天然焦地质勘查研究

苗 琦, 权巨涛, 秦云虎, 朱文伟，王 佟

(1.自然资源部油气资源战略研究中心，北京 100034； 2.中国煤炭地质总局，北京 100038；3.江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州 221006； 4.安徽省煤田地质局，合肥 230088)

0 引言

天然焦作为煤的共伴生矿产，对天然焦无勘查技术标准或规范，无资源量分类标准和估算指标，估算的资源量一直未被列入矿产资源储量表。特别是《矿产资源综合勘查评价规范》(GB/T 25283-2010)已发布实施，要求今后对天然焦应随煤一起进行综合勘查综合评价工作，因此，研究其勘查类型、勘查工程间距、勘查方法、质量要求、可行性评价与资源储量估算等方面要求指导天然焦资源的勘查与评价工作。

1 天然焦概况

我国天然焦勘查研究始于1956年，华东地质勘查局325地质队王东爵工程师在勘探淮北闸河煤田时，首次发现并提出“天然焦”的概念，同年，国内开始对天然焦矿石用于冶炼进行了研究[1-2]。国际上，日本、印度、美国等曾有天然焦成因、结构及岩相特征分类研究的报道[3-9]。

1980年以来，天然焦的勘查、开发、利用等相关领域的研究工作陆续在国内矿山企业、勘查单位、科研机构、大专院校展开[10-12]。目前，我国有173个矿种，天然焦尚未作为单独矿种，在BG/T25283-2010《矿产资源综合勘查评价规范》附录A中被明确为煤炭的共伴生矿石矿产。天然焦作为客观存在的矿石资源，它具有一定的燃烧热值、低灰分、低电阻率、低硫等特征，可用来代替燃料资源、或作化工原料和电器工业原料。矿石产品主要用于发电配煤[13-15]、民用型煤[11,16]、烧制水泥等燃料[8]，气化用煤[8]、制造电石[17]、化工原料[18-21]、电子工业原料[22-23]、建材[18,24-25]等工业性选冶利用尚处于研究或小规模试验阶段。

本文指的天然焦是指岩浆侵入煤层，煤在岩浆热和岩浆中的热液与挥发性气体等的影响下，受热干馏而成的焦炭。据调研，我国的天然焦主要是这种类型(变质型)，均产于含煤岩系原煤层顶底板范围内，主要分布在长江以北岩浆岩发育的含煤岩系地层中，集中在安徽、河南、江苏、山东、河北、山西、辽宁、吉林、黑龙江九个省区，总资源量40亿t左右。

2 天然焦矿床特征

2.1 天然焦矿床地质特征

煤层在天然封闭环境中，当岩浆呈岩床或岩墙侵入，在高温和热液影响下，发生焦化作用，从而产生天然焦[26-28]。由于地下环境封闭，故天然焦的形成过程相当于单侧炼焦时人工焦炭的形成过程。生成天然焦的类型和数量取决于岩浆温度、侵入规模和接触方式。Kwiecinska and Petersen应用SEM-EDX分析方法对煤转换成天然焦进行了研究[29]，解释了天然焦组分的形成与温度之间的关系，天然焦由焦化基质、原生成分和新生成分三种组分组成。

影响煤接触变质作用形成天然焦因素包括：岩浆岩侵入体的规模、层位、产状、形态和岩性，煤层厚度与结构，原煤的变质程度和顶底板岩性，原煤中无机矿物含量等，基性、超基性岩浆对煤的接触变质影响大。

对淮北煤田天然焦矿床中的矿体特征进行了详细研究[14]，认为矿体的特征分为外部形态特征和内部结构特征两个方面，从工业利用角度来看，天然焦矿体内部结构特征的变化对矿体勘查影响不大。从地质勘查角度研究矿体，矿体厚度、形态、产状和规模是影响地质勘查的矿体外部形态特征。

煤层变质形成天然焦后，由于矿体的成分、结构、构造均发生了明显的变化[29]，使得天然焦矿体在含煤岩系地层中的地球物理测井和地震等方面显示出自身的物性特征[30]，这些特征与同地共伴生的煤层具有明显的差异。

2.2 天然焦矿石特征的认识

通过天然焦样品物理性质观测、镜下组分结构鉴定和化学分析测试，结合前人的研究成果，对天然焦矿石特征的认识如下：

(1)宏观物理特征。天然焦的宏观物理特性与煤具有明显的差异性。表现在天然焦颜色为灰黑色至钢灰色，条痕深灰色，光泽暗淡，呈致密块状、多孔状或层状构造，粒状或角砾状结构，不具备煤的煤岩组分与类型特征。致密块状者比重大、多孔状者比重相对较小，质地坚硬。这些特征是各产品煤种所不具备的。

(2)显微组分特征。天然焦的显微组分特性与煤显微煤岩特征具有明显的差异性。表现在天然焦单偏光下透明的组分具高突起或中等突起，具有粒状镶嵌结构、片状(梳状、束状)结构、破片结构，显示出组分重结晶，正交偏光下具有明显的各向异性或各向同性消光现象，可见各种形态的气孔，有时可见残留的惰性组分碎片。光片显微镜下均可见黑色小球体，反射率比残留的正常煤高。这些特征是区分煤的主要定性指标。

(3)化学性质和工艺性能指标。总体上各项化学分析指标与煤(无烟煤、贫煤)没有明显的界线，尚未出现类似于煤炭分类的定量指标。但是，天然焦与同地的残留煤挥发分产率、碳含量/氢含量比的指标相比较，表现为前者大幅降低，后者大幅提高。

(4)天然焦的微观结构。天然焦属于从非晶质结构的无烟煤到晶质结构的石墨的中间过渡物-隐晶质半石墨化的无烟煤。

2.3 天然焦与煤的识别特征

天然焦矿石与煤矿石的区别主要体现在矿石宏观物理特征、显微特征和某些化验测试指标[32-38]。

天然焦宏观特征与无烟煤相比有明显的差别，颜色呈黑灰至钢灰色，条痕深灰色，表面粗糙，光泽暗淡，已不具备煤的原生结构和构造，多顺裂隙破裂成碎块，密度大。具有不同程度的六方柱状节理，节理或裂隙内有方解石、黄铁矿、石英或岩浆岩细脉等矿物质充填(表1)及残留的煤炭斑块或碎屑。

表1 天然焦与无烟煤的宏观物理特征对比

与煤相比较，天然焦的测试项目中，挥发分(Vdaf)和氢含量(Hdaf)主要表现为降低，碳含量(Cdaf)、镜质组最大反射率(Ro,max)、视密度(ARD)等增加，见表2。其中，镜质组最大反射率、挥发分、氢含量和碳氢含量比值(w(C)/w(H))可作为天然焦与煤的划分指标。

表2 天然焦与煤的主要测试项目特征对比

3 天然焦地质勘查

3.1 树立绿色勘查的理念

党的十八大将生态文明建设纳入中国特色社会主义事业“五位一体”总体布局；党的十九大指出建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计，要践行“绿水青山就是金山银山”理念，实行最严格的生态环境保护制度，建设美丽中国。绿色勘查开发是矿产领域践行生态文明战略的具体举措，是生态文明战略背景下一种全新的勘查开发模式，也是是新时代保障国家能源资源安全的必然要求。绿色勘查是绿色发展理念在地质勘查领域的具体实践，是基于符合环保要求达到找矿效果的一种勘查新措施或新方法。

3.2 勘查类型及勘查工程间距的确定

勘查类型及勘查工程间距的确定主要采用类比法。一是收集全国同类矿种勘查资料，二是参照成矿地质背景、矿床成因、控矿因素等特征相近矿种规范要求，三是结合全国天然焦分布主要省(区)勘查实践经验。本着“定性与定量相结合，重点考虑定性”的原则提出，一是天然焦地质勘查工作在详查阶段以前(含详查)均随煤炭勘查进行，单独的天然焦勘查只发生在勘探阶段。在详查之前独立于煤炭勘查以外来研究天然焦的勘查类型和工程间距，会使研究的结果失去对天然焦地质勘查工作的指导意义。二是大量的勘探资料表明，因岩浆侵入煤层的随机性，造成天然焦的实际赋存状态复杂，规律性较差。完全用定量方法确定勘查工程间距，不符合《固体矿产地质勘查规范总则》“根据客观地质规律的要求，不同地质可靠程度、不同勘查类型的勘查工程间距应视实际情况而定”的原则。三是现有的天然焦资源主要分布于现有的煤炭勘探权或采矿权范围内，区内地质构造类型对煤和天然焦是基本一致的，而影响天然焦的勘查线距(影响着资源控制程度高度)确定的主要因素是天然焦矿体的稳定程度，且天然焦矿体的稳定程度只会比原煤层降低，考虑到目前天然焦矿的独立勘查很少，在勘探阶段，原针对煤层的勘查工程线距对天然焦矿床显得控制程度不足。因此，其控制资源/储量级别的基本线距，只给出“控制的”和“推断的”，大致相当于煤炭勘查线距的“降级”使用。

按井田构造复杂程度分为四类，按天然焦层稳定程度分为Ⅳ型。天然焦的构造复杂程度与煤炭一致。按构造推荐的钻探工程间距为：控制的：简单类500～1 000m，中等类500～1 000m，复杂和极复杂类不做具体规定。

按稳定程度推荐的钻探工程间距为：控制的：稳定型500～750m，较稳定型250～500m，不稳定和极不稳定型不做具体规定。

3.3 开采技术条件要求

天然焦矿床产于含煤岩系，其水文地质、工程地质、环境地质、瓦斯地质、焦尘爆炸性、焦自燃倾向性和地温等开采技术条件特征与煤炭基本一致。

考虑到含天然焦的地层受岩浆岩影响，其焦层围岩的工程地质条件较煤炭复杂的实际情况，提出了“选择数量不少于三分之一的工程地质钻孔采取焦样，进行物理力学性质试验，并测定焦的坚固性系数(f)，研究焦层对加工、开采的影响”要求，着重强调天然焦矿体开采技术条件的查明程度。

3.4 矿石质量研究程度要求

根据调研，岩浆侵入煤层中形成的天然焦矿体多数存在岩浆岩小岩体(脉)、细小的岩浆岩与天然焦混合体、天然焦与煤层混合体、纯天然焦层、薄煤层多层共存的状况，在平面和剖面上大致呈现出岩浆岩吞蚀区—焦岩混合区—纯焦层区—焦煤混合区—煤层区，岩浆的侵入致使焦层的结构、构造较原煤层更为复杂，增加了天然焦开采、加工、利用的难度。针对这一特点，除了明确与煤炭相近似的要求外，还提出了对天然焦矿体中“岩浆岩岩性分布特征、以及岩浆岩对天然焦矿石的结构、构造、物理力学性质等变化的影响进行研究”的要求。

3.5 勘查工作质量要求

(1)地形与工程测量、地质填图、水工环工作、地面物探：各个勘查阶段与煤炭地质勘查要求一致。

(2)勘查工程：考虑到天然焦一般受构造控制，天然焦层可能会在地表前部出现，研究提出了采用地表槽探和浅深部钻探工程对矿体进行控制的质量要求。

(3)样品的采集、加工、测试：样品采样测试是勘查工作中的重要内容之一，参照执行的是《煤炭资源勘查煤质评价规范》。根据研究，天然焦矿石在物理性质、化学性质、工艺性能、瓦斯、粉尘爆炸性、自燃倾向性等方面，其采样种类和测试项目与煤炭基本一致。除了明确天然焦与煤炭近似的样品种类和测试项目要求外，还提出了焦显微鉴定样、焦矿石物理力学性质样、岩浆岩样等采集方法、加工要求和测试项目等质量控制要求， 意在重点查明天然焦对开采、加工、利用的影响程度。

3.6 天然焦矿床工业指标

《固体矿产地质勘查规范总则》规定矿床工业指标“由矿石质量(化学的或物理的)指标和矿床开采技术条件两部分组成”。确定的工业指标有：灰分、硫分、最低可采厚度和发热量。目前天然焦与煤没有显著的指标进行区分，但是两者在物理特征、化学特征、地球物理测井参数特征(简称物性特征)存在较为明显的差异，且随天然焦产地和层位的不同，变化程度不同(表3、表4、表5)。

表3 天然焦与无烟煤的物理特征对比

表4 天然焦与无烟煤的主要测试项目特征对比

表5 无烟煤与天然焦的物性变化

目前收集的地方规范和各类天然焦地质报告中，资源储量估算指标均为灰分、硫分、最低可采厚度和发热量四项指标，其中，灰分(≤40%)和硫分(≤3%)指标均一致，可采厚度和发热量指标在不同的地区，采用的指标数值不同，表6给出了国内26个地质报告采用的工业指标具体数值。其中，最低可采厚度指标为≥0.6～1.0m，(≥0.6m的3个、≥0.7m的7个、≥0.8m的9个、≥1.0m的8个)；最低发热量指标为≥16.0～22.1 MJ/kg(≥16.0的2个、≥17.0的12个、≥22.1的12个)。考虑到天然焦与煤在矿石质量(化学的或物理的)指标和矿床开采技术条件具有紧密的关联性、天然焦开采难度较煤大和绝大多数天然焦产品用途单一的情况，对工业指标提出了具体要求：

1)灰分(A)≤40%。

2)硫分(St,d)≤3%。

3)可采厚度≥1.0m。

4)发热量(Qnet，d)≥17.0 MJ/kg。

表6 地方规范及国内部分天然焦矿床采用的工业指标一览表

3.7 资源储量估算

(1)估算垂深：根据研究掌握的天然焦矿床地质勘查和矿井开采情况，综合考虑开采的经济价值，天然焦地质勘查提出了“一般为1 000m，最大不超过1 200m”的要求，与煤炭基本一致。

(2)天然焦的工业用途：天然焦矿石的化验测试特性决定了它的工业用途。对于化工原料用途主要测试水分、灰分、硫分、固定碳、灰熔性、热稳定性、天然焦抗碎强度、粒度等指标；竖窑烧石灰、水泥用途主要考虑发热量、灰分、天然焦块体的落下机械强度；发电用途主要考虑天然焦水分、灰分、硫分、灰熔点及发热量等参数；制作型煤用途主要考虑发热量、热稳定性、热效率、灰熔融性、上火速及强度等指标。此外天然焦的热爆性、结渣性等指标对工业用途也有一定的影响。针对天然焦主要用于发电配煤、民用型煤、烧制水泥等燃料的情况，提出按灰分、硫分含量级别分别估算的要求。

(3)天然焦的产状(倾角)：考虑到天然焦层的产状影响到资源储量估算的精度这一实际情况，提出了不同倾角情况下，投影面积和采用厚度的具体要求，与煤炭基本一致。

4 问题及建议

经过对天然焦勘查、开发资料的收集、研究，以及对部分天然焦矿井的实地调研、与企业和管理部门的研讨，地勘单位、矿山企业、资源管理部门等都对《规范》的制订大多持肯定态度，总体上普遍反映制订并发布该标准是必要、适时和妥当的。但在个别问题上尚存在一些问题及分歧：

4.1 关于探采对比的问题

经山东、江苏、安徽三省13个煤矿(含少量天然焦的煤矿)及天然焦矿走访调研，与企业专家座谈证实，有4个开采天然焦的矿井，发现勘查时期500m的工程控制网度圈定的331资源量和1 000m的工程控制网度圈定的332资源量，在开采时资源总储量下降70%以上，探采比例不足30%。原因是岩浆沿煤层顺层状侵入，岩浆岩与矿层直接接触，矿层内既有天然焦、煤层、煤焦混合层和焦岩混合层，又有岩浆岩层，开采揭露焦矿层稳定程度实际为不稳定或极不稳定，达不到地质报告确定的稳定或较稳定程度。造成按地质报告确定的矿井设计开拓方案不能实施，无法达到建井设计预计的产能。

因此，天然焦地质勘查提出的地质研究程度、勘查控制程度、勘查类型与勘查工程间距、天然焦资源储量估算等内容，与目前天然焦开采实际尚有一定差距。需要在今后天然焦地质勘查和矿井开采实践中验证和补充完善。

4.2 资源储量比例

目前，除了《煤、泥炭地质勘查规范》和《钒矿地质勘查规范》给出了不同勘查阶段资源储量比例外，其他矿类(种)地质勘查规范均未给出不同勘查阶段的资源储量比例要求，收集的27个天然焦地质勘查报告中也未表述资源储量比例的符合性，《固体矿产地质勘查规范总则》也只给出了不同勘查阶段勘查程度的定性要求。在实际工作中，勘查设计和资源储量评审过程中常常遇到不同勘查阶段不同类型的资源储量到底应该达到何种比例要求的问题，由于这涉及到勘查手段的选取、勘查工作部署、实物工作量，特别是勘查投入的多少，矿业权人、地勘单位的技术人员、储量评估师都遇到类似的困惑。根据研讨结果及有关专家的要求，天然焦矿床不同的勘查阶段的资源储量比例参考下列要求：

(1)普查阶段：推断的资源量一般应不少于总资源量的30%。

(2)详查阶段：控制的资源储量一般应不少于总资源量的30%。

(3)勘探阶段：探明的、控制的资源储量之和一般应不少于查明资源储量的50%，探明的(预)可采储量应主要分布在首采地段且满足矿山建设还本付息的需要。

(4)达不到上述资源储量比例的，应说明具体原因。

该比例只是根据我国少数独立天然焦勘查的地质资料分析研究的结果，探采实例太少，尚需在今后天然焦勘查和矿井开采实践中验证和补充完善。