山西關(guān)閉礦井煤下鋁研究與勘查開發(fā)建議

申有義，劉漢斌

(1.山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院,山西晉中 030600； 2.山西省煤炭地質(zhì)局，太原 030006)

0 引言

山西是中國的產(chǎn)煤大省，1949年以來全省累計生產(chǎn)煤炭192億t，占全國煤炭生產(chǎn)總量的25%以上[1]。長年的煤炭生產(chǎn)在為國家能源需求做出巨大貢獻(xiàn)的同時，也產(chǎn)生了數(shù)量眾多的煤炭采空區(qū)和關(guān)閉礦井，產(chǎn)生了諸如采空區(qū)塌陷、水污染等眾多環(huán)境地質(zhì)問題。煤礦經(jīng)關(guān)閉后，仍然殘存著遺留煤炭、煤層氣、煤下鋁、礦井水等眾多可開發(fā)利用的資源[2-4]。山西采煤歷史悠久，關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量眾多，做好關(guān)閉礦井資源整合利用是山西新時代煤炭地質(zhì)工作的一項重要內(nèi)容。2020年山西省自然資源廳出臺政策引導(dǎo)實施煤炭采空區(qū)煤層氣抽采試驗[5]，但山西煤下鋁的勘查開發(fā)目前還屬于空白。山西煤下鋁賦存于山西本溪組鐵鋁巖段上部，上距太原組主采煤層一般僅數(shù)米到數(shù)十米，可以充分利用關(guān)閉礦井已有巷道和地質(zhì)資料，勘查開發(fā)煤下鋁土礦。以往對山西鋁土礦的研究，較多地集中在鋁土礦礦物學(xué)和地球化學(xué)研究[6-8]和鋁土礦地質(zhì)與成因研究[9]，對山西煤下鋁的研究和關(guān)注較少，僅從理論上提出了煤下鋁勘查的可能性和分布范圍，分析了煤下鋁的開采方案和開發(fā)模式[10-12]。然而關(guān)閉礦井煤下鋁的勘查開發(fā)還面臨很多實際地質(zhì)困難[13-14]。本文在搜集和整理前人煤下鋁研究資料的基礎(chǔ)上，詳細(xì)了分析山西關(guān)閉礦井煤下鋁勘查開發(fā)的地質(zhì)問題，并提出了相應(yīng)的勘查開發(fā)建議。

1 山西關(guān)閉礦井與煤下鋁

山西的煤炭資源從老到新可分為石炭二疊系煤、侏羅系煤和新近系煤，分布在18個國家煤炭規(guī)劃礦區(qū)。其中，除大同侏羅紀(jì)礦區(qū)主采煤層為大同組外，其余礦區(qū)主采煤層均為石炭二疊系煤。根據(jù)沉積環(huán)境和構(gòu)造特征，山西大部分地區(qū)煤下鋁與上部太原組均為整合接觸，所以除個別地區(qū)剝蝕缺失外，山西石炭二疊系煤下部均有煤下鋁分布。

1.1 煤下鋁地層特征

山西煤下鋁位于山西石炭-二疊系含煤地層下部的本溪組鐵鋁巖段上部，上距太原組最下一層可采煤層10～50m，平均埋深200～500m。礦體主要為一水硬鋁石、水云母和高嶺石。礦石一般為致密塊狀、豆?fàn)?、鮞粒、角礫狀，含Al2O345%～75%，平均60%以上，含鐵9%左右，部分地區(qū)煤下鋁硫含量大于1%[15]。下伏地層一般為奧陶系峰峰組灰?guī)r，部分地區(qū)為馬家溝組或寒武系灰?guī)r，詳見圖1。蓋層為本溪組半溝段泥巖粉砂巖和半溝灰?guī)r(圖2)，部分地區(qū)如垣曲-夏縣與太原組地層直接接觸[16]。

圖1 山西煤下鋁沉積基底地層示意Figure 1 Schematic diagram of sedimentary basement strataof bauxite under coal in Shanxi

圖2 山西煤下鋁頂板巖性示意Figure 2 Schematic diagram of roof lithology of bauxiteunder coal in Shanxi

1.2 關(guān)閉類型和數(shù)量

目前山西全省擁有4700余口關(guān)閉煤礦井，其中2005 年以來3829 座，2016年以來106座，合計采空面積5000多平方千米[5]，占全省含煤面積的8.5%以上。根據(jù)關(guān)閉原因，山西關(guān)閉煤礦主要分為私挖濫采關(guān)閉礦、資源整合關(guān)閉礦、資源枯竭型煤礦和政策性關(guān)閉礦四類[14]。故考慮到不涉及礦權(quán)問題，資源枯竭型關(guān)閉礦井最適宜煤下鋁的勘查開發(fā)，可作為煤下鋁勘查開發(fā)的首選礦井，本文重點(diǎn)討論因資源枯竭而關(guān)閉的礦井煤下鋁的地質(zhì)問題。

2 主要地質(zhì)問題

2.1 沉積基底復(fù)雜，礦體規(guī)律性差

山西煤下鋁所在的本溪組鐵鋁巖段，沉積基底為寒武-奧陶系灰?guī)r的風(fēng)化殼，所以鐵鋁巖段在其上沉積時往往隨古地貌填平補(bǔ)齊，形成無明顯規(guī)律的不連續(xù)的窩子狀、漏斗狀。礦體厚度也隨古巖溶地貌的起伏而起伏，低洼處變厚，凸起處沉積較薄或者缺失[17]。

2.2 采空區(qū)賦存特征和充水性不明

山西眾多關(guān)閉小煤礦因私挖濫采或資料遺失，缺乏系統(tǒng)的采掘資料，導(dǎo)致關(guān)閉礦井采空區(qū)的范圍不清楚。此外，煤礦經(jīng)關(guān)閉后，由于地下水流場的恢復(fù)，會產(chǎn)生大量礦井積水[18]，積聚在礦井巷道低洼處或煤炭采空區(qū)。而關(guān)閉后礦井中的殘煤和邊角煤則會隨著時間的積累產(chǎn)生大量煤礦瓦斯[19]，這些都給下部煤下鋁的勘查與開發(fā)帶來很大困難。

2.3 帶壓開采與底板突水

山西煤下鋁礦體距奧陶系侵蝕面較近，一般0～6m。如河?xùn)|煤田興縣地區(qū)煤下鋁距奧陶系侵蝕面小于1m，霍西煤田云義礦區(qū)煤下鋁距奧陶系侵蝕面小于3m，沁源地區(qū)1.4～3.5m，煤下鋁的開采勢必會導(dǎo)通下部巖溶水，產(chǎn)生突水危險。此外，在山西石炭二疊系煤下鋁所在的本溪組相當(dāng)于太原組煤的下部巖溶水隔水層。煤下鋁開采會直接破壞該隔水層，導(dǎo)致上部礦井水直接與下部巖溶水導(dǎo)通，產(chǎn)生突水危險[20]。因此，關(guān)閉礦井煤下鋁的開發(fā)必須充分考慮本溪組下伏峰峰組的富水性和隔水層厚度，充分計算開采煤下鋁時的帶壓系數(shù)，準(zhǔn)確劃分帶壓危險區(qū)。

2.4 頂板工程地質(zhì)條件差

根據(jù)區(qū)域沉積環(huán)境， 山西煤下鋁的沉積蓋層為本溪組半溝段。半溝段在山西大部地區(qū)為泥質(zhì)巖夾灰?guī)r或和灰?guī)r互層，部分地區(qū)為泥質(zhì)巖或粉砂巖，工程地質(zhì)條件差。此外，上部的太原組晉祠段由下部的晉祠砂巖和上部的吳家峪灰?guī)r組成，巖層穩(wěn)定成層性好，但下組煤采掘后，穩(wěn)定性變差(表1)。

表1 山西半溝段沉積厚度和巖性[15]

2.5 礦體品質(zhì)變差

河南煤下鋁的勘查與化驗數(shù)據(jù)顯示，深部鋁土礦的厚度和品質(zhì)與本溪組厚度有關(guān)，煤下鋁隨著埋深的增加，鋁土礦中硫含量增加，甚至變?yōu)楦吡蜾X土礦[21-22]。山西煤下鋁也存在類似現(xiàn)象。表2為河?xùn)|煤田興縣黃輝頭、趙家焉、后發(fā)達(dá)深部煤下鋁與奧家灣露頭鋁土礦礦體品質(zhì)對比表[23-24]?？梢钥磁c淺部鋁土礦相比，煤下鋁鋁含量下降，硅含量上升，硫含量上升，A/S下降，鐵含量則較為復(fù)雜。其中，趙家焉煤下鋁和后發(fā)達(dá)煤下鋁硫含量大于1%，為高硫鋁土礦。而硫在鋁土礦冶煉氧化鋁中屬于有害雜質(zhì)，需要用專業(yè)流程和設(shè)備脫除[25]。

表2 山西興縣煤下鋁和露頭鋁土礦礦體品質(zhì)對比巖性[23-24]

3 勘查開發(fā)建議

關(guān)閉礦井煤下鋁勘查一方面可以借助原有的煤炭勘查開發(fā)的資料，并借助原有的采煤巷道和通風(fēng)排水設(shè)施，開展相關(guān)工作?？辈殚_發(fā)過程中也面臨著跨采空區(qū)勘查、頂板擾動等不利條件。淺部鋁土礦勘查和煤炭勘查有很大不同。煤下鋁勘查首先需要廣泛收集采煤鉆探、測井、化驗資料，圈定鋁土礦靶區(qū)。之后運(yùn)用物探手段探明下部沉積基底古地貌圈定礦體和上部煤炭采空范圍。在此基礎(chǔ)上，布置鉆探工程，進(jìn)一步控制礦體特征和頂?shù)装鍘r性工程地質(zhì)條件。最后，在基本查明礦體特征的基礎(chǔ)上，井下加密鉆探，圈定資源量。

3.1 收集資料，劃定靶區(qū)

煤炭經(jīng)采掘和關(guān)閉后，會留下眾多鉆孔、瓦斯、水文特征等、地質(zhì)資料。因此關(guān)閉礦井煤下鋁勘查首先要廣泛收集礦井和周邊礦井的鉆孔數(shù)據(jù)、開掘資料、水文地質(zhì)、瓦斯數(shù)據(jù)、鉆孔柱狀圖，測井資料、化驗資料，加以分析整理二次利用，通過對鉆探、測井、化驗資料的對比，劃定煤下鋁成礦有利區(qū)，并按照鋁工業(yè)品位以及控制程度進(jìn)行分區(qū)。如西山煤田利用70多個煤田孔的測井資料繪制了該區(qū)域煤下鋁的等值線圖[26]，為煤下鋁的勘查開發(fā)指明了方向。

3.2 物探先行，圈定礦體范圍和采空區(qū)

山西煤下鋁礦床整體受控于寒武系、奧陶系灰?guī)r古風(fēng)化剝蝕地貌，一般在洼地、凹槽及巖溶漏斗地段富集成礦。因此在可前期圈定靶區(qū)的基礎(chǔ)上，充分運(yùn)用物探查明煤下鋁沉積基底構(gòu)造特征，為下一步鉆探施工做準(zhǔn)備。如在沁水煤田西部和霍西煤田北部地區(qū)[27-28]，充分利用鋁土礦與上覆地層的密度和電性差異，借助電法和重力勘探，成功圈定了礦體基底的起伏變化和礦體的賦存范圍。煤礦采空區(qū)是關(guān)閉礦井煤下鋁勘查面臨的一個重點(diǎn)問題。采空區(qū)范圍不清，將嚴(yán)重制約后期鉆探施工進(jìn)度和鉆孔質(zhì)量，給勘查活動帶來安全隱患。因此，利用物探技術(shù)確定采空區(qū)的空間位置、充填狀態(tài)等空間賦存特征，對于鉆探工程地質(zhì)安全保障尤為重要。如河南有色地質(zhì)六隊在豫西澠池地區(qū)利用瞬變電磁法和音頻大地電磁法對采空區(qū)進(jìn)行探測[29]，成功地推斷了煤礦采空區(qū)的分布范圍和空間特征，為煤下鋁的勘查提供了保障。

3.3 鉆探隨后，查明開采地質(zhì)條件

根據(jù)古地理圖和沉積相，山西煤下鐵鋁巖段到下組煤之間的地層為本溪組半溝段和太原組下部的晉祠段，因此關(guān)閉礦井煤下鋁勘查的首要任務(wù)是查明下組煤底板和煤下鋁頂板，即晉祠段和半溝段的巖性和工程地質(zhì)條件，繪制煤下鋁頂板等值線圖和等厚圖，確定煤下鋁的開采條件和采掘方法。

3.4 井下鉆探，估算資源量

在地表鉆探基本控制礦體范圍的基礎(chǔ)上，按照鋁土礦的勘查網(wǎng)度要求，充分運(yùn)用井下巷道，布置加密鉆孔，加大樣品的采集量和化驗量，提高對煤下鋁礦體賦存特征和控制程度，建立煤下鋁的空間三維地質(zhì)模型，提交煤下鋁資源量勘查報告。

4 結(jié)論

1)山西的煤下鋁廣泛分布于山西石炭二疊系主采煤層下部，本溪組鐵鋁巖段上部。下伏地層一般為奧陶系峰峰組灰?guī)r，蓋層為本溪組半溝段泥巖粉砂巖和半溝灰?guī)r。山西的關(guān)閉煤除政策性關(guān)閉礦井外，其余均可作為煤下鋁的勘查開發(fā)對象，其中資源枯竭型煤礦最適宜勘查開發(fā)煤下鋁。

2)山西關(guān)閉礦井煤下鋁勘查開發(fā)面臨著跨采空區(qū)勘查、帶壓開采、底板突水、頂板擾動、礦體結(jié)構(gòu)復(fù)雜和深部礦體品質(zhì)變差等諸多不利條件?？辈榕c開發(fā)必須充分考慮本溪組下伏峰峰組的富水性和隔水層厚度，充分計算開采煤下鋁時的帶壓系數(shù)與帶壓危險區(qū)，嚴(yán)防底板突水。

3)煤下鋁勘查應(yīng)按照收集資料劃定靶區(qū)-物探圈定礦區(qū)和采空區(qū)-鉆探查明開采地質(zhì)條件-鉆探加密圈定資源量的勘查步驟，充分利用煤炭采掘巷道實施地面和井下物探、井下鉆探的方法節(jié)約鉆探工程量和勘查費(fèi)用。