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★ 生产开发 ★

石头梅露天矿资源特征及绿色开发构想

张 盈1,3,张寿庭1,张振国2,王兆生3,刘 娜3

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京市海淀区,100083;2.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁省阜新市,123000;3.华北理工大学矿业工程学院,河北省唐山市,063210)

摘 要 石头梅矿区是三塘湖煤田的重要组成部分,储量巨大、成煤条件良好。从矿区地质条件看,中新生代以来构造运动相对平静,地层基本以水平状展布,倾斜角度变化不大,水文地质条件简单。矿区煤炭资源以储层浅、层数多,厚度大,含水少、灰分低、挥发分高、热值高,硫、磷、氟、砷等有害元素含量低为特征。主要煤种为优质不粘煤和长焰煤,局部层位煤岩含油量偏高,近地浅表层煤腐植酸含量高。基于其资源特征和区域地质、地理、气候条件,经过深入的野外勘察、现场调研和资料分析,针对矿区严重缺水,而风能、太阳能异常丰富的特点,提出实施“节水-低碳-绿色-多元-长链”的绿色矿山建设方案,为石头梅露天矿的可持续发展奠定基础。

关键词 石头梅露天煤矿 资源特征 绿色开发 发展构想

三塘湖煤田位于新疆东北部巴里坤县,是国家西部大开发计划所确定的全国最大的整装煤田勘查区,浅层(埋深1 000 m以浅)煤炭储量约为514.44×108 t,深部(埋深2 000 m以浅)资源量达1 200×108 t[1],是新兴能源基地和“疆煤外运、疆电外输”战略的保障[2-4]。石头梅矿区位于三塘湖煤田中部偏南(92°55′57″~ 93°12′40″E,44°26′28″~44°35′07″N),东西长20.5 km,南北宽9.8 km,面积约194.67 km2,是新疆能源集团主要矿权区[5-6]

1 矿区概况

石头梅矿区位于巴里坤北部的荒漠戈壁,构造属三塘湖盆地石头梅凸起,南依钦莫乌拉山,地势向北倾斜。盆地地形平坦,海拔最高点860 m,最低700 m,地表风化严重,被第四系砾石、砂土覆盖。由于深居大陆腹地,远离深海大洋,终年干旱,降水稀少,年均降水不足200 mm,蒸发量则高达2 000 mm。地面干涸,植被稀疏。风能资源异常丰富,大风(七级以上)天数年均约120 d;日照充足,年均日照时数2 858.0~3 373.4 h,是国内光能资源丰富地区之一,太阳辐射年均在613.2~661.4 kJ/cm2

为实现新疆优势资源转化,加快三塘湖煤田的开发建设,高等级的矿区公路已修建完工,作为“疆煤外运”今后主要通道的北翼铁路已完成立项;“疆电外输”规划通道三塘湖-哈密-重庆的±800 kV特高压直流输电工程也已立项建设。

1.1 矿区构造

石头梅露天矿构造上位于三塘湖盆地东南部凸起部位,西侧为汉水泉凹陷,东侧为条湖2个凹陷[4]。边界断裂由西南方的白衣山逆断裂(∠70°,L=104 km),东南方的疙瘩弯逆断裂(∠65°,L=12.5 km)以及北部的沙河坝逆断裂(∠55°,L=8.9 km)所控制。矿区内主要断层为SF3(逆断层,NE向),还发育SF1、SF2、DF23等北西向小型逆断层,北为SM1背斜、南为SW1向斜,如图1所示。

图1 矿区位置及地质简图

1.2 矿区地层

古生代、中生代和新生代陆相沉积构成矿区主要地层,可划分为石炭系(C)、二叠系(P)、侏罗系(J)、新近系(N)和第四系(Q)。煤系地层为中侏罗统西山窑组(J2x),属湖沼相沉积,盆地内广泛分布,岩性以石英长石砂岩、粉砂岩和泥岩为主。含煤地层总厚度约350~1 000 m,由边缘向沉降中心增厚。矿区内西山窑组可分为3段:下段(J2x1)以煤和深色不同粒级的砂岩为主,可见植物化石碎片,为主要储层(共9层煤),厚度约300~550 m;中段(J2x2)以浅色石英长石砂岩(中细粒级)为主,含亮煤透镜体,厚度约200 m;上段(J2x 3)以灰绿色、浅灰色石英长石粉砂岩为主,夹厚层砂砾岩,含硅化木,厚度约180 m。

新近系(N)为强氧化湖相沉积,以红色砾岩、砂泥岩为主,超覆于侏罗系之上,上被第四系覆盖;第四系(Q)为冲积、洪积层(Q3pl、Q4pl),大面积覆盖,由砾石层、亚砂土组成,呈未胶结-半胶结状。砾石直径10~20 mm,偶见150~200 mm,圆度差异不大,成分随基岩岩性而变化。由于局部地表强烈剥蚀,野外可见煤层露头及煤线,如图2所示。

图2 矿区地貌、露头及岩心照片

1.3 水文地质

矿区水文地质条件简单,主要有3个含水层。

(1)第四系孔隙含水层。由冲洪积砾石、砂及泥土等松散堆积物构成,呈水平展布,厚度约10 m,孔隙度大、透水能力强。

(2)新近系孔隙含水层。由泥岩、粉砂岩和多层砂砾岩等组成,厚度10~30 m,是主要的含水层位。单位涌水量0.009 3~0.230 4 L/(s·m)、渗透系数0.041 8~0.557 2 m/d,为弱-中等富水性,水质为中高矿化度的Cl·SO4-Na·Ca型。

(3)侏罗系孔隙-裂隙含水层组。由粒度不等的碎屑岩(泥岩-细砂岩)及煤层组成,各层呈交互状,构成煤层的顶底板。由上部含水层垂直入渗补给,涌水量0.004 2~0.177 6 L/(s·m)、渗透系数0.000 7~0.854 4 m/d,水质为中高矿化度的SO4·Cl-Na型。地下水径流方向由南向北,与地层倾斜方向一致,在矿区北部低凹处汇集。

矿区水源补给途径为大气降水和冰雪融水,地表无常年径流,偶见较大降水过程,可在局部低洼处形成暂时地表积水,然后快速渗入地下,成为地下水补给途径,也是地下水和地表水唯一的水力联系方式。由于矿区蒸发量是降水量的10多倍,属极度干燥环境,因而二者之间的水力联系相当微弱。

2 资源特征

2.1 储量特征

石头梅矿区煤系地层为侏罗系西山窑组下段(J2x1),含煤9层,编号依次为5、6、7、8、9-2、9-1、10、11、12号,其中7、9-2、9-1、11、12号煤层为本区的主要可采煤层,厚度0.95~69.30 m,平均厚度38.16 m。含煤面积约186 km2,浅部(埋深1 000 m以浅)含煤面积132 km2,探明浅部(埋深1 000 m以浅)煤炭资源量约49×108 t,深部(埋深2 000 m以浅)煤炭资源储量约120×108 t[1]。由此可见,矿区煤炭资源量丰富,可以满足特大型矿山开采的资源储备要求。规划一期为露天开采,产量为1 000万t/a;二期为地下开采,产量为2 000万t/a。

2.2 煤质特征

石头梅矿区煤种以高-特高发热量(27.85~30.37 MJ/kg)的31号不粘煤为主,部分为41、42号长焰煤;以暗煤为主,亮煤含量少,呈块状、半坚硬,密度1.30~1.35 g/cm3;显微组分以惰质组为主,镜质组次之,可见粘土矿物及脉状黄铁矿。矿区主要开采煤层中,7号煤层为微质泥煤;9-1、9-2和11号煤层为微镜惰煤;12号煤层主体亦为微镜惰煤,但含少量的微质泥煤。7号煤层镜质组反射率为0.47%~0.48%,为0阶变质;9-2号煤层镜质组反射率为0.68%~0.70%,为I-II阶变质;9-1号煤层镜质组反射率在0.67%~0.71%,为II阶变质;11号煤层镜质组反射率为0.63%~0.69%,12号煤层镜质组反射率为0.61%~0.70%,两者均为I-II阶变质。总体上,石头梅矿区主要煤种属低水分、特低-低灰分、中高挥发分的优质煤种。含硫量平均低于0.50%(0.01%~1.52%),属特低-低硫煤;磷含量0.01%~0.05%,为特低-低磷煤,含有极少的氟、砷等有害元素。根据不同煤层灰分含量,可选等级为易选-中等可选。

2.3 煤岩特殊属性

三塘湖盆地赋存多种能源矿产,不仅是储量丰富的聚煤盆地,同时也是储量可观的含油气盆地。先后发现侏罗系、二叠系和石炭系等不同地质时代的3套含油气层系,以砂岩油气藏为主要类型广泛分布于中侏罗统西山窑组[7-9]。至2019年底,主要采油区单井产量超2.0 t/d,年产油量达50.0万t。基于这种独特的能源共存形式,矿区相当大的部分煤中含油量偏高,尤其是长焰煤,焦油产率(Tar,d)可达15.9%,属高油煤,与毗邻的条湖长焰煤16%的产油率相差无几[10]。总体上,石头梅矿区煤质为含油煤,其中有相当比例的富油煤和高油煤[11]

除此之外,矿区还存在储量较大的高腐植酸煤资源。由于部分煤层埋藏较浅,露头及浅表层煤腐植酸含量(HAt.d)偏高,总腐植酸含量达47.5%以上,个别浮煤点样品甚至可达60%以上,为高腐植酸煤。这些出露于地表风化带、氧化带的富-高腐植酸煤,为石头梅露天矿利用煤炭提取腐植酸、发展相关产业、实现资源综合利用提供了良好的条件。

综上所述,石头梅矿区煤炭储量巨大,煤质优良,开发条件优越,以不粘煤、长焰煤等优质煤种为主的矿产品,不仅可供火力发电、工业锅炉用煤及民用煤,更可观的应用前景是作为煤化工原料进行深加工,走煤炭综合利用的途径。

3 煤炭绿色开发构想

在制定《新疆能源集团三塘湖矿区石头梅一号露天矿煤炭综合开发利用方案》之初,经过广泛的市场调研,将石头梅露天矿煤炭产品的目标市场定位为“就地消化”和“外运”两个方向。其中,“就地消化”定位包括两个部分,一是以矿区总体建设为引导,作为矿区内燃煤电厂、低热值煤综合利用电厂以及新疆“煤电基地”建设电源工程的煤源基地,为矿区总体建设提供充足的煤炭供应保证;二是为矿区周边的生产、在建和规划煤电项目提供煤炭,积极落实国家实施的“疆电外输”能源总体战略。“外运”定位是依托国家能源建设政策和宏观规划,近期来看,以外运至甘肃兰州、河西走廊、宁夏中卫及西南川渝地区为主,远期来看,随着兰新铁路货运专线、北翼铁路的修建,市场扩展至青海、湖北、湖南和江西等省,为国家实施“疆煤外运”煤炭总体规划提供支撑。

然而,随着时间推移,市场风险也越来越大:首先,新疆煤炭产量随着诸多新建矿区大规模的投产而日益飙升,远大于市场需求,产能严重过剩;其次,原计划的煤炭“就地消化”的主要途径——坑口电厂和低热值煤综合利用电厂均处于规划阶段,产能无法就地消耗,而“疆煤外运”不仅存在供应量和供应价格方面的风险,还会受到运输成本的影响,产品煤在市场竞争力上失去价格优势;再者,由于国家的“去产能”政策的实施,内地高耗能、高污染产业大规模限产,煤炭和电力供应日益过剩,市场风险也不断上升。因此,必须及时调整规划方向,改变原煤输出的预设方案,立足自身就地消化,增大深加工力度,提高产品附加值,实施“节水-低碳-绿色-多元-长链”综合式建设方案,走绿色矿山开发建设的道路。

(1)立足自身消化产能,发电是最重要的途径,但燃煤发电需要充足的水资源保证[12-13]。鉴于矿区严重缺水的自然条件和外部引水工程尚未修建完工的现状,积极发展节水型项目是当务之急。因此,坑口电厂、配套设施的设计、建设及运行都必须把高效用水和深度节水作为出发点,贯穿到设计理念、设备选型、运行管理各环节。

(2)国家对环境保护的重视程度日益提高,使得煤炭类高耗能企业环境保护压力不断增长,以低能耗、低污染为特征的“低碳经济”成为工矿企业生存和发展的必然选择。基于矿区风能、光能资源丰富的特征以及新疆能源集团在风力发电、光伏发电领域深厚的技术积淀和丰富经验,利用太阳能、风能辅助坑口燃煤发电具有得天独厚的优势,尤其是矿区开发前期,风能-太阳能发电可以充分解决生产(电铲采掘、电车运输等)、生活用电,降低燃油、燃气消耗。

(3)煤炭露天开采不可避免造成自然景观破坏和环境污染(水、空气、噪声、固体废弃物等)等系列问题。要最大限度降低对生态环境的破坏,走绿色矿山的道路是必然归宿。绿色矿山建设对技术、人员、设备、工艺、管理等均提出了明确的要求,绿色矿山理念应贯穿于矿山设计、建设、生产的整个生命周期中,通过科学的规划设计,集约化开采、集成化工艺、数字化管理等一系列手段,突破传统发展模式的约束,从而实现资源高效开发利用,达到资源开发、环境保护、社会和谐的有机统一。

(4)依据矿区煤炭资源特征和煤质特点,为规避单一产品的市场风险,应力求产品的多元化,“宜焦(炼焦)则焦、宜气(气化)则气”。力图降低初级煤产品走向市场的比重,把炼焦、煤制油气、煤制腐植酸等纳入规划范畴。多元化产品可避免单一原煤产品价格波动对企业造成的致命冲击,多元化生产可最大限度提高煤的利用率,实现资源最终的综合利用。

(5)为保证矿区开发的良性发展,应力求降低煤炭初级产品在产业结构中的比重,优化产业结构,延长产业链,大力发展下游产业。借鉴集团公司托克逊洁净能源多联产项目建设经验,重点发展技术含量较高的煤制烯烃、醇醚、电石、合成氨等产业,提高产品附加值,可实现资源的高效、循环综合利用,又有利于形成真正具有市场竞争力的产业链。

4 结语

(1)石头梅矿区是新疆能源集团目前投资最大的开发项目,对其资源特征的细致、深入的分析,有助于开发方案的科学制定。

(2)实施“节水-低碳-绿色-多元-长链”综合式绿色矿山建设方案,是石头梅露天矿高起点建设、高科技生产、高效益运营和可持续发展的有力保障。

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Resource characteristics and green development idea of Shitoumei Open-pit Coal Mine

ZHANG Ying1,2, ZHANG Shouting1, ZHANG Zhenguo2,3, WANG Zhaosheng3, LIU Na3

(1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences-Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;2. School of Mining, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China;3. College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan, Hebei 063210, Hebei, China)

Abstract Shitoumei mining area, an important part of Santanghu coalfield, has huge coal reserves and good coal forming conditions. From the geological conditions, the tectonic movement is relatively calm from the Mesozoic and Cenozoic, the strata are basically distributed horizontally and the inclination angle changes little, and the hydrogeological conditions are simple. Coal resources in the mining area are characterized by shallow reservoir, many layers, large thickness, less water content, low ash content, high volatile matter, high calorific value, and low content of sulfur, phosphorus, fluorine, arsenic and other harmful elements. The main coal types are high-quality non caking coal and long flame coal. The oil content of coal rock in some layers is high, and the humic acid content of coal near the surface is high. Based on its resource characteristics and regional geological, geographical and climatic conditions, through in-depth field investigation, on-site surrey and data analysis, in view of the serious water shortage in the mining area and the extremely rich wind and solar energy, the green mine construction scheme of "water-saving, low-carbon, green, diversified and long chain" was put forward, so as to lay a foundation for the sustainable development of Shitoumei open-pit mine.

Key words Shitoumei open-pit coal mine, resource characteristics, green development, development idea

中图分类号 P168

文献标志码 A

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引用格式:张盈,张寿庭,张振国,等. 石头梅露天矿资源特征及绿色开发构想[J]. 中国煤炭,2021,47(1):35-40. doi: 10.19880/j.cnki.ccm.2021.01.004

ZHANG Ying, ZHANG Shouting, ZHANG Zhenguo, et al. Resource characteristics and green development idea of Shitoumei Open-pit Coal Mine[J]. China Coal,2021,47(1):35-40. doi: 10.19880/j.cnki.ccm.2021.01.004

基金项目:国家自然科学基金(41972004),河北省自然科学基金(E2019209339,D2017209236)

作者简介:张盈(1979-),女,讲师,博士研究生,从事产业经济、矿产经济等方面的教学与研究。E-mail:tszhangying@126.com

通讯作者:张振国(1967-),男,博士,教授,从事资源勘查、矿产地质、海洋科学等领域的教学与研究。E-mail: zzg0351@163.com

(责任编辑 郭东芝)