汾陽市煤炭下部鋁土礦資源開發潛力研究

王斌峰

(山西省礦產資源調查監測中心,太原 030024)

汾陽市位于霍西煤田北部,區內南部大面積分布富含煤層的石炭、二疊紀地層及賦存鐵鋁的石炭紀本溪組鐵鋁巖段地層,是重要的煤鋁資源集中區。煤炭資源自20世紀90年代以來已經實現了規?；_發,后備可采資源保障充足,而鋁土礦資源開發初步啟動,但尚無可供接替的儲備資源,目前鋁土礦開發行業發展后勁明顯不足。為保障區域煤鋁工業協調發展,合理利用已有煤礦的開采系統開發下部的鋁土礦資源是促進區域經濟發展的重要研究課題[1]。

1 工程概況

1.1 資源開發現狀

汾陽市含煤的石炭、二疊系地層主要分布于境內南部,是區內重要的煤鋁資源集中區。汾陽市西南部含煤地層穩定,煤層賦存標高適宜開采,現有龍峰煤業、龍山煤業、正升煤業、正宏煤業四座煤礦,井田內含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組,可采煤層2#、4#、5#、7#、9+10+11#煤層,煤層賦存標高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,煤層賦存標高-950～350 m,均位于奧灰水位之下。多年來，由于水文地質帶壓開采問題,煤炭資源一直未開發利用。區內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區,分布鋁土礦開采礦山一座,主要開采石炭系中統本溪組鋁土礦,如圖1所示。汾陽市目前的煤鋁礦產開發絕大多數為煤鋁單礦種獨立開發。區內資源開發目前未實現煤鋁綜合勘查、綜合利用[2]。

1.2 煤炭地質特征

研究區內勘查開發的煤礦位于霍西煤田北部的核心區域,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#煤層在本礦區為穩定可采煤層；4#和5-2#煤層為較穩定局部可采煤層；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#煤層為全區穩定可采煤層,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,含煤系數為10.01%。

1.前寒武基底及古生界碳酸巖地層；2.鋁土礦(點)；3.煤礦(點)；4.鋁土礦剝蝕邊界及分布范圍；5.9+10+11號煤風氧化邊界及分布范圍；6. 2號煤風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 鋁土礦地質特征

研究區內的石炭系本溪組為本區鋁土礦及其共伴生礦產的主要賦存層位,為濱海相碳酸鹽巖和碎屑巖沉積建造,與下伏奧陶系中統上馬家溝組呈平行不整合接觸關系。依據巖性、巖相劃分自下而上分為兩段：一段以發育鐵鋁巖為特征,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、泥質巖、薄煤層(線)和灰巖互層狀產出為特征,主要由泥巖、頁巖、粘土巖夾1～2層薄層石灰巖或泥灰巖組成,底部局部夾煤線,灰巖極不發育,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費不足等原因,多數煤層勘查鉆孔施工至9+10+11#煤層底板即終孔,只有少數鉆孔施工至奧陶灰巖終孔,但基本上不對鋁土礦取樣化驗分析,區內以往對鋁土礦的綜合勘查力度不足。參照周邊區域鋁土礦地質勘查成果,本區鋁土礦礦石的結構可分為碎屑狀、粗糙狀和致密狀三種自然類型。碎屑狀和粗糙狀礦石質量較好,致密狀礦石質量次之。礦石構造可分為塊狀和薄層狀,塊狀礦石質量相對較好。鋁土礦Al2O3質量分數為40.45%～78.12%,SiO2質量分數2.02%～39.88%,A/S約為2.6～18.6。區域鋁土礦中的Fe2O3質量分數在0.45%～34.26%之間,平均值為4.20%,屬含鐵型。礦石中硫質量分數在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 開發潛力評價

2.1 資源潛力評價

研究區位于霍西盆地,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,在研究區西南部外圍從北至南分布著菽禾、李家村、西武堡、杜村、柴場、西梁莊、長安、相王等數個成型露頭鋁土礦床,指示研究區煤層下部的本溪組鐵鋁巖段有條件賦存鋁土礦。

根據該區內煤下鐵鋁巖段的賦存特征,推測本區煤下鋁礦體呈似層狀、透鏡狀產出,產狀比較平緩,宜采用資源量估算公式(1)評價研究區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。

潛力區分布面積(S):依據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,據以往煤炭勘查資料可知,評價區本溪組鐵鋁巖段平均厚度為6.83 m,略高于區域外圍鋁土礦區鐵鋁巖段平均厚度6.45 m,故可取研究區外圍鋁土礦床中鋁土礦的平均厚度2.29 m作為評價區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境相同,霍西盆地鋁土礦礦石類型較簡單,多屬低硫、含鐵型鋁土礦,且鋁硅品位的變化對密度值的影響不大,故可參考研究區外圍鋁土礦床小密度樣品測試結果的平均值2.78 t/m3。

面含礦系數(δ):深部鋁土礦與淺部鋁土礦成礦古地理環境相同,評價區斷裂構造不發育,沒有成礦后構造對礦體形成破壞,上覆煤系地層形成保護蓋層避免了鋁土礦成礦后遭受剝蝕,故可采用研究區外圍的鋁土礦床面含礦系數的平均值40.20%作為評價區面含礦系數參考值。

據此預測研究區鋁土礦遠景資源量可達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,是現在已經勘查的鋁土礦總面積的數倍,資源儲量巨大。

2.2 開發經濟可行性評價

煤炭工業和鋁工業是山西省的重要戰略性支柱產業。呂梁市深化能源革命綜合改革,推進煤下鋁資源勘查開采試點取得初步成效,汾陽市實施煤鋁資源共采對提高資源綜合利用率、支撐鋁工業高質量發展、保障國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比區內以往煤礦勘查階段的石炭系中統巖性柱狀圖,收集掌握周邊大中型鋁土礦區已完成的中深孔鉆探資料及后期開發采掘資料,更加詳細地了解區內巖相古地理特征,從而有效篩選、確定鋁土礦找礦靶區。同時在采煤掘進巷道中向下實施坑內鋁土礦勘查鉆孔,相比地表鉆探勘查,鉆孔進尺明顯減少,有效節約勘查資金。在煤下鋁開發階段,利用煤礦現有的開拓系統向深部直接開拓，實現鋁土礦開采與煤炭開采共用開拓系統、通風系統及運輸系統,可大幅降低開采成本[5-6]。煤下鋁的開發從宏觀政策和經濟意義上來講無疑是可行的。

2.3 開發技術可行性評價

經濟可行的前提是開采技術條件可行。煤下鋁的賦存層位是煤層與奧灰水之間的良好隔水層,煤下鋁的開發過程也是對隔水層的破壞過程,因此煤下鋁開采技術條件的研究要著重研究煤下鋁礦體賦存空間的水文地質條件。研究區內奧灰水位標高545～570 m,汾陽市西南部的煤鋁資源集中區的正宏、正升、龍山、龍峰煤礦內煤下鋁土礦賦存標高450～550 m,絕大多數區域煤下鋁土礦賦存標高位于奧灰水位之上,目前不存在帶壓導水的問題,但開發利用前必須將相關地質問題勘查清楚,特別是水文地質及帶壓開采問題。在開采過程中造成應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,奧灰巖溶水有突破底板的可能。因此,煤下鋁土礦開采準備前,必須進行奧灰水的帶壓開采可行性專題研究。在理論研究的基礎上進行水文地質勘探,重點查清煤層底板隔水巖層的厚度、巖性變化規律、抗壓強度及節理、裂隙發育情況。圈定煤層底板隔水層的薄弱區段,在生產過程中采取有針對性的技術措施進行防范或治理,所以開發技術是可行的[7-9]。東南部煤炭資源后備區的白壁關勘查區位于晉中斷陷盆地巨厚松散層覆蓋區,煤下鋁土礦資源賦存標高為-980～410 m,賦存深度約為540～1 830 m。白壁關井田奧陶系灰巖厚度大、巖溶裂隙特別發育,本區奧灰巖含水層水位埋藏較深,位于區域奧灰水的徑流區,屬強含水層。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重的,有底板突水風險,奧灰水位標高為578～595 m,煤層及煤下鋁平均賦存標高為100 m,帶壓水頭近500 m水柱,全部位于奧灰水位之下,不具備開發意義。

因此,綜合資源潛力、經濟、技術三個方面的因素進行可行性評價,汾陽市除白壁關勘查區外,煤炭下部鋁土礦資源的開發均有條件從露天開采走向坑采,表明煤鋁綜合開發利用是可行的。

3 結論

1)汾陽市煤炭下部鋁土礦資源潛力巨大,是現已查明的鋁土礦資源量的數倍,進行煤鋁資源綜合開發很有必要。

2)煤鋁綜合開發要依托政策支持,廣泛收集區域成型鋁土礦區資料,詳細研究煤礦勘查開發階段并形成地質資料,預測深部鋁土礦賦存特征,加大勘查投入,實現煤下鋁勘查重大突破[6-7]。

3)汾陽市煤鋁資源集中區除白壁關勘查區外資源開發均有條件實現綜合開發,開發利用過程中要著重研究礦體賦存空間的水文地質條件。