石头梅露天矿资源特征及绿色开发构想

2021-01-30张寿庭张振国王兆生

中国煤炭 2021年1期

张盈,张寿庭，张振国，王兆生，刘娜

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京市海淀区，100083；2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁省阜新市，123000；3.华北理工大学矿业工程学院，河北省唐山市，063210)

三塘湖煤田位于新疆东北部巴里坤县，是国家西部大开发计划所确定的全国最大的整装煤田勘查区，浅层(埋深1 000 m以浅)煤炭储量约为514.44×108t，深部(埋深2 000 m以浅)资源量达1 200×108t[1]，是新兴能源基地和“疆煤外运、疆电外输”战略的保障[2-4]。石头梅矿区位于三塘湖煤田中部偏南(92°55′57″～ 93°12′40″E，44°26′28″～44°35′07″N)，东西长20.5 km，南北宽9.8 km，面积约194.67 km2，是新疆能源集团主要矿权区[5-6]。

1 矿区概况

石头梅矿区位于巴里坤北部的荒漠戈壁，构造属三塘湖盆地石头梅凸起，南依钦莫乌拉山，地势向北倾斜。盆地地形平坦，海拔最高点860 m，最低700 m，地表风化严重，被第四系砾石、砂土覆盖。由于深居大陆腹地，远离深海大洋，终年干旱，降水稀少，年均降水不足200 mm，蒸发量则高达2 000 mm。地面干涸，植被稀疏。风能资源异常丰富，大风(七级以上)天数年均约120 d；日照充足，年均日照时数2 858.0～3 373.4 h，是国内光能资源丰富地区之一，太阳辐射年均在613.2～661.4 kJ/cm2。

为实现新疆优势资源转化，加快三塘湖煤田的开发建设，高等级的矿区公路已修建完工，作为“疆煤外运”今后主要通道的北翼铁路已完成立项；“疆电外输”规划通道三塘湖-哈密-重庆的±800 kV特高压直流输电工程也已立项建设。

1.1 矿区构造

石头梅露天矿构造上位于三塘湖盆地东南部凸起部位，西侧为汉水泉凹陷，东侧为条湖2个凹陷[4]。边界断裂由西南方的白衣山逆断裂(∠70°，L=104 km)，东南方的疙瘩弯逆断裂(∠65°，L=12.5 km)以及北部的沙河坝逆断裂(∠55°，L=8.9 km)所控制。矿区内主要断层为SF3(逆断层，NE向)，还发育SF1、SF2、DF23等北西向小型逆断层，北为SM1背斜、南为SW1向斜，如图1所示。

图1 矿区位置及地质简图

1.2 矿区地层

古生代、中生代和新生代陆相沉积构成矿区主要地层，可划分为石炭系(C)、二叠系(P)、侏罗系(J)、新近系(N)和第四系(Q)。煤系地层为中侏罗统西山窑组(J2x)，属湖沼相沉积，盆地内广泛分布，岩性以石英长石砂岩、粉砂岩和泥岩为主。含煤地层总厚度约350～1 000 m，由边缘向沉降中心增厚。矿区内西山窑组可分为3段：下段(J2x1)以煤和深色不同粒级的砂岩为主，可见植物化石碎片，为主要储层(共9层煤)，厚度约300～550 m；中段(J2x2)以浅色石英长石砂岩(中细粒级)为主，含亮煤透镜体，厚度约200 m；上段(J2x3)以灰绿色、浅灰色石英长石粉砂岩为主，夹厚层砂砾岩，含硅化木，厚度约180 m。

新近系(N)为强氧化湖相沉积，以红色砾岩、砂泥岩为主，超覆于侏罗系之上，上被第四系覆盖；第四系(Q)为冲积、洪积层(Q3pl、Q4pl)，大面积覆盖，由砾石层、亚砂土组成，呈未胶结-半胶结状。砾石直径10～20 mm，偶见150～200 mm，圆度差异不大，成分随基岩岩性而变化。由于局部地表强烈剥蚀，野外可见煤层露头及煤线，如图2所示。

图2 矿区地貌、露头及岩心照片

1.3 水文地质

矿区水文地质条件简单，主要有3个含水层。

(1)第四系孔隙含水层。由冲洪积砾石、砂及泥土等松散堆积物构成，呈水平展布，厚度约10 m，孔隙度大、透水能力强。

(2)新近系孔隙含水层。由泥岩、粉砂岩和多层砂砾岩等组成，厚度10～30 m，是主要的含水层位。单位涌水量0.009 3～0.230 4 L/(s·m)、渗透系数0.041 8～0.557 2 m/d，为弱-中等富水性，水质为中高矿化度的Cl·SO4-Na·Ca型。

(3)侏罗系孔隙-裂隙含水层组。由粒度不等的碎屑岩(泥岩-细砂岩)及煤层组成，各层呈交互状，构成煤层的顶底板。由上部含水层垂直入渗补给，涌水量0.004 2～0.177 6 L/(s·m)、渗透系数0.000 7～0.854 4 m/d，水质为中高矿化度的SO4·Cl-Na型。地下水径流方向由南向北，与地层倾斜方向一致，在矿区北部低凹处汇集。

矿区水源补给途径为大气降水和冰雪融水，地表无常年径流，偶见较大降水过程，可在局部低洼处形成暂时地表积水，然后快速渗入地下，成为地下水补给途径，也是地下水和地表水唯一的水力联系方式。由于矿区蒸发量是降水量的10多倍，属极度干燥环境，因而二者之间的水力联系相当微弱。

2 资源特征

2.1 储量特征

石头梅矿区煤系地层为侏罗系西山窑组下段(J2x1)，含煤9层，编号依次为5、6、7、8、9-2、9-1、10、11、12号，其中7、9-2、9-1、11、12号煤层为本区的主要可采煤层，厚度0.95～69.30 m，平均厚度38.16 m。含煤面积约186 km2，浅部(埋深1 000 m以浅)含煤面积132 km2，探明浅部(埋深1 000 m以浅)煤炭资源量约49×108t，深部(埋深2 000 m以浅)煤炭资源储量约120×108t[1]。由此可见，矿区煤炭资源量丰富，可以满足特大型矿山开采的资源储备要求。规划一期为露天开采，产量为1 000万t/a；二期为地下开采，产量为2 000万t/a。

2.2 煤质特征

石头梅矿区煤种以高-特高发热量(27.85～30.37 MJ/kg)的31号不粘煤为主，部分为41、42号长焰煤；以暗煤为主，亮煤含量少，呈块状、半坚硬，密度1.30～1.35 g/cm3；显微组分以惰质组为主，镜质组次之，可见粘土矿物及脉状黄铁矿。矿区主要开采煤层中，7号煤层为微质泥煤；9-1、9-2和11号煤层为微镜惰煤；12号煤层主体亦为微镜惰煤，但含少量的微质泥煤。7号煤层镜质组反射率为0.47%～0.48%，为0阶变质；9-2号煤层镜质组反射率为0.68%～0.70%，为I-II阶变质；9-1号煤层镜质组反射率在0.67%～0.71%，为II阶变质；11号煤层镜质组反射率为0.63%～0.69%，12号煤层镜质组反射率为0.61%～0.70%，两者均为I-II阶变质。总体上，石头梅矿区主要煤种属低水分、特低-低灰分、中高挥发分的优质煤种。含硫量平均低于0.50%(0.01%～1.52%)，属特低-低硫煤；磷含量0.01%～0.05%，为特低-低磷煤，含有极少的氟、砷等有害元素。根据不同煤层灰分含量，可选等级为易选-中等可选。

2.3 煤岩特殊属性

三塘湖盆地赋存多种能源矿产，不仅是储量丰富的聚煤盆地，同时也是储量可观的含油气盆地。先后发现侏罗系、二叠系和石炭系等不同地质时代的3套含油气层系，以砂岩油气藏为主要类型广泛分布于中侏罗统西山窑组[7-9]。至2019年底，主要采油区单井产量超2.0 t/d，年产油量达50.0万t。基于这种独特的能源共存形式，矿区相当大的部分煤中含油量偏高，尤其是长焰煤，焦油产率(Tar,d)可达15.9%，属高油煤，与毗邻的条湖长焰煤16%的产油率相差无几[10]。总体上，石头梅矿区煤质为含油煤，其中有相当比例的富油煤和高油煤[11]。

综上所述，石头梅矿区煤炭储量巨大，煤质优良，开发条件优越，以不粘煤、长焰煤等优质煤种为主的矿产品，不仅可供火力发电、工业锅炉用煤及民用煤，更可观的应用前景是作为煤化工原料进行深加工，走煤炭综合利用的途径。

3 煤炭绿色开发构想

在制定《新疆能源集团三塘湖矿区石头梅一号露天矿煤炭综合开发利用方案》之初，经过广泛的市场调研，将石头梅露天矿煤炭产品的目标市场定位为“就地消化”和“外运”两个方向。其中，“就地消化”定位包括两个部分，一是以矿区总体建设为引导，作为矿区内燃煤电厂、低热值煤综合利用电厂以及新疆“煤电基地”建设电源工程的煤源基地，为矿区总体建设提供充足的煤炭供应保证；二是为矿区周边的生产、在建和规划煤电项目提供煤炭，积极落实国家实施的“疆电外输”能源总体战略。“外运”定位是依托国家能源建设政策和宏观规划，近期来看，以外运至甘肃兰州、河西走廊、宁夏中卫及西南川渝地区为主，远期来看，随着兰新铁路货运专线、北翼铁路的修建，市场扩展至青海、湖北、湖南和江西等省，为国家实施“疆煤外运”煤炭总体规划提供支撑。

然而，随着时间推移，市场风险也越来越大：首先，新疆煤炭产量随着诸多新建矿区大规模的投产而日益飙升，远大于市场需求，产能严重过剩；其次，原计划的煤炭“就地消化”的主要途径——坑口电厂和低热值煤综合利用电厂均处于规划阶段，产能无法就地消耗，而“疆煤外运”不仅存在供应量和供应价格方面的风险，还会受到运输成本的影响，产品煤在市场竞争力上失去价格优势；再者，由于国家的“去产能”政策的实施，内地高耗能、高污染产业大规模限产，煤炭和电力供应日益过剩，市场风险也不断上升。因此，必须及时调整规划方向，改变原煤输出的预设方案，立足自身就地消化，增大深加工力度，提高产品附加值，实施“节水-低碳-绿色-多元-长链”综合式建设方案，走绿色矿山开发建设的道路。

(1)立足自身消化产能，发电是最重要的途径，但燃煤发电需要充足的水资源保证[12-13]。鉴于矿区严重缺水的自然条件和外部引水工程尚未修建完工的现状，积极发展节水型项目是当务之急。因此，坑口电厂、配套设施的设计、建设及运行都必须把高效用水和深度节水作为出发点，贯穿到设计理念、设备选型、运行管理各环节。

(2)国家对环境保护的重视程度日益提高，使得煤炭类高耗能企业环境保护压力不断增长，以低能耗、低污染为特征的“低碳经济”成为工矿企业生存和发展的必然选择。基于矿区风能、光能资源丰富的特征以及新疆能源集团在风力发电、光伏发电领域深厚的技术积淀和丰富经验，利用太阳能、风能辅助坑口燃煤发电具有得天独厚的优势，尤其是矿区开发前期，风能-太阳能发电可以充分解决生产(电铲采掘、电车运输等)、生活用电，降低燃油、燃气消耗。

(3)煤炭露天开采不可避免造成自然景观破坏和环境污染(水、空气、噪声、固体废弃物等)等系列问题。要最大限度降低对生态环境的破坏，走绿色矿山的道路是必然归宿。绿色矿山建设对技术、人员、设备、工艺、管理等均提出了明确的要求，绿色矿山理念应贯穿于矿山设计、建设、生产的整个生命周期中，通过科学的规划设计，集约化开采、集成化工艺、数字化管理等一系列手段，突破传统发展模式的约束，从而实现资源高效开发利用，达到资源开发、环境保护、社会和谐的有机统一。

(4)依据矿区煤炭资源特征和煤质特点，为规避单一产品的市场风险，应力求产品的多元化，“宜焦(炼焦)则焦、宜气(气化)则气”。力图降低初级煤产品走向市场的比重，把炼焦、煤制油气、煤制腐植酸等纳入规划范畴。多元化产品可避免单一原煤产品价格波动对企业造成的致命冲击，多元化生产可最大限度提高煤的利用率，实现资源最终的综合利用。

(5)为保证矿区开发的良性发展，应力求降低煤炭初级产品在产业结构中的比重，优化产业结构，延长产业链，大力发展下游产业。借鉴集团公司托克逊洁净能源多联产项目建设经验，重点发展技术含量较高的煤制烯烃、醇醚、电石、合成氨等产业，提高产品附加值，可实现资源的高效、循环综合利用，又有利于形成真正具有市场竞争力的产业链。