煤炭资源评价的任务与基本特点

一、煤炭资源评价概述

我国早期的煤炭资源评价主要渗透于煤田地质勘探工作之中，如找煤、普查、详查、精查等勘探级别的划分以及煤层稳定性、地质构造类型、水文地质类型等的划分等，它们大多是定性的、经验性的。由于计划经济，一直没有开展真正意义上的煤炭资源评价工作。

我国的煤炭资源综合评价始于20世纪90年代初期。改革开放以来，煤炭工业生产及煤田地质勘探有了很大发展，以概略预测煤炭资源总量及定性评估其可靠程度的两次煤田预测成果显然不能适应煤炭工业战略发展研究和煤田地质勘查中、长期规划的需要。因此，第三次煤田预测一开始就提出预测与评价并重，要求在当前国内外矿产资源评价理论与方法的基础上，研制一套适合煤炭资源特点、满足煤炭资源勘查与煤炭工业发展规划需要的评价方法。在此期间，煤炭科学研究总院王熙曾、李恒堂完成了“煤炭资源技术经济评价方法———层次分析法在煤炭资源评价中的应用”课题中国煤田地质总局完成了“鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价”课题(中国煤田地质总局，1996)地矿部北方煤炭测试中心赵隆业等完成了“鄂尔多斯早—中侏罗世煤炭资源开发建设条件综合评价”课题中国地质大学吴冲龙研制了“煤炭资源的分类模糊综合评价系统(CRCVS)”中国矿业大学地质系韩金炎与江苏煤炭地质局煤炭地质勘探研究所及长春煤炭科学研究所合作完成了“苏鲁豫皖四省交界煤炭资源综合评价方法研究”及“危急矿区(阜新矿区)煤炭资源综合信息统计预测”等课题。

基于地质评价及开采技术条件评价，煤炭经济学研究者在对煤炭资源经济评价方面取得了很多的成果。如王立信(1996)提出了以煤炭资源价值为核心的煤炭资源经济评价理论，并形成了相应的评价方法，刘海滨(1997)提出了以煤炭资源的勘探费用、开发投资、经营成本、外部成本和矿区煤炭价格为基础，评估煤炭资源资产价值的原理和方法。

现代煤炭资源评价的内容非常丰富，按照评价单元的性质，可以分为勘探阶段、建井阶段、开发阶段和闭坑阶段4类(汪云甲，1998)或开发型、勘探型、预测型3类(中国煤田地质总局，1996)按照评价内容，又可分为以下几种(汪云甲，1998):

1)单因素评价，如构造复杂程度评价、煤层厚度等赋存条件评价等

2)煤炭资源综合评价，包括基于勘探类型的评价、基于开发优序的评价、基于开采工艺的评价、基于矿井地质条件的评价和基于矿井投入产出分析的综合评价等

3)矿产资源条件与开发模式评价

4)煤炭资源及其共伴生矿产可采性评价

5)煤炭资源开发经济效益评价。

上述分类基本概括了煤炭资源评价领域的内容，对煤炭资源评价具有一定的指导意义。

二、煤炭资源综合评价

综合评价的实质是从评价对象主体中提取其本质属性，使之转换成可量化的价值尺度，用以度量被评价对象的状态或行为。如果把矿产资源综合评价看作一个系统，那么，构成此系统的基本要素将分别是评价对象、评价目标、评价模型(包括评价指标体系、评价数学方法)、评价群体和他们的偏好等。当评价对象(以勘探区、井田为单元的已发现尚未被占用的煤炭资源)和目标(开发建设可利用性的优劣程度)确定后，正确地选择评价方法模型和组织可靠的评价群体，综合他们的偏好，将是保证评价结果达到科学、实用、可信的关键。

用于综合评价工作的数学方法很多，有加权求和方法、模糊数学方法、灰色系统方法、层次分析方法等。这些方法各有特色，也都有其局限性，选择单一的方法作为煤炭资源综合评价系统的方法模型是不够全面的。

评价指标是评价对象本质属性的反映，也是评价行为过程的基础。煤炭资源的本质属性比较抽象，只能用有限的指标去本质地刻画其多属性领域的主要部分，作近似的表述。各评价指标在评价(表14-1)过程中所处的地位不同，即重要性不同，需要确定指标在评价过程中的权重，因此，合理选取设置评价指标和正确确定评价指标权重，将直接影响评价过程和评价的有效性。为力求全面、本质地反映评价对象的本质属性，在建立评价指标及其权重组成的评价指标体系时，应考虑体系的系统性、可操作性、通用性以及定性和定量相结合等原则，力争达到简明、实用、相对合理的效果。

三、评价方法概述

任何科学及方法的发展都经历了从定性到半定量、定量的发展过程。定量是必然的趋势，矿产资源评价亦是如此。无论是地质、开采技术条件还是经济评价，都是从早期的人为主观定性评价、专家经验定性评价，向客观指标定性半定量综合评价发展，最后发展到客观指标综合原理评价的最高水平。在这个发展过程中，评价方法从简单到复杂，从粗放到精细，评价的客观性、合理性及科学性不断提高。

表14-1 煤炭资源综合评价体系及特征分级标准

(据毛节华等，1999)

在构造一个科学、合理的评价系统时，组织可靠的评价群体、建立合理的指标体系、选择合理的方法模型，是主要的基础工作和关键。其中，指标体系和方法模型又是重中之重。

目前，建立指标体系和方法模型通常采用层次分析法、加权平均法、聚类分析法、神经网络、灰色理论、模糊综合评判法、模糊聚类分析、灰色聚类分析等方法。不同的方法有不同的功能、特点及适用范围。由于上述方法涉及大量的运算，电子计算机技术的运用则成为必然。现时可用的可视化编程语言非常丰富，如Visual Basic语言和Visual C ++等。

煤炭资源评价需要大量基础数据的支持，因此也离不开数据库工具。目前常用的可视化数据库软件是Visual FoxPro。该软件具有强大的项目及数据管理功能和便捷的应用程序开发能力，但其最大的缺陷是图形功能和空间数据功能极差，难以实现对大多具有空间特性的煤炭资源评价数据及表示评价成果的大量图件的科学管理。与之相比，地理信息系统(GIS)是进行煤炭资源评价数据处理的最佳选择。

GIS是信息时代的产物，它不仅能够存储、分析和表述现实世界中各种对象的属性信息，而且能够处理其空间定位特征，能将其空间和属性信息有机地结合起来，从空间和属性方面对现实对象进行查询、检索和分析，并将结果以各种直观的形式，形象而精确地表达出来。目前，GIS广泛应用于自然资源管理、城市和区域规划、地图测绘、市政设施管理、土地利用、环保、电力、通信、交通运输、石油及教育等领域(张大顺等，1994)。

作为一种先进的计算机应用程序，将GIS应用于煤炭资源综合评价之中，必然使得评价工作始于一个更高的起点，它不但使评价工作得以与国际接轨，而且使得评价的结果更加精确，结果表达更加直观，操作更加简便快捷。

一、矿物原料特点

(一) 煤的物理性质

煤的物理性质是煤的一定化学组成和分子结构的外部表现。它是由成煤的原始物质及其聚积条件、转化过程、煤化程度和风、氧化程度等因素所决定。包括颜色、光泽、粉色、比重和容重、硬度、脆度、断口及导电性等。其中,除了比重和导电性需要在实验室测定外,其他根据肉眼观察就可以确定。煤的物理性质可以作为初步评价煤质的依据,并用以研究煤的成因、变质机理和解决煤层对比等地质问题。

1.颜色

是指新鲜煤表面的自然色彩,是煤对不同波长的光波吸收的结果。呈褐色—黑色,一般随煤化程度的提高而逐渐加深。

2.光泽

是指煤的表面在普通光下的反光能力。一般呈沥青、玻璃和金刚光泽。煤化程度越高,光泽越强矿物质含量越多,光泽越暗风、氧化程度越深,光泽越暗,直到完全消失。

3.粉色

指将煤研成粉末的颜色或煤在抹上釉的瓷板上刻划时留下的痕迹,所以又称为条痕色。呈浅棕色—黑色。一般是煤化程度越高,粉色越深。

4.比重和容重

煤的比重又称煤的密度,它是不包括孔隙在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。煤的容重又称煤的体重或假比重,它是包括孔隙在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。煤的容重是计算煤层储量的重要指标。褐煤的容重一般为1.05～1.2,烟煤为1.2～1.4,无烟煤变化范围较大,可由1.35～1.8。煤岩组成、煤化程度、煤中矿物质的成分和含量是影响比重和容重的主要因素。在矿物质含量相同的情况下,煤的比重随煤化程度的加深而增大。

5.硬度

是指煤抵抗外来机械作用的能力。根据外来机械力作用方式的不同,可进一步将煤的硬度分为刻划硬度、压痕硬度和抗磨硬度三类。煤的硬度与煤化程度有关,褐煤和焦煤的硬度最小,约2～2.5无烟煤的硬度最大,接近4。

6.脆度

是煤受外力作用而破碎的程度。成煤的原始物质、煤岩成分、煤化程度等都对煤的脆度有影响。在不同变质程度的煤中,长焰煤和气煤的脆度较小,肥煤、焦煤和瘦煤的脆度最大,无烟煤的脆度最小。

7.断口

是指煤受外力打击后形成的断面的形状。在煤中常见的断口有贝壳状断口、参差状断口等。煤的原始物质组成和煤化程度不同,断口形状各异。

8.导电性

是指煤传导电流的能力,通常用电阻率来表示。褐煤电阻率低。褐煤向烟煤过渡时,电阻率剧增。烟煤是不良导体,随着煤化程度增高,电阻率减小,至无烟煤时急剧下降,而具良好的导电性。

(二) 煤的化学组成

煤的化学组成很复杂,但归纳起来可分为有机质和无机质两大类,以有机质为主体。

煤中的有机质主要由碳、氢、氧、氮和有机硫等五种元素组成。其中,碳、氢、氧占有机质的95%以上。此外,还有极少量的磷和其他元素。煤中有机质的元素组成,随煤化程度的变化而有规律地变化。一般来讲,煤化程度越深,碳的含量越高,氢和氧的含量越低,氮的含量也稍有降低。唯硫的含量则与煤的成因类型有关。碳和氢是煤炭燃烧过程中产生热量的重要元素,氧是助燃元素,三者构成了有机质的主体。煤炭燃烧时,氮不产生热量,常以游离状态析出,但在高温条件下,一部分氮转变成氨及其他含氮化合物,可以回收制造硫酸氨、尿素及氮肥。硫、磷、氟、氯、砷等是煤中的有害元素。含硫多的煤在燃烧时生成硫化物气体,不仅腐蚀金属设备,与空气中的水反应形成酸雨,污染环境,危害植物生产,而且将含有硫和磷的煤用作冶金炼焦时,煤中的硫和磷大部分转入焦炭中,冶炼时又转入钢铁中,严重影响焦炭和钢铁质量,不利于钢铁的铸造和机械加工。用含有氟和氯的煤燃烧或炼焦时,各种管道和炉壁会遭到强烈腐蚀。将含有砷的煤用于酿造和食品工业作燃料,砷含量过高,会增加产品毒性,危及人民身体健康。

煤中的无机质主要是水分和矿物质,它们的存在降低了煤的质量和利用价值,其中绝大多数是煤中的有害成分。

另外,还有一些稀有、分散和放射性元素,例如,锗、镓、铟、钍、钒、钛、铀……等,它们分别以有机或无机化合物的形态存在于煤中。其中某些元素的含量,一旦达到工业品位或可综合利用时,就是重要的矿产资源。

通过元素分析可以了解煤的化学组成及其含量,通过工业分析可以初步了解煤的性质,大致判断煤的种类和用途。煤的工业分析包括对水分、灰分、挥发分的测定和固定碳的计算四项内容。

1.水分

指单位重量的煤中水的含量。煤中的水分有外在水分、内在水分和结晶水三种存在状态。一般以煤的内在水分作为评定煤质的指标。煤化程度越低,煤的内部表面积越大,水分含量越高。水分对煤的加工利用是有害物质。在煤的贮存过程中,它能加速风化、破裂,甚至自燃在运输时,会增加运量,浪费运力,增加运费炼焦时,消耗热量,降低炉温,延长炼焦时间,降低生产效率燃烧时,降低有效发热量在高寒地区的冬季,还会使煤冻结,造成装卸困难。只有在压制煤砖和煤球时,需要适量的水分才能成型。

2.灰分

是指煤在规定条件下完全燃烧后剩下的固体残渣。它是煤中的矿物质经过氧化、分解而来。灰分对煤的加工利用极为不利。灰分越高,热效率越低燃烧时,熔化的灰分还会在炉内结成炉渣,影响煤的气化和燃烧,同时造成排渣困难炼焦时,全部转入焦炭,降低了焦炭的强度,严重影响焦炭质量。煤灰成分十分复杂,成分不同直接影响到灰分的熔点。灰熔点低的煤,燃烧和气化时,会给生产操作带来许多困难。为此,在评价煤的工业用途时,必须分析灰成分,测定灰熔点。

3.挥发分

指煤中的有机物质受热分解产生的可燃性气体。它是对煤进行分类的主要指标,并被用来初步确定煤的加工利用性质。煤的挥发分产率与煤化程度有密切关系,煤化程度越低,挥发分越高,随着煤化程度加深,挥发分逐渐降低。

4.固定碳

测定煤的挥发分时,剩下的不挥发物称为焦渣。焦渣减去灰分称为固定碳。它是煤中不挥发的固体可燃物,可以用计算方法算出。焦渣的外观与煤中有机质的性质有密切关系,因此,根据焦渣的外观特征,可以定性地判断煤的粘结性和工业用途。

(三)煤的工艺性质

为了提高煤的综合利用价值,必须了解、研究煤的工艺性质,以满足各方面对煤质的要求。煤的工艺性质主要包括:粘结性和结焦性、发热量、化学反应性、热稳定性、透光率、机械强度和可选性等。

1.粘结性和结焦性

粘结性是指煤在干馏过程中,由于煤中有机质分解,熔融而使煤粒能够相互粘结成块的性能。结焦性是指煤在干馏时能够结成焦炭的性能。煤的粘结性是结焦性的必要条件,结焦性好的煤必须具有良好的粘结性,但粘结性好的煤不一定能单独炼出质量好的焦炭。这就是为什么要进行配煤炼焦的道理。粘结性是进行煤的工业分类的主要指标,一般用煤中有机质受热分解、软化形成的胶质体的厚度来表示,常称胶质层厚度。胶质层越厚,粘结性越好。测定粘结性和结焦性的方法很多,除胶质层测定法外,还有罗加指数法、奥亚膨胀度试验等等。粘结性受煤化程度、煤岩成分、氧化程度和矿物质含量等多种因素的影响。煤化程度最高和最低的煤,一般都没有粘结性,胶质层厚度也很小。

2.发热量

是指单位重量的煤在完全燃烧时所产生的热量,亦称热值,常用106J/kg表示。它是评价煤炭质量,尤其是评价动力用煤的重要指标。国际市场上动力用煤以热值计价。我国自1985年6月起,改革沿用了几十年的以灰分计价为以热值计价。发热量主要与煤中的可燃元素含量和煤化程度有关。为便于比较耗煤量,在工业生产中,常常将实际消耗的煤量折合成发热量为2.930368×107J/kg的标准煤来进行计算。

3.化学反应性

又称活性。是指煤在一定温度下与二氧化碳、氧和水蒸汽相互作用的反应能力。它是评价气化用煤和动力用煤的一项重要指标。反应性强弱直接影响到耗煤量和煤气的有效成分。煤的活性一般随煤化程度加深而减弱。

4.热稳定性

又称耐热性。是指煤在高温作用下保持原来粒度的性能。它是评价气化用煤和动力用煤的又一项重要指标。热稳定性的好坏,直接影响炉内能否正常生产以及煤的气化和燃烧效率。

5.透光率

指低煤化程度的煤(褐煤、长焰煤等),在规定条件下用硝酸与磷酸的混合液处理后,所得溶液对光的透过率称为透光率。随着煤化程度加深,透光率逐渐加大。因此,它是区别褐煤、长焰煤和气煤的重要指标。

6.机械强度

是指块煤受外力作用而破碎的难易程度。机械强度低的煤投入气化炉时,容易碎成小块和粉末,影响气化炉正常操作。因此,气化用煤必须具备较高的机械强度。

7.可选性

是指煤通过洗选,除去其中的夹矸和矿物质的难易程度。我国现行的选煤方法,详见第四节。