宋文龙

(山西省煤炭地质勘查研究院，山西 太原 030031)

0 引 言

煤炭是我国的主体能源，是国家能源安全的基石。煤炭作为主体能源是由我国化石能源条件决定的，我国煤炭资源约占化石能源的95%[1]。2020年我国原煤产量38.4亿t，能源消费总量49.8亿t标准煤，其中煤炭消费占比56.8%，煤炭产量及消费量均居世界第一位，煤炭在我国能源供应的基础性地位没有改变。然而，煤炭作为传统能源，其开发利用所带来的一系列环境与社会问题逐渐突显，未来发展面临着“能源革命”的机遇与挑战。随着社会环保意识的增强，煤炭绿色、高效利用已成为当前煤炭工业可持续发展的主题。党的“十九大”报告提出，我国要“推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系”。

如何实现煤炭绿色、清洁利用将成为煤炭工业可持续发展亟待解决的关键问题。王双明等[2]提出实现煤炭安全绿色开采、清洁高效利用是推动能源生产和消费革命的要求，是煤炭资源向绿色能源转变的根本出路，“绿色煤炭”是煤炭绿色开发的基础。王金华等[3]提出了“以绿色煤炭资源为基础、以精准开采为支撑、以总量控制为导向”的煤炭资源科学开发布局的原则。张博等[4]在构建煤炭资源强国概念与内涵的基础上，从绿色煤炭资源、工程技术、人才教育等要素层面界定了煤炭资源强国的主体特征，提出我国实现煤炭资源强国需要从强化绿色煤炭资源基础、工程科技创新能力、企业发展与市场环境建设等方面系统提升我国煤炭工业的全球竞争力。据中国工程院重点咨询研究项目“我国煤炭资源高效回收及节能战略研究”预测，我国煤炭资源量约5.97万亿t，探明煤炭储量1.3万亿t，而绿色煤炭资源量只有5 048.95亿t，占比不足一成。因此，加强对绿色煤炭资源的勘查评价与研究，摸清资源家底，科学、有序、精准开发利用绿色煤炭资源将是衔接煤炭清洁、高效利用不可或缺的一环，也将有助于山西省煤炭行业实现“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念。

2018年袁亮院士首次提出了绿色煤炭资源的概念[5]，并基于绿色煤炭资源量和绿色煤炭资源指数的内涵，提出了绿色煤炭资源评价体系，主要包括煤炭的资源安全度、资源赋存度、生态恢复度和市场竞争度四个方面。之后，诸多学者从不同角度构建了一系列绿色煤炭资源评价方法与评价体系对我国绿色煤炭资源现状进行分析评价[4-7]。然而，我国五大赋煤区煤炭资源禀赋特征、勘查开发情况、环境属性及开发战略布局等方面存在较大差异，导致评价因子及权重的选取缺乏代表性和针对性。本文依据山西省煤炭资源禀赋特征，秉承“创新、协调、绿色、开放、共享”的理念，依照山西省煤炭资源禀赋特征及区域煤质特性，围绕晋北、晋中和晋东三大煤炭基地开发布局，构建了绿色煤炭资源评价体系，在整理历年山西省煤炭勘查成果的基础上，系统地评价了山西省绿色煤炭资源量的分布特征，估算了绿色煤炭资源量，提出了山西省煤炭资源的勘查开发布局建议。

1 绿色煤炭资源内涵

绿色煤炭资源概念的提出，是学术界对我国煤炭资源禀赋特征及开发利用现状研究的一次跃升[8]，本文所述绿色煤炭资源内涵参考了以往学者的研究成果，并结合山西省自身煤炭资源特征阐述了绿色煤炭资源的内涵，并基于此建立了符合山西省煤炭禀赋特色的绿色煤炭资源评价体系。

绿色煤炭资源是指赋存条件适宜、主要工艺指标优异、开采技术条件简单、生态环境友好、可实现安全高效开采的煤炭资源。赋存条件适宜为地质条件简单，资源丰富、煤层厚度适宜，易于实现机械化及智能化开采；主要工艺指标优异是指依据山西省煤类分布特征及煤的工业用途差异性进行差异化评价，如动力用煤增加发热量评价、炼焦用煤增加黏结性评价；开采技术条件简单主要指瓦斯、地下水等矿井灾害可控，能够实现安全开采；生态环境友好一是要符合山西省国土空间规划要求，与各类国家自然保护区、省级自然保护区等生态功能区不相冲突，二是指具有一定的水资源承载力，开发过程水资源可得到有效保护。

需要指出的是，绿色煤炭资源是动态的概念，随着科学技术的不断创新与发展，非绿色煤炭资源也可能变为绿色煤炭资源，如瓦斯危害随着煤层气行业的快速发展将变害为宝，大大降低了矿井瓦斯事故风险。

2 绿色煤炭资源评价体系

2.1 绿色煤炭资源评价框架

绿色煤炭资源应基于煤的工业用途差异性进行分类评价。山西省煤类齐全，从低变质的长焰煤到高变质的无烟煤均有分布，煤的用途以动力用煤、炼焦用煤和化工用煤为主，2004年国家将山西省的晋北煤炭基地、晋中煤炭基地、晋东煤炭基地纳入国家大型煤炭基地建设名单，其中，晋北煤炭基地为亿吨级动力用煤产地，晋中煤炭基地为亿吨级炼焦用煤产地，晋东煤炭基地主要为无烟煤(化工用煤)产地。

绿色煤炭资源具有优质性、生态性、安全高效性等多重属性。本文依据山西省三大煤炭基地的煤类分布特征及煤的工业用途差异性，以煤质及煤的工艺性能、煤层赋存地质条件、开采技术条及生态条件等四个维度构建了绿色煤炭资源的评价框架。绿色煤炭资源评价框架见图1。

图1 山西省绿色煤炭资源评价体系

2.2 绿色煤炭资源评价指标

本文选取了煤层赋存条件、煤质及煤的工艺性能、开采技术条件、生态条件4个一级指标及15项二级指标对山西省绿色煤炭资源分布情况进行了分析评价。

1)煤质及煤的工艺性能。煤类决定了煤的利用方向，而煤的利用方向对煤质及煤的工艺性能要求也有所不同。山西省煤的用途主要为动力用煤、炼焦用煤和化工用煤。煤质及煤的工艺性能是煤炭资源利用的先决条件，其评价应结合煤的利用方向及相关技术标准。煤质及煤的工艺性能评价所包含的二级评价指标是基于煤的工业用途差异性进行优选，动力用煤的二级评价指标为发热量、灰分及硫分；炼焦用煤的二级评价指标为黏结指数、灰分及硫分；化工用煤的二级评价指标为灰分及硫分。其中，动力用煤二级评价指标具体评价参数区间参照了《发电煤粉锅炉用煤技术条件》(GB/T 7562—2010)；炼焦用煤二级评价指标具体评价参数区间参照了《炼焦用煤技术条件》(GB/T 397—2009)；化工用煤二级评价指标具体评价参数区间参照了《煤化工用煤技术导则》(GB/T 23251—2009)及《煤炭质量分级》(GB/T 15224—2018)等相关技术标准。煤质及煤的工艺性能二级评价指标参数见表1。

表1 煤质及煤的工艺性能二级评价指标

2) 煤层赋存条件。煤层赋存条件决定了煤炭资源的开采效率、经济性及安全性。煤层赋存条件评价因子主要包括煤层埋藏深度、煤层厚度、煤层倾角及煤层稳定性4项指标。其中，煤层埋深、煤层厚度及煤层倾角为定量评价指标，煤层稳定性为描述性评价指标，煤层稳定性以煤炭勘查区为基本评价单元。依据《煤、泥炭地质勘查规范》(DZ/T 0215—2002)及《煤矿地质工作规定》，并结合以往研究成果及现阶段开采技术水平，绿色煤炭资源应符合的煤层赋存条件为煤层埋深小于1 000 m(稀缺炼焦煤及化工用煤埋深放宽至1 200 m以浅)、煤层倾角为近水平或缓倾斜(<25°)、煤层厚度属中厚煤层及以上(>1.3 m)、煤层稳定性属较稳定或稳定的煤炭资源。

3) 开采技术条件。开采技术条件为煤炭资源开采的制约性条件，开采技术条件越简单，煤炭开采的安全性越高、开采成本越低，煤炭资源的绿色程度就越高。山西省开采技术条件整体属简单，局部因地质构造或地下水等因素制约导致开采技术条件偏复杂。依据山西省煤炭资源禀赋特征及煤炭资源开采面临的主要问题，山西省绿色煤炭资源评价范畴内开采技术条件评价因子主要选取了构造复杂程度、水文地质条件、地温条件、瓦斯地质条件4项指标。由于山西省所属的华北地区工程地质条件相对较好[6]，未将其列入评价指标。上述4项评价指标中构造复杂程度、水文地质条件为描述性评价指标，地温条件为定量评价指标。其中，因山西省煤层气资源开发利用的不断推进，瓦斯地质条件将得到治理或改善，因此该项指标仅做现状评价。综上，绿色煤炭资源应符合的开采技术条件为构造复杂程度为中等或以下、水文地质条件为中等或以下、无地温热害(原始岩温低于31 ℃)。

4) 生态条件。生态条件评价主要包括生态红线及水资源承载力评价。在煤炭资源的开发利用过程中，应严格遵守国家和山西省的主体功能区规划和生态功能区划，禁止开发区、环境敏感区及生态红线等区域则不属于绿色煤炭范畴，即绿色煤炭资源应为符合《山西省矿产资源总体规划》及《山西省国土空间规划(2020—2035年)》等相关规定，且水资源承载力在中等及以上。

3 山西省煤炭资源禀赋特征

3.1 山西省煤炭资源勘查现状

山西省是我国煤炭资源大省，截至2018年底，山西省累计查明煤炭资源量2 992.52亿t，保有资源量2 712.3亿t，占全国煤炭保有资源量的16.28%，居全国第三位[9]。据以往煤炭勘查资料统计，截至2019年底，山西省含煤面积总计6.2万km2，其中，1 200 m以浅含煤面积3.2万km2。累计实施煤炭勘查项目580余项，累积勘查面积约4.0万km2，约占总含煤面积的64.5%。尚未利用的煤炭资源量中，已达勘探程度资源量占16%、已达详查程度资源量占30%、达到普查程度资源量占54%，1 200 m以浅区域已基本完成煤炭普查工作，1 000 m以浅区域基本完成详查工作。

3.2 山西省煤炭资源禀赋特征

山西省属华北赋煤区，共分布有6大煤田和10个面积较小的煤产地，6大煤田分别是大同煤田、河东煤田、太原西山煤田、宁武煤田、霍西煤田和沁水煤田。主要发育晚古生代石炭-二叠纪煤和中生代侏罗纪煤。其中，石炭-二叠纪煤分布范围最广，煤炭资源量最丰富，占山西省煤炭总资源量的97.1%；侏罗纪煤仅占2.8%，且侏罗纪煤经多年的高强度开采资源已基本枯竭，故本文不作评价。

山西省各大煤田主要含煤地层为石炭-二叠系的太原组和山西组，主要可采煤层2～7层，多属中厚或厚煤层，煤炭资源量丰富，其中，山西组主要可采煤层资源丰度平均可达500万t/km2，太原组主要可采煤层资源丰度平均可达1 100万t/km2，且地质构造总体简单，适宜建设大型智能化矿井。

山西省煤类分布齐全，从低变质的长焰煤到高变质的贫煤、无烟煤均有分布(图1)。依照煤类分布及煤质特征，山西省着力建设有晋北、晋中、晋东三个大型亿吨级煤炭基地。其中，晋北煤炭基地包括大同煤田、宁武煤田及河东煤田兴县以北地区，埋深在1 000 m以浅区域主要以低变质煤类为主，主要为动力用煤生产基地；晋中煤炭基地包括太原西山煤田、霍西煤田、河东煤田中南部及沁水煤田西部，1 200 m埋深以浅区域煤类以焦煤、肥煤、瘦煤为主，主要为炼焦用煤生产基地；晋东煤炭基地分布于沁水煤田东部，煤类以无烟煤、贫煤为主，主要为化工用煤生产基地。

图2 山西省三大煤炭基地煤类分布图

山西省各煤田的煤层埋藏深度存在较大差异。晋北煤炭基地以河东煤田北部、宁武煤田北部、大同煤田及宁武煤田盆缘地带煤层埋深相对较浅，埋深一般在100～400 m之间，最大埋深800 m，宁武煤田中南部埋深较大，一般均已超过1 500 m。晋中煤炭基地以霍西煤田及太原西山煤田煤层埋深相对较浅，埋深一般在200～500 m之间，河东煤田西部埋深较大一般在1 000～2 000 m之间。晋东煤炭基地在沁水向斜轴部埋深较大，一般在1 500 m以上，沁水盆地东缘地带埋深一般相对较浅，一般在300～500 m之间。

4 山西省绿色煤炭资源评价

根据绿色煤炭资源评价体系，以煤炭勘查区为基本评价单元，对山西省以往煤炭勘查成果进行了汇总分析，采用多评价因子绘图叠合分析法，对山西省三大煤炭基地绿色煤炭资源进行了精细化评价。经估算山西省绿色煤炭保有资源量为791.1亿t，其中，晋北煤炭基地147.6亿t、晋中煤炭基地303.4亿t、晋东煤炭基地340.1亿t，各煤炭基地评价结果如下所述。

4.1 晋北煤炭基地

晋北煤炭基地累计查明煤炭资源量875.4亿t，埋深1 000 m以浅煤类以低变质程度的长焰煤及气煤为主，其次为不黏煤、弱黏煤和1/3焦煤，煤的利用方向以动力用煤为主，炼焦煤少量。基地北部大同煤田煤的发热量普遍偏低，均值在22.3 MJ/kg左右，多为中发热量煤，煤质较差；基地南部宁武煤田及河东煤田北部煤的发热量较高，均值在28.72 MJ/kg左右，多属特高发热量煤，且煤质优良，硫分(St,d)大多小于1%，多为特低-低硫煤。晋北煤炭基地太原组及山西省组煤的灰分(Ad)普遍偏高，大多已超20%。煤层埋深总体较浅，一般在300～500 m之间，但宁武煤田的轩岗矿区、岚县矿区及河东煤田河保偏矿区西部埋深较大，埋深已超过1 000 m。构造复杂程度差异较大，大同煤田东北部、宁武煤田中南部构造复杂程度属中等-复杂，尤其是大同煤田东北部受岩浆岩、陷落柱等不良地质因素影响较为严重；河东煤田北部及宁武煤田北部构造复杂程度属简单。水文地质条件总体属简单-中等，局部受底板奥灰水影响变为复杂。煤层埋深1 000 m以浅区域瓦斯含量普遍偏低，大多在2 m3/t以下。基本无地温热害，仅在大同煤炭东北部同忻勘探区等存在地温热害区。生态条件及水资源承载力中等。

综上，晋北煤炭基地绿色煤炭资源分布较少，主要赋存于朔南矿区和轩岗矿区的太原组。经估算，晋北煤炭基地保有绿色煤炭资源总量约147.6亿t，尚未被矿井占用的绿色煤炭资源量仅94.1亿t，约占晋北煤炭基地总资源量的一成，其中太原组煤79.3亿t，山西组煤仅14.8亿t，以动力用煤为主。

4.2 晋中煤炭基地

晋中煤炭基地是我国优质炼焦煤的主产地，累计查明煤炭资源量1 132.7亿t，埋深1 200 m以浅煤类以气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤为主，其次为气煤、弱黏煤、贫瘦煤及无烟煤，煤的利用方向以炼焦用煤为主，其次为动力煤。黏结指数大于50的炼焦煤主要分布于河东煤田的离柳矿区、石隰矿区、乡宁矿区，太原西山煤田中南部，霍州煤田的汾西矿区和霍州矿区。其他非炼焦用煤则依照动力煤及化工用煤标准评价。基地山西组煤层硫分(St,d)大多在0.5%～1%之间，多为特低-低硫煤；太原组硫分(St,d)偏高，大部分地区已超过2%，多为高硫煤。太原组及山西组煤的灰分(Ad)多小于20%，但太原西山煤田灰分相对较高，大部分区域超过20%。煤层埋深差异较大，霍州煤田的汾西矿区、霍州矿区中北部及河东煤田的离柳矿区煤层埋深相对较浅，一般在200～600 m之间，河东煤田的石隰矿区、乡宁矿区及太原西山煤田中南部埋深大都在1 000 m以上。晋中煤炭基地总体构造属简单，局部属中等-复杂。水文地质条件简单-中等，局部受底板奥灰水影响变为复杂；瓦斯含量在霍州煤田含量较低，河东煤田及太原西山煤田瓦斯含量偏高，大多在6 m3/t以上；基本无地温热害；生态条件及水资源承载力中等。

综上，晋中煤炭基地绿色煤炭资源分布主要受限于煤层埋深及硫分，主要赋存于离柳矿区、石隰矿区、霍东矿区、汾西矿区及霍州矿区的山西组(图3和图4)。经估算，晋中煤炭基地保有绿色煤炭资源总量约303.4亿t，包括优质炼焦煤155.6亿t和优质动力煤47.8亿t，尚未被矿井占用的绿色煤炭资源量仅203.2亿t，其中，太原组煤64.6亿t，山西组煤138.6亿t。

图3 三大煤炭基地山西组绿色煤炭资源分布图

图4 三大煤炭基地太原组绿色煤炭资源分布图

4.3 晋东煤炭基地

晋东煤炭基地累计查明煤炭资源量984.0亿t，煤类以无烟煤为主，其次为贫瘦煤及贫煤，煤的利用方向以化工用煤为主，民用及动力用煤次之。晋东煤炭基地无烟块煤以往被称为“最优化工用煤”，其煤质特性具有“五高四低”的特征[10]，非常适用于固定床气化技术。然而，随着新型煤气化技术的发展，UGI炉应用政策受限[11]，无烟块煤应用方向也在进行相应调整，目前仍以气化用煤为主。因此，晋东煤炭基地暂不对煤的工艺性质指标设限，以煤质评价为主。晋东煤炭基地山西组煤的煤质优良，硫分(St,d)大多小于1%，多为低硫煤，灰分(Ad)一般小于20%；太原组煤硫分普遍偏高，一般在2%～3%之间，局部甚至超过3%，灰分在潞安矿区和武夏矿区较高，一般在20%～30%之间，其他矿区太原组灰分一般小于20%。受沁水复式向斜影响，基地中西部埋深较大，煤层埋深大于1 200 m。构造复杂程度总体属简单，局部为中等。水文地质条件总体属简单-中等，局部受底板奥灰水影响变为复杂；煤层瓦斯含量较高，大都在8 m3/t以上；基本无地温热害；生态条件及水资源承载力较好。

综上，晋东煤炭基地绿色煤炭资源主要受限于煤层埋深及硫分，主要赋存于晋城矿区、潞安矿区、阳泉矿区及武夏矿区的山西组(图3)。经估算，晋东煤炭基地保有绿色煤炭资源总量约340.1亿t，尚未被矿井占用的绿色煤炭资源量239.2亿t，其中，太原组煤8.3亿t，山西组煤230.9亿t。

5 结论与建议

煤炭是我国的基础能源，其产量及消费量均居世界前列。然而，煤炭行业的发展面临着“能源革命”的机遇与挑战。为适应我国能源结构优化升级，绿色煤炭资源理念应运而生。本文在以往学者研究成果的基础上，根据山西省煤炭资源禀赋特征及煤质特性，构建了绿色煤炭资源评价体系，结合山西省煤炭开发利用布局，研选了各项评价指标，基于以往煤炭勘查成果，评价了山西省绿色煤炭资源分布特征，估算了绿色煤炭资源量，并明确了三大煤炭基地绿色动力煤、绿色炼焦煤及绿色化工煤资源家底，为山西省煤炭工业转型跨越发展提供了地质依据。经估算，山西省保有绿色煤炭资源量约791.1亿t，尚未被煤矿占用的绿色煤炭资源量约590.5亿t，占保有煤炭资源量不足两成，绿色煤炭资源量并不富裕。基于绿色煤炭资源量及分布特征，提出如下勘查开发建议。

1) 煤炭勘查。 山西省三大煤炭基地埋深1 200 m以浅区域已基本完成了普详查工作，勘查布局较为合理，但已达勘探程度资源量占比仍然较小，今后煤炭勘查工作应优先布置在绿色煤炭资源区块，提高绿色煤炭资源勘查精度与储量规模。山西省浅部煤炭资源丰富，以往落后的开采方式导致浅部煤炭资源浪费严重，其中所赋存的绿色煤炭资源也惨遭废弃，应加强浅部废弃绿色煤炭资源赋存特征的调查评价工作，评估废弃绿色煤炭资源再利用的可行性。

2) 开发利用。山西省煤炭开采重心应向绿色煤炭资源倾斜，加快三大煤基地提质。晋中煤炭基地的西山矿区、离柳矿区、乡宁矿区和霍州矿区的低灰、低硫、强黏结性、可选性较好的焦煤、肥煤、瘦煤等优质炼焦用煤以及晋东煤炭基地晋城矿区低灰、低硫、高发热量的无烟煤在我国乃至国际市场均享有盛誉，应实施保护性开采，提高回采率。同时，加强煤炭资源分布与水资源、生态环境的关系研究。加强煤炭矿区生态环境治理及煤矿节水、保水开采技术的研究。