华北石炭-二叠纪煤中铝分布及资源前景

朱华雄，章 伟，宁树正，韩 亮，邓小利

(1.中国煤炭地质总局浙江煤炭地质局，杭州 310021； 2.中国煤炭地质总局，北京 100038； 3.中国煤炭地质总局第一勘探局，河北 邯郸 056004)

0 前言

煤中铝是近年来在我国内蒙古中西部、山西省北部发现的新型的再生资源[1-2]，在这些地区发电厂粉煤灰中发现其中Al2O3含量高达50%，相当于我国中级品位铝土矿中氧化铝的含量。其分布区域大致为阴山山脉以南的华北石炭二叠系含煤区，主要包含了华北的鄂尔多斯盆地周缘、山西省、河北省等地区，这一地区同时也是我国煤炭资源最为丰富的地区，煤中铝等共伴生矿产资源十分丰富。

1 高铝煤和煤中铝富集成矿时代

1.1 高铝煤

我国各时代煤层粉煤灰中Al2O3含量一般在20%以下，华北地区煤中铝富集区域煤层中Al含量为10%～15%，正常燃烧后，Al2O3在粉煤灰中二次富集，煤灰中Al2O3的含量普遍接近和超过40%，高者甚至能超过50%。

高铝粉煤灰有主张以35%作为划分值，也有主张以Al2O3含量40%、50%作为划分界线；考虑到我国华北地区石炭二叠纪高铝粉煤灰中Al2O3含量大多在35%以上。从煤炭综合开发利用角度，现阶段我国在内蒙准格尔、山西大同、山西平朔等地区的工业利用过程中，从煤灰中提取氧化铝，而这部分石炭二叠纪煤层煤灰中的Al2O3含量普遍大于40%，工业化利用过程中比较一致性地认可燃灰中Al2O3含量40%,是一个比较合适的界线值。

另外，《铝土矿、冶镁菱镁矿地质勘查规范》(DZ/T0202-2002)的附录H：铝土矿床一般工业指标，沉积矿床Al2O3含量≥40%为边界品位。综合各方面的因素考虑，本文建议将煤灰中Al2O3≥35%作为煤中铝综合利用的边界品位，煤灰中Al2O3≥40%为工业品位。同时将煤层煤灰中的Al2O3含量≥35%，作为高铝煤的界线值，即煤层煤灰中Al2O3含量≥35%的煤定义为高铝煤。

1.2 煤中铝富集成矿时代

华北地区石炭二叠纪含煤地层包括晚石炭世本溪组、太原组及早二叠世山西组。研究发现煤中铝富集成矿主要集中在石炭二叠纪太原组、山西组煤层中。

太原期与山西期为华北地区两个重要的成煤期，整体为一个大的海退旋回。太原期以海陆交互相含煤沉积为主、山西期以陆相河流、冲积平原沉积为主，煤中铝的分布和含量也随着沉积背景因素发生变化。

煤与铝土质岩的沉积关系密切，铝土质岩常常构成煤层的直接顶底板，尤其是区域性构造运动所形成的大的沉积间断面上，广泛发育古风化壳特有的高含量铁、铝岩石组合，此后处于一个相对的构造稳定期，沉积盆地受小规模的海侵海退旋回影响，岸线固定在相应的区间范围内，近岸沼泽植被繁盛，泥岩堆积稳定，构成了区域成煤所必需的物质条件，发育形成了规模巨大的煤田，华北的石炭二叠纪成煤期就是其典型范例。

由于沉积盆地基底铁、铝质岩的广泛分布，成煤过程中部分周边的古风化壳因抬升暴露风化也提供了部分近源物质，这一时期华北地区煤层中的铁、铝含量偏高则水到渠成。我国各成煤时代跨度时间长，从早古生代到晚古生代、中生代、新生代均有发育，各时代成煤期原煤中Al含量一般在10%以下，包括华北地区中、新生代也有良好的成煤期，煤炭资源巨大，但煤中高铝特征并不明显。唯独华北石炭二叠纪煤层原煤中Al含量可达10%～15%，甚至更高，明显高于其他各时代煤层中Al含量值。

在山西大同双纪煤田中分别采取的侏罗纪、石炭二叠纪煤层煤样进行对比试验发现，侏罗系煤样煤灰成分中Al2O3含量均平均值为21.18%；而石炭-二叠系煤样煤灰成分中Al2O3的含量普遍高于35%，两者有明显的差别(图1)。

图1 大同煤田侏罗纪与石炭二叠纪煤层煤灰中Al2O3含量对比图Figure 1 Comparison of Al2O3 contents in Jurassic and Permo-Carboniferous coal ashes in Datong coalfield

从掌握的资料来看，国内各地区各时代成煤期，只有华北地区的石炭二叠纪煤层中，煤中铝达到了成矿规模，而且有一定的分布区域，主要分布在太行山以西的内蒙、山西等地。

2 煤中铝分布特征

2.1 平面分布特征

华北地区石炭二叠纪高铝煤主要分布在含煤盆地的周边，如桌子山煤田、准格尔煤田、河东煤田(北部)、大同煤田、平朔煤田，以及沁水盆地的北部、南部边沿地带，其他地区零星分布。

(1)从华北总体区域性分布来看，这与石炭二叠纪成煤期阴山古陆为主要物源供给区有关，随着物源区远去，煤中铝含量向南、向东方向变低，平面上呈现西高东低(图2)、北高南低(图3)的变化趋势。

图2 华北赋煤区东西向太原组煤层煤灰中Al2O3含量Figure 2 Taiyuan Formation coal ash Al2O3 contents in North China coal-bearing area from east to west

图3 华北赋煤区南北向山西组煤层煤灰中Al2O3含量Figure 3 Shanxi Formation coal ash Al2O3 contents in North China coal-bearing area from south to north

(2)从含煤盆地中煤中铝的分布来看，煤中铝含量变化主要与盆地的地貌形态、铝的胶体沉积特征有关，含量变化特征依然叠加在物源区供给方向之上。高铝煤主要分布在靠近北部的长条形含煤盆地中，或沿盆地边缘地带展布，条带状分布为主，延伸到盆地中间部位时含量明显偏低(图4、图5)。这一特征在山西沁水盆地中表现尤为明显，高铝煤分布于盆地北部的太原、阳泉一带和南部的乡宁、晋城一带，并沿盆地边缘呈东西向条带状分布，这与铝土岩在岸线附近富集成矿机理基本一致。

2.2 垂向分布特征

高铝煤的垂向分布明显受成煤期沉积环境因素的控制，主要与物源供给的多源性和近源性相关。华北地区石炭二叠纪为一大的海退旋回，太原期以海陆交互相成煤为主，山西期以陆相成煤为主。物源供给太原期以北部阴山古陆为主，这一时期高铝煤主要分布于鄂尔多斯盆地东、 西缘和山西北部大同、平朔煤田以及沁水盆地北部、南部边缘，高铝煤在华北地区的北、西部集中分布特

征较为明显。

山西期随着岸线向盆地推进，除了北方物源外，部分含煤盆地周边的古陆，如苏北、胶东、大别古陆也相应提供部分近源物质。所以山西期除了与太原期大致相同的高铝煤分布区外，向东、向南扩展趋势比较明显，如山西和顺、河北邢邯、山东肥城一带出现了有一定分布区域的高铝煤；南部区域的豫西、徐淮含煤区煤中铝含量也明显增高。从两个成煤期煤层煤灰Al2O3含量等值线图发现，总体上山西组煤层煤灰中Al2O3含量普遍高于太原组，两者相差5%～15%(表1，图6)。其垂向上含量变化趋势更多地体现了山西期成煤期多物源性和近源性特点。

表1 山西组与太原组煤层煤灰中Al2O3含量对比

图4 华北赋煤区太原组煤层煤灰中Al2O3含量等值线图Figure 4 Isogram of Al2O3 content in North China coal-bearing area Taiyuan Formation coal ashes

图5 华北赋煤区山西组煤层煤灰中Al2O3含量等值线图Figure 5 Isogram of Al2O3 content in North China coal-bearing area Shanxi Formation coal ashes

图6 山西省山西组与太原组煤层煤灰中Al2O3含量对比图Figure 6 Comparison of Shanxi and Taiyuan formations coal ash Al2O3 contents

2.3 煤中铝富集地质因素分析

2.3.1 构造及地形地貌

晚奥陶世-早石炭世时期华北陆块全面上升，抬升为陆，遭受风化剥蚀。晚石炭世重新下降，形成了具有陆表海特征的华北聚煤盆地[3]。晚古生代时期，华北地区总体受北缘阴山构造带和南缘秦岭构造带控制，盆地内部展现出北东向构造控制的特征，含煤盆地基底总体呈现“北部高，南部低，西部高，东部低”，北部阴山为主要物源供给区，这可以较好的解释华北赋煤区石炭二叠纪煤中铝含量北高南低、西高东低的平面展布特征。

煤中铝的富集与沉积盆地中的地形、水介质和含Al胶体活动有关。由物源区的铝硅酸盐岩在温暖湿润的气候条件下，产生的三氧化二铝和二氧化硅的胶体，在沼泽水介质中大量的有机质、腐植酸保护下，胶体迁移一直占据主导地位。在盆地边缘或盆地的相对隆起区，富Al胶体浓度集中，同时由于水体变浅转入相对的富氧环境，近岸地带的电解质破坏了水体中腐植酸的保护，促使胶体中铝在近岸地带沉淀下来，所以在含煤盆地边缘泥炭中Al、Ga等元素更易富集。

2.3.2 物源分析

华北地区石炭二叠纪煤中铝的主要物源区为其北部的阴山古陆[4]， 直接控制着煤中铝的富集和发育状况。我们通过对大青山煤田上石炭统拴马桩组的砂岩进行古流向测量显示，上石炭统拴马桩组砂体古流向平均值为240°，古流向为SW向，古流向自北而南，证明在晚古生代沉积时其陆源剥蚀区在盆地以北。同时通过桌子山煤田、大青山煤田和准格尔与阴山古陆岩浆岩稀土元素配分模式图(图7)对比发现，华北地区石炭二叠纪煤层样品与阴山加里东海西期花岗岩、不同类型的花岗岩(斜长、二长、钾长、细晶)曲线形态相似，均呈右倾的“V”型；而前寒武纪花岗岩的曲线在Tm处存在明显的“峰”，与研究区样品曲线形态不同。据此推断，研究区煤层及夹矸物源主要来自盆地北缘的阴山古陆，母岩类型为加里东海西期的斜长花岗岩、二长花岗岩、钾长花岗岩等。其体现在华北地区煤中铝的分布特征上，为靠近源区的华北北部准格尔煤田、桌贺煤田、河东煤田北部、大同宁武煤田石炭二叠纪煤层中煤中铝的含量，整体高于离物源区较远的东部及南部区域此外，在石炭二叠纪成煤期，北部盆地边缘的本溪组风化壳铝土层受构造抬升影响，暴露风化，为华北地区这一时期的含煤盆地提供了较多的近源富铝物源[5]，这可能是这一时期煤中铝成矿的主要原因之一。

图7 稀土元素配分模式图对比Figure 7 REE distribution patterns comparison

2.3.3 沉积环境

太原组含煤沉积受海水影响相对较大，为海陆交互相含煤沉积；早二叠世随构造抬升，山西组含煤沉积基本以陆相河流相沉积为主，受陆源碎屑沉积控制更加明显，高铝煤的分布范围也比太原组更为广阔，相应地向南、向东扩展，而且山西组煤中铝含量比太原组也相应增加。

王文峰等[6]通过对准格尔煤中镓的研究发现，处于太原组中上部的煤层中Ga的平均含量较低，而山西组煤层以及处于太原组底部与本溪组煤层中Ga的含量相对较高。山西组沉积环境主要为陆相环境，太原组底部以及本溪组沉积受海水影响明显，而太原组中上部基本为海陆交互相环境。认为就石炭二叠纪而言，基本不受海水影响的陆相沉积(山西组)，以及明显受海水影响的近海沉积(太原组下部)的煤层中Ga的含量相对较高，而介于两者之间的海陆交互相沉积(太原组中上部)煤层中Ga含量较低。同样煤中Al含量也有相似的特点和趋势变化。

3 煤中铝资源前景分析

3.1 现状分析

据国土资源部报道，截至2014年底我国查明铝土矿资源储量(矿石)为41. 5亿t[7-8]。近十年来，中国铝土矿年进口量由原来的220万t增长至5 000万t，对外依存度超过50%，资源供应能力面临较大压力。

我国电厂耗煤量巨大，约占煤炭总消耗量的55%～65%，其燃烧后产生的粉煤灰的排放与堆积，已造成了严重的环境和生态污染。国内粉煤灰年排放量达到了4亿t以上，国内已往累积的粉煤灰堆场占地在6.67×108m2以上，成为我国工业固体废物最大的单一污染源。此外，电厂排灰过程还需要消耗大量的水资源，据不完全统计，年排灰耗水量达10亿t以上。现阶段我国粉煤灰的利用领域主要是交通、建材、矿山、水利、冶金等行业，粉煤灰的平均利用率在40%左右。

3.2 国家政策指导因素

(1)2012年国土资源部《找矿突破战略行动纲要(2010-2020)》将矿产资源节约与综合利用列入三大任务之一，这标志着矿产综合利用工作上升为国家战略任务。近年来国家每年投入近40个亿相继实施了矿产资源节约和综合利用示范基地的建设。依靠科技进步，实现矿产资源集约节约和高效利用，将资源优势转变为经济优势已成为各级政府的迫切愿望和自觉行动。

(2)我国的矿产综合利用率与发达国家相比差距明显，国务院[2013]2号文《能源发展“十二五”规划》，对于“十二五”期间国家能源发展的基本原则：其中之一是实施能源消费强度和消费总量双控制，努力构建节能型生产消费体系。另一个重要方向是坚持保护环境，大力推进煤炭高效清洁利用。其相关的主要任务是因地制宜开发

煤炭共伴生资源，大力发展矿区循环经济。内蒙古准格尔地区实施煤—电—粉煤灰—提取氧化铝—电解铝—建材一体化示范工程，即为国家重点能源(加工与转化)示范工程。

国家的相关能源、环境政策导向是行业发展的巨大推动力，有了国家政策指引和地方政府的支持，开展煤炭资源综合开发利用大有可为，前景广阔。

3.3 前景分析

目前，随着国家对循环经济、环境影响因素的日益重视，煤炭综合开发利用的工作程度也不断提高，从华北石炭二叠纪煤层煤灰中提取Al2O3的工艺技术已基本成熟，规模化工业生产已达到临界状态。

(1)循环经济方面，煤炭正常利用外，燃烧后产物—粉煤灰蕴含着丰富的Al、Ga、Ge、Li等重要资源，这部分再生矿产资源极大地补充了我国Al等大宗矿产和Ge、Ga、Li新兴战略资源的储备。提取其中的有益矿产元素，将有效缓解我国矿产资源的供需矛盾，改变铝土矿对外依存度过高的现状。

(2)目前通过一系列工业提取Al2O3、Ga、SiO2技术，对粉煤灰的处理可以达到90%以上，基本清除燃煤所产生的粉煤灰，矿产综合利用效率得到了极大改善，环境负担大为减轻；同时节约了排灰过程中宝贵的水资源，循环经济、环境因素及社会效应等，都得到了充分的体现。

(3)综合相关矿区资料，结合本项目样品测试数据，统计煤层煤灰中Al2O3含量≥40%部分，采用地质块段法，初步估算华北赋煤区石炭二叠纪煤中铝资源量19.5亿t(可供综合开发利用)。本项研究工作所取得的成果，进一步证实华北地区石炭二叠纪粉煤灰中蕴含着丰富的Al2O3资源，资源量巨大，对煤炭综合开发利用提供了资源保障。另外，随着综合开发利用的进一步发展，以往华北地区累积的大量的粉煤灰也可以作为一种再生的矿产资源得到有效利用，能有效减少堆灰场地，减轻环境压力。

华北地区煤中铝的开发利用，对于今后煤炭资源综合发开利用、循环经济发展、环境保护，以及能源企业的结构调整、转型升级，都具有十分重大的现实意义。

参考文献:

[1]张战军.从高铝粉煤灰中提取氧化铝等有用资源的研究[D].西安：西北大学,2007.

[2]刘军.内蒙古蒙西煤田有望成为我国最大“铝土矿”[DB/OL][2011-02-08].http //news.qq.com/a/20110208/000442.htm.

[3]牛树银,孙爱群,张建珍.华北古陆的形成与构造演化史[J].地学前缘,1997(04),291-297.

[4]代世峰,任德贻,李生盛.内蒙古准格尔超大型镓矿床的发现[J].科学通报,2006(02):177-185.

[5]代世峰,任德贻,李生盛.鄂尔多斯盆地东北缘准格尔煤田煤中超常富集勃姆石的发现[J].地质学报,2006(02):294-300+315-316.

[6]王文峰,秦勇,刘新花,等.内蒙古准格尔煤田煤中镓的分布赋存与富集成因[J].中国科学:地球科学,2011(02):181-196.

[7]中华人民共和国国土资源部.中国矿产资源报告2015[M].北京:地质出版社，2015.

[8]陈喜峰.中国铝土矿资源勘查开发现状及可持续发展建议[J].资源与产业,2016,18(03):16-22.