我国煤系共（伴）生资源综合开发利用存在问题研究

丁 恋

（中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039）

0 引言

长期以来，煤炭以资源可靠、储量丰富、开采便利、利用可洁净化等优势，处于主体能源地位［1］。开展煤系共（伴）生资源的综合开发利用研究，具有十分重要的现实意义。

由于煤系共（伴）生资源不同矿种成因复杂，不同的伴生矿体，在成矿时间和成矿区域间都存在差异，加大了开发难度。从勘查、开采、闭坑到利用、最终回归自然，各个环节中开发技术水平以及加工利用能力对经济效益和环境影响程度起决定作用［2-3］。近年来，如何在一个全生命周期内通过闭环产业链加以高效利用的问题逐渐凸显，广受学者、专家们的关注。

本文从煤系共（伴）生资源理论研究体系，多矿种开发工艺技术，一体化勘探开发等方面对我国煤系共（伴）生资源综合开发利用存在的诸多问题进行了研究。

1 我国煤系共（伴）生资源的开发利用

1.1 煤系共（伴）生资源开采

煤和含煤岩系中高度富集并可以开发利用的关键金属元素主要包括锂、钪、钛、钒、镓、锗、硒、锆、铌、铪、钽、铀、稀土元素、贵金属元素等［2］。目前，我国已查明的煤型锗矿床中锗的资源储量约为0.67万t。其中，内蒙古乌兰图嘎富锗煤中可以提取的锗的储量为1 700t，云南临沧大寨煤型锗矿床中锗的探明储量为860t，云南临沧中寨锗矿床中锗的探明储量为760t，它们均属于大型或超大型煤型锗矿床［2］。内蒙古伊敏煤田五牧场矿区煤中锗的含量也较高，其资源储量约为400t，属于中型煤型锗矿床。我国粗镓产能在全球生产中占95.68%，基本稳定在730 万t 左右，是最重要的镓资源生产国，其中煤型镓铝矿床是我国镓提取的主要来源之一。已经发现的煤型镓铝矿床主要位于内蒙古自治区，包括准格尔煤田和大青山煤田。其中，准格尔煤田黑岱沟露天矿煤中铝的资源量约为1.5 亿t，镓的资源量更是高达6.34 万t［2］。另外，辽宁凌海煤矿煤中镓元素的含量接近甚至超过常规矿床中镓的工业可采品位，也可以作为镓提取的潜在原材料。除此之外，新疆阿勒泰、伊犁地区的合山煤田等几十座矿区发现煤中稀土元素、锂、镓等关键金属超常富集，其含量均已远超常规矿床的工业品位。我国煤中共伴生关键金属资源的勘探开发潜力巨大，虽然针对煤系伴生多矿种综合开发导致资源浪费等问题开展了相关探讨，开展了资源协同开采关键技术的研究攻关，但是突破性进展较慢，同时因为一些政策体制配套不完善等因素，我国煤系共（伴）生资源的勘查、开发、利用仍有较大发展空间［4］。

近年来，人们生态环境意识逐渐提高，煤系共（伴）生资源的开发利用企业也在资源的综合利用、节能减排方面做出努力，地下气化、煤与煤层气共采、井下排矸系统等开采技术得到了广泛推广及应用，对于煤系共（伴）生资源开采过程中，同步保护生态环境、改善矿区形象，发挥了积极作用。但是，只注重经济效益，环境保护意识淡薄的煤系共（伴）生资源开发企业，仍然屡见不鲜，资源开发与环境治理“齐步走”的整体局面仍未形成。

随着煤系共（伴）生资源开发技术研发与应用不断发展，资源综合利用率稳步提高［5］。以煤层气为例，形成了1 000m 以浅的煤层气勘查开发技术体系，并建成了沁水盆地等大型产业化基地。沁水盆地南部水平井通过技术升级，使煤层气产量由0.2亿m3增长至35 亿m3；而1 000m 以深的煤层气对应的地质综合技术、低成本工艺、定量化排采技术等仍有待进一步提升。我国关闭矿井煤系矿井抽采技术虽然起步较晚，但近年来也已初步建立了监测关闭矿井甲烷逸散量等技术方法，逐步搭建了关闭矿井煤层气开采的技术支撑平台［6］。

煤与共（伴）生矿产协同开采正在逐步通过示范工程建设，形成可以推广的模式及标准，未来也会构建煤系共（伴）生资源开发利用指标体系，充分开采矿区的各类共（伴）生资源，逐步摒弃过去“只采简单主矿种，不采困难共伴生矿；只采大，不采小；只看厚，不管薄”的“嫌贫爱富”思维模式［7］。

1.2 常见煤系共（伴）生资源加工利用

煤层气、锗锂镓等关键金属、石墨等是我们较为常见的煤系共（伴）生资源。

煤层气的综合利用，有利于提升煤矿的经济效益、环境效益，对于煤层气的综合利用研究，国内众多学者提出了不同的观点［8-9］。徐云飞在对李阳煤业瓦斯抽采的综合利用研究基础上，针对如何提升瓦斯利用收益率提出了建议；曹帅通过分析彬长矿区文家坡煤矿当前的瓦斯利用状况，提出了用定向钻孔等方法；煤层气的规模化开发利用也取得一定进展，文家坝煤层气将清洁能源开发与瓦斯同步治理，提高产气率的同时，也推进了煤层气规模化开发利用。但是我国煤层气主要应用于燃气、汽车燃料、瓦斯发电等领域，商业化利用率不高，但即使应用于发电、供热的瓦斯资源，也因受制于直燃、乏风发电等瓦斯利用技术不成熟，造成了利用成本较高的现状［10］。

煤系共（伴）生关键金属利用的研究，可以收集到的最早资料是源于煤炭科学研究总院等单位的专家学者开展的Ga、Ge、U、V 等的资源状况与地质成矿规律的研究［11］。我国的煤系共（伴）生关键金属储量可观，在新能源、新材料、航空航天、高端装备制造等多领域被广泛应用，具有较大开发潜力和价值。近年来，相关学者将煤系共（伴）生关键金属的研究付诸实践，尝试从煤矸石、粉煤灰中提取富集的关键金属元素，在提取技术和提取工艺方面做出不懈努力。但是距离将关键资源的勘查评价、加工利用、应用形成一条完整产业链，仍有较大提升空间［12］。

以煤系共（伴）生资源为原料加工而成的材料和产品，在工农业、航空航天军工行业、电子信息工程、机械工程等行业中被广泛需求。例如将一些关键元素用于碳纤维、石墨烯、碳纳米管、超导材料等高科技产品的加工［13-14］。高效、安全地对煤系共（伴）生资源进行综合利用，将是未来很长一段时间需要研究的内容。

2 煤系共（伴）生资源综合开发利用存在问题

1）理论与应用研究体系建设滞后。共（伴）生资源的综合开发及利用离不开多学科跨界整合思维模式，通过融通若干个专业领域的理论基础与技术原理，最终实现高度耦合［15-16］。当前，单纯一个专业、一个学科的例如只针对煤炭、煤层气、稀土、地热这些单一矿种开发利用的理论与应用体系建设已经较为成熟，但对于煤系共（伴）生资源等多矿种共（伴）生资源的综合开发利用的相关研究基础较为薄弱。从煤系共（伴）生资源的矿床解剖、区域矿床地质等多维度、多层次开展研究的理论基础不足，大数据分析、同位素成矿数值模拟研究、矿物微量元素和材料科学的测试与实验深度耦合方法的创新能力欠缺，应用研究体系建设越来越跟不上发展的要求。一套融合煤系共（伴）生资源勘查、评价、开发、利用的全生命周期理论体系亟待建立，为实现我国多矿种能源资源更加高效、低碳的开发利用提供理论支撑。

2）一体化综合勘探能力有待进一步提升。煤系地层或煤盆地的地质条件复杂，构造演化呈现不规律性，各类资源井下空间关键层位地质安全、地下水资源以及地表生态依附状况多样化，例如煤与煤系气、砂岩型铀矿共（伴）生资源中部分叠置、非规律性叠置以及各种分布方式都较为复杂，勘查评价和开发难度大［17］。虽然针对煤系共（伴）生资源科学勘查评价的技术创新取得了一定成果，但是与未来发展趋势和需求仍然相差甚远，一体化综合勘探能力有待进一步提升。

3）“卡脖子”关键技术攻关和破解难度大。近年来，煤系共（伴）生资源综合开发利用技术虽然取得了一些阶段成果，但破解和攻克难度大的事实依然难以回避。重点攻关开采扰动与多维全息地质信息定时共享交互反馈、实现全息人机互动技术；智能化、云存储、多源动态、多相多场定时或不定时信息高速双向传导技术；现场钻井作业中致裂引发渗流、钻孔裂隙、负压抽采、管道破裂对煤系气、煤油储层、盖层稳定性冲击防治技术［18-19］；煤系气、煤油多相多场透视化、岩体非线性破坏冲击耦合实验系统研发技术以及煤系关键金属元素开发利用技术难关攻克等。

4）多方联动、协调推进体制机制有待进一步完善［20］。煤系共（伴）生资源的开发利用，需要多个矿种建立紧密联系，综合制定开发方案。完善可以多方联动、协调推进的体制机制，使开发利用的各个环节建立紧密联系，将解决问题作为根本出发点，坚持需求导向原则，充分利用大数据、云计算、数字化平台等智能技术，针对煤系共（伴）生资源开发利用全产业链中的问题完善协调推进机制［21］。

5）开发利用“三率”普遍较低［22-23］。一些研究资料表明，除了极少数具有优良开采条件的煤系共（伴）生资源可以达到70%以上的综合回收率，绝大多数的开发利用“三率”普遍较低，基本只有30%，甚至更低。传统的开发利用技术与工艺水平，为“三率”提高带来了难度，只有通过技术的转型升级、协同创新实现采矿贫化率、选矿回收率、开采回收率的逐步提升［24］。

6）全产业链的统一标准与规范匮乏。任何资源的开发利用都要以一套统一的标准来指导，通过规范加以约束［25-26］。当前，煤系共（伴）生资源的开发利用缺乏实现全产业链运行的统一标准与规范，涉及科学的勘查评价、开发利用共（伴）生资源检测分析、矿物精深加工利用、用于消费等产业链各个环节，对煤系共（伴）生资源的开发利用状况无法做出科学的界定和精准的评价，大大增加了开发利用的盲目性和低效性。

3 意见和建议

1）推动多元化技术创新，主动激发创新活力。建立企业为主体，政、产、学、研共同作用的技术创新平台与体系，主动激发创新活力，强化煤系共（伴）生资源开发利用基础研究及关键技术的攻关；建立行业、产业技术联盟，通过示范基地以及示范工程的建设，推广应用新工艺、新技术，使煤系共（伴）生矿物加工质量纯度更高、性能更优良、粒度更细；通过矿物材料研究数据库的建立，提升高精尖材料的加工能力。

2）构建煤系共（伴）生资源勘查与开发利用技术支撑平台。当前，煤系共（伴）生资源基本以单矿种开发为主，导致开发利用率低下，资源浪费严重。未来实行矿集区和矿种联合开发利用模式，通过建立矿区间资料共用共享机制，用多矿集区、多矿种联合勘查开发体系逐步取代过去单矿种或多矿种重复勘查开发的传统模式，形成科学、系统、成熟的煤系共（伴）生资源勘查评价体系。通过一体化综合勘查与开发利用模式的建立，逐步构建煤系共（伴）生资源勘查与开发利用技术支撑平台。

3）健全矿业权管理制度体系，完善政府部门协调机制。针对历史遗留的无法协同开采重叠矿权，依法进行清理；简化矿业权审批手续，缩短审批时限，深化煤系共（伴）生资源供给侧结构改革，建立规范化管理体系，营造良好投资环境；搭建地质信息数据库，实现矿业权信息共享；将绿色金融理念有机融入煤系共（伴）生资源的开发及利用中，完善绿色矿业产业支持政策体系。

4）强化全流程管理体系建设。开采煤系共（伴）生资源之前，针对复杂、多矿种特性，做好详细的实施方案，规划开采时间、开采方法、工艺选择、配套措施等不同环节，实行全流程严格管控。坚持开发与保护“两条腿走路”原则，建立优质、梯级、循环利用的资源化利用体系。

5）建立系统、全面的规范与标准体系［17］。加快煤系共（伴）生资源开发利用领域的基础性、通用性行业标准及国家标准的制定和完善工作，加强市场监督、考核评价机制，采用经济、技术、法律、行政有效结合的手段，形成标准与规范的长效机制。