Occurrence characteristics and utilization potential of scarce coking coal resources in Huaibei coalfield
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摘要:
稀缺炼焦用煤是钢铁与化工行业基础保障能源，因具有稀缺性、不可替代性和不可再生性被认为是一种战略性矿产资源。安徽省淮北煤田作为国家首批设立的稀缺炼焦煤重点矿区之一，资源量丰富且煤质优良，是华东地区最具开发潜力的炼焦煤资源产地。为系统认识研究区稀缺炼焦用煤赋存特征与开发利用潜力，利用以往钻孔资料与井下补充采样测试，通过煤岩分析、工业煤质指标测试、综合制图、资源评价等方法，揭示了本区稀缺炼焦煤赋存的时空差异特征、形成控制因素与资源潜力。结果表明：淮北煤田稀缺炼焦煤煤类发育齐全，洗选后的浮煤总体表现为特低−低水、特低−低灰、特低−低硫、特低−低固定碳、中高挥发分的煤质特点，并具有中−强黏结性和结焦性、低钾钠含量与较好机械强度和热强度的工艺性质。本区稀缺炼焦用煤受区域构造与煤层沉积展布控制，下石盒子组7、8煤层最为发育，煤田北部稀缺炼焦煤多呈零星状分布，煤田南部成连续带状分布，由西南向北东方向煤变质程度呈变高趋势。成煤期后燕山期不同方位断裂活动与岩浆耦合作用联合控制了稀缺炼焦煤的形成与时空展布。从清洁绿色开发角度将稀缺炼焦用煤划分为为低灰−特低硫煤、特低灰−低硫煤、低灰−低硫煤3个等级，空间上分别呈现集中式、广泛式、零星式分布特点。分类、分级、分区估算了−1 500 m以浅稀缺炼焦煤保有资源量约有101.65亿t，占煤田总保有资源量的78.13%，资源潜力巨大。通过建立稀缺炼焦用煤资源开发利用评价指标体系，运用层次模糊评价法+“一票否决”因素，将各矿井、勘查区划分为有利、较有利、一般、不利4类开发区，针对不同类型开发区提出了保护限制性开发、总量控制性开发、禁止性开发建议。
Abstract:The scarce coking coal is the fundamental guarantee energy of steel and chemical industry, and is considered as a strategic mineral resource because of its scarcity, irreplaceability and non-renewability. The Huaibei Coalfield in Anhui Province, as one of the first key mining areas of scarce coking coal set up by the state, has rich resources and excellent coal quality, and is the most promising coking coal resource source in East China.In order to systematically understand the occurrence characteristics and exploitation and utilization potential of scarce coking coal in the study area, this paper reveals the spatio-temporal difference characteristics, formation control factors and resource potential of scarce coking coal in the study area through coal rock analysis, industrial coal quality index test, comprehensive mapping and resource evaluation, using previous drilling data and underground supplementary sampling tests.The results show that the scarce coking coal in Huaibei coalfield is well developed, and the floating coal after washing shows the characteristics of ultra−low water, ultra−low ash, ultra−low sulfur, ultra−low fixed carbon, medium and high volatile, and has the process properties of medium−strong bonding and coking, low potassium and sodium content, and good mechanical strength and thermal strength.The scarce coking coal is controlled by the regional structure and the sedimentary distribution of coal seams, and the coal seams of Xiashihezi Formation 7 and 8 are the most developed. The scarce coking coal is distributed sporadically in the northern part of the coalfield, and continuously distributed in the southern part of the coalfield, and the metamorphism degree of coal is increasing from southwest to northeast in the area.The formation and spatiotemporal distribution of scarce coking coal were controlled by the fault activity in different directions and magmatic coupling in the post−Yanshanian period. The scarce coking coal is divided into three grades: Low−ash−ultra−low−sulfur coal, ultra−low−ash−low−sulfur coal, low−ash−low−sulfur coal, and low−ash−low−sulfur coal from the perspective of clean and green development.It is estimated by classification, classification and zoning that the reserved resources of shallow scarce coking coal at −
1500 m are about 10.165 million tons, accounting for 78.13% of the total reserved resources in the coal field, and the resource potential is huge.By establishing an evaluation index system for the development and utilization of scarce coking coal resources, and using the hierarchical fuzzy evaluation method, each mine and exploration area are divided into four types of development zones: favorable, relatively favorable, general, and unfavorable. Suggestions for protective and restrictive development, total quantity control development, and prohibitive development are proposed for different types of development zones. -
0. 引 言
炼焦用煤是钢铁与化工行业发展的基础保障能源，主要指以高温热反应结焦为特征的中等变质烟煤。据统计，我国煤炭资源量虽然丰富，但已查明的炼焦用煤资源量仅有2 633亿～3 073亿t，约占全国查明煤炭资源总量的20%左右，其中可开采利用的炼焦用煤仅占12.85%，而清洁优质（强黏结性与结焦性、低灰、低硫、易选）的肥煤、焦煤、瘦煤等“骨架性”炼焦原料煤种资源量甚至不足10%，且主要集中分布在我国华北地区山西、安徽、山东、河北、河南等少数省份[1-4]。根据2012年国家发改委颁布的《特殊和稀缺煤类开发利用管理暂行规定》与GB/T26128—2010《稀缺、特殊煤炭资源的划分与利用》标准，气肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤属于稀缺炼焦煤范畴。为了揭示稀缺炼焦用煤资源利用潜力并促进其保护性开发，许多学者针对炼焦煤资源分布特征[5-8]、资源利用潜力[2,9-12]、赋存地质条件[13-14]，清洁高效利用方向[15-16]等方面开展了大量调查研究工作。但以上研究多关注全国范围内稀缺炼焦煤总体开发储备情况，对于重点矿区内资源赋存特征与利用潜力仍缺乏深入和系统的认识。
安徽省淮北煤田是全国首批设立的稀缺炼焦煤重点矿区之一，区内所产煤炭煤类齐全且炼焦性能优良[17]，炼焦用煤保有资源量与产量均位居全国前列，是华东地区规模最大的炼焦用煤资源产地。虽然淮北煤田勘探开发程度较高，并经历多次煤炭资源潜力调查评价，但对稀缺炼焦用煤资源发育特征与开发利用潜力尚未有详细的报道。在华东地区煤炭经济可采资源量日益衰减与煤炭高效、绿色转型发展背景之下，加强该地区稀缺炼焦用煤资源基础性调查研究，显得意义重大。笔者基于以往大量煤田钻孔资料与井下样品测试结果，全面总结分析了淮北煤田稀缺炼焦用煤煤质属性、赋存特征与开发利用潜力，以为本区稀缺优质煤炭资源的精细化勘查评价与战略性开发保护研究提供理论依据。
1. 研究区地质概况
淮北煤田位于安徽省两淮平原北部，东西长150 km，南北宽135 km，煤田面积约12 350 km2，包括宿县、临涣、涡阳、濉萧4个规划矿区，现有23对生产矿井及多处闭坑和未利用勘查区。构造位置上，煤田属于华北板块东南部徐宿弧构造带，其范围东起固镇−长丰断裂，西止夏邑断层与河南永城煤田相邻，北接丰沛隆起，南止板桥－固镇断层与蚌埠隆起相接（图1）。受印支、燕山、喜山等多期次构造运动叠加改造与东边界郯庐断裂带中生代强烈走滑活动影响，煤田整体呈现出向西凸出的弧形褶断带，除宿县矿区构造表现为NNW向逆冲推覆变形外，其他地区主要发育近NE向与NNE向展布的紧密褶皱、正断层和岩浆岩体，沿宿北断裂−鹰山断裂−丰涡断裂一带发育有三铺、王场、徐楼、赵集、岳集等多个燕山期大型出露岩浆岩体。煤田内部地层总体较为平缓，以发育二叠纪含煤地层为主，煤系地层上部大多覆盖有138～349 m的新生界地层。
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图 1 淮北煤田构造纲要与矿井分布Figure 1. Structural outline and spatial distribution map of the Huaibei coalfield除中晚奥陶世至早石炭世地层缺失外，煤田内其他时代地层均有发育，含煤地层主要为二叠系的山西组（P1s）、下石盒子组（P2xs）与上石盒子组（P2ss），煤系地层总厚1 200 m左右，含煤层2～16层，可采煤层累计平均厚度在11.05～18.76 m。自下而上，按自大到小编号依次发育有山西组12～10号煤层（组）、下石盒子组9～4号煤层（组）和上石盒子组3～1号煤层（组），其中10-2、8-2、7-2、3-2煤层为全区稳定或较稳定主采煤层。煤田内部受大量岩体侵入影响，煤系地层普遍遭受了不同程度的热变质作用，导致煤层大多变质中高变质的烟煤、无烟煤或天然焦。淮北煤田原煤煤质特征多表现为中−高灰、低水、中−低挥发分、中−强黏结性、特低−低有害元素的特点[18]。
本次按照GB/T482—2008《煤层煤样采取方法》，从各个生产矿井补充采集了各主采煤层稀缺炼焦煤样40份（图1），分别对煤的显微组分、基本工业指标、工艺性质、煤化程度进行了测试化验，并结合以往覆盖全区的大量钻孔数据，系统分析了稀缺炼焦用煤煤岩煤质特征、时空展布规律及其控制因素。
2. 煤岩煤质特征
2.1 煤岩与煤类特征
研究区稀缺炼焦煤多呈玻璃光泽，以块状、碎块、碎粒或粉状煤为主，其成分多为亮煤和暗煤，夹少量镜煤或丝炭，煤岩类型属于半暗−半亮型。各矿区主采煤层炼焦煤煤岩显微组分有机质平均含量为68.30%～93.91%，镜质组占主要成分，平均含量53.80%～73.56%；其次为惰质组，平均含量19.97%～44.76%；壳质组含量普遍低于10%，其中宿县矿区煤的壳质组成分较高，大多属于微三合煤，其他矿区以微镜惰煤或微镜煤为主。无机成分占比一般在7.98%～28.70%，主要为黏土类与少量硫化物和碳酸盐类（表1），濉萧矿区炼焦煤中无机矿物含量明显偏高，可能与该地区受大量岩浆侵入导致无机矿物随热液流体渗入煤体有关。受岩浆热变质作用影响，炼焦煤变质程度空间差异较大，整体呈现“北高南低、西高东低”的特点。煤田南部以发育1/3焦煤、肥煤、焦煤为主，宿县矿区各煤层炼焦煤镜质体反射率Ro,max在0.82%～0.88%，临涣矿区与涡阳矿区煤层Ro,max在0.93%～1.48%，属于II-III煤化阶段。煤田北部濉萧矿区以焦煤、瘦煤为主，煤层平均Ro,max在1.72%以上，煤变质普遍在Ⅳ-Ⅴ阶段。
表 1 主采煤层稀缺炼焦用煤显微煤岩组分及Ro,maxTable 1. Microrite components and statistical table of Ro,max for scarce coking coal in main coal seam矿区 煤层 有机组分（去矿物基）/% 无机组分/% Ro,max 镜质组 惰质组 壳质组 有机组分总量 黏土类 硫化物 碳酸盐类 无机矿物总量 宿县矿区 3-2 70.72 19.97 9.31 85.87 11.35 1.07 1.51 14.13 0.82 8-2 58.65 32.90 8.45 90.90 3.69 0.55 0.69 9.10 0.93 10-2 65.02 27.61 7.37 93.61 4.80 0.45 0.82 6.39 0.88 临涣矿区 3-2 71.90 23.68 3.42 92.50 7.22 0.20 0.18 7.50 1.25 8-2 73.40 26.15 0.05 88.99 9.77 0.16 1.08 11.01 1.38 10-2 76.98 22.91 0.11 90.73 8.10 0.23 0.94 9.27 1.42 涡阳矿区 3-2 69.60 25.63 4.77 92.02 6.66 0.38 0.94 7.98 0.93 8-2 70.63 27.36 2.01 88.89 8.42 0.14 1.56 10.12 1.25 10-2 73.56 24.40 1.77 84.70 13.42 1.37 0.51 15.30 1.48 濉萧矿区 8-2 59.13 39.77 1.10 71.30 12.39 1.67 1.76 28.70 1.79 10-2 53.80 44.76 2.44 73.80 14.21 0.89 2.55 26.29 1.72 注：以上均为各矿区统计平均值。 2.2 煤化学性质与工艺特征
依据GB/T212—2008《煤的工业分析方法》，通过本次井下样品测定，结合以往钻孔煤质数据，统计了研究区稀缺炼焦煤水分、灰分、硫分、挥发分和固定碳含量。结果表明，各矿区炼焦煤原煤空气干燥基水分（Mad）基本在0.63%～1.58%，浮煤水分多在1%以下。原煤干燥基灰分（Ad）普遍在14%～24%，经洗选后浮煤一般降至10%以下。除宿县矿区3煤与涡阳矿区10煤原煤硫分（干燥基St,d）偏高外，其他地区一般都小于1%，浮煤普遍小于0.5%。煤的干燥无灰基挥发分（Vdaf）在17%～36%，宿县矿区煤层挥发分最高，平均值在30%以上，临涣与涡阳矿区煤的挥发分相对降低，濉萧矿区受大量岩浆侵入影响，煤层挥发分一般降至20%以下，且由上部煤层至下部煤层，各矿区煤层挥发分整体呈降低趋势。原煤干燥无灰基固定碳（FCdaf）一般在39%～62%，浮煤在58%～68%，其含量变化与煤的挥发分基本呈反比。
煤的黏结性、结焦性、发热量、碱金属含量、机械强度、热强度等是评价炼焦用煤质量的重要工艺指标。根据本次测试化验与以往钻孔资料揭示（图3），淮北煤田稀缺炼焦煤黏结指数在36～87，濉萧矿区黏结指数多在60以下，大多为弱黏结煤，其他矿区煤的黏结性普遍在60以上，属于中−强黏结性煤。胶质层厚度一般在12～24 mm，属于中等或强结焦性煤。奥阿膨胀度在51%～153%，其数值一般随胶质层厚度变大而增大。煤热解过程中，碱金属或碱土金属尤其是钾钠矿物会影响煤的结焦性及焦炭的形成[19]。研究区原煤钾钠平均含量为0.20%～0.48%，浮煤平均含量基本为0.07%～0.18%，洗选后的浮煤碱金属含量均符合炼焦用煤质量标准。据以往单煤炼焦试验结果（表2），淮北煤田各类炼焦煤抗碎强度（M40）均高于77%，耐磨强度（M10）普遍低于10%，焦炭反应性（CRI）在16.2%～30.4%，焦炭反应强度（CSR）在56.3%～75.2%，焦煤、肥煤单独成焦的机械强度与热强度均达到一级冶金焦标准。
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图 2 研究区稀缺炼焦用煤基本工业指标参数统计Figure 2. Statistical chart of basic industrial indicators and parameters for scarce coking coal in research area表 2 不同稀缺炼焦煤试验焦炉炼焦结果[17]Table 2. Results of coke oven coking with different scarce coking coal tests[17]矿井 煤类（煤层号） 机械强度/% 热强度/% M10 M40 CRI CSR 朱庄矿 瘦煤（8-2） 10.4 84.4 29.1 56.3 袁店一矿 焦煤（10-2） 5.6 87.6 24.1 67.1 青东矿 焦煤（7-2） 3.6 88.0 21.7 71.3 信湖矿 焦煤（8-2） 4.4 89.2 16.2 75.2 张庄矿 焦煤（10-2） 7.2 77.1 19.6 69.4 涡北矿 肥煤（8-2） 4.4 88.0 24.7 71.5 许疃矿 肥煤（8-2） 5.2 80.2 28.7 64.6 杨柳矿 肥煤（10-2） 5.6 81.6 29.3 65.6 孙疃矿 1/3焦煤（8-2） 5.6 82.4 30.4 58.1 芦岭矿 1/3焦煤（10-2） 6.0 80.4 32.3 58.1 ![]()
图 3 研究区稀缺炼焦煤工艺指标参数统计Figure 3. Statistical chart of process parameters for scarce coking coal in research area3. 发育特征与形成控制条件
3.1 主采煤层稀缺炼焦用煤发育特征
研究区稀缺炼焦煤主要赋存于二叠系山西组和上、下石盒子组含煤地层中，该套地层成煤期主要经历了由三角洲前缘—三角洲平原—潮坪、泻湖相的转变过程，后期受多阶段构造、岩浆活动改造，各矿区所发育煤层及煤类分布时空差异较大 [18]。炼焦煤赋存的煤层结构相对简单，大多含0～2层夹矸，以较稳定和不稳定煤层为主。其中，宿县矿区主要可采煤层4-5层，平均可采厚度在1.24～3.16 m，煤类以1/3焦煤为主，局部矿井中下部煤层发育气肥煤、肥煤；临涣矿区可采煤层5-6层，平均可采厚度在0.95～2.69 m，煤类以1/3焦煤、焦煤、肥煤为主，局部发育瘦煤；涡阳矿区主采煤层3-4层，平均可采厚度1.03～2.76 m，以发育肥煤和焦煤为主；濉萧矿区主采2-4层，平均可采厚度1.35～2.82 m，以焦煤和瘦煤为主（表3）。
表 3 各矿区主采煤层稀缺炼焦煤发育特征统计Table 3. Statistical Table of development characteristics of rare coking coal in main mining seams of each mining area矿区 地层 煤层 煤层厚度/m 煤层结构 炼焦煤煤类 稳定性 可采性 夹矸层 结构类型 宿县矿区 P2xs 6-1 (0.85～1.72)/1.24 0-1 简单 1/3焦煤 较稳定−不稳定 局部 7-2 (0.94～5.85)/2.18 1 简单 1/3焦煤 不稳定 局部 8-2 (1.52～11.07)/3.16 1 较简单−复杂 1/3焦煤 较稳定 大部 P1s 10-2 (0.73～2.87)/1.85 0-1 简单 1/3焦煤、肥煤 不稳定 局部 临涣矿区 P2sh 3-2 (0.9～2.3)/1.54 1-2 较简单−简单 肥煤、焦煤 较稳定～不稳定 大部 P2xs 5-1 (0.7～1.4)/0.95 0-1 简单 1/3焦煤，肥煤 较稳定～不稳定 局部 7-2 (0.99～3.40)/2.21 0-1 简单−复杂 1/3焦煤、肥煤、焦煤 不稳定−较稳定 大部 8-2 (1.37～5.29)/2.69 0-2 较简单−简单 肥煤、焦煤、瘦煤 不稳定−较稳定 大部 P1s 10-2 (1.83～3.93)/2.85 0-2 较简单−简单 肥煤、焦煤、瘦煤 不稳定−较稳定 大部 涡阳矿区 P2sh 3-2 (0.86～1.27)/1.03 1-2 较简单−简单 肥煤、焦煤 不稳定−较稳定 大部 P2xs 7-2 (0.9～3.03)/1.96 0-2 简单 肥煤、焦煤 不稳定−较稳定 大部 8-2 (2.12～3.57)/2.76 1-2 简单−复杂 肥煤、焦煤、瘦煤 较稳定 大部 P1s 10-2 (1.96～2.47)/1.93 0-2 简单 肥煤、焦煤 不稳定−较稳定 局部 濉萧矿区 P2xs 6-1 (0.88～0.94/0.91 1-2 简单−复杂 焦煤、瘦煤 不稳定 局部 7-2 (1.11～1.60)/1.35 0-2 简单−复杂 焦煤、瘦煤 不稳定 局部 8-2 (2.44～3.21)/2.82 0-2 简单−复杂 焦煤、瘦煤 较稳定 局部 P1s 10 (0.82～3.04)/2.21 1-2 简单 焦煤、瘦煤 较稳定 局部 注：(0.85～1.72)/1.24表示(最小值～最大值)/平均值。 空间上，本区炼焦煤发育范围受区域构造与煤层沉积展布控制明显，下石盒子7、8煤层炼焦煤分布范围最广，山西组与上石盒子组炼焦煤主要分布在临涣矿区西部与涡阳矿区内。自东向西、自南向北，区内炼焦煤的变质程度呈逐渐升高趋势，这与岩浆岩空间分布基本吻合（图4）。宿北断裂以北各矿井受大量岩浆岩侵入，各矿井煤层大多变质为贫煤、无烟煤和天然焦，仅在张庄、朱庄矿一带零星分布有少量焦煤和瘦煤。宿北断裂以南地区炼焦煤基本连续成带分布，以童亭背斜轴为界，东西两侧煤类发育差异较大。童亭背斜西部各矿井主要发育肥煤、焦煤、瘦煤等骨架性炼焦煤种，主采煤层发育较稳定，埋深在−400～−1 000 m，矿井勘探开发程度较高，是稀缺炼焦煤最具开发潜力区域。童亭背斜东部主要发育1/3炼焦配煤，局部受岩浆侵入地区发育肥煤和焦煤，其内近一半炼焦煤资源赋存在−1 000 m以深的勘查区内，开发利用潜力偏低。
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图 4 主采煤层稀缺炼焦用煤煤类分布Figure 4. Distribution map of scarce coking coal types in the main mining coal seam3.2 形成控制条件
根据区域资料与相关钻孔埋藏史推断，深成变质作用仅能使淮北煤田的煤达到长焰煤或气煤阶段[20-21]，但现今大部分地区煤层变质程度远超于此，稀缺炼焦煤的形成应与成煤期后构造演化及岩浆热变质作用密切相关。
淮北煤田在经历了加里东运动长期的构造活动后，在早古生代地层之上连续稳定沉积了一套含煤地层。三叠纪晚期至侏罗纪期间，随着华北与扬子板块的碰撞造山，华北东南部聚煤盆地发生了由南向北的逆冲推覆变形。与此同时，淮北煤田东部边界郯庐断裂带发生了同造山左行走滑活动[22-23]，而淮北煤田所在的徐宿弧构造带正处于苏鲁造山带西北角与郯庐断裂带北界挤压交点位置，在点碰撞背景下煤田内部派生出一系列与郯庐断裂带平行的NNE向逆冲断裂体系（图1）[24-25]。白垩纪期间，西太平洋板块以高角度形式俯冲于中国东部之下，并导致华北东部地区转换为NW-SE弧后伸展环境，深部伴随有软流圈上涌和岩石圈的下沉，浅部则形成大量伸展性正断层和岩浆活动[26-27]。淮北煤田内先期形成的大型NNE向基底断裂深部沟通幔源岩浆物质，浅部在NW-SE向拉张应力作用下容易发生反转活动而成为岩浆上侵运移的有利通道，特别在NNE向与EW大型断裂交汇的宿北断裂沿线构造薄弱带，岩浆侵入活动更为强烈，造成断裂南北两侧矿井内煤层普遍变质为瘦煤、贫煤、无烟煤或天然焦（图5a），而远离构造交汇地区煤变质程度相应变低。临涣矿区内大量发育的NE向断裂虽处于较有利拉张方位，但其规模相对较小，多为NNE向次级派生断层，在本区引起的岩浆活动强度中等，主要控制形成肥煤、焦煤、瘦煤等骨架性炼焦煤（图5b）。宿县矿区内位于徐宿弧构造带东南尾端，其内发育的大量NW向断裂属于压扭性质，在NW-SE向拉张作用下处于相对不利的斜向弱拉张状态[28-29]，因而构造、岩浆活动较弱，岩浆热变质作用影响范围与程度也有限，主要控制形成气煤、气肥煤、1/3焦煤等炼焦配煤（图5c）。因此，断裂与岩浆空间耦合作用是导致本区大面积稀缺炼焦煤形成的主要原因，其耦合机制受区域深、浅部动力学演化过程控制。在燕山期断裂活动配合下，当深部岩浆向上喷出遇到松软煤层后即顺层侵入，本区7、8煤层（组）分布稳定且平均厚度较大，是岩浆最易侵入层位，也是稀缺炼焦煤最为发育层段。
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图 5 研究区稀缺炼焦用煤形成模式Figure 5. Model diagram of scarce coking coal formation in the study area4. 开发利用潜力评价
4.1 质量分级
单纯从煤类角度评价炼焦煤质量无法满足当前煤炭绿色经济性开发需求，从源头上对煤炭资源进行质量等级划分，是煤炭清洁高效开发利用的基础 [12]。影响稀缺炼焦煤质量的指标较多，挥发分、黏结指数是煤类划分主要参数，由于已经确定稀缺炼焦煤煤类，这2项指标可不予考虑。煤中水分、钾钠含量在本区均较低，都符合相关质量标准要求，不作为等级划分指标。依据《稀缺、特殊煤炭资源的划分与利用》GB/T
26128 —2010和《商品煤质量 炼焦用煤》GB/T 397—2022，灰分、硫分是炼焦用煤质量划分的关键指标，但由于本区原煤灰分普遍较高，难以达到炼焦用煤的指标要求。结合淮北煤田煤质特点，选择洗选后的浮煤灰分、硫分将其划分为3个等级（表4）。在圈定各级别资源范围时，当所选钻孔揭示煤层各项煤质指标出现等级之间交叉时，为体现资源的稀缺性，按照指标就低原则确定钻孔所在位置的煤炭资源等级（图6）。然后，通过各煤质指标等值线叠加，依次圈定出各等级稀缺炼焦用煤资源分布范围（图7）。所圈出的一级资源为特低灰、特低硫煤，二级资源为特低灰、低硫煤，三级资源基本都为低灰、低硫煤（含少量低灰、中硫煤），均属于清洁优质的炼焦用煤。整体上由浅至深，煤田内一级炼焦煤资源分布面积逐渐增加，二级和三级炼焦煤资源相对减少。平面上，一级炼焦用煤集中发育在朱仙庄、祁东、祁南、海孜、杨柳、孙疃、童亭、临涣、信湖、徐广楼等井田中下部煤层中；二级炼焦用煤分布面积最为广泛，基本连续成片分布在各矿井内；三级炼焦用煤分布范围相对较小，多呈零星状分布。表 4 研究区稀缺炼焦用煤质量等级Table 4. The quality classification table for scarce coking coal in the study area煤 类 煤质指标等级 资源等级 灰分Ad/% 硫分St.d% 气肥煤、1/3焦煤 Ad≤8 St.d≤0.5 一级 8<Ad≤10 0.5<St.d≤1 二级 10<Ad≤12.5 1<St.d≤1.5 三级 肥煤、焦煤、瘦煤 Ad≤8 St.d≤0.5 一级 8<Ad≤10 0.5<St.d≤1 二级 10<Ad≤14 1<St.d≤2.5 三级 注：灰分、硫分均为浮煤指标，浮沉试验后分选密度≤1.4 g/cm3，浮煤回收率≥40%。 ![]()
图 6 稀缺炼焦用煤资源等级圈定原则示意Figure 6. Schematic diagram of principle for delineating grade of scarce coking coal resources![]()
图 7 主采煤层稀缺炼焦煤质量等级分布Figure 7. Distribution map of quality grades of scarce coking coal in main mining coal seam4.2 资源量
为了解稀缺炼焦用煤资源利用潜力，依据DZ/T0215—2020《矿产地质勘查规范 煤》对本区稀缺炼焦煤资源量进行了估算。资源量估算以“2021 年安徽省矿产资源国情调查与评价”中煤炭矿种调查结果为基础，按照煤类和质量等级指标（表4）等值线对原各煤层块段分区，采用地质块段法进行了资源量分类、分级估算（图8）。
根据最新统计结果，淮北煤田−1 500 m以浅煤炭保有资源量127.36亿t[30]，本次统计稀缺炼焦用煤总量101.65亿t，占总保有资源量的78.13%，其中气肥煤0.11亿t、1/3焦煤49.72亿t、肥煤23.86亿t、焦煤24.08亿t、瘦煤3.88亿t。按照质量等级，可划分出一级资源量23.69亿t、二级资源量65.98亿t、三级资源量11.98亿t。已利用生产矿区内资源量55.97亿t，未利用勘查区内资源量17.82亿t，闭坑矿区残留资源量27.86亿t（图7）。总体上看，淮北煤田稀缺炼焦用煤资源量丰富且勘探开发程度较高，骨架性炼焦煤占比达50.08%，且均为清洁优质煤炭资源，今后通过分级、分质与合理有序开发，可有效提升炼焦煤资源保障程度。
4.3 开发潜力评价
为进一步揭示稀缺炼焦用煤开发利用潜力价值，本次以矿井、勘查区为评价单元，通过构建科学的指标评价体系，运用层次模糊评价法对有利开发区进行了综合优选评价。
4.3.1 评价指标优选
根据淮北煤田稀缺炼焦用煤资源赋存条件与煤矿开采实际情况，将影响其开发潜力的因素分为资源利用、赋存地质、煤岩煤质、开采环境、市场开发5项评价因素共15个细分评价指标，各指标分级根据煤矿开发地质条件相关标准与实地调研确定（表5）。资源利用条件是炼焦煤开发的前提，包括资源等级与资源量；赋存地质条件包括煤层可采性、稳定性、埋深、倾角、厚度等；煤岩煤质包括煤类、黏结指数、结焦性；开采环境条件包括矿井构造复杂程度、勘查类型、开采回收率；市场开发条件包括矿井附近钢铁、炼焦企业数量与技术实力，大型企业聚集区可发挥技术优势，增加资源利用率和降低开发成本。
表 5 稀缺炼焦煤开发利用潜力指标评价Table 5. The evaluation level classification table for potential indicators of rare coking coal development and utilization评价因素 综合权重(A)/% 评价指标(U) 等级划分（V） I（V1） II（V2） III（V3） 资源利用条件 34 资源量U1/亿t >1 0.5～1 <0.5 资源等级（U2） 一级 二级 三级 赋存地质条件 24 可采性指数（U3） ≥0.8 0.7～0.9 ≤0.7 煤层变异系数（U4） ≤25 25～40 ≥40 煤层埋深/m（U5） 0～600 600～800 800～1 200 煤层倾角U6/（°） <8° 8°～25° >25° 煤层厚度U7/m >3.5 1.3～3.5 <1.3 煤岩煤质条件 15 煤类（U8） 焦煤 肥煤、瘦煤 1/3焦煤、气肥煤 黏结指数（U9） >80 50～80 <50 结焦性（U10） >20 10～20 <10 开采环境条件 15 构造复杂程度（U11） 简单 中等 复杂 勘查类型（U12） 生产矿井 详查、勘探区 闭坑矿、普查区 开采回收率U13/% >60 50%～60% <50 市场开发条件 12 钢铁炼焦企业数量U14/个 >2 1～2 <1 技术实力（U15） 强 中等 一般 4.3.2 评价结果
利用层次分析模型构建判断矩阵，并确定各评价因素指标权重系数（A）。通过构建指标因素集（U）、评价集（V），将各指标划分为I、II、III三个等级（表5），经隶属度计算与模糊评价获得各单元综合评判向量，即可确定各单元综合评价结果，并将结果判定为有利开发区、较有利开发区与一般开发区。为使评价结果更为合理，将地质构造、埋深、煤厚做为一票否决因素，采用“关键指标+一票否决”的方法确定最终评价结果，即认为其他开发条件虽然较好，但当矿井构造复杂、煤层埋深较大（≥−1 200 m）或平均煤厚较薄（≤0.7 m）时，也认为不适合稀缺炼焦煤的开发利用，并将其判定为不利区。
由图9可知，淮北煤田各矿井主采煤层稀缺炼焦用煤开发潜力差异较大，下石盒子组7、8煤层炼焦煤资源量丰富、赋存条件较好，有利与较有利开发矿井分布较多。上石盒子组3煤受资源条件与煤厚限制，主要为较有利、一般区和不利区。下石盒子10煤煤层发育多不稳定，且局部矿井构造偏复杂、煤层埋藏较深，以较有利和不利区为主。有利开发区矿井数量偏少，仅临涣、童亭、海孜、界沟、袁店一井、徐广楼等少数井田部分煤层炼焦煤资源开发条件达到优质级别，有利开发区内稀缺炼焦煤剩余资源量丰富，以发育肥煤、焦煤为主，且资源级别均达到一级或二级标准，主采煤层分布较稳定，开采地质条件相对简单，周边建有临涣焦化、安徽（淮北）新型煤化工合成材料基地等技术实力较强的科研、生产企业。较有利开发区数量较多，主要包括祁南、邹庄、许疃、任楼、孙疃、青东、信湖等井田，其资源规模在0.5亿～1亿t，主要发育中−强黏结性和结焦性的二级炼焦煤，开采地质条件中等。一般开发区主要有祁东、桃园、钱营孜、杨柳、赵集等井田，区内所剩稀缺炼焦煤资源较少，煤层稳定性偏差，煤类以1/3炼焦配煤为主，开发前景一般。
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图 9 主采煤层稀缺炼焦煤有利开区潜力评价结果Figure 9. Evaluation results of favorable development potential for scarce coking coal in the main coal seam根据本次潜力评价结果可知，有利开发区内稀缺炼焦用煤资源开发条件最好，开采成本较低，在特钢与大型高炉工业领域可能具有较高的经济价值，但因其资源量总体偏少且分布集中，为避免过渡开采，有利区可作为重点保护的限制性开发矿井。较有利开发区炼焦煤资源禀赋与开发条件较好，矿井分布众多，为避免资源浪费，区内应加强精煤洗选率与矿井开采回收率的提升，并按照分类、分级、分质的原则，根据市场需求有序释放炼焦煤资源潜力。较有利区可作为总量控制性开发矿井。一般区和不利区多为资源和开采地质条件较差的闭坑或未利用矿井，剩余稀缺炼焦煤资源量较少，开发成本较大，现阶段只能作为储备资源，应禁止性开发。
5. 结 论
1）研究区稀缺炼焦煤以1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤为主，洗选后精煤具有特低−低水、特低−低灰、特低−低硫、中等−低固定碳、中高挥发分的煤质特点，并具有中−强黏结性和结焦性、低钾钠含量与较好机械强度和热强度的工艺特征。
2）从赋存层位、煤层结构、煤层稳定性、时空分布等方面分析了淮北煤田稀缺炼焦用煤发育特征，宿北断裂以北地区煤变质程度普遍较高，炼焦煤资源偏少；宿北断裂以南煤变质程度中等，童亭背斜以西地区炼焦煤资源丰富，最具开发潜力。从清洁绿色用煤角度将稀缺炼焦用煤划分为3个质量等级，一级资源呈集中式分布，二级资源呈广泛式分布，三级资源呈零星式分布。成煤期后中生代燕山期不同方位断裂活动与岩浆耦合作用，联合控制了稀缺炼焦煤的形成与时空展布。
3）根据本次资源潜力评价结果，淮北煤田-1 500 m以浅稀缺炼焦用煤总量101.65亿t，占煤田煤炭保有资源量的79.81%，其中骨架性炼焦煤51.82亿t，且均为清洁优质资源，资源开发潜力巨大。运用层次模糊分析法对各矿井、勘查区稀缺炼焦用煤资源开发潜力进行了综合评价，并划分为有利、较有利、一般、不利4类开发区，针对不同开发区资源赋存条件，提出了保护限制性开发、总量控制性开发、禁止性开发等建议。
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图 1 淮北煤田构造纲要与矿井分布
Figure 1. Structural outline and spatial distribution map of the Huaibei coalfield
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图 2 研究区稀缺炼焦用煤基本工业指标参数统计
Figure 2. Statistical chart of basic industrial indicators and parameters for scarce coking coal in research area
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图 3 研究区稀缺炼焦煤工艺指标参数统计
Figure 3. Statistical chart of process parameters for scarce coking coal in research area
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图 4 主采煤层稀缺炼焦用煤煤类分布
Figure 4. Distribution map of scarce coking coal types in the main mining coal seam
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图 5 研究区稀缺炼焦用煤形成模式
Figure 5. Model diagram of scarce coking coal formation in the study area
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图 6 稀缺炼焦用煤资源等级圈定原则示意
Figure 6. Schematic diagram of principle for delineating grade of scarce coking coal resources
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图 7 主采煤层稀缺炼焦煤质量等级分布
Figure 7. Distribution map of quality grades of scarce coking coal in main mining coal seam
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图 9 主采煤层稀缺炼焦煤有利开区潜力评价结果
Figure 9. Evaluation results of favorable development potential for scarce coking coal in the main coal seam
表 1 主采煤层稀缺炼焦用煤显微煤岩组分及Ro,max
Table 1 Microrite components and statistical table of Ro,max for scarce coking coal in main coal seam
矿区 煤层 有机组分（去矿物基）/% 无机组分/% Ro,max 镜质组 惰质组 壳质组 有机组分总量 黏土类 硫化物 碳酸盐类 无机矿物总量 宿县矿区 3-2 70.72 19.97 9.31 85.87 11.35 1.07 1.51 14.13 0.82 8-2 58.65 32.90 8.45 90.90 3.69 0.55 0.69 9.10 0.93 10-2 65.02 27.61 7.37 93.61 4.80 0.45 0.82 6.39 0.88 临涣矿区 3-2 71.90 23.68 3.42 92.50 7.22 0.20 0.18 7.50 1.25 8-2 73.40 26.15 0.05 88.99 9.77 0.16 1.08 11.01 1.38 10-2 76.98 22.91 0.11 90.73 8.10 0.23 0.94 9.27 1.42 涡阳矿区 3-2 69.60 25.63 4.77 92.02 6.66 0.38 0.94 7.98 0.93 8-2 70.63 27.36 2.01 88.89 8.42 0.14 1.56 10.12 1.25 10-2 73.56 24.40 1.77 84.70 13.42 1.37 0.51 15.30 1.48 濉萧矿区 8-2 59.13 39.77 1.10 71.30 12.39 1.67 1.76 28.70 1.79 10-2 53.80 44.76 2.44 73.80 14.21 0.89 2.55 26.29 1.72 注：以上均为各矿区统计平均值。 
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表 2 不同稀缺炼焦煤试验焦炉炼焦结果[17]
Table 2 Results of coke oven coking with different scarce coking coal tests[17]
矿井 煤类（煤层号） 机械强度/% 热强度/% M10 M40 CRI CSR 朱庄矿 瘦煤（8-2） 10.4 84.4 29.1 56.3 袁店一矿 焦煤（10-2） 5.6 87.6 24.1 67.1 青东矿 焦煤（7-2） 3.6 88.0 21.7 71.3 信湖矿 焦煤（8-2） 4.4 89.2 16.2 75.2 张庄矿 焦煤（10-2） 7.2 77.1 19.6 69.4 涡北矿 肥煤（8-2） 4.4 88.0 24.7 71.5 许疃矿 肥煤（8-2） 5.2 80.2 28.7 64.6 杨柳矿 肥煤（10-2） 5.6 81.6 29.3 65.6 孙疃矿 1/3焦煤（8-2） 5.6 82.4 30.4 58.1 芦岭矿 1/3焦煤（10-2） 6.0 80.4 32.3 58.1
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表 3 各矿区主采煤层稀缺炼焦煤发育特征统计
Table 3 Statistical Table of development characteristics of rare coking coal in main mining seams of each mining area
矿区 地层 煤层 煤层厚度/m 煤层结构 炼焦煤煤类 稳定性 可采性 夹矸层 结构类型 宿县矿区 P2xs 6-1 (0.85～1.72)/1.24 0-1 简单 1/3焦煤 较稳定−不稳定 局部 7-2 (0.94～5.85)/2.18 1 简单 1/3焦煤 不稳定 局部 8-2 (1.52～11.07)/3.16 1 较简单−复杂 1/3焦煤 较稳定 大部 P1s 10-2 (0.73～2.87)/1.85 0-1 简单 1/3焦煤、肥煤 不稳定 局部 临涣矿区 P2sh 3-2 (0.9～2.3)/1.54 1-2 较简单−简单 肥煤、焦煤 较稳定～不稳定 大部 P2xs 5-1 (0.7～1.4)/0.95 0-1 简单 1/3焦煤，肥煤 较稳定～不稳定 局部 7-2 (0.99～3.40)/2.21 0-1 简单−复杂 1/3焦煤、肥煤、焦煤 不稳定−较稳定 大部 8-2 (1.37～5.29)/2.69 0-2 较简单−简单 肥煤、焦煤、瘦煤 不稳定−较稳定 大部 P1s 10-2 (1.83～3.93)/2.85 0-2 较简单−简单 肥煤、焦煤、瘦煤 不稳定−较稳定 大部 涡阳矿区 P2sh 3-2 (0.86～1.27)/1.03 1-2 较简单−简单 肥煤、焦煤 不稳定−较稳定 大部 P2xs 7-2 (0.9～3.03)/1.96 0-2 简单 肥煤、焦煤 不稳定−较稳定 大部 8-2 (2.12～3.57)/2.76 1-2 简单−复杂 肥煤、焦煤、瘦煤 较稳定 大部 P1s 10-2 (1.96～2.47)/1.93 0-2 简单 肥煤、焦煤 不稳定−较稳定 局部 濉萧矿区 P2xs 6-1 (0.88～0.94/0.91 1-2 简单−复杂 焦煤、瘦煤 不稳定 局部 7-2 (1.11～1.60)/1.35 0-2 简单−复杂 焦煤、瘦煤 不稳定 局部 8-2 (2.44～3.21)/2.82 0-2 简单−复杂 焦煤、瘦煤 较稳定 局部 P1s 10 (0.82～3.04)/2.21 1-2 简单 焦煤、瘦煤 较稳定 局部 注：(0.85～1.72)/1.24表示(最小值～最大值)/平均值。
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表 4 研究区稀缺炼焦用煤质量等级
Table 4 The quality classification table for scarce coking coal in the study area
煤 类 煤质指标等级 资源等级 灰分Ad/% 硫分St.d% 气肥煤、1/3焦煤 Ad≤8 St.d≤0.5 一级 8<Ad≤10 0.5<St.d≤1 二级 10<Ad≤12.5 1<St.d≤1.5 三级 肥煤、焦煤、瘦煤 Ad≤8 St.d≤0.5 一级 8<Ad≤10 0.5<St.d≤1 二级 10<Ad≤14 1<St.d≤2.5 三级 注：灰分、硫分均为浮煤指标，浮沉试验后分选密度≤1.4 g/cm3，浮煤回收率≥40%。
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表 5 稀缺炼焦煤开发利用潜力指标评价
Table 5 The evaluation level classification table for potential indicators of rare coking coal development and utilization
评价因素 综合权重(A)/% 评价指标(U) 等级划分（V） I（V1） II（V2） III（V3） 资源利用条件 34 资源量U1/亿t >1 0.5～1 <0.5 资源等级（U2） 一级 二级 三级 赋存地质条件 24 可采性指数（U3） ≥0.8 0.7～0.9 ≤0.7 煤层变异系数（U4） ≤25 25～40 ≥40 煤层埋深/m（U5） 0～600 600～800 800～1 200 煤层倾角U6/（°） <8° 8°～25° >25° 煤层厚度U7/m >3.5 1.3～3.5 <1.3 煤岩煤质条件 15 煤类（U8） 焦煤 肥煤、瘦煤 1/3焦煤、气肥煤 黏结指数（U9） >80 50～80 <50 结焦性（U10） >20 10～20 <10 开采环境条件 15 构造复杂程度（U11） 简单 中等 复杂 勘查类型（U12） 生产矿井 详查、勘探区 闭坑矿、普查区 开采回收率U13/% >60 50%～60% <50 市场开发条件 12 钢铁炼焦企业数量U14/个 >2 1～2 <1 技术实力（U15） 强 中等 一般
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