福建煤系石墨资源状况和开发前景

陈泉霖，程 乔，邓瑞锦，林晓炎，王 路，丁正云，李 阳

(1.福建省煤田地质局，福建 福州 350005；2.福建省煤田地质勘查院，福建 福州 350005；3.福建省煤田地质非常规能源调查研究院，福建 福州 350005；4.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

煤系石墨是煤及煤系炭质泥页岩等在岩浆热接触变质及构造变质作用下形成的，多为隐晶质石墨[1-5]。福建地区对于煤系石墨资源的地质研究程度不高，从煤炭资源勘查过程中发现，二叠系中统童子岩组含煤地层在岩浆或构造活动相对强烈的区块，其赋存的高变质无烟煤有进一步变质成隐晶质石墨的现象，给从煤系中寻找煤系石墨提供了方向。然而由于无烟煤与石墨的评价指标存在交叉和重叠现象，造成福建省部分煤系石墨矿划归为煤矿。这些资源未能得到政策性引导，开采的石墨资源均以石墨粉、石墨球、石墨粒、增碳剂等初级产品销售，部分煤系石墨资源甚至作为煤炭直接销售，导致煤系石墨资源的严重浪费。

目前，福建省正着力打造石墨烯产业基地，对石墨资源的需求非常迫切。鉴于此，福建省煤田地质局与福能集团及中国矿业大学(北京)三方开展了相关研究，在福建省自然资源厅的支持下设立了《福建省煤系石墨赋存规律及资源评价》[6]、《福建省煤系石墨分类研究及标准制定》等科研项目。笔者在此基础上，调查了福建省煤系石墨勘查分布特征，探讨福建地区如何科学划分煤系石墨与高变质无烟煤的测试方法，并进行煤系石墨资源评价，对查明福建煤系石墨资源的开发前景具有重大意义。

1 地质背景

1.1 含煤地层

二叠系中统童子岩组是福建省最重要的含煤层位，所赋存的煤炭资源占全省煤炭资源总量的98%，其次是上三叠统大坑村组、焦坑组和上二叠统的翠屏山组，占资源总量的1.5%，而其他含煤地层占资源总量不足0.5%[7-8]。煤系石墨赋存层位主要为二叠系中统童子岩组，即为探查煤系石墨资源对象。

通过分析二叠系中统童子岩组的岩性岩相、沉积及聚煤环境和含煤性等因素，全省大致可划分为东、中、西3 个含煤条带，即东部含煤带(永春–尤溪煤田)、中部含煤带(永安–大田煤田及龙岩–永定煤田)、西部含煤带(将乐–武平煤田)。

1.2 构 造

童子岩组含煤地层沉积后，主要经历了东吴运动、印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动[9]。其中，对含煤地层赋存影响最大的是印支运动和燕山运动。印支运动使含煤地层发生滑覆构造，煤层稳定性受到破坏，基本为不稳定煤层，局部为极不稳定煤层。燕山运动主要产生一系列推覆构造，彻底改变了福建煤炭的赋存状态，使煤层稳定性再一次受到强烈的破坏，也给原已变质成的无烟煤进一步变质提供了动力来源。

1.3 岩浆岩

二叠系中统童子岩组含煤地层沉积后，对煤系赋存影响较大的主要是印支期及燕山期构造运动带来的大面积岩浆侵入和岩浆剧烈喷发，在一定程度上改变了含煤地层的赋存状态；尤其是燕山中晚期岩浆活动，范围广、强度大、持续时间长，是福建含煤地层中煤变质成无烟煤，局部再变质成煤系石墨的最大热源[5]，对中、东部含煤地层含煤带影响更甚。

2 福建省煤系石墨勘查分布特征

2.1 石墨矿产类型

福建石墨矿产的类型有两种：晶质石墨和隐晶质石墨(即煤系石墨)，根据福建省自然资源厅统计的储量年报(2017 年)，晶质石墨有3 处累计查明3 633.49 万t(矿石量)均未利用；煤系石墨主要矿床有11 处。累计查明约1 86.1 万t，保有资源储量约142.7 万t。

2.2 煤系石墨分布概述

福建省煤系石墨主要以二叠系中统童子岩组含煤地层为基础，以该组煤层为矿源层，煤变质程度较高，受岩浆热和构造等多因素影响发生石墨化形成煤系石墨。依据富煤带可划分为西部含煤带、中部含煤带和东部含煤带，煤系石墨分布主要位于四大煤田：将乐–武平煤田、永安–大田煤田、龙岩–永定煤田和永春–尤溪煤田。

2.3 煤系石墨勘查开发现状

福建省煤系石墨资源潜力大、开发应用价值高，具有极好的应用前景。近年来，福建省高度重视石墨烯产业发展，着力打通产业链上下游，推动福建省石墨烯的产业化发展。煤系石墨作为石墨烯的原材料，资源勘查开发尚不明确，主要问题在于对煤系石墨与无烟煤之间的鉴别不清楚，造成资源浪费；政府对矿权设置方案未规范化，对非石墨开采区监管力度不够，造成矿权有误。本次研究对正在生产矿井、停采矿井和勘查区进行统计，结果如表1 所示。大部分矿井、勘查区处于未开采或停采状态，开采矿区也多以煤炭开采的形式生产销售。

表1 福建省煤系石墨矿井、勘查区调查统计Table 1 Coal-based graphite mines and exploration areas in Fujian Province

3 煤系石墨评价方法

3.1 现场调查与样品测试分析

2016 年9 月至2018 年9 月，本文基金项目组在深入分析已有成果资料的基础上，对福建省典型石墨矿区开展野外地质调查，着重观测地层构造变形特征，包括褶皱、断裂、节理等构造活动现象，并进行详细记录、分析，获取煤田构造研究实际素材，按照与岩浆岩体的距离远近，观察煤和煤系石墨的变质、变形特征。弄清煤系岩性组合特征，观察并记录断层、褶皱形态，尤其是构造运动对煤系的影响。

分批次对福建省3 个赋煤带内在生产或未生产矿区进行了系统采样，共计34 个矿井、97 件样品。中国矿业大学(北京)的煤炭资源与安全开采国家重点实验室承担并组织完成工业分析(FCad、Vdaf)、元素分析(C、H)、X 射线衍射分析、拉曼光谱分析、显微组分观察、镜质体反射率测试、高分辨率透射电镜、扫描电镜等系列测试分析。

3.2 煤系石墨鉴别与评价

现行勘查规范[10]规定，以固定碳含量划分隐晶质石墨矿的边界品位(FC≥55%)和工业品位(FC≥65%)。实际情况中，福建省很多无烟煤的固定碳含量达到65%，甚至更高，所以仅以固定碳含量区分煤系石墨和无烟煤不够准确。陈蔚然[11]于1983 年总结了关于石墨化度的计算公式，认为利用X 射线衍射来测定石墨的晶格常数等，得到石墨碳层间距d002，可以作为衡量石墨化度的一个依据。H/C 原子比是国际煤岩学与有机岩石学(ICCP)划分石墨转化阶段的指标之一，廖慧元[12]于1994 年研究湖南省鲁塘矿区石墨矿，提出利用H/C 值等区分煤系石墨与无烟煤；2018 年董业绩等[3]总结前人工作经验并根据吉林磐石、湖南鲁塘、陕西凤县等地区典型煤系石墨矿的研究成果，提出了地质勘查阶段划分煤系石墨与无烟煤的指标，包括H/C、d002和拉曼参数R2[13-15]。

综合众多学者的研究成果，基于福建省煤田地质特征，采用X 射线衍射分析碳层间距(d002)和拉曼光谱参数R2作为鉴别煤系石墨的指标[16-18]，根据d002-R2模板[19]，将煤系石墨–无烟煤分为4 级，其中Ⅱ级又分两个亚级：Ⅰ级(煤成石墨)、Ⅱ级(煤成半石墨)、Ⅲ级(石墨化无烟煤)、Ⅳ级(高变质无烟煤)(图1)。

4 福建省煤系石墨资源评价

首先在已有煤田构造格局的基础上进行资源评价的成矿区带划分。结合福建地区构造与岩浆侵入的影响及不同类型石墨的分布情况进行区带划分。然后根据成矿区带内矿井的石墨类型及石墨–煤炭资源量进行资源评价。

4.1 煤系石墨成矿区带划分

福建煤系石墨主要分布于将乐–武平煤田、永安–大田煤田、龙岩–永定煤田和永春–尤溪煤田范围内。受控于多期次地壳运动形成的一系列断裂带，其中，永安–晋江断裂带将闽西南富煤带分为南北两块；依靠政和–大埔断裂带，燕山期岩浆侵入活动主要位于中部和东部含煤带内，为中、东部含煤带的变质作用和石墨化作用提供有利条件。在此基础上，划分了大田–漳平石墨成矿区与永安–安溪石墨成矿区[19-20]。

图1 煤系无烟煤–石墨分类模板[19]Fig.1 Classification model of anthracite to coal-based graphite[19]

图2 福建省煤系石墨成矿区带及远景区预测Fig.2 Mineralization belts and predication of prospective areas of coal-based graphite in Fujian Province

大田–漳平石墨成矿区位于政和–大埔断裂带附近，包括两个成矿亚区：漳平可坑–乌坑成矿亚区和永安–大田成矿亚区(图2)。其中，漳平可坑–乌坑矿区位于龙岩–永定煤田南部，附近有大面积岩浆侵入体和逆冲推覆构造，后者为含煤地层构成“保温盖层”，且该矿区受构造应力的促进作用，煤的石墨化程度相对较高，主要赋存Ⅰ—Ⅱ1型石墨。永安–大田成矿亚区位于永安–大田煤田内，该区内张性断裂发育，岩浆热液沿断裂侵入，煤的石墨化程度相对较差，赋存Ⅱ2—Ⅲ型石墨。

永安–安溪石墨成矿区位于永安–晋江断裂带附近。该区带张性断裂发育，岩浆岩体以岩脉侵入或通过断裂侵入含煤地层，岩浆热影响范围有限，仅对局部煤层造成影响，主要赋存Ⅱ1—Ⅱ2型石墨。

4.2 远景区预测

本次煤系石墨资源评价，在成矿区带划分的基础上，以煤系石墨成矿理论为指导，根据石墨等级划分及福建煤系石墨的分布状况，预测了以下5 块远景区域：①永安长垇区；② 永安下盖竹–甫弼–塘下洋区；③大田琼口–小溪洋–永安老鹰山区；④漳平可坑–乌石隔区；⑤ 漳平乌坑–华安福田(官田)区(图2)。各远景区分布见表2。其中，又以大田琼口–小溪洋–永安老鹰山与漳平可坑–乌石隔地区石墨资源状况最优，预测区面积较大，石墨化程度较高，多为Ⅰ—Ⅱ2型石墨，开发前景较好，可作为下一步福建煤系石墨调查重点区域。

4.3 远景区资源量预测

采用类比法估算5 块远景区的资源量，即通过预测区内已有石墨矿区单位面积的资源量进行类比计算，同时根据地质复杂程度和数据可靠程度乘以预测系数(0.2～0.5)。资源量估算公式如下：

式中Q为预测资源总量，万t；C为单位面积资源量，万t/km2；S为估算区域面积，km2；K为预测系数。

根据式(1)计算可得，5 块预测区煤系石墨预测资源量共计8 196 万t(表2)。

5 福建煤系石墨开发利用前景分析

作为民用和战略性的重要资源，石墨在导电材料、润滑剂、耐高温密封材料、吸附材料及防辐射材料等诸多领域得到广泛应用，石墨的作用巨大，为中国冶金工业、石油化工产业、机械工业、电子产业、核工业及国防发展做出了非常重要的贡献。

表2 石墨远景区预测资源量信息汇总Table 2 Information summary of predicted resources in graphite prospective areas

通过调查分析，福建省具有丰富的石墨资源，其中，三明、永安是中国南方主要的石墨储藏地。作为石墨烯的原材料，煤系石墨具有极大发展潜力。2016 年，福建省提出了《福建省石墨烯产业发展规划(2017—2025 年)》，致力于推动石墨烯产业的快速发展，石墨烯正点燃福建的新“烯”望，成为福建产业转型升级、快速发展的新动能。目前，已形成了以福州和厦门为创新核心区，厦门火炬高新区、泉州–晋江和三明–永安为产业集聚区的“两核三区”产业发展格局，在原料制备、复合材料、电子信息等应用领域取得大量产业成果，呈现出良好的发展态势和开发前景。

然而，由于对石墨资源的不重视，尤其对煤系石墨资源的忽略，造成长期的无序性、掠夺性、破坏性开采。福建省要实现石墨产业的战略性发展，实现石墨产业结构协调化、技术高度化、产品系列化和价值链完整化，笔者提出下一步工作建议：①整顿和规范煤系石墨资源开采秩序，严厉打击非法开采、乱采行为，进行资源整合；② 建立煤与煤系石墨鉴别指标，设立明确的煤矿与石墨矿权规范，对现开采的和未开采的煤矿、石墨矿内煤的石墨化程度重新评估；③优化石墨资源开发利用体系，明确产业发展方向，发挥资源优势、产能优势、产业基础优势，合理适度开发，设置合理开采规模，并结合下游产业链，推进资源高效利用；④ 重点详细勘查煤系石墨有利成矿区带内资源赋存情况，查明煤系石墨资源储量，为下游产业提供充足资源储备；⑤加强煤系石墨资源的提纯、高效利用，提高附属产品价值，完善市场机制。

6 结论

a.分析了福建省煤系石墨形成的地质条件，首次系统开展福建省煤系石墨资源调查，并指出研究区大部分煤系石墨矿井、勘查区处于未开采或停采状态，开采矿区也多以煤炭进行生产销售，造成资源浪费。

b.在福建省煤田分布和断裂构造控制的基础上，划分了大田–漳平石墨成矿区与永安–安溪石墨成矿区，并进一步预测了5 块远景区域，共获得煤系石墨远景区预测资源量8 196 万t。其中，大田琼口–小溪洋–永安老鹰山与漳平可坑–乌石隔地区石墨资源条件最佳，多为Ⅰ—Ⅱ2型石墨，可以作为下一步煤系石墨调查工作的重点区域。

c.福建省具有石墨产业化发展的良好态势和开发前景，但针对目前煤系石墨资源的无序性、掠夺性、破坏性开采提出5 点建议，以实现福建省石墨产业结构协调化、技术高度化、产品系列化和价值链完整化。