申有义，刘汉斌

(1.山西省煤炭地质物探测绘院,山西晋中 030600； 2.山西省煤炭地质局，太原 030006)

0 引言

山西是中国的产煤大省，1949年以来全省累计生产煤炭192亿t，占全国煤炭生产总量的25%以上[1]。长年的煤炭生产在为国家能源需求做出巨大贡献的同时，也产生了数量众多的煤炭采空区和关闭矿井，产生了诸如采空区塌陷、水污染等众多环境地质问题。煤矿经关闭后，仍然残存着遗留煤炭、煤层气、煤下铝、矿井水等众多可开发利用的资源[2-4]。山西采煤历史悠久，关闭矿井数量众多，做好关闭矿井资源整合利用是山西新时代煤炭地质工作的一项重要内容。2020年山西省自然资源厅出台政策引导实施煤炭采空区煤层气抽采试验[5]，但山西煤下铝的勘查开发目前还属于空白。山西煤下铝赋存于山西本溪组铁铝岩段上部，上距太原组主采煤层一般仅数米到数十米，可以充分利用关闭矿井已有巷道和地质资料，勘查开发煤下铝土矿。以往对山西铝土矿的研究，较多地集中在铝土矿矿物学和地球化学研究[6-8]和铝土矿地质与成因研究[9]，对山西煤下铝的研究和关注较少，仅从理论上提出了煤下铝勘查的可能性和分布范围，分析了煤下铝的开采方案和开发模式[10-12]。然而关闭矿井煤下铝的勘查开发还面临很多实际地质困难[13-14]。本文在搜集和整理前人煤下铝研究资料的基础上，详细了分析山西关闭矿井煤下铝勘查开发的地质问题，并提出了相应的勘查开发建议。

1 山西关闭矿井与煤下铝

山西的煤炭资源从老到新可分为石炭二叠系煤、侏罗系煤和新近系煤，分布在18个国家煤炭规划矿区。其中，除大同侏罗纪矿区主采煤层为大同组外，其余矿区主采煤层均为石炭二叠系煤。根据沉积环境和构造特征，山西大部分地区煤下铝与上部太原组均为整合接触，所以除个别地区剥蚀缺失外，山西石炭二叠系煤下部均有煤下铝分布。

1.1 煤下铝地层特征

山西煤下铝位于山西石炭-二叠系含煤地层下部的本溪组铁铝岩段上部，上距太原组最下一层可采煤层10～50m，平均埋深200～500m。矿体主要为一水硬铝石、水云母和高岭石。矿石一般为致密块状、豆状、鲕粒、角砾状，含Al2O345%～75%，平均60%以上，含铁9%左右，部分地区煤下铝硫含量大于1%[15]。下伏地层一般为奥陶系峰峰组灰岩，部分地区为马家沟组或寒武系灰岩，详见图1。盖层为本溪组半沟段泥岩粉砂岩和半沟灰岩(图2)，部分地区如垣曲-夏县与太原组地层直接接触[16]。

图1 山西煤下铝沉积基底地层示意Figure 1 Schematic diagram of sedimentary basement strataof bauxite under coal in Shanxi

图2 山西煤下铝顶板岩性示意Figure 2 Schematic diagram of roof lithology of bauxiteunder coal in Shanxi

1.2 关闭类型和数量

目前山西全省拥有4700余口关闭煤矿井，其中2005 年以来3829 座，2016年以来106座，合计采空面积5000多平方千米[5]，占全省含煤面积的8.5%以上。根据关闭原因，山西关闭煤矿主要分为私挖滥采关闭矿、资源整合关闭矿、资源枯竭型煤矿和政策性关闭矿四类[14]。故考虑到不涉及矿权问题，资源枯竭型关闭矿井最适宜煤下铝的勘查开发，可作为煤下铝勘查开发的首选矿井，本文重点讨论因资源枯竭而关闭的矿井煤下铝的地质问题。

2 主要地质问题

2.1 沉积基底复杂，矿体规律性差

山西煤下铝所在的本溪组铁铝岩段，沉积基底为寒武-奥陶系灰岩的风化壳，所以铁铝岩段在其上沉积时往往随古地貌填平补齐，形成无明显规律的不连续的窝子状、漏斗状。矿体厚度也随古岩溶地貌的起伏而起伏，低洼处变厚，凸起处沉积较薄或者缺失[17]。

2.2 采空区赋存特征和充水性不明

山西众多关闭小煤矿因私挖滥采或资料遗失，缺乏系统的采掘资料，导致关闭矿井采空区的范围不清楚。此外，煤矿经关闭后，由于地下水流场的恢复，会产生大量矿井积水[18]，积聚在矿井巷道低洼处或煤炭采空区。而关闭后矿井中的残煤和边角煤则会随着时间的积累产生大量煤矿瓦斯[19]，这些都给下部煤下铝的勘查与开发带来很大困难。

2.3 带压开采与底板突水

山西煤下铝矿体距奥陶系侵蚀面较近，一般0～6m。如河东煤田兴县地区煤下铝距奥陶系侵蚀面小于1m，霍西煤田云义矿区煤下铝距奥陶系侵蚀面小于3m，沁源地区1.4～3.5m，煤下铝的开采势必会导通下部岩溶水，产生突水危险。此外，在山西石炭二叠系煤下铝所在的本溪组相当于太原组煤的下部岩溶水隔水层。煤下铝开采会直接破坏该隔水层，导致上部矿井水直接与下部岩溶水导通，产生突水危险[20]。因此，关闭矿井煤下铝的开发必须充分考虑本溪组下伏峰峰组的富水性和隔水层厚度，充分计算开采煤下铝时的带压系数，准确划分带压危险区。

2.4 顶板工程地质条件差

根据区域沉积环境， 山西煤下铝的沉积盖层为本溪组半沟段。半沟段在山西大部地区为泥质岩夹灰岩或和灰岩互层，部分地区为泥质岩或粉砂岩，工程地质条件差。此外，上部的太原组晋祠段由下部的晋祠砂岩和上部的吴家峪灰岩组成，岩层稳定成层性好，但下组煤采掘后，稳定性变差(表1)。

表1 山西半沟段沉积厚度和岩性[15]

2.5 矿体品质变差

河南煤下铝的勘查与化验数据显示，深部铝土矿的厚度和品质与本溪组厚度有关，煤下铝随着埋深的增加，铝土矿中硫含量增加，甚至变为高硫铝土矿[21-22]。山西煤下铝也存在类似现象。表2为河东煤田兴县黄辉头、赵家焉、后发达深部煤下铝与奥家湾露头铝土矿矿体品质对比表[23-24]。可以看与浅部铝土矿相比，煤下铝铝含量下降，硅含量上升，硫含量上升，A/S下降，铁含量则较为复杂。其中，赵家焉煤下铝和后发达煤下铝硫含量大于1%，为高硫铝土矿。而硫在铝土矿冶炼氧化铝中属于有害杂质，需要用专业流程和设备脱除[25]。

表2 山西兴县煤下铝和露头铝土矿矿体品质对比岩性[23-24]

3 勘查开发建议

关闭矿井煤下铝勘查一方面可以借助原有的煤炭勘查开发的资料，并借助原有的采煤巷道和通风排水设施，开展相关工作。勘查开发过程中也面临着跨采空区勘查、顶板扰动等不利条件。浅部铝土矿勘查和煤炭勘查有很大不同。煤下铝勘查首先需要广泛收集采煤钻探、测井、化验资料，圈定铝土矿靶区。之后运用物探手段探明下部沉积基底古地貌圈定矿体和上部煤炭采空范围。在此基础上，布置钻探工程，进一步控制矿体特征和顶底板岩性工程地质条件。最后，在基本查明矿体特征的基础上，井下加密钻探，圈定资源量。

3.1 收集资料，划定靶区

煤炭经采掘和关闭后，会留下众多钻孔、瓦斯、水文特征等、地质资料。因此关闭矿井煤下铝勘查首先要广泛收集矿井和周边矿井的钻孔数据、开掘资料、水文地质、瓦斯数据、钻孔柱状图，测井资料、化验资料，加以分析整理二次利用，通过对钻探、测井、化验资料的对比，划定煤下铝成矿有利区，并按照铝工业品位以及控制程度进行分区。如西山煤田利用70多个煤田孔的测井资料绘制了该区域煤下铝的等值线图[26]，为煤下铝的勘查开发指明了方向。

3.2 物探先行，圈定矿体范围和采空区

山西煤下铝矿床整体受控于寒武系、奥陶系灰岩古风化剥蚀地貌，一般在洼地、凹槽及岩溶漏斗地段富集成矿。因此在可前期圈定靶区的基础上，充分运用物探查明煤下铝沉积基底构造特征，为下一步钻探施工做准备。如在沁水煤田西部和霍西煤田北部地区[27-28]，充分利用铝土矿与上覆地层的密度和电性差异，借助电法和重力勘探，成功圈定了矿体基底的起伏变化和矿体的赋存范围。煤矿采空区是关闭矿井煤下铝勘查面临的一个重点问题。采空区范围不清，将严重制约后期钻探施工进度和钻孔质量，给勘查活动带来安全隐患。因此，利用物探技术确定采空区的空间位置、充填状态等空间赋存特征，对于钻探工程地质安全保障尤为重要。如河南有色地质六队在豫西渑池地区利用瞬变电磁法和音频大地电磁法对采空区进行探测[29]，成功地推断了煤矿采空区的分布范围和空间特征，为煤下铝的勘查提供了保障。

3.3 钻探随后，查明开采地质条件

根据古地理图和沉积相，山西煤下铁铝岩段到下组煤之间的地层为本溪组半沟段和太原组下部的晋祠段，因此关闭矿井煤下铝勘查的首要任务是查明下组煤底板和煤下铝顶板，即晋祠段和半沟段的岩性和工程地质条件，绘制煤下铝顶板等值线图和等厚图，确定煤下铝的开采条件和采掘方法。

3.4 井下钻探，估算资源量

在地表钻探基本控制矿体范围的基础上，按照铝土矿的勘查网度要求，充分运用井下巷道，布置加密钻孔，加大样品的采集量和化验量，提高对煤下铝矿体赋存特征和控制程度，建立煤下铝的空间三维地质模型，提交煤下铝资源量勘查报告。

4 结论

1)山西的煤下铝广泛分布于山西石炭二叠系主采煤层下部，本溪组铁铝岩段上部。下伏地层一般为奥陶系峰峰组灰岩，盖层为本溪组半沟段泥岩粉砂岩和半沟灰岩。山西的关闭煤除政策性关闭矿井外，其余均可作为煤下铝的勘查开发对象，其中资源枯竭型煤矿最适宜勘查开发煤下铝。

2)山西关闭矿井煤下铝勘查开发面临着跨采空区勘查、带压开采、底板突水、顶板扰动、矿体结构复杂和深部矿体品质变差等诸多不利条件。勘查与开发必须充分考虑本溪组下伏峰峰组的富水性和隔水层厚度，充分计算开采煤下铝时的带压系数与带压危险区，严防底板突水。

3)煤下铝勘查应按照收集资料划定靶区-物探圈定矿区和采空区-钻探查明开采地质条件-钻探加密圈定资源量的勘查步骤，充分利用煤炭采掘巷道实施地面和井下物探、井下钻探的方法节约钻探工程量和勘查费用。