張亞寧,劉漢斌,2

( 1.山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所，山西 太原 030006，2.山西省煤炭地質(zhì)局，山西 太原 030006)

鋁是現(xiàn)代工業(yè)的原材料，對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要作用。鋁的產(chǎn)量和消耗量在所有金屬中排名第二，僅次于鋼鐵[1]。鋁土礦是冶鋁工業(yè)的原料，山西是我國的鋁土礦大省，截止2017年底全省擁有鋁土礦石保有儲量15.3 億t，占比全國的32.44%，擁有興縣、寧武-原平、汾陽-孝義、交口-汾西4 個(gè)鋁土礦國家規(guī)劃礦區(qū)[2]。目前，山西露頭及淺覆蓋區(qū)鋁土礦勘查基本完成，急需尋找后備資源。隨著自然資源部“三深一土”戰(zhàn)略以及煤系共伴生礦產(chǎn)理念的提出，中深部鋁土礦逐漸成為鋁土礦勘查的主要方向，煤下鋁的勘查與開發(fā)逐漸引發(fā)重視[3]，并在豫西取得重大突破[4]。晉豫同屬華北聚煤盆地腹地，剝蝕和沉積環(huán)境類似，豫西煤下鋁勘查的巨大成功給山西煤下鋁的地質(zhì)找礦很大啟迪[5]。翟自峰等[6]首先提出了山西煤下鋁勘查的可能性，并首次分析了山西煤下鋁的分布規(guī)律和找礦前景，同時(shí)圈定了12 個(gè)成礦有利區(qū)。董自祥等[7]分析了河?xùn)|煤田興縣井田煤鋁聯(lián)合開采的可能性，認(rèn)為煤鋁聯(lián)合開采在工藝、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上都是可行的。李志剛等[8]探討了河?xùn)|煤田中不同資源條件下煤鋁共生資源聯(lián)合開發(fā)模式，并根據(jù)煤鋁賦存條件, 提出了三種開采方案。王樂[9]根據(jù)黃輝頭礦的資源賦存條件，分析對比了3種煤下鋁礦山建設(shè)的方案，優(yōu)選了煤鋁共采的上行開采方案。黃丹等[10]在工業(yè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了煤下鋁的協(xié)同充填覆巖控制技術(shù)。煤下鋁的勘查開發(fā)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受國家政策、礦業(yè)權(quán)、地質(zhì)條件多方面影響，并且在煤礦的勘查、建設(shè)、生產(chǎn)、閉坑不同階段所面臨的地質(zhì)問題也不同。本文在山西鋁土礦已有資料的基礎(chǔ)上，詳細(xì)了分析山西煤下鋁在勘查和開發(fā)方面存在的困難與問題，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 本溪組分布范圍和地層特征

1.1 地層特征

在山西大部分地區(qū)，本溪組指以奧陶或寒武系侵蝕面為底，平行不整合于中、下奧陶系或寒武系之上，太原組晉祠砂巖以下的一套海侵相沉積地層[11]。本溪期山西全省西南部和北部相對較高古陸區(qū)，中間也存在局部如原平古陸、霍山古陸等局部隆起[12]（圖1）。

圖1 山西省本溪期古地理圖和本溪組現(xiàn)代殘余范圍 （古地理圖據(jù)王銀川等[12]修改）Fig. 1 Paleogeographic map of the Benxi period in Shanxi Province and Modern residual range of the Benxi Formation

根據(jù)灰?guī)r中北部厚，南北減薄直尖滅的特征判斷本溪期海水自北東東方向侵入山西全省。整個(gè)中石炭世山西為陸表還環(huán)境，間有局限臺地、障壁島和潮坪相。本溪組一般分為下中上三段，下段為雞窩狀黃鐵礦又稱山西式鐵礦，中段為灰、灰白色鋁質(zhì)巖、鋁質(zhì)泥巖（G 層鋁土礦）。上段一般為黑灰色泥巖粉砂巖夾薄煤層及1 ～ 6 層灰?guī)r（半溝灰?guī)r）。本溪組全省厚0 ～ 60 m，一般厚20 ～ 40 m，全省總的變化趨勢是中北部厚，南部薄，整體向西北向西南變薄[13]。長治-陵川-陽城、鄉(xiāng)寧-河津等地，本溪組厚度小于15 m，最南部的夏縣-垣曲小區(qū)僅發(fā)育底部的鐵鋁巖段，厚0 ～ 10 m，詳見表1。

表1 山西不同地區(qū)本溪組厚度 數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[13]Table 1 Thickness of Benxi Formation in different areas of Shanxi Data from the references [13]

1.2 各段分布范圍

本溪組底部黃鐵礦主要分布于晉城、陵川、沁水、陽泉、和順、盂縣、孝義等地，臨縣-盂縣以北地區(qū)發(fā)育較差[13]。中間鐵鋁巖段厚度值高值區(qū)（＞15 m）主要分布在山西中東部的盂縣-壽陽-左權(quán)一線以東的三角形區(qū)域內(nèi)以及孝義-陽泉曲和平陸以東地區(qū)。低值區(qū)（＜9 m）主要分布在沁水盆地中南部晉城-長治-武鄉(xiāng)-祁縣-霍州-沁水一線的長舌形區(qū)域內(nèi)和靜樂-嵐縣-婁煩一帶。中值區(qū)（9 ～ 15 m）主要分布于低值區(qū)和高值分布區(qū)之間的縱貫山西南北大部的地區(qū)以內(nèi)[13]。半溝灰?guī)r在北部大同-懷仁一帶僅發(fā)育一層，厚度最大可達(dá)5 m，向南至太原陽泉地區(qū)灰?guī)r層數(shù)增多（一般2 ～ 4 層，太原東山最多可見6 層），厚度變小，泥質(zhì)含量增高，陽城-鄉(xiāng)寧以南以及陵川-長治地區(qū)灰?guī)r缺失[13-14]（表1）。本溪組煤層在山西大多不可采，其中山西北部區(qū)多為薄煤層，中部區(qū)局部較厚，南部區(qū)多為煤線。

2 煤下鋁土礦分布特征和找礦前景

2.1 分布特征

山西煤下鋁土礦位于石炭-二疊系含煤地層下部的本溪組鐵鋁巖段。煤下鋁是地表鋁土礦的的自然延伸，礦體特征與地表鋁土礦類似，一般以似層狀為主，具有為透鏡狀，少數(shù)為漏斗狀。表2 為山西地表露頭區(qū)鋁土礦礦體的厚度特征。

表2 山西省煤下鋁土礦找礦前景區(qū)面積和礦體特征 [6]Table 2 The area and ore body characteristics of the prospecting area of the aluminum below Shanxi coal [6]

可見，山西省淺部鋁礦石厚度大多介1 ～ 3 m左右，最大6.6 m。鋁硅比5 左右，最大為8。深部煤下鋁的鋁硅比系數(shù)比較地表鋁土礦大，硫鐵含量升高，夾層和礦體邊界均較地表鋁土礦復(fù)雜。如興縣趙家焉鋁土礦平均Al2O3含量61.22%，F(xiàn)e2O3含量9.08%，S平均含量1.59%，鋁硅比8.65，屬于高硫中鐵型鋁土礦[15]。

2.2 找礦前景

根據(jù)山西鋁土礦的成因特點(diǎn)和賦存條件，結(jié)合已有的鋁土礦礦床，圈定了12 個(gè)山西煤下鋁找礦遠(yuǎn)景區(qū)（圖2）。

圖2 山西省煤下鋁土礦找礦遠(yuǎn)景區(qū) （據(jù)翟自峰[6]、劉曉雪[5]等修改）Fig. 2 Prospecting area for coal mining in Shanxi province

可見山西煤下鋁找礦遠(yuǎn)景區(qū)主要位于寧武煤田、霍西煤田、河?xùn)|煤天、沁水煤田東北部、中西部邊緣、西山煤田北部以及五臺和平陸兩個(gè)煤產(chǎn)地。表2 為山西煤下鋁土礦找礦前景區(qū)面積和礦體特征。從中可以看出，山西河?xùn)|煤田中北部鋁土礦礦體厚度最大，沁水煤田南部最薄。河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)、霍西煤田霍州礦區(qū)以及沁水煤田陽泉礦區(qū)煤下鋁硅鋁比值最高，達(dá)到5 以上。

3 目前存在的問題

目前的鋁土礦勘查，主要指埋深300 m 以淺的鋁土礦。區(qū)別地表鋁土礦，一般意義上的煤下鋁指300 m 以深，不包括現(xiàn)在鋁土礦探礦權(quán)、采礦權(quán)證的煤層深部的鋁土礦[16]。煤下鋁的勘查開發(fā)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到國家資源政策、礦業(yè)權(quán)、地質(zhì)條件多方面因素。目前煤下鋁的勘查和開發(fā)在礦體資源量、國家政策和勘查規(guī)范、以及勘查難度上面還有諸多問題。在資源量方面，受傳統(tǒng)思維的影響，煤礦以往一直對煤下鋁的重視程度不夠，導(dǎo)致對煤下鋁基礎(chǔ)資料、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累不夠，對礦體資源量和開發(fā)潛力掌握不夠，影響開發(fā)戰(zhàn)略和開發(fā)思路。在政策方面，由于煤鋁屬于不同的礦種和開采深度，礦業(yè)權(quán)重疊現(xiàn)象嚴(yán)重[17]。勘查開發(fā)方面，煤下鋁勘查開發(fā)目前國內(nèi)尚無成熟的大規(guī)模工業(yè)化的成功案例[10]，勘查和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)積累都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

3.1 資源量方面

煤下鋁礦體賦存特征、成礦規(guī)律、資源量不清。煤礦深部鋁土礦不同于淺部露頭出露區(qū)，沒有礦體的直觀反應(yīng)。而以往的找煤為主的勘查思路，對下伏鋁土礦重視程度不夠，巖心采取率、采樣代表性、分析化驗(yàn)指標(biāo)均重視不夠，導(dǎo)致對煤下鋁資源量和資源賦存特征不明。近年來，以興縣黃輝、孝義魏家溝和申家莊等礦區(qū)為代表，一大批隱伏鋁土礦相繼被發(fā)現(xiàn)，尤其申家莊礦區(qū)發(fā)現(xiàn)隱伏鋁土礦資源量近2 億t[18]，充分顯示山西煤下深部隱伏鋁土礦床找礦前景好，資源量巨大。

3.2 政策方面

雖然《中華人民共和國礦產(chǎn)資源法》、《山西省礦產(chǎn)資源管理?xiàng)l例》、《山西省鋁土礦資源開發(fā)利用規(guī)劃》明確要求對于具有工業(yè)價(jià)值共(伴)生礦產(chǎn)資源必須統(tǒng)一規(guī)劃、綜合勘探、綜合評價(jià)、綜合開發(fā)、綜合利用, 最大限度提高資源利用率和產(chǎn)出率。但在實(shí)際執(zhí)行過程中，由于煤礦“采礦權(quán)”范圍不包括下部鋁土礦的含礦層位，因而在煤礦“兩證”范圍內(nèi)開展鋁土礦找礦勘查工作存在法律上的障礙[17]，因此礦權(quán)的重疊也是一個(gè)很大的問題，需要煤礦企業(yè)和政府以及自然資源管理部門三方進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)。但由于煤和鋁屬于不同的礦產(chǎn)，分屬不同管理部分，未來需要更加靈活和與時(shí)俱進(jìn)的礦業(yè)權(quán)配置政策。此外，由于國內(nèi)煤下鋁的勘查剛發(fā)才剛剛起步，因此目前沒有一套統(tǒng)一的煤下鋁勘查規(guī)范和預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致煤下鋁的勘查與開發(fā)無法可依。

3.3 勘查方面

第一、礦體形態(tài)復(fù)雜。受沉積環(huán)境的制約，本溪組鐵鋁巖段的礦體形態(tài)均較復(fù)雜，礦體形態(tài)、厚度、組合受奧陶系灰?guī)r侵蝕面控制，一般呈溶斗狀或窩子狀，產(chǎn)狀變化大，勘查和開采難度均較大。第二、勘查難度大。煤下鋁的埋深普遍超過300 ～ 500 m，且與上覆地層物性差異不大，難以直接查勘探，需要通過查明下伏奧陶系古侵蝕面間接尋找成礦體可能富集部位[19-20]。煤下鋁的勘查屬于二次勘查或補(bǔ)充勘探，尤其當(dāng)上覆煤層采掘完畢后，形成大量采空區(qū)與采空區(qū)積水[21-22]，需要運(yùn)用特殊的鉆探工藝[23-24]和物探手段查明采空區(qū)的分布[22,25-26]。第三、開發(fā)難度大。煤下鋁的直接頂?shù)装宕蠖酁槟鄮r，開采時(shí)頂?shù)装寰S護(hù)難度較大[22,27]，給煤下鋁的勘查帶來很大困難。第四、水文地質(zhì)條件復(fù)雜[21-22,27]。煤下鋁礦體標(biāo)高大多低于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面，且部分為奧灰水帶壓開采。由于本溪組下部峰峰組與馬家溝組均為灰?guī)r含水帶，本溪組一直充當(dāng)煤系下組煤開采的隔水層。而鋁土礦的開采必將破壞隔水層，從而導(dǎo)通下伏奧灰水，發(fā)生突水事故。因此，煤下鋁的開發(fā)必須充分本溪組下伏峰峰的富水性和隔水層厚度，充分計(jì)算開采煤下鋁時(shí)的帶壓系數(shù)與帶壓危險(xiǎn)區(qū)。

4 煤礦不同階段煤下鋁的勘查與開發(fā)

煤礦的生命周期一般包括勘查-建設(shè)-生產(chǎn)-閉坑四個(gè)階段，不同時(shí)期煤下鋁的勘查和開發(fā)所面臨的的地質(zhì)問題也都有所不同，決定了不同階段煤下鋁的勘查任務(wù)有有所不同。在山西，800 米以淺煤炭勘查基本已結(jié)束，后續(xù)主要是井田的勘探和煤礦的補(bǔ)充勘探，因此山西煤礦勘查階段煤下鋁勘查的主要任務(wù)就是鉆孔鉆探、測井、化驗(yàn)資料的收集。在煤礦建設(shè)階段，可以根據(jù)煤鋁礦體的共生地質(zhì)條件，決定開采模式和開采方案。在煤礦的生產(chǎn)階段，可充分利用煤礦的補(bǔ)勘鉆孔對煤下鋁進(jìn)采樣和測試以及礦體圈定。在煤礦閉坑階段，充分利用已有巷道和已有通風(fēng)、排水系統(tǒng)，進(jìn)行井下鉆探勘查作者，圈定成礦有利區(qū)。

4.1 煤礦勘查階段

山西目1200 m以淺的煤炭普查大部已經(jīng)完成，所以勘查階段的煤下鋁主要指勘探和補(bǔ)勘階段。而以往大部分煤田孔或水文孔都進(jìn)行了的地球物理測井且終孔層位均進(jìn)入奧灰，因此勘查階段煤下鋁的主要任務(wù)就是在充分分析鉆孔測井資料與鉆孔柱狀圖，圈定成礦有利區(qū)。在條件適宜區(qū)，根據(jù)已有鉆探成果綜合運(yùn)用多種物探手段[18-20]，如高精度重力測量[19-20,28-29]、可控源音頻大地電磁測深法[19-20,30-31]、高頻大地電磁測深法[31]等探測深部煤下鋁含礦巖系空間分布及構(gòu)造特征，指導(dǎo)煤下鋁的勘查。在煤礦勘探和補(bǔ)勘階段，充分考慮煤下鋁，一孔多用，進(jìn)行綜合勘查和采樣分析化驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，建立勘查區(qū)煤下鋁三維模型，圈定成礦區(qū)域，為將來煤下鋁的開發(fā)提供基礎(chǔ)資料。在外部條件適宜和地質(zhì)條件成熟地區(qū)，可以考慮先采下位煤下鋁土礦，后才采掘煤炭的上行開采模式或煤鋁同時(shí)開采[8-9]。

4.2 生產(chǎn)煤礦

在煤炭的生產(chǎn)階段，井巷已經(jīng)形成，主要在巷道掘進(jìn)和采掘工作面布置的時(shí)候，充分考慮煤下鋁的開發(fā)，盡量做到一巷多用，并且充分保護(hù)下組煤的底板。在煤礦補(bǔ)充勘探階段，充分利用鉆探資料對加大煤下鋁土礦層的采樣和控制程度，為煤下鋁的開發(fā)提供基礎(chǔ)資料。在進(jìn)行井下物探和井下鉆探的時(shí)候，同時(shí)對煤下鋁進(jìn)行勘探和控制。河南曹躍煤礦即是生產(chǎn)煤礦階段介入煤下鋁勘查開發(fā)，充分利用煤礦已有的設(shè)備和采掘工藝，繼續(xù)開采下煤下鋁土礦資源[8]。

4.3 關(guān)閉煤礦

對于關(guān)閉煤礦，首先應(yīng)充分收集鉆孔資料、水文、構(gòu)造、瓦斯及采空區(qū)積水資料以及鉆孔鋁土礦化驗(yàn)資料，對關(guān)閉煤礦所壓覆鋁土礦進(jìn)行資源量計(jì)算。其中，特別要注意采空區(qū)的探測。山西的許多關(guān)閉或廢棄小煤礦，由于設(shè)計(jì)和開拓資料不全或由于產(chǎn)權(quán)更迭遺失，無法確定采空邊界和采空范圍，也無法進(jìn)入調(diào)查。此時(shí)需要充分利用先進(jìn)的物探方法，如瞬變電磁法和高頻大地電磁測深確定采空區(qū)的空間位置、充填狀態(tài)、連通性[21,24-25]，為煤下鋁勘查提供保障。運(yùn)用電阻率法探測鋁土礦礦體的埋深和產(chǎn)狀變化[22]，確定含礦巖系的分布范圍，為后期鉆探工程的合理布置提供依據(jù)。最后，在充分考慮開采和開發(fā)條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)較優(yōu)的開發(fā)方案。對于資源量和礦體品位不能滿足現(xiàn)有開采技術(shù)條件的，進(jìn)行鋁土礦資源量的登記，作為關(guān)閉煤礦的壓覆資源進(jìn)行資源量備案，留待以后技術(shù)條件成熟后進(jìn)行開發(fā)。

5 結(jié) 論

（1）山西省煤下鋁分布范圍與煤田分布范圍基本一致，主要分布盂縣-壽陽-左權(quán)一帶以及孝義-陽泉曲、寧武-靜樂和平陸以東地區(qū)。鋁土礦厚度大多介1 ～ 3 m 左右，最大6.6 m。煤下鋁是地表鋁土礦的的自然延伸，礦體特征與地表鋁土礦類似，一般以似層狀為主，具有為透鏡狀，少數(shù)為漏斗狀。 鋁硅比5 左右，最大為8。

（2）山西煤下鋁的開發(fā)利用存在三方面的問題，一是煤下鋁礦體賦存特征、成礦規(guī)律、資源量不清。二是煤、鋁重礦業(yè)權(quán)重疊，且缺乏統(tǒng)一的勘查規(guī)范和預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致煤下鋁的勘查與開發(fā)無法可依。三是煤下鋁的水文地質(zhì)條件和開采技術(shù)復(fù)雜，導(dǎo)致勘查和開發(fā)難度大。

（3）對于煤炭勘查區(qū)，應(yīng)充分分析煤礦勘查階鉆孔測井資料與鉆孔柱狀圖，圈定成礦有利區(qū)。在勘探和補(bǔ)勘階段，要充分考慮煤下鋁，一孔多用，進(jìn)行綜合勘查和采樣分析化驗(yàn)，充分利用鉆探和物探資料對加大煤下鋁土礦層的采樣和控制程度，建立勘查區(qū)煤下鋁三維模型，圈定成礦區(qū)域。生產(chǎn)煤礦巷道掘進(jìn)和采掘工作面布置時(shí)，充分考慮煤下鋁的開發(fā)，做到一巷多用，并且充分保護(hù)下組煤的底板。關(guān)閉煤礦應(yīng)充分收集鉆孔資料、水文、構(gòu)造、瓦斯及采空區(qū)積水資料以及鉆孔鋁土礦化驗(yàn)資料，對礦井壓覆鋁土礦進(jìn)行資源量計(jì)算，并根據(jù)開采和開發(fā)條件設(shè)計(jì)開發(fā)方案。