我國煤系共（伴）生資源綜合開發(fā)利用存在問題研究

丁 戀

（中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039）

0 引言

長期以來，煤炭以資源可靠、儲量豐富、開采便利、利用可潔凈化等優(yōu)勢，處于主體能源地位［1］。開展煤系共（伴）生資源的綜合開發(fā)利用研究，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

由于煤系共（伴）生資源不同礦種成因復(fù)雜，不同的伴生礦體，在成礦時間和成礦區(qū)域間都存在差異，加大了開發(fā)難度。從勘查、開采、閉坑到利用、最終回歸自然，各個環(huán)節(jié)中開發(fā)技術(shù)水平以及加工利用能力對經(jīng)濟效益和環(huán)境影響程度起決定作用［2-3］。近年來，如何在一個全生命周期內(nèi)通過閉環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈加以高效利用的問題逐漸凸顯，廣受學(xué)者、專家們的關(guān)注。

本文從煤系共（伴）生資源理論研究體系，多礦種開發(fā)工藝技術(shù)，一體化勘探開發(fā)等方面對我國煤系共（伴）生資源綜合開發(fā)利用存在的諸多問題進(jìn)行了研究。

1 我國煤系共（伴）生資源的開發(fā)利用

1.1 煤系共（伴）生資源開采

煤和含煤巖系中高度富集并可以開發(fā)利用的關(guān)鍵金屬元素主要包括鋰、鈧、鈦、釩、鎵、鍺、硒、鋯、鈮、鉿、鉭、鈾、稀土元素、貴金屬元素等［2］。目前，我國已查明的煤型鍺礦床中鍺的資源儲量約為0.67萬t。其中，內(nèi)蒙古烏蘭圖嘎富鍺煤中可以提取的鍺的儲量為1 700t，云南臨滄大寨煤型鍺礦床中鍺的探明儲量為860t，云南臨滄中寨鍺礦床中鍺的探明儲量為760t，它們均屬于大型或超大型煤型鍺礦床［2］。內(nèi)蒙古伊敏煤田五牧場礦區(qū)煤中鍺的含量也較高，其資源儲量約為400t，屬于中型煤型鍺礦床。我國粗鎵產(chǎn)能在全球生產(chǎn)中占95.68%，基本穩(wěn)定在730 萬t 左右，是最重要的鎵資源生產(chǎn)國，其中煤型鎵鋁礦床是我國鎵提取的主要來源之一。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的煤型鎵鋁礦床主要位于內(nèi)蒙古自治區(qū)，包括準(zhǔn)格爾煤田和大青山煤田。其中，準(zhǔn)格爾煤田黑岱溝露天礦煤中鋁的資源量約為1.5 億t，鎵的資源量更是高達(dá)6.34 萬t［2］。另外，遼寧凌海煤礦煤中鎵元素的含量接近甚至超過常規(guī)礦床中鎵的工業(yè)可采品位，也可以作為鎵提取的潛在原材料。除此之外，新疆阿勒泰、伊犁地區(qū)的合山煤田等幾十座礦區(qū)發(fā)現(xiàn)煤中稀土元素、鋰、鎵等關(guān)鍵金屬超常富集，其含量均已遠(yuǎn)超常規(guī)礦床的工業(yè)品位。我國煤中共伴生關(guān)鍵金屬資源的勘探開發(fā)潛力巨大，雖然針對煤系伴生多礦種綜合開發(fā)導(dǎo)致資源浪費等問題開展了相關(guān)探討，開展了資源協(xié)同開采關(guān)鍵技術(shù)的研究攻關(guān)，但是突破性進(jìn)展較慢，同時因為一些政策體制配套不完善等因素，我國煤系共（伴）生資源的勘查、開發(fā)、利用仍有較大發(fā)展空間［4］。

近年來，人們生態(tài)環(huán)境意識逐漸提高，煤系共（伴）生資源的開發(fā)利用企業(yè)也在資源的綜合利用、節(jié)能減排方面做出努力，地下氣化、煤與煤層氣共采、井下排矸系統(tǒng)等開采技術(shù)得到了廣泛推廣及應(yīng)用，對于煤系共（伴）生資源開采過程中，同步保護(hù)生態(tài)環(huán)境、改善礦區(qū)形象，發(fā)揮了積極作用。但是，只注重經(jīng)濟效益，環(huán)境保護(hù)意識淡薄的煤系共（伴）生資源開發(fā)企業(yè)，仍然屢見不鮮，資源開發(fā)與環(huán)境治理“齊步走”的整體局面仍未形成。

隨著煤系共（伴）生資源開發(fā)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用不斷發(fā)展，資源綜合利用率穩(wěn)步提高［5］。以煤層氣為例，形成了1 000m 以淺的煤層氣勘查開發(fā)技術(shù)體系，并建成了沁水盆地等大型產(chǎn)業(yè)化基地。沁水盆地南部水平井通過技術(shù)升級，使煤層氣產(chǎn)量由0.2億m3增長至35 億m3；而1 000m 以深的煤層氣對應(yīng)的地質(zhì)綜合技術(shù)、低成本工藝、定量化排采技術(shù)等仍有待進(jìn)一步提升。我國關(guān)閉礦井煤系礦井抽采技術(shù)雖然起步較晚，但近年來也已初步建立了監(jiān)測關(guān)閉礦井甲烷逸散量等技術(shù)方法，逐步搭建了關(guān)閉礦井煤層氣開采的技術(shù)支撐平臺［6］。

煤與共（伴）生礦產(chǎn)協(xié)同開采正在逐步通過示范工程建設(shè)，形成可以推廣的模式及標(biāo)準(zhǔn)，未來也會構(gòu)建煤系共（伴）生資源開發(fā)利用指標(biāo)體系，充分開采礦區(qū)的各類共（伴）生資源，逐步摒棄過去“只采簡單主礦種，不采困難共伴生礦；只采大，不采小；只看厚，不管薄”的“嫌貧愛富”思維模式［7］。

1.2 常見煤系共（伴）生資源加工利用

煤層氣、鍺鋰鎵等關(guān)鍵金屬、石墨等是我們較為常見的煤系共（伴）生資源。

煤層氣的綜合利用，有利于提升煤礦的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益，對于煤層氣的綜合利用研究，國內(nèi)眾多學(xué)者提出了不同的觀點［8-9］。徐云飛在對李陽煤業(yè)瓦斯抽采的綜合利用研究基礎(chǔ)上，針對如何提升瓦斯利用收益率提出了建議；曹帥通過分析彬長礦區(qū)文家坡煤礦當(dāng)前的瓦斯利用狀況，提出了用定向鉆孔等方法；煤層氣的規(guī)?；_發(fā)利用也取得一定進(jìn)展，文家壩煤層氣將清潔能源開發(fā)與瓦斯同步治理，提高產(chǎn)氣率的同時，也推進(jìn)了煤層氣規(guī)模化開發(fā)利用。但是我國煤層氣主要應(yīng)用于燃?xì)狻⑵嚾剂?、瓦斯發(fā)電等領(lǐng)域，商業(yè)化利用率不高，但即使應(yīng)用于發(fā)電、供熱的瓦斯資源，也因受制于直燃、乏風(fēng)發(fā)電等瓦斯利用技術(shù)不成熟，造成了利用成本較高的現(xiàn)狀［10］。

煤系共（伴）生關(guān)鍵金屬利用的研究，可以收集到的最早資料是源于煤炭科學(xué)研究總院等單位的專家學(xué)者開展的Ga、Ge、U、V 等的資源狀況與地質(zhì)成礦規(guī)律的研究［11］。我國的煤系共（伴）生關(guān)鍵金屬儲量可觀，在新能源、新材料、航空航天、高端裝備制造等多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，具有較大開發(fā)潛力和價值。近年來，相關(guān)學(xué)者將煤系共（伴）生關(guān)鍵金屬的研究付諸實踐，嘗試從煤矸石、粉煤灰中提取富集的關(guān)鍵金屬元素，在提取技術(shù)和提取工藝方面做出不懈努力。但是距離將關(guān)鍵資源的勘查評價、加工利用、應(yīng)用形成一條完整產(chǎn)業(yè)鏈，仍有較大提升空間［12］。

以煤系共（伴）生資源為原料加工而成的材料和產(chǎn)品，在工農(nóng)業(yè)、航空航天軍工行業(yè)、電子信息工程、機械工程等行業(yè)中被廣泛需求。例如將一些關(guān)鍵元素用于碳纖維、石墨烯、碳納米管、超導(dǎo)材料等高科技產(chǎn)品的加工［13-14］。高效、安全地對煤系共（伴）生資源進(jìn)行綜合利用，將是未來很長一段時間需要研究的內(nèi)容。

2 煤系共（伴）生資源綜合開發(fā)利用存在問題

1）理論與應(yīng)用研究體系建設(shè)滯后。共（伴）生資源的綜合開發(fā)及利用離不開多學(xué)科跨界整合思維模式，通過融通若干個專業(yè)領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)與技術(shù)原理，最終實現(xiàn)高度耦合［15-16］。當(dāng)前，單純一個專業(yè)、一個學(xué)科的例如只針對煤炭、煤層氣、稀土、地?zé)徇@些單一礦種開發(fā)利用的理論與應(yīng)用體系建設(shè)已經(jīng)較為成熟，但對于煤系共（伴）生資源等多礦種共（伴）生資源的綜合開發(fā)利用的相關(guān)研究基礎(chǔ)較為薄弱。從煤系共（伴）生資源的礦床解剖、區(qū)域礦床地質(zhì)等多維度、多層次開展研究的理論基礎(chǔ)不足，大數(shù)據(jù)分析、同位素成礦數(shù)值模擬研究、礦物微量元素和材料科學(xué)的測試與實驗深度耦合方法的創(chuàng)新能力欠缺，應(yīng)用研究體系建設(shè)越來越跟不上發(fā)展的要求。一套融合煤系共（伴）生資源勘查、評價、開發(fā)、利用的全生命周期理論體系亟待建立，為實現(xiàn)我國多礦種能源資源更加高效、低碳的開發(fā)利用提供理論支撐。

2）一體化綜合勘探能力有待進(jìn)一步提升。煤系地層或煤盆地的地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造演化呈現(xiàn)不規(guī)律性，各類資源井下空間關(guān)鍵層位地質(zhì)安全、地下水資源以及地表生態(tài)依附狀況多樣化，例如煤與煤系氣、砂巖型鈾礦共（伴）生資源中部分疊置、非規(guī)律性疊置以及各種分布方式都較為復(fù)雜，勘查評價和開發(fā)難度大［17］。雖然針對煤系共（伴）生資源科學(xué)勘查評價的技術(shù)創(chuàng)新取得了一定成果，但是與未來發(fā)展趨勢和需求仍然相差甚遠(yuǎn)，一體化綜合勘探能力有待進(jìn)一步提升。

3）“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和破解難度大。近年來，煤系共（伴）生資源綜合開發(fā)利用技術(shù)雖然取得了一些階段成果，但破解和攻克難度大的事實依然難以回避。重點攻關(guān)開采擾動與多維全息地質(zhì)信息定時共享交互反饋、實現(xiàn)全息人機互動技術(shù)；智能化、云存儲、多源動態(tài)、多相多場定時或不定時信息高速雙向傳導(dǎo)技術(shù)；現(xiàn)場鉆井作業(yè)中致裂引發(fā)滲流、鉆孔裂隙、負(fù)壓抽采、管道破裂對煤系氣、煤油儲層、蓋層穩(wěn)定性沖擊防治技術(shù)［18-19］；煤系氣、煤油多相多場透視化、巖體非線性破壞沖擊耦合實驗系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)以及煤系關(guān)鍵金屬元素開發(fā)利用技術(shù)難關(guān)攻克等。

4）多方聯(lián)動、協(xié)調(diào)推進(jìn)體制機制有待進(jìn)一步完善［20］。煤系共（伴）生資源的開發(fā)利用，需要多個礦種建立緊密聯(lián)系，綜合制定開發(fā)方案。完善可以多方聯(lián)動、協(xié)調(diào)推進(jìn)的體制機制，使開發(fā)利用的各個環(huán)節(jié)建立緊密聯(lián)系，將解決問題作為根本出發(fā)點，堅持需求導(dǎo)向原則，充分利用大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字化平臺等智能技術(shù)，針對煤系共（伴）生資源開發(fā)利用全產(chǎn)業(yè)鏈中的問題完善協(xié)調(diào)推進(jìn)機制［21］。

5）開發(fā)利用“三率”普遍較低［22-23］。一些研究資料表明，除了極少數(shù)具有優(yōu)良開采條件的煤系共（伴）生資源可以達(dá)到70%以上的綜合回收率，絕大多數(shù)的開發(fā)利用“三率”普遍較低，基本只有30%，甚至更低。傳統(tǒng)的開發(fā)利用技術(shù)與工藝水平，為“三率”提高帶來了難度，只有通過技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級、協(xié)同創(chuàng)新實現(xiàn)采礦貧化率、選礦回收率、開采回收率的逐步提升［24］。

6）全產(chǎn)業(yè)鏈的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范匱乏。任何資源的開發(fā)利用都要以一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)，通過規(guī)范加以約束［25-26］。當(dāng)前，煤系共（伴）生資源的開發(fā)利用缺乏實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈運行的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，涉及科學(xué)的勘查評價、開發(fā)利用共（伴）生資源檢測分析、礦物精深加工利用、用于消費等產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)，對煤系共（伴）生資源的開發(fā)利用狀況無法做出科學(xué)的界定和精準(zhǔn)的評價，大大增加了開發(fā)利用的盲目性和低效性。

3 意見和建議

1）推動多元化技術(shù)創(chuàng)新，主動激發(fā)創(chuàng)新活力。建立企業(yè)為主體，政、產(chǎn)、學(xué)、研共同作用的技術(shù)創(chuàng)新平臺與體系，主動激發(fā)創(chuàng)新活力，強化煤系共（伴）生資源開發(fā)利用基礎(chǔ)研究及關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)；建立行業(yè)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，通過示范基地以及示范工程的建設(shè)，推廣應(yīng)用新工藝、新技術(shù)，使煤系共（伴）生礦物加工質(zhì)量純度更高、性能更優(yōu)良、粒度更細(xì)；通過礦物材料研究數(shù)據(jù)庫的建立，提升高精尖材料的加工能力。

2）構(gòu)建煤系共（伴）生資源勘查與開發(fā)利用技術(shù)支撐平臺。當(dāng)前，煤系共（伴）生資源基本以單礦種開發(fā)為主，導(dǎo)致開發(fā)利用率低下，資源浪費嚴(yán)重。未來實行礦集區(qū)和礦種聯(lián)合開發(fā)利用模式，通過建立礦區(qū)間資料共用共享機制，用多礦集區(qū)、多礦種聯(lián)合勘查開發(fā)體系逐步取代過去單礦種或多礦種重復(fù)勘查開發(fā)的傳統(tǒng)模式，形成科學(xué)、系統(tǒng)、成熟的煤系共（伴）生資源勘查評價體系。通過一體化綜合勘查與開發(fā)利用模式的建立，逐步構(gòu)建煤系共（伴）生資源勘查與開發(fā)利用技術(shù)支撐平臺。

3）健全礦業(yè)權(quán)管理制度體系，完善政府部門協(xié)調(diào)機制。針對歷史遺留的無法協(xié)同開采重疊礦權(quán)，依法進(jìn)行清理；簡化礦業(yè)權(quán)審批手續(xù)，縮短審批時限，深化煤系共（伴）生資源供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，建立規(guī)范化管理體系，營造良好投資環(huán)境；搭建地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)礦業(yè)權(quán)信息共享；將綠色金融理念有機融入煤系共（伴）生資源的開發(fā)及利用中，完善綠色礦業(yè)產(chǎn)業(yè)支持政策體系。

4）強化全流程管理體系建設(shè)。開采煤系共（伴）生資源之前，針對復(fù)雜、多礦種特性，做好詳細(xì)的實施方案，規(guī)劃開采時間、開采方法、工藝選擇、配套措施等不同環(huán)節(jié)，實行全流程嚴(yán)格管控。堅持開發(fā)與保護(hù)“兩條腿走路”原則，建立優(yōu)質(zhì)、梯級、循環(huán)利用的資源化利用體系。

5）建立系統(tǒng)、全面的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系［17］。加快煤系共（伴）生資源開發(fā)利用領(lǐng)域的基礎(chǔ)性、通用性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國家標(biāo)準(zhǔn)的制定和完善工作，加強市場監(jiān)督、考核評價機制，采用經(jīng)濟、技術(shù)、法律、行政有效結(jié)合的手段，形成標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的長效機制。