福建煤系石墨資源狀況和開發(fā)前景

陳泉霖，程 喬，鄧瑞錦，林曉炎，王 路，丁正云，李 陽

(1.福建省煤田地質局，福建 福州 350005；2.福建省煤田地質勘查院，福建 福州 350005；3.福建省煤田地質非常規(guī)能源調查研究院，福建 福州 350005；4.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

煤系石墨是煤及煤系炭質泥頁巖等在巖漿熱接觸變質及構造變質作用下形成的，多為隱晶質石墨[1-5]。福建地區(qū)對于煤系石墨資源的地質研究程度不高，從煤炭資源勘查過程中發(fā)現，二疊系中統(tǒng)童子巖組含煤地層在巖漿或構造活動相對強烈的區(qū)塊，其賦存的高變質無煙煤有進一步變質成隱晶質石墨的現象，給從煤系中尋找煤系石墨提供了方向。然而由于無煙煤與石墨的評價指標存在交叉和重疊現象，造成福建省部分煤系石墨礦劃歸為煤礦。這些資源未能得到政策性引導，開采的石墨資源均以石墨粉、石墨球、石墨粒、增碳劑等初級產品銷售，部分煤系石墨資源甚至作為煤炭直接銷售，導致煤系石墨資源的嚴重浪費。

目前，福建省正著力打造石墨烯產業(yè)基地，對石墨資源的需求非常迫切。鑒于此，福建省煤田地質局與福能集團及中國礦業(yè)大學(北京)三方開展了相關研究，在福建省自然資源廳的支持下設立了《福建省煤系石墨賦存規(guī)律及資源評價》[6]、《福建省煤系石墨分類研究及標準制定》等科研項目。筆者在此基礎上，調查了福建省煤系石墨勘查分布特征，探討福建地區(qū)如何科學劃分煤系石墨與高變質無煙煤的測試方法，并進行煤系石墨資源評價，對查明福建煤系石墨資源的開發(fā)前景具有重大意義。

1 地質背景

1.1 含煤地層

二疊系中統(tǒng)童子巖組是福建省最重要的含煤層位，所賦存的煤炭資源占全省煤炭資源總量的98%，其次是上三疊統(tǒng)大坑村組、焦坑組和上二疊統(tǒng)的翠屏山組，占資源總量的1.5%，而其他含煤地層占資源總量不足0.5%[7-8]。煤系石墨賦存層位主要為二疊系中統(tǒng)童子巖組，即為探查煤系石墨資源對象。

通過分析二疊系中統(tǒng)童子巖組的巖性巖相、沉積及聚煤環(huán)境和含煤性等因素，全省大致可劃分為東、中、西3 個含煤條帶，即東部含煤帶(永春–尤溪煤田)、中部含煤帶(永安–大田煤田及龍巖–永定煤田)、西部含煤帶(將樂–武平煤田)。

1.2 構 造

童子巖組含煤地層沉積后，主要經歷了東吳運動、印支運動、燕山運動、喜馬拉雅運動[9]。其中，對含煤地層賦存影響最大的是印支運動和燕山運動。印支運動使含煤地層發(fā)生滑覆構造，煤層穩(wěn)定性受到破壞，基本為不穩(wěn)定煤層，局部為極不穩(wěn)定煤層。燕山運動主要產生一系列推覆構造，徹底改變了福建煤炭的賦存狀態(tài)，使煤層穩(wěn)定性再一次受到強烈的破壞，也給原已變質成的無煙煤進一步變質提供了動力來源。

1.3 巖漿巖

二疊系中統(tǒng)童子巖組含煤地層沉積后，對煤系賦存影響較大的主要是印支期及燕山期構造運動帶來的大面積巖漿侵入和巖漿劇烈噴發(fā)，在一定程度上改變了含煤地層的賦存狀態(tài)；尤其是燕山中晚期巖漿活動，范圍廣、強度大、持續(xù)時間長，是福建含煤地層中煤變質成無煙煤，局部再變質成煤系石墨的最大熱源[5]，對中、東部含煤地層含煤帶影響更甚。

2 福建省煤系石墨勘查分布特征

2.1 石墨礦產類型

福建石墨礦產的類型有兩種：晶質石墨和隱晶質石墨(即煤系石墨)，根據福建省自然資源廳統(tǒng)計的儲量年報(2017 年)，晶質石墨有3 處累計查明3 633.49 萬t(礦石量)均未利用；煤系石墨主要礦床有11 處。累計查明約1 86.1 萬t，保有資源儲量約142.7 萬t。

2.2 煤系石墨分布概述

福建省煤系石墨主要以二疊系中統(tǒng)童子巖組含煤地層為基礎，以該組煤層為礦源層，煤變質程度較高，受巖漿熱和構造等多因素影響發(fā)生石墨化形成煤系石墨。依據富煤帶可劃分為西部含煤帶、中部含煤帶和東部含煤帶，煤系石墨分布主要位于四大煤田：將樂–武平煤田、永安–大田煤田、龍巖–永定煤田和永春–尤溪煤田。

2.3 煤系石墨勘查開發(fā)現狀

福建省煤系石墨資源潛力大、開發(fā)應用價值高，具有極好的應用前景。近年來，福建省高度重視石墨烯產業(yè)發(fā)展，著力打通產業(yè)鏈上下游，推動福建省石墨烯的產業(yè)化發(fā)展。煤系石墨作為石墨烯的原材料，資源勘查開發(fā)尚不明確，主要問題在于對煤系石墨與無煙煤之間的鑒別不清楚，造成資源浪費；政府對礦權設置方案未規(guī)范化，對非石墨開采區(qū)監(jiān)管力度不夠，造成礦權有誤。本次研究對正在生產礦井、停采礦井和勘查區(qū)進行統(tǒng)計，結果如表1 所示。大部分礦井、勘查區(qū)處于未開采或停采狀態(tài)，開采礦區(qū)也多以煤炭開采的形式生產銷售。

表1 福建省煤系石墨礦井、勘查區(qū)調查統(tǒng)計Table 1 Coal-based graphite mines and exploration areas in Fujian Province

3 煤系石墨評價方法

3.1 現場調查與樣品測試分析

2016 年9 月至2018 年9 月，本文基金項目組在深入分析已有成果資料的基礎上，對福建省典型石墨礦區(qū)開展野外地質調查，著重觀測地層構造變形特征，包括褶皺、斷裂、節(jié)理等構造活動現象，并進行詳細記錄、分析，獲取煤田構造研究實際素材，按照與巖漿巖體的距離遠近，觀察煤和煤系石墨的變質、變形特征。弄清煤系巖性組合特征，觀察并記錄斷層、褶皺形態(tài)，尤其是構造運動對煤系的影響。

分批次對福建省3 個賦煤帶內在生產或未生產礦區(qū)進行了系統(tǒng)采樣，共計34 個礦井、97 件樣品。中國礦業(yè)大學(北京)的煤炭資源與安全開采國家重點實驗室承擔并組織完成工業(yè)分析(FCad、Vdaf)、元素分析(C、H)、X 射線衍射分析、拉曼光譜分析、顯微組分觀察、鏡質體反射率測試、高分辨率透射電鏡、掃描電鏡等系列測試分析。

3.2 煤系石墨鑒別與評價

現行勘查規(guī)范[10]規(guī)定，以固定碳含量劃分隱晶質石墨礦的邊界品位(FC≥55%)和工業(yè)品位(FC≥65%)。實際情況中，福建省很多無煙煤的固定碳含量達到65%，甚至更高，所以僅以固定碳含量區(qū)分煤系石墨和無煙煤不夠準確。陳蔚然[11]于1983 年總結了關于石墨化度的計算公式，認為利用X 射線衍射來測定石墨的晶格常數等，得到石墨碳層間距d002，可以作為衡量石墨化度的一個依據。H/C 原子比是國際煤巖學與有機巖石學(ICCP)劃分石墨轉化階段的指標之一，廖慧元[12]于1994 年研究湖南省魯塘礦區(qū)石墨礦，提出利用H/C 值等區(qū)分煤系石墨與無煙煤；2018 年董業(yè)績等[3]總結前人工作經驗并根據吉林磐石、湖南魯塘、陜西鳳縣等地區(qū)典型煤系石墨礦的研究成果，提出了地質勘查階段劃分煤系石墨與無煙煤的指標，包括H/C、d002和拉曼參數R2[13-15]。

綜合眾多學者的研究成果，基于福建省煤田地質特征，采用X 射線衍射分析碳層間距(d002)和拉曼光譜參數R2作為鑒別煤系石墨的指標[16-18]，根據d002-R2模板[19]，將煤系石墨–無煙煤分為4 級，其中Ⅱ級又分兩個亞級：Ⅰ級(煤成石墨)、Ⅱ級(煤成半石墨)、Ⅲ級(石墨化無煙煤)、Ⅳ級(高變質無煙煤)(圖1)。

4 福建省煤系石墨資源評價

首先在已有煤田構造格局的基礎上進行資源評價的成礦區(qū)帶劃分。結合福建地區(qū)構造與巖漿侵入的影響及不同類型石墨的分布情況進行區(qū)帶劃分。然后根據成礦區(qū)帶內礦井的石墨類型及石墨–煤炭資源量進行資源評價。

4.1 煤系石墨成礦區(qū)帶劃分

福建煤系石墨主要分布于將樂–武平煤田、永安–大田煤田、龍巖–永定煤田和永春–尤溪煤田范圍內。受控于多期次地殼運動形成的一系列斷裂帶，其中，永安–晉江斷裂帶將閩西南富煤帶分為南北兩塊；依靠政和–大埔斷裂帶，燕山期巖漿侵入活動主要位于中部和東部含煤帶內，為中、東部含煤帶的變質作用和石墨化作用提供有利條件。在此基礎上，劃分了大田–漳平石墨成礦區(qū)與永安–安溪石墨成礦區(qū)[19-20]。

圖1 煤系無煙煤–石墨分類模板[19]Fig.1 Classification model of anthracite to coal-based graphite[19]

圖2 福建省煤系石墨成礦區(qū)帶及遠景區(qū)預測Fig.2 Mineralization belts and predication of prospective areas of coal-based graphite in Fujian Province

大田–漳平石墨成礦區(qū)位于政和–大埔斷裂帶附近，包括兩個成礦亞區(qū)：漳平可坑–烏坑成礦亞區(qū)和永安–大田成礦亞區(qū)(圖2)。其中，漳平可坑–烏坑礦區(qū)位于龍巖–永定煤田南部，附近有大面積巖漿侵入體和逆沖推覆構造，后者為含煤地層構成“保溫蓋層”，且該礦區(qū)受構造應力的促進作用，煤的石墨化程度相對較高，主要賦存Ⅰ—Ⅱ1型石墨。永安–大田成礦亞區(qū)位于永安–大田煤田內，該區(qū)內張性斷裂發(fā)育，巖漿熱液沿斷裂侵入，煤的石墨化程度相對較差，賦存Ⅱ2—Ⅲ型石墨。

永安–安溪石墨成礦區(qū)位于永安–晉江斷裂帶附近。該區(qū)帶張性斷裂發(fā)育，巖漿巖體以巖脈侵入或通過斷裂侵入含煤地層，巖漿熱影響范圍有限，僅對局部煤層造成影響，主要賦存Ⅱ1—Ⅱ2型石墨。

4.2 遠景區(qū)預測

本次煤系石墨資源評價，在成礦區(qū)帶劃分的基礎上，以煤系石墨成礦理論為指導，根據石墨等級劃分及福建煤系石墨的分布狀況，預測了以下5 塊遠景區(qū)域：①永安長垇區(qū)；② 永安下蓋竹–甫弼–塘下洋區(qū)；③大田瓊口–小溪洋–永安老鷹山區(qū)；④漳平可坑–烏石隔區(qū)；⑤ 漳平烏坑–華安福田(官田)區(qū)(圖2)。各遠景區(qū)分布見表2。其中，又以大田瓊口–小溪洋–永安老鷹山與漳平可坑–烏石隔地區(qū)石墨資源狀況最優(yōu)，預測區(qū)面積較大，石墨化程度較高，多為Ⅰ—Ⅱ2型石墨，開發(fā)前景較好，可作為下一步福建煤系石墨調查重點區(qū)域。

4.3 遠景區(qū)資源量預測

采用類比法估算5 塊遠景區(qū)的資源量，即通過預測區(qū)內已有石墨礦區(qū)單位面積的資源量進行類比計算，同時根據地質復雜程度和數據可靠程度乘以預測系數(0.2～0.5)。資源量估算公式如下：

式中Q為預測資源總量，萬t；C為單位面積資源量，萬t/km2；S為估算區(qū)域面積，km2；K為預測系數。

根據式(1)計算可得，5 塊預測區(qū)煤系石墨預測資源量共計8 196 萬t(表2)。

5 福建煤系石墨開發(fā)利用前景分析

作為民用和戰(zhàn)略性的重要資源，石墨在導電材料、潤滑劑、耐高溫密封材料、吸附材料及防輻射材料等諸多領域得到廣泛應用，石墨的作用巨大，為中國冶金工業(yè)、石油化工產業(yè)、機械工業(yè)、電子產業(yè)、核工業(yè)及國防發(fā)展做出了非常重要的貢獻。

表2 石墨遠景區(qū)預測資源量信息匯總Table 2 Information summary of predicted resources in graphite prospective areas

通過調查分析，福建省具有豐富的石墨資源，其中，三明、永安是中國南方主要的石墨儲藏地。作為石墨烯的原材料，煤系石墨具有極大發(fā)展?jié)摿Α?016 年，福建省提出了《福建省石墨烯產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2017—2025 年)》，致力于推動石墨烯產業(yè)的快速發(fā)展，石墨烯正點燃福建的新“烯”望，成為福建產業(yè)轉型升級、快速發(fā)展的新動能。目前，已形成了以福州和廈門為創(chuàng)新核心區(qū)，廈門火炬高新區(qū)、泉州–晉江和三明–永安為產業(yè)集聚區(qū)的“兩核三區(qū)”產業(yè)發(fā)展格局，在原料制備、復合材料、電子信息等應用領域取得大量產業(yè)成果，呈現出良好的發(fā)展態(tài)勢和開發(fā)前景。

然而，由于對石墨資源的不重視，尤其對煤系石墨資源的忽略，造成長期的無序性、掠奪性、破壞性開采。福建省要實現石墨產業(yè)的戰(zhàn)略性發(fā)展，實現石墨產業(yè)結構協(xié)調化、技術高度化、產品系列化和價值鏈完整化，筆者提出下一步工作建議：①整頓和規(guī)范煤系石墨資源開采秩序，嚴厲打擊非法開采、亂采行為，進行資源整合；② 建立煤與煤系石墨鑒別指標，設立明確的煤礦與石墨礦權規(guī)范，對現開采的和未開采的煤礦、石墨礦內煤的石墨化程度重新評估；③優(yōu)化石墨資源開發(fā)利用體系，明確產業(yè)發(fā)展方向，發(fā)揮資源優(yōu)勢、產能優(yōu)勢、產業(yè)基礎優(yōu)勢，合理適度開發(fā)，設置合理開采規(guī)模，并結合下游產業(yè)鏈，推進資源高效利用；④ 重點詳細勘查煤系石墨有利成礦區(qū)帶內資源賦存情況，查明煤系石墨資源儲量，為下游產業(yè)提供充足資源儲備；⑤加強煤系石墨資源的提純、高效利用，提高附屬產品價值，完善市場機制。

6 結論

a.分析了福建省煤系石墨形成的地質條件，首次系統(tǒng)開展福建省煤系石墨資源調查，并指出研究區(qū)大部分煤系石墨礦井、勘查區(qū)處于未開采或停采狀態(tài)，開采礦區(qū)也多以煤炭進行生產銷售，造成資源浪費。

b.在福建省煤田分布和斷裂構造控制的基礎上，劃分了大田–漳平石墨成礦區(qū)與永安–安溪石墨成礦區(qū)，并進一步預測了5 塊遠景區(qū)域，共獲得煤系石墨遠景區(qū)預測資源量8 196 萬t。其中，大田瓊口–小溪洋–永安老鷹山與漳平可坑–烏石隔地區(qū)石墨資源條件最佳，多為Ⅰ—Ⅱ2型石墨，可以作為下一步煤系石墨調查工作的重點區(qū)域。

c.福建省具有石墨產業(yè)化發(fā)展的良好態(tài)勢和開發(fā)前景，但針對目前煤系石墨資源的無序性、掠奪性、破壞性開采提出5 點建議，以實現福建省石墨產業(yè)結構協(xié)調化、技術高度化、產品系列化和價值鏈完整化。