山西煤下铝勘查开发主要问题及对策

张亚宁,刘汉斌,2

( 1.山西大学资源与环境工程研究所，山西 太原 030006，2.山西省煤炭地质局，山西 太原 030006)

铝是现代工业的原材料，对国民经济和社会发展具有重要作用。铝的产量和消耗量在所有金属中排名第二，仅次于钢铁[1]。铝土矿是冶铝工业的原料，山西是我国的铝土矿大省，截止2017年底全省拥有铝土矿石保有储量15.3 亿t，占比全国的32.44%，拥有兴县、宁武-原平、汾阳-孝义、交口-汾西4 个铝土矿国家规划矿区[2]。目前，山西露头及浅覆盖区铝土矿勘查基本完成，急需寻找后备资源。随着自然资源部“三深一土”战略以及煤系共伴生矿产理念的提出，中深部铝土矿逐渐成为铝土矿勘查的主要方向，煤下铝的勘查与开发逐渐引发重视[3]，并在豫西取得重大突破[4]。晋豫同属华北聚煤盆地腹地，剥蚀和沉积环境类似，豫西煤下铝勘查的巨大成功给山西煤下铝的地质找矿很大启迪[5]。翟自峰等[6]首先提出了山西煤下铝勘查的可能性，并首次分析了山西煤下铝的分布规律和找矿前景，同时圈定了12 个成矿有利区。董自祥等[7]分析了河东煤田兴县井田煤铝联合开采的可能性，认为煤铝联合开采在工艺、技术、经济上都是可行的。李志刚等[8]探讨了河东煤田中不同资源条件下煤铝共生资源联合开发模式，并根据煤铝赋存条件, 提出了三种开采方案。王乐[9]根据黄辉头矿的资源赋存条件，分析对比了3种煤下铝矿山建设的方案，优选了煤铝共采的上行开采方案。黄丹等[10]在工业实验的基础上提出了煤下铝的协同充填覆岩控制技术。煤下铝的勘查开发是个复杂的系统工程，受国家政策、矿业权、地质条件多方面影响，并且在煤矿的勘查、建设、生产、闭坑不同阶段所面临的地质问题也不同。本文在山西铝土矿已有资料的基础上，详细了分析山西煤下铝在勘查和开发方面存在的困难与问题，并提出相应的解决方案。

1 本溪组分布范围和地层特征

1.1 地层特征

在山西大部分地区，本溪组指以奥陶或寒武系侵蚀面为底，平行不整合于中、下奥陶系或寒武系之上，太原组晋祠砂岩以下的一套海侵相沉积地层[11]。本溪期山西全省西南部和北部相对较高古陆区，中间也存在局部如原平古陆、霍山古陆等局部隆起[12]（图1）。

图1 山西省本溪期古地理图和本溪组现代残余范围 （古地理图据王银川等[12]修改）Fig. 1 Paleogeographic map of the Benxi period in Shanxi Province and Modern residual range of the Benxi Formation

根据灰岩中北部厚，南北减薄直尖灭的特征判断本溪期海水自北东东方向侵入山西全省。整个中石炭世山西为陆表还环境，间有局限台地、障壁岛和潮坪相。本溪组一般分为下中上三段，下段为鸡窝状黄铁矿又称山西式铁矿，中段为灰、灰白色铝质岩、铝质泥岩（G 层铝土矿）。上段一般为黑灰色泥岩粉砂岩夹薄煤层及1 ～ 6 层灰岩（半沟灰岩）。本溪组全省厚0 ～ 60 m，一般厚20 ～ 40 m，全省总的变化趋势是中北部厚，南部薄，整体向西北向西南变薄[13]。长治-陵川-阳城、乡宁-河津等地，本溪组厚度小于15 m，最南部的夏县-垣曲小区仅发育底部的铁铝岩段，厚0 ～ 10 m，详见表1。

表1 山西不同地区本溪组厚度 数据引自文献[13]Table 1 Thickness of Benxi Formation in different areas of Shanxi Data from the references [13]

1.2 各段分布范围

本溪组底部黄铁矿主要分布于晋城、陵川、沁水、阳泉、和顺、盂县、孝义等地，临县-盂县以北地区发育较差[13]。中间铁铝岩段厚度值高值区（＞15 m）主要分布在山西中东部的盂县-寿阳-左权一线以东的三角形区域内以及孝义-阳泉曲和平陆以东地区。低值区（＜9 m）主要分布在沁水盆地中南部晋城-长治-武乡-祁县-霍州-沁水一线的长舌形区域内和静乐-岚县-娄烦一带。中值区（9 ～ 15 m）主要分布于低值区和高值分布区之间的纵贯山西南北大部的地区以内[13]。半沟灰岩在北部大同-怀仁一带仅发育一层，厚度最大可达5 m，向南至太原阳泉地区灰岩层数增多（一般2 ～ 4 层，太原东山最多可见6 层），厚度变小，泥质含量增高，阳城-乡宁以南以及陵川-长治地区灰岩缺失[13-14]（表1）。本溪组煤层在山西大多不可采，其中山西北部区多为薄煤层，中部区局部较厚，南部区多为煤线。

2 煤下铝土矿分布特征和找矿前景

2.1 分布特征

山西煤下铝土矿位于石炭-二叠系含煤地层下部的本溪组铁铝岩段。煤下铝是地表铝土矿的的自然延伸，矿体特征与地表铝土矿类似，一般以似层状为主，具有为透镜状，少数为漏斗状。表2 为山西地表露头区铝土矿矿体的厚度特征。

表2 山西省煤下铝土矿找矿前景区面积和矿体特征 [6]Table 2 The area and ore body characteristics of the prospecting area of the aluminum below Shanxi coal [6]

可见，山西省浅部铝矿石厚度大多介1 ～ 3 m左右，最大6.6 m。铝硅比5 左右，最大为8。深部煤下铝的铝硅比系数比较地表铝土矿大，硫铁含量升高，夹层和矿体边界均较地表铝土矿复杂。如兴县赵家焉铝土矿平均Al2O3含量61.22%，Fe2O3含量9.08%，S平均含量1.59%，铝硅比8.65，属于高硫中铁型铝土矿[15]。

2.2 找矿前景

根据山西铝土矿的成因特点和赋存条件，结合已有的铝土矿矿床，圈定了12 个山西煤下铝找矿远景区（图2）。

图2 山西省煤下铝土矿找矿远景区 （据翟自峰[6]、刘晓雪[5]等修改）Fig. 2 Prospecting area for coal mining in Shanxi province

可见山西煤下铝找矿远景区主要位于宁武煤田、霍西煤田、河东煤天、沁水煤田东北部、中西部边缘、西山煤田北部以及五台和平陆两个煤产地。表2 为山西煤下铝土矿找矿前景区面积和矿体特征。从中可以看出，山西河东煤田中北部铝土矿矿体厚度最大，沁水煤田南部最薄。河东煤田离柳矿区、霍西煤田霍州矿区以及沁水煤田阳泉矿区煤下铝硅铝比值最高，达到5 以上。

3 目前存在的问题

目前的铝土矿勘查，主要指埋深300 m 以浅的铝土矿。区别地表铝土矿，一般意义上的煤下铝指300 m 以深，不包括现在铝土矿探矿权、采矿权证的煤层深部的铝土矿[16]。煤下铝的勘查开发是个复杂的系统工程，涉及到国家资源政策、矿业权、地质条件多方面因素。目前煤下铝的勘查和开发在矿体资源量、国家政策和勘查规范、以及勘查难度上面还有诸多问题。在资源量方面，受传统思维的影响，煤矿以往一直对煤下铝的重视程度不够，导致对煤下铝基础资料、基础数据积累不够，对矿体资源量和开发潜力掌握不够，影响开发战略和开发思路。在政策方面，由于煤铝属于不同的矿种和开采深度，矿业权重叠现象严重[17]。勘查开发方面，煤下铝勘查开发目前国内尚无成熟的大规模工业化的成功案例[10]，勘查和开发经验积累都还远远不够。

3.1 资源量方面

煤下铝矿体赋存特征、成矿规律、资源量不清。煤矿深部铝土矿不同于浅部露头出露区，没有矿体的直观反应。而以往的找煤为主的勘查思路，对下伏铝土矿重视程度不够，岩心采取率、采样代表性、分析化验指标均重视不够，导致对煤下铝资源量和资源赋存特征不明。近年来，以兴县黄辉、孝义魏家沟和申家庄等矿区为代表，一大批隐伏铝土矿相继被发现，尤其申家庄矿区发现隐伏铝土矿资源量近2 亿t[18]，充分显示山西煤下深部隐伏铝土矿床找矿前景好，资源量巨大。

3.2 政策方面

虽然《中华人民共和国矿产资源法》、《山西省矿产资源管理条例》、《山西省铝土矿资源开发利用规划》明确要求对于具有工业价值共(伴)生矿产资源必须统一规划、综合勘探、综合评价、综合开发、综合利用, 最大限度提高资源利用率和产出率。但在实际执行过程中，由于煤矿“采矿权”范围不包括下部铝土矿的含矿层位，因而在煤矿“两证”范围内开展铝土矿找矿勘查工作存在法律上的障碍[17]，因此矿权的重叠也是一个很大的问题，需要煤矿企业和政府以及自然资源管理部门三方进行统一协调。但由于煤和铝属于不同的矿产，分属不同管理部分，未来需要更加灵活和与时俱进的矿业权配置政策。此外，由于国内煤下铝的勘查刚发才刚刚起步，因此目前没有一套统一的煤下铝勘查规范和预算标准，导致煤下铝的勘查与开发无法可依。

3.3 勘查方面

第一、矿体形态复杂。受沉积环境的制约，本溪组铁铝岩段的矿体形态均较复杂，矿体形态、厚度、组合受奥陶系灰岩侵蚀面控制，一般呈溶斗状或窝子状，产状变化大，勘查和开采难度均较大。第二、勘查难度大。煤下铝的埋深普遍超过300 ～ 500 m，且与上覆地层物性差异不大，难以直接查勘探，需要通过查明下伏奥陶系古侵蚀面间接寻找成矿体可能富集部位[19-20]。煤下铝的勘查属于二次勘查或补充勘探，尤其当上覆煤层采掘完毕后，形成大量采空区与采空区积水[21-22]，需要运用特殊的钻探工艺[23-24]和物探手段查明采空区的分布[22,25-26]。第三、开发难度大。煤下铝的直接顶底板大多为泥岩，开采时顶底板维护难度较大[22,27]，给煤下铝的勘查带来很大困难。第四、水文地质条件复杂[21-22,27]。煤下铝矿体标高大多低于当地侵蚀基准面，且部分为奥灰水带压开采。由于本溪组下部峰峰组与马家沟组均为灰岩含水带，本溪组一直充当煤系下组煤开采的隔水层。而铝土矿的开采必将破坏隔水层，从而导通下伏奥灰水，发生突水事故。因此，煤下铝的开发必须充分本溪组下伏峰峰的富水性和隔水层厚度，充分计算开采煤下铝时的带压系数与带压危险区。

4 煤矿不同阶段煤下铝的勘查与开发

煤矿的生命周期一般包括勘查-建设-生产-闭坑四个阶段，不同时期煤下铝的勘查和开发所面临的的地质问题也都有所不同，决定了不同阶段煤下铝的勘查任务有有所不同。在山西，800 米以浅煤炭勘查基本已结束，后续主要是井田的勘探和煤矿的补充勘探，因此山西煤矿勘查阶段煤下铝勘查的主要任务就是钻孔钻探、测井、化验资料的收集。在煤矿建设阶段，可以根据煤铝矿体的共生地质条件，决定开采模式和开采方案。在煤矿的生产阶段，可充分利用煤矿的补勘钻孔对煤下铝进采样和测试以及矿体圈定。在煤矿闭坑阶段，充分利用已有巷道和已有通风、排水系统，进行井下钻探勘查作者，圈定成矿有利区。

4.1 煤矿勘查阶段

山西目1200 m以浅的煤炭普查大部已经完成，所以勘查阶段的煤下铝主要指勘探和补勘阶段。而以往大部分煤田孔或水文孔都进行了的地球物理测井且终孔层位均进入奥灰，因此勘查阶段煤下铝的主要任务就是在充分分析钻孔测井资料与钻孔柱状图，圈定成矿有利区。在条件适宜区，根据已有钻探成果综合运用多种物探手段[18-20]，如高精度重力测量[19-20,28-29]、可控源音频大地电磁测深法[19-20,30-31]、高频大地电磁测深法[31]等探测深部煤下铝含矿岩系空间分布及构造特征，指导煤下铝的勘查。在煤矿勘探和补勘阶段，充分考虑煤下铝，一孔多用，进行综合勘查和采样分析化验。在此基础上，建立勘查区煤下铝三维模型，圈定成矿区域，为将来煤下铝的开发提供基础资料。在外部条件适宜和地质条件成熟地区，可以考虑先采下位煤下铝土矿，后才采掘煤炭的上行开采模式或煤铝同时开采[8-9]。

4.2 生产煤矿

在煤炭的生产阶段，井巷已经形成，主要在巷道掘进和采掘工作面布置的时候，充分考虑煤下铝的开发，尽量做到一巷多用，并且充分保护下组煤的底板。在煤矿补充勘探阶段，充分利用钻探资料对加大煤下铝土矿层的采样和控制程度，为煤下铝的开发提供基础资料。在进行井下物探和井下钻探的时候，同时对煤下铝进行勘探和控制。河南曹跃煤矿即是生产煤矿阶段介入煤下铝勘查开发，充分利用煤矿已有的设备和采掘工艺，继续开采下煤下铝土矿资源[8]。

4.3 关闭煤矿

对于关闭煤矿，首先应充分收集钻孔资料、水文、构造、瓦斯及采空区积水资料以及钻孔铝土矿化验资料，对关闭煤矿所压覆铝土矿进行资源量计算。其中，特别要注意采空区的探测。山西的许多关闭或废弃小煤矿，由于设计和开拓资料不全或由于产权更迭遗失，无法确定采空边界和采空范围，也无法进入调查。此时需要充分利用先进的物探方法，如瞬变电磁法和高频大地电磁测深确定采空区的空间位置、充填状态、连通性[21,24-25]，为煤下铝勘查提供保障。运用电阻率法探测铝土矿矿体的埋深和产状变化[22]，确定含矿岩系的分布范围，为后期钻探工程的合理布置提供依据。最后，在充分考虑开采和开发条件的基础上，设计较优的开发方案。对于资源量和矿体品位不能满足现有开采技术条件的，进行铝土矿资源量的登记，作为关闭煤矿的压覆资源进行资源量备案，留待以后技术条件成熟后进行开发。

5 结 论

（1）山西省煤下铝分布范围与煤田分布范围基本一致，主要分布盂县-寿阳-左权一带以及孝义-阳泉曲、宁武-静乐和平陆以东地区。铝土矿厚度大多介1 ～ 3 m 左右，最大6.6 m。煤下铝是地表铝土矿的的自然延伸，矿体特征与地表铝土矿类似，一般以似层状为主，具有为透镜状，少数为漏斗状。 铝硅比5 左右，最大为8。

（2）山西煤下铝的开发利用存在三方面的问题，一是煤下铝矿体赋存特征、成矿规律、资源量不清。二是煤、铝重矿业权重叠，且缺乏统一的勘查规范和预算标准，导致煤下铝的勘查与开发无法可依。三是煤下铝的水文地质条件和开采技术复杂，导致勘查和开发难度大。

（3）对于煤炭勘查区，应充分分析煤矿勘查阶钻孔测井资料与钻孔柱状图，圈定成矿有利区。在勘探和补勘阶段，要充分考虑煤下铝，一孔多用，进行综合勘查和采样分析化验，充分利用钻探和物探资料对加大煤下铝土矿层的采样和控制程度，建立勘查区煤下铝三维模型，圈定成矿区域。生产煤矿巷道掘进和采掘工作面布置时，充分考虑煤下铝的开发，做到一巷多用，并且充分保护下组煤的底板。关闭煤矿应充分收集钻孔资料、水文、构造、瓦斯及采空区积水资料以及钻孔铝土矿化验资料，对矿井压覆铝土矿进行资源量计算，并根据开采和开发条件设计开发方案。