构造控煤作用研究新进展与煤炭资源清洁高效利用

2019-01-24曹代勇宁树正魏迎春王安民刘志飞秦荣芳

中国煤炭地质 2019年1期

曹代勇，宁树正，魏迎春，王安民，王路，刘志飞，秦荣芳

(1.中国矿业大学(北京)，北京 100083； 2.中国煤炭地质总局，北京 100038)

煤炭是我国最具优势的资源，也是重要的工业原料。中国的能源构成由资源特点和经济发展阶段所决定，从总体上讲，中国富煤贫油少气缺铀，是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家，在相当一段时期，在未来相当长时期内，煤炭仍将是我国最稳定、最可靠的基础能源[1-2]，煤炭和煤系矿产清洁、高效和综合利用是我国煤炭工业绿色发展的必由之路[1-4]。煤炭地质工作是资源开发利用的前提条件和可靠保障，构造作用是控制煤炭资源形成、赋存和品质的主要地质因素，因而对煤炭资源清洁、高效、综合利用具有重要影响。

1 构造控煤作用概念的形成与发展

中国煤田地质具有以下显著特点：成煤作用时间长、成煤期多，煤炭资源空间分布不均匀性，煤种齐全、煤质复杂、煤系综合矿产丰富，聚煤盆地构造类型的多样化，煤系后期改造明显、构造样式丰富，煤层赋存条件复杂、开发难度加大[5-6]。与美国、澳大利亚等国比较，中国煤盆地经历的地质演化历史要复杂得多。中国煤田构造的复杂性和时空发育特点在很大程度上决定了煤炭资源开发利用的价值，因而对我国煤炭工业战略布局具有重要的影响。

我国煤田地质工作者早就注意到构造作用对煤矿床形成和形变过程的全面控制，逐渐形成“构造控煤”的概念，20世纪70年代开展的全国第二次煤田预测工作，以地质力学理论为指导，对中国煤田地质规律进行了系统总结，提出构造体系控煤的观点[7-8]。高文泰教授在20世纪80年代早期率先倡导研究板块构造与煤田构造的关系[9]；王桂梁教授等自上世纪80年代以来，相继开展逆冲推覆、重力滑动、伸展掀斜、反转构造等控煤构造形式(样式)的深入研究[10-12]；黄克兴等提出构造控煤系统架构，认为应从聚煤作用的构造控制、改造作用的构造控制、赋煤状态的构造控制等三方面开展全面研究[13]。当前，构造控煤研究已受到普遍重视，以板块构造理论为代表的地球动力学新全球构造观，促进了其它学科的发展，将这些新的观念应用于煤田构造分析，可看成是构造控煤研究的新进展[14-15]。

构造控煤作用的涵义可以从广义和狭义两方面理解，广义的构造控煤作用泛指构造作用对煤的聚集和赋存的控制关系[14]，狭义的构造控煤是指构造形迹或构造变动对煤炭资源现今赋存状态的控制作用。从煤炭资源开发利用的角度，人们们尤为重视构造形迹或构造变动对煤系与煤层现今赋存状况的控制，即煤田构造的形态特征，这就是控煤构造样式划分的主要依据和出发点。“十一五”至“十二五”期间开展的新一轮全国煤田资源潜力评价，以构造控煤作用为切入点之一，厘定了控煤构造样式的概念[15]，为构造控煤研究提供了可操作的途径。

2 促进对煤化作用进程的深入认识

煤是一种对温度、压力等地质环境因素特别敏感的有机岩，地质历史中的各种构造—热事件必然导致煤发生物理、化学、结构和构造变化[16-17]。近年来，前陆盆地、逆冲推覆带等构造活动区的研究成果，揭示了构造-热事件对煤变形-变质作用的显著控制[18-20]，促进人们对煤化作用本质性的思考，提出了煤化作用与构造-热事件耦合效应的新认识，主要表现为系统(煤)与外界(地质环境)的能量交换和物质交换作用[21]。

能量交换包括热能(力)和机械能(力)两大类。热力(温度)是煤化作用的主导因素，而动力变质现象虽早已被人们所认识，但对其作用机理一直存在争议[16-17]。研究发现，动力变形不仅是一种物理机械作用，而且也起着某种地球化学作用、促进煤大分子结构的变化[22]。采用VRA、XRD、FTIR、EPR和NMR等技术对构造煤进行的分析，揭示了应力、尤其是剪切应力引起的煤结构裂解、聚合、异构、芳构等多种化学效应[20-24]。在此基础上，提出了应力降解机制和应力缩聚机制，强调构造应力对煤化作用的“催化”意义[25]。近年来，对煤(岩)变形机理研究取得了长足进展，借鉴构造岩的分类方法并充分考虑煤变形的特殊性，提出构造煤的结构-成因分类新方案[20,23-24]，研究了构造煤纳米级孔隙结构，揭示了煤超微结构与变形环境的关系及其储层意义[26]。

煤化作用也是一个煤与外界进行物质交换的过程。在热力和应力作用下，有机质热降解和机械降解产物(如烃类等)以气、液等形式溢出煤体。同时煤与围岩之间还可能通过元素扩散、吸附、络合、固溶等形式进行物质交换，导致煤中元素组成发生变化[20,27]，特定条件下，可形成煤型金属矿床。

煤(煤系有机质)石墨化作用是煤化作用的延续，与煤化作用相同，温度是石墨化作用的主导因素，但构造作用同样不可忽视[28]。构造应力不仅是一种物理作用，而且也起着某种地球化学作用效应，即力学化学作用，可以促进煤的大分子结构有序化。杨起教授认为，在高温和构造剪应力共同作用下，煤变质演化成半石墨、石墨，与在高温和低压条件下形成的天然焦迥然不同；后者虽有较高的变质程度，却未显示碳层微观结构有序化特征[29]。随着实验技术的发展，自20世纪80年代以来，高温高压模拟实验成为研究煤化作用和石墨化作用的重要手段取得一系列重要成果[30-31]。人工合成石墨实验需要把碳物质加热到2 800℃才能形成石墨结构，显然与天然石墨形成温度分布于400～800℃范围的地质研究成果[32]相矛盾。加拿大R.M.Bustin教授团队采用无烟煤样品(Ro，max=5.27%)进行实验，在剪切变形条件下，局部石墨结构出现的起始温度可低于600℃，至900℃时样品绝大部分已经石墨化[33]。借鉴变形矿物超微构造形成机制，认为煤岩组分受剪应力作用促进有机分子芳构化和有序化,导致局部石墨化，初步建立了“应力集中→BSUs局部定向→整体秩理化扩展”的超微结构演化模式[34]，为构造应力驱动下的差异性石墨化作用和石墨晶体结构形成途径提供了一种新的可能解释。

3 煤系矿产与盆地动力学过程

含煤岩系中多种矿产资源共存的现象日趋受到重视，煤系共伴生矿产的综合利用成为当前热点之一[35-38]。煤炭资源的多重价值体现在含煤岩系(煤系)中多种矿产资源的共生组合与共采潜力，煤系矿产资源包括煤系非常规气(煤层气、煤系页岩气、煤系致密砂岩气和煤系天然气水合物)、油页岩、砂岩型铀矿等能源矿产，铝土矿、煤中镓锗锂等金属矿产，高岭土、耐火黏土、隐晶质石墨等非金属矿产。

沉积盆地是含煤岩系的载体，盆地的沉降和充填使含煤岩系沉积，为煤系综合矿产的形成提供了物质基础。同时，盆地沉降和充填又是对物源区(造山带)构造活动的响应，详细研究不同类型盆地充填过程、划分沉积层序、恢复岩相古地理面貌，可以获得区域构造演化的丰富信息，为揭示盆地动力学过程提供宝贵的地质依据。

盆地构造-热演化史决定了煤系多种矿产耦合成矿过程。中国煤盆地的重要特点，就是盆地演化历程复杂、后期改造强烈，成煤原型盆地经历多期构造-热作用[15]，对煤系各类成矿作用具有显著影响, 在煤系多矿种同盆共生耦合成矿过程中，起到至关重要的的作用。煤盆地构造-热演化过程，实质上也是含煤岩系与地质环境进行物质和能量交换过程，煤系中成矿物质在各种地质营力作用下迁移、分异和富集成矿。通过盆地构造史、沉降隆升史、热史、生排烃史的研究，可以查明构造-热事件对煤系综合矿产资源形成和改造的控制作用。

成煤原型盆地经历多期构造演化，发生分解破坏、叠合反转，充填其中的含煤岩系随之变形和变位，失去原有的连续性，被分割为大小不等、埋深不同、形态各异的块段。各类矿床(体)经受不同程度的改造，最终成矿(藏)定位，由此决定了煤系矿产的现今赋存状态和开发利用的难易程度。查明煤盆地构造格局及其控矿作用，是煤系综合矿产资源评价和勘查的基础性工作。

4 由构造控煤到构造控气

煤层及煤层所在含煤岩系是煤层气、页岩气、致密砂岩气等煤系非常规天然气的载体，构造对煤层的控制可延伸至对煤系气的控制作用。在Warwick P.D等(2005)提出的煤系统(coal system)框架中，把盆地构造作为对煤聚集、保存-埋藏、成岩-煤化作用和生烃(油气)的控制因素之一[39]。构造控气(煤系气)的概念脱胎于构造控煤，但又不等同于构造控煤，是对其继承和发展。

构造条件的影响贯穿于煤系气的生烃物质基础到勘探开发利用的全过程[40]。古构造环境既控制了煤系沉积物源和层序旋回性，也决定了煤系原始沉积空间形态。含煤岩系(简称煤系)的显著特点是岩性的旋回性突出，这也决定了煤系气生、储、盖层组合类型多样性。

构造-热作用使煤系有机质进入成熟-过成熟演化阶段，有利于形成产气高峰；研究表明，构造应力以应力降解与应力缩聚这两种基本方式促进了煤化作用，在适宜条件下可促进煤系烃源岩生烃(气)[41]。构造变形形成各种类型的构造煤，成为制约煤层气排采和诱发矿井瓦斯事故的重要因素；另一方面，构造变形构造裂隙发育，改善了煤系储层物性或增大煤系气储集场所。

现今构造格局复杂程度的差异决定了煤系气开发难易程度，一般而言,构造稳定区的煤系气产能普遍要高于构造复杂区，构造应力、地温、水文等因素多场耦合决定储层改造方案和排采工艺。与控煤构造样式的概念相类似，构造控气样式反映的是构造组合类型与煤系气富集成藏的关系，有助于建立具体的煤系气对实际的勘探开发具有指导意义。

5 绿色矿山地质保障

随着我国煤炭工业发展，地质工作重点由资源勘查阶段向矿井生产阶段转移，我国煤田地质构造的显著时空差异性决定了矿井构造研究在构建煤炭绿色矿山地质保障体系中的重要性[42-44]。煤矿精细地质构造三维地震勘探技术、矿井多波地震仪、矿井地质雷达等安全生产地质保障技术与装备在提高探测精度和分辨率、增强适应性的同时，正向实时预报、智能化、轻便化、抗干扰等方向发展[45]，大大提高了地质构造定位探测精度。矿井构造发育规律研究和预测从定性描述逐步发展到定量分析，数理统计、模糊综合评判、人工神经网络、岩石力学以及构造应力场分析等已得到较为广泛的应用，形成了构造要素统计分析、构造形态空间分析和构造复杂程度综合评价的研究思路；地质构造三维建模与可视化，矿井构造定量评价信息系统；FLAC软件等数值模拟等新技术的应用，在研究煤矿构造成因与展布、断裂导水性、煤与瓦斯突出等动力灾害方面，发挥出越来越重要的作用[42-46]。

“绿色矿山”是包括煤炭行业在内的我国矿业发展方向。“绿色矿山”就是科学的可持续发展矿业，即从地质勘探、矿山设计与建设，采选冶加工，到矿山闭坑后的生态环境恢复重建的全过程，按照资源利用集约化、开采方式科学化、企业管理规范化、生产工艺环保化、采矿充填常态化、矿山环境生态化的要求开发经营，实现矿产资源开发与生态环境保护协调发展和矿业经济的持续健康发展[47]。绿色开采是绿色矿山建设的核心内容之一，煤炭绿色开采需要以可靠的地质工作为保障[48]，其主要任务包括：煤炭资源与生态环境协调开发的地质理论基础与技术，保水采煤、无人采煤、精准开采、地下气化、地下流态化开采等现代采煤技术的地质条件适应性评价，矿井安全生产地质保障探测装备研发，煤与瓦斯(煤层气)及其它共伴生矿产协同开采地质基础和支撑技术，煤矿区生态修复和关闭矿井资源综合利用地质理论与技术。上述工作推动矿井构造预测方法和探测技术在广度和深度两个方面迅速发展，成为构造控煤作用研究直接面向煤炭工业主战场的增长极。

6 清洁用煤资源赋存的构造控制

能源利用高效、清洁、低碳是能源革命的大趋势[1]，李克强总理在主持召开国家能源委员会会议时指出，要把推动煤炭清洁高效开发利用作为能源转型发展的立足点和首要任务，国家已将煤炭清洁高效利用列入未来我国100项重大工程，科技部也将煤炭清洁高效利用新技术研发列入国家重大科技攻关计划。煤炭清洁高效利用途径主要包括煤炭清洁高效燃烧技术和以煤制油、煤制天然气、煤制烯烃等现代煤化工为标志的煤炭深加工转化技术[49-50]。各种煤炭清洁高效利用技术对煤的品质用着不同的要求[51]。广义的煤质特征可以用煤的有机组成(显微组分，即“煤岩”)、无机组成(灰分、硫分等，即狭义的“煤质”)和煤化作用阶段(煤级或煤阶，在很大程度上反映“煤类”)等三大类参数表征，这些参数组合决定了煤的工艺性质以及加工转化利用的行为，因此，煤的质量特征研究是煤炭清洁高效利用基础工作。

中国成煤条件和煤盆地演化的复杂性造成煤质特征分布的显著时空差异，我国煤田地质工作者历来十分重视煤炭资源质量特征的研究，开展了大量的工作[52-55]，先后提出“优质煤”和“优质煤炭资源”[54,56-57]“洁净煤”[55]“绿色煤炭”[48,58]等概念。煤炭清洁高效开发利用战略的大理实施对清洁用煤资源调查评价提出更高的要求，中国煤炭地质总局牵头的地质调查项目“特殊用煤资源潜力调查评价”(2016-2018)针对现代煤化工产业和煤炭矿产资源综合利用的需求，从全国层面系统开展液化、气化、焦化用煤和特殊高元素煤资源评价[59]；并从原生条件(成煤植物、陆源物质、古气候、成煤环境、泥炭沼泽类型等)和后期演化(盆地沉降-埋藏-热史、岩浆活动、热液流体、构造变动、风氧化作用等)两方面开展特殊用煤赋存规律专题研究，初步划分了特殊用煤成因类型。

与古构造因素在成煤作用4大控制因素(古气候、古植物、古地理、古构造)中起主导作用相似，构造作用在清洁用煤形成与分布中的意义同样不可忽视。构造直接或间接的控制作用主要表现在以下两方面：成煤期前和成煤期古构造格局通过控制成煤原型盆地类型、陆源区性质与陆源物质供给、古地理面貌与成煤环境、泥炭沼泽类型等原生条件，影响清洁用煤资源的煤岩、煤质特征；成煤期后的构造-热演化通过控制盆地沉降-热史、岩浆活动和气水热液活动、构造变形和变位、抬升侵蚀等后期条件，决定煤化作用类型和煤级，以及影响煤质变化。例如，我国西北赋煤区中生代低灰低硫富惰质组中低变质优质煤广泛发育，与造山期后伸展构造背景下的泛湖盆弱还原成煤环境和后期缺乏岩浆活动的盆地构造演化历史有关；华南赋煤区高变质煤的分带性，明显受燕山期构造格局和岩浆活动性控制；华北赋煤区不同层位煤岩煤质和煤类的时空分布特征，也可以从晚古生代克拉通盆地古构造格局和中生代以来盆地分化、构造-岩浆活动的分析性入手寻找答案。构造控煤作用研究，为深入认识清洁用煤质量特征、揭示资源赋存规律提供了一条有效途径。