蝕面間接尋找成礦體可能富集部位[19-20]。煤下鋁的勘查屬于二次勘查或補充勘探，尤其當上覆煤層采掘完畢后，形成大量采空區與采空區積水[21-22]，需要運用特殊的鉆探工藝[23-24]和物探手段查明采空區的分布[22,25-26]。第三、開發難度大。煤下鋁的直接頂底板大多為泥巖，開采時頂底板維護難度較大[22,27]，給煤下鋁的勘查帶來很大困難。第四、水文地質條件復雜[21-22,27]。煤下鋁礦體標高大多低于當地侵蝕基準面，且部分為奧灰水帶壓開采。由于本溪組下部峰峰組與馬家溝組均為灰巖含水帶，本溪組一直充當煤系下組煤開采的隔水層。而鋁土礦的開采必將破壞隔水層，從而導通下伏奧灰水，發生突水事故。因此，煤下鋁的開發必須充分本溪組下伏峰峰的富水性和隔水層厚度，充分計算開采煤下鋁時的帶壓系數與帶壓危險區。

4 煤礦不同階段煤下鋁的勘查與開發

煤礦的生命周期一般包括勘查-建設-生產-閉坑四個階段，不同時期煤下鋁的勘查和開發所面臨的的地質問題也都有所不同，決定了不同階段煤下鋁的勘查任務有有所不同。在山西，800 米以淺煤炭勘查基本已結束，后續主要是井田的勘探和煤礦的補充勘探，因此山西煤礦勘查階段煤下鋁勘查的主要任務就是鉆孔鉆探、測井、化驗資料的收集。在煤礦建設階段，可以根據煤鋁礦體的共生地質條件，決定開采模式和開采方案。在煤礦的生產階段，可充分利用煤礦的補勘鉆孔對煤下鋁進采樣和測試以及礦體圈定。在煤礦閉坑階段，充分利用已有巷道和已有通風、排水系統，進行井下鉆探勘查作者，圈定成礦有利區。

4.1 煤礦勘查階段

山西目1200 m以淺的煤炭普查大部已經完成，所以勘查階段的煤下鋁主要指勘探和補勘階段。而以往大部分煤田孔或水文孔都進行了的地球物理測井且終孔層位均進入奧灰，因此勘查階段煤下鋁的主要任務就是在充分分析鉆孔測井資料與鉆孔柱狀圖，圈定成礦有利區。在條件適宜區，根據已有鉆探成果綜合運用多種物探手段[18-20]，如高精度重力測量[19-20,28-29]、可控源音頻大地電磁測深法[19-20,30-31]、高頻大地電磁測深法[31]等探測深部煤下鋁含礦巖系空間分布及構造特征，指導煤下鋁的勘查。在煤礦勘探和補勘階段，充分考慮煤下鋁，一孔多用，進行綜合勘查和采樣分析化驗。在此基礎上，建立勘查區煤下鋁三維模型，圈定成礦區域，為將來煤下鋁的開發提供基礎資料。在外部條件適宜和地質條件成熟地區，可以考慮先采下位煤下鋁土礦，后才采掘煤炭的上行開采模式或煤鋁同時開采[8-9]。

4.2 生產煤礦

在煤炭的生產階段，井巷已經形成，主要在巷道掘進和采掘工作面布置的時候，充分考慮煤下鋁的開發，盡量做到一巷多用，并且充分保護下組煤的底板。在煤礦補充勘探階段，充分利用鉆探資料對加大煤下鋁土礦層的采樣和控制程度，為煤下鋁的開發提供基礎資料。在進行井下物探和井下鉆探的時候，同時對煤下鋁進行勘探和控制。河南曹躍煤礦即是生產煤礦階段介入煤下鋁勘查開發，充分利用煤礦已有的設備和采掘工藝，繼續開采下煤下鋁土礦資源[8]。

4.3 關閉煤礦

對于關閉煤礦，首先應充分收集鉆孔資料、水文、構造、瓦斯及采空區積水資料以及鉆孔鋁土礦化驗資料，對關閉煤礦所壓覆鋁土礦進行資源量計算。其中，特別要注意采空區的探測。山西的許多關閉或廢棄小煤礦，由于設計和開拓資料不全或由于產權更迭遺失，無法確定采空邊界和采空范圍，也無法進入調查。此時需要充分利用先進的物探方法，如瞬變電磁法和高頻大地電磁測深確定采空區的空間位置、充填狀態、連通性[21,24-25]，為煤下鋁勘查提供保障。運用電阻率法探測鋁土礦礦體的埋深和產狀變化[22]，確定含礦巖系的分布范圍，為后期鉆探工程的合理布置提供依據。最后，在充分考慮開采和開發條件的基礎上，設計較優的開發方案。對于資源量和礦體品位不能滿足現有開采技術條件的，進行鋁土礦資源量的登記，作為關閉煤礦的壓覆資源進行資源量備案，留待以后技術條件成熟后進行開發。

5 結 論

（1）山西省煤下鋁分布范圍與煤田分布范圍基本一致，主要分布盂縣-壽陽-左權一帶以及孝義-陽泉曲、寧武-靜樂和平陸以東地區。鋁土礦厚度大多介1 ～ 3 m 左右，最大6.6 m。煤下鋁是地表鋁土礦的的自然延伸，礦體特征與地表鋁土礦類似，一般以似層狀為主，具有為透鏡狀，少數為漏斗狀。 鋁硅比5 左右，最大為8。

（2）山西煤下鋁的開發利用存在三方面的問題，一是煤下鋁礦體賦存特征、成礦規律、資源量不清。二是煤、鋁重礦業權重疊，且缺乏統一的勘查規范和預算標準，導致煤下鋁的勘查與開發無法可依。三是煤下鋁的水文地質條件和開采技術復雜，導致勘查和開發難度大。

（3）對于煤炭勘查區，應充分分析煤礦勘查階鉆孔測井資料與鉆孔柱狀圖，圈定成礦有利區。在勘探和補勘階段，要充分考慮煤下鋁，一孔多用，進行綜合勘查和采樣分析化驗，充分利用鉆探和物探資料對加大煤下鋁土礦層的采樣和控制程度，建立勘查區煤下鋁三維模型，圈定成礦區域。生產煤礦巷道掘進和采掘工作面布置時，充分考慮煤下鋁的開發，做到一巷多用，并且充分保護下組煤的底板。關閉煤礦應充分收集鉆孔資料、水文、構造、瓦斯及采空區積水資料以及鉆孔鋁土礦化驗資料，對礦井壓覆鋁土礦進行資源量計算，并根據開采和開發條件設計開發方案。