煤系矿产资源综合评价技术方法探讨

2019-01-18宁树正曹代勇朱士飞乔军伟魏迎春邓小利张建强李聪聪

中国矿业 2019年1期

宁树正，曹代勇，朱士飞，乔军伟，魏迎春，邓小利，张建强，李聪聪

(1.中国煤炭地质总局，北京 100038；2.中国矿业大学(北京)，北京 100083；3.江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州 221006；4.中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西西安 710199；5.中国煤炭地质总局第一勘探局，河北邯郸 056004；6.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

含煤岩系(简称煤系)是一套含有煤层、煤线并有成因联系的一套沉积岩系[1]，其特点是沉积旋回明显、岩性种类多样、有机质含量高。煤系作为多种矿产资源的载体，除了赋含煤炭资源，还共伴生资源丰富类型众多的其他矿产资源：煤系气等能源、金属矿产、非金属矿产，构成一个相对独立、又具有成因联系与耦合关系成矿环境和赋矿系统[2-3]。早在20世纪初，人们便已关注到煤以及煤系共伴生矿产综合利用技术等问题[4-5]，不少学者和单位开展了煤系共伴生矿产研究工作[6-7]，重点集中于煤系非金属矿产开发利用[8-9]。近年来，主要是勘查评价了煤系非常规气(煤层气、页岩气、砂岩气)[10-12]、煤层中镓、锗、锂等“三稀”金属矿产[13-14]、煤系砂岩型铀矿[15]等矿产资源，拓宽了“煤炭资源”研究内涵和外延，由煤系共伴生矿产发展形成煤系矿产资源的概念[2-3]，显示了煤系矿产资源综合开发利用的广阔前景。

矿产资源调查评价是地质勘查和开发利用的基础和前提条件，煤系矿产资源的“共伴生”特征和资源种类组合的多样性，决定了煤系矿产资源调查评价工作的自身特点。前人在煤盆地多能源矿产协同勘查理论与技术[16]、煤中金属元素矿产评价方法和评价指标[17-18]等方面开展了不同程度的研究工作，取得可喜进展。但是，现有成果多针对单矿种和具体的地区，缺乏综合评价煤系矿产资源的技术方法。现有国家标准《矿产资源综合勘查评价规范》(GB/T 25283—2010)[19]也不完全适应煤系矿产资源范畴扩展所带来的新要求。

针对上述制约煤系矿产资源综合评价工作的瓶颈问题，本文依托中国地质调查局地质调查项目“煤系矿产资源综合调查与评价”研究成果，将煤系矿产资源作为一个整体，从工作依据、工作内容和工作流程等方面，构建煤系矿产资源综合调查评价技术方法工作框架，制定煤系矿产综合评价参考指标，探索一条实用、有效的工作途径，为推进煤系矿产资源综合调查评价全面深入开展提供方法学依据。

1 综合评价要求

1.1 综合评价内容

煤系矿产资源综合评价要系统收集分析各矿种的勘查与研究资料，辅助一定量勘查工作，研究煤系矿产资源在同一煤盆地中的沉积环境、成因性质、物质成分、物质结构、系统分类、赋存规律及其相互关系，确定煤系矿产资源类型和赋存地层，从矿产资源(同体或异体矿产)的物质相态特征(固体、气体等)及其赋存空间特征(即煤层、煤系、煤盆地)出发，厘清含煤岩系多种矿产资源种类，分析含煤岩系中主矿产与共伴生矿产关系，共生矿产中同体与异体的关系，划分矿产资源组合类型，总结含煤岩系共伴生矿产时空分布特征、成矿规律和成矿类型，评价煤系矿产资源潜力、划分有利区带，进行系统的调查与评价工作，提出勘查和开发利用建议，为充分发挥煤系矿产资源多种功能用途和社会综合效益提供基础数据支持。

1.2 综合评价原则

矿产资源综合评价是按照现行的矿产勘查技术标准、有关法规、政策和相关科学理论，对矿床中主要矿种进行研究和评价的同时，遵循“技术上可行，经济上获利”的原则对主要的共生矿产及伴生矿产进行综合评价，确定其可供利用的开采技术条件和经济技术价值等基础数据，为综合开发利用提供参考[19]。煤系矿产资源与煤系地层共伴生，调查评价工作方法有别于单矿种矿产资源:一是必须坚持结合定量评价与定性评价的原则，定性评价为主，定量评价为辅，定量评价为定性评价的补充、深化，增强评价的科学性和客观性;二是必须坚持全面性与重要性相结合的原则，综合研究影响煤系矿产资源综合开发的各类因素(煤物质基础、构造-热演化、煤层特征、沉积条件等)，分清主次，突出影响综合评价的重要因素;三是考虑评价可行性原则，统筹矿产资源的经济效益、社会效益、生态效益，要在矿产资源综合评价的框架下，制定出切实可行的方法，指导煤系矿产资源综合评价。

2 综合评价方法

本次工作形成的煤系矿产资源综合评价技术方法，以岩石学、沉积学、构造地质学等基础地质学和煤地质学、非常规气地质学、矿产资源学、地球化学等多学科理论为指导，参考《矿产资源综合勘查评价规范》《煤、泥炭地质勘查规范》等相关技术标准和规范为依据，结合多年煤炭勘查工程实践积累的海量基础地质资料，采用系统的测试分析技术为支撑，按照资料收集与整理→现场调查与采样→测试实验与数据分析→专题制图与综合分析的工作流程，选择重点矿种(煤中金属元素、煤系非常规气)和典型地区，开展全面系统的调查评价工作，查明煤系矿产资源的分布特征，揭示煤系矿产成矿机制并建立成矿模式，评价煤系矿产资源潜力和划分有利区带，为有效指导煤系矿产资源综合调查和评价提供依据(图1)。

图1 煤系矿产资源综合评价技术方法框架图Fig.1 Flow chart of comprehensive evaluation technology of coal resources

由于煤系矿产资源不同、地质条件不同及所处勘查阶段的不同，采用的勘查技术不同；每种勘查技术手段的使用条件和适用范围不同，均存在一定的局限性。因此，在含煤岩系矿产资源综合勘查评价中，针对具体矿产资源组合类型、地质和地球物理条件，因地制宜，综合运用各种勘查手段，能够取得最佳的勘查效果，才能有效地评价煤系矿产资源。

3 综合评价流程

3.1 地质资料分析

煤系矿产资源综合评价是建立在区域地质、煤炭地质及矿产资源勘查等资料综合分析基础上的研究工作，必须广泛收集研究区地质、矿产、物探、化探、遥感等各类地质资料，综合分析调查区可能存在的煤系矿产资源的类型及层位，为下一步的综合勘查提供依据。

煤炭地质工作积累的海量勘查资料是煤系矿产资源综合评价的基础。以往煤炭地质勘查过程中，煤炭地质勘查报告均按照《煤炭地质勘查报告编写规范》的要求[20]，对煤层的煤层气含量、煤中有益元素和有害元素的含量进行了测试，并对这些共伴生的矿产进行了综合评价，通过对这些资料的分析可以详细研究矿产的资源分布状况。在“煤系矿产资源综合调查与评价”项目中，通过对近万份全国煤田地质勘查报告的资料分析，详细统计了我国主要含煤区内有益矿产和稀散元素的赋存情况，筛选出了含量较高和达到工业要求的各种煤系共伴生金属矿产的层位、厚度、品位、赋存深度等。如在内蒙古自治区西乌珠穆沁旗巴其北煤田包尔力图勘查区发现7煤层和8煤层局部位置锗含量分别为312 ppm、497 ppm[14]。在内蒙古五牧场矿区发现10-3、12、13-4+5煤层中均存在锗异常，最大值分别为180 ppm、135 ppm、166 ppm[21]。在青藏高原北部兴海县尕玛羊曲煤矿附近发现早中侏罗世羊曲组煤中锗含量高达472～575 ppm，煤层底板中的含量下降到34～38.4 ppm，顶板及其他围岩中锗的含量急剧降低至1～7 ppm[22]。

3.2 地质调查与采样

我国煤炭资源丰富、分布广，形成于不同的地质时期和不同大地构造环境，导致了其成煤地质环境条件的不同、聚煤规律多样性和构造演化差异显著等特性。这些特性奠定了煤中物质组成差异的基础，也显著影响煤中微量元素的分布不均衡。为此，从含煤盆地所处的区域地质、地球化学背景和地质发展史等角度分析煤系多种矿产成矿的原因，需要开展以“地面地质调查-矿井地质调查-采样测试”相结合的煤系矿产资源地质调查。

采样工作是煤系矿产资源研究工作中获取第一手实际资料最重要的一步。采样前要充分分析各种地质资料，根据已有资料确定要调查的煤系矿产资源异常分布区，在每个不同的工作区域，针对不同的地质特征，制定出详细的地质调查与采样计划(包括样品平面分布、采样层段、数量、采样控制目的等)，选择钻孔、井下和地表进行地质调查和采样，了解分布区岩层、煤层相互关系。样品种类包括煤层煤样、分层煤样、钻孔煤层煤芯煤样、煤层顶(底)板样、煤层夹矸样、发电厂燃煤灰样(飞灰、底灰、灰场堆积灰)以及为了特殊目的采取的样品等。

在开展煤矿井地质调查时，需选择有代表性的煤层剖面现场采集煤、夹矸及煤层顶底板、有机页岩、共伴生矿产赋存地层岩石等样品。例如开展黑岱沟露天煤矿煤中元素富集程度及赋存状态、富集机理、富集区构造特征、物源区的调查研究，分层煤样需要取全取细。

另外，在采样过程中，确保样品质量的前提下，还要尽量保证样品重量，以利于对样品进行多批次，复合性测试，或者多种测试手段对比验证测试，也为综合分析各种物理化学特性提供坚实的基础。

3.3 测试技术与数据分析

岩矿测试技术是地学研究的重要支撑[23]。同样，测试技术也是煤系矿产资源综合评价研究的基础。煤系矿产资源所有样品测试过程中的质量控制采用标准物质和质量监控等多种手段。尤其是对煤中金属元素异常所在地区的样品测试，条件允许情况下应对主要元素的丰度采用不同测试方法(如电感耦合等离子体质谱、配能谱仪和波谱仪的扫描电镜)进行相互比对，确保测试结果的准确性，为整个区域煤质、有益元素(铝锂锗镓等)含量及赋存规律方面研究奠定基础。

开展煤中共伴生矿产研究，必须先查清煤中所有无机组分，主要包括三方面内容：煤中或煤灰中元素的含量、煤中的矿物和煤中元素的赋存状态[24]。显微煤岩观测、有机实验、GC和GC/MS分析、扫描电子显微镜研究、电感耦合等离子质谱(ICP-MS)测试、常量元素测试、微量元素测试、有益元素提取实验等主要测定全煤样和全煤灰样中金属元素铝、锗、镓、锂和稀土元素(包括镧系元素和钇(REY，或REE+Y))的浓度。

煤系气主体上是以吸附或游离状态存在于煤层、泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的非常规天然气，对于发现煤系气的目标层位，要进行气测录井，同时，采集煤系气储层样品进行解吸和测试分析，初步查明煤系的含气特征和储层特征，用以判断其成藏前景及可采性。首先进行煤系气含量和气体成分测试，查明煤系气含气性及气体成分。通过显微镜鉴定和X射线衍射分析，鉴定分析煤岩显微组分及含量及页岩、砂岩中矿物成分及其含量；通过扫描电镜观察矿物、有机质及煤岩孔裂隙形貌；通过页岩有机碳含量测试和岩石热解分析，分析煤系页岩的有机地化特征(丰度、类型及成熟度等)；通过压汞实验、低温液氮吸附试验、CO2吸附实验、孔隙度和渗透率测量，查明煤系气储层的孔隙度、渗透率、孔隙结构及孔径分布特征；通过煤和页岩的等温吸附实验，查明煤及页岩的吸附特征；通过抗压强度、抗拉强度、软化系数、弹性模量、泊松比测试，分析煤系气储层的力学性质，查明煤系气储层特征。

3.4 专题图件制作与综合研究

专题图件制作和综合研究是一个相辅相成的过程，在编图中开展研究，在研究中开展专题图件编制。

为了宏观展示调查区各种煤系矿产的分布状况，需要编制调查区含煤地层煤系矿产的分布图。这就要求要系统整理和充分分析以往地质勘查资料，摸清调查区煤系地层的分布、厚度、埋深等基本信息，并在此基础上掌握调查区主要煤系矿产资源的种类、异常区(点)分布范围、分布层位、品位等特征，并重点研究煤系中具有经济价值的共伴生矿产资源，并着重于将来可能被开发利用的煤系共伴生矿产资源。通过对多个异常区(点)的对比分析，采用煤质学、矿物学、地球化学等多学科的综合研究的方法，追寻其区域性成矿规律，研究含煤地层沉积体系特征及对煤中元素的控制影响作用，总结煤系矿产资源类型划分、时空分布特征和煤中金属矿产成矿有利区带划分，编制煤盆地煤系矿产预测成果图及找矿地质勘查工作部署图等图件，指导今后的煤田地质勘查工作。

4 资源评价方法

4.1 综合评价指标

资源评价是对资源有无经济价值的评价，确定资源有无经济价值首先要确定资源评价指标。由于煤层一般分布广、厚度大，即使较低品位的煤中共伴生矿产也可能因为煤炭资源量较大而形成大型甚至巨型矿床。煤系地层煤物质基础、构造-热演化、煤层特征、沉积条件以及后生作用诸多因素影响煤系矿产资源运聚富集成矿，因此应对各种影响因素进行综合分析研究，在调查研究的基础之上开展综合评价煤系矿产资源，科学地确定煤系矿产资源的综合评价指标。

煤中伴生的金属矿产多属于稀散金属和放射性金属矿产，尽管已经制订了较为完善的煤中相关稀有元素的分析测试标准，但没有专门的地质勘查规范。例如，地质勘查行业标准《煤、泥炭地质勘查规范》(DZ/T 0215—2002)[25]仅规定“煤层气和其他有益矿产的勘查，一般利用各种煤炭勘查过程中施工的工程进行，确有必要时也可布置部分专门勘查工程和测试研究工作；评价指标应按有关矿种现行规范的规定执行，进行专门性勘查时，应执行有关矿种的规范和技术标准”，未给出具体的评价工作程序和技术手段。

本文通过梳理分析矿产资源综合勘查评价规范、单矿种地质勘查规范，并结合不同企业煤系矿产开发利用指标，考虑含煤岩系矿产当前技术经济条件下是否具有开采价值，参考我国《矿产工业要求参考手册》所列指标[26]，提出了部分煤系矿产资源综合评价指标(表1)。

表1 部分煤系矿产的资源综合评价指标Table 1 Comprehensive evaluation index of some coal mineral resources

表2 砂岩储层按渗透率进行气藏分类Table 2 Classification of sandstone reservoirs by permeability

煤系砂岩气评价指标主要参照国家标准《致密砂岩气地质评价方法》(GB/T 30501—2014)。砂岩储层气藏分类采用覆压基质渗透率指标见表2。该标准明确指出砂岩气储藏于为覆压基质渗透率≤0.1×10-3μm2的砂岩气层，单井一般无自然产能或自然产能低于工业气流下限，但在一定经济条件和技术措施下可以获得工业天然气产量[32]。砂岩气藏主要是源/储共生，近距离运聚成藏，着重考虑成藏要素中的储层条件、烃源岩条件和盖层保存条件，对储层孔隙度、生气强度及盖层断裂破坏程度等关键参数赋予较高的权重[33]。

4.2 找矿远景区圈定

以煤盆地区域煤系地层矿产成矿规律为基础，研究煤系矿产资源综合成矿作用在同一煤盆地中的时间演化规律、空间分布规律及其相互关系，总结区域成矿模式，建立成矿系列。主要包括成矿单元(远景区和靶区)的区域地质条件、矿床类型及成矿期次和成矿作用、区域控矿的地质构造要素、矿化特征及分带性、矿床及其组合成因联系、找矿标志(地质、矿点、物、化、遥等综合信息等)。根据成矿地质条件、预测依据的充分程度、已知矿化信息的显示强度、以往地质工作程度和自然地理条件等划分找矿远景区。找矿远景区只有间接找矿标志或推断的含矿层位及其他重要找矿线索等，可以作为近期安排远景调查项目工作的地区。

在煤系矿产资源综合调查过程中，通过对煤中铝、锗、镓、锂等矿产异常区和分布赋存特征的整理和编图，结合全国大地构造、岩浆热液、沉积环境等影响因素，圈定了10个地质工作远景区，发现我国煤中铝、锗、镓、锂元素富集异常点分布具有区域性分布规律，主要分布于海拉尔-二连盆地煤田、鄂尔多斯盆地周缘、太行山东部、四川盆地和川滇黔相邻地区。并通过对地质工作远景区地质特征、煤中金属元素矿产资源分布的分析，探讨了煤中金属元素矿产资源富集成因，为煤中金属元素找矿提供了地质理论依据[14]。