美国的煤炭主要分部在哪里?
美国是煤炭资源丰富、产量大、并且大量出口的国家。
据世界能源会议《1986年能源资源调查》资料,美国煤炭资源已探明的储量达4429亿吨,次于中国居世界第二位。其中烟煤占51%,次烟煤占38.5%,无烟煤占1.5%,褐煤占9%。美国煤炭资源分布较为普遍,50个州中31个州埋藏有煤,密西西比河以东地区占探明储量的45%,以西地区占55%。东部煤的质量优于西部,生产优质炼焦煤,动力煤和无烟煤;西部多产烟煤和褐煤。已探明的煤炭资源的埋藏深度一般都不超过300米,有1/3可露天开采。
美国煤炭产量1900年已达2.45亿吨,居世界首位;1918年产量达6.15亿吨。此后产量不断下降,1947年又回升为6.24亿吨,为历史最高水平;此后又一直下降,1960年只产3.8亿吨。由于“能源危机”的爆发,使煤炭重新受到重视,产量上升,1985年产量达8.04亿吨,1990年达8.6亿吨,仅次于中国居世界第二位。美国煤炭生产除满足国内需要外,还有大量出口,近来每年出口达8400万吨(1980~1984年平均),1981年出口曾达1亿吨,是世界最大的煤炭出口国。主要出口到日本、加拿大和西欧等地区。大西洋沿岸中部的诺福克是美国最大的煤炭出口港。就煤炭国内消费看,主要用于发电,约占总消费量的80%多,炼焦用煤占7~8%。其中近90%的煤来自东部阿巴拉契亚煤田,特别集中在肯塔基、西弗吉尼亚、宾夕法尼亚和弗吉尼亚等州。
煤炭资源分布虽较普遍,但煤炭的开采却较集中。就全国来看,煤炭开采主要集中在密西西比河以东。1985年密西西比河以东占全国煤炭产量的64%,密西西比河以西只占36%。美国主要的煤田有阿巴拉契亚煤田、中部煤田、南部煤田(墨西哥湾沿岸)、北部大平原煤田、西部煤田(落基山煤田)、太平洋沿岸煤田和阿拉斯加煤田。其中以阿巴拉契亚、中部和西部煤田最重要。
阿巴拉契亚煤田是美国最大的煤炭基地,它位于美国东部,分布在阿巴拉契亚高原地区的石炭纪地层内。北起宾夕法尼亚中部和俄亥俄州中部,北部宽约300公里,向西南延伸,宽度逐步变窄一直到亚拉巴马州的北部,南北长达1200公里,包括宾夕法尼亚洲的西部、俄亥俄州的东部、西弗吉尼亚洲、肯塔基州的东部、田纳西州的中部、亚拉巴马州的北部,以及弗吉尼亚和马里兰州的西部边缘,共八个州。面积18万平方公里,探明储量达1000多亿吨,占全国探明储量的1/4多,其中优质炼焦煤占全国探明储量的90%。阿巴拉契亚煤田不但质优,而且埋藏浅,煤层厚,99%的煤层是水平或近于水平分布,平均厚度达1.7米,平均开采深度70米。阿巴拉契亚煤田的产量1985年达4.25亿吨,占全国总产量的53%。阿巴拉契亚煤田的开采是从北部开始,逐步向中部南部推进。19世纪30年代以前,煤田所在的八个州都有煤炭开采,但主要集中在宾夕法尼亚、西弗吉尼亚和肯塔基、弗吉尼亚。宾夕法尼亚州一直是美国最大的煤炭生产州,现年产煤约6000万吨。以匹兹堡和康奈尔斯维尔为中心的煤田是烟煤的最重要产区,与北部钢铁工业最为接近,而本区就是美国重要的钢铁产区。该州东部以斯克兰顿为中心的无烟煤田,是现在美国最大的无烟煤产地,目前年产量仅为350万吨(1917年产量曾达1亿吨),曾是钢铁工业初期的主要燃料基地。
阿巴拉契亚第二个集中开采区是西弗吉尼亚和肯塔基煤田。开采晚于宾夕法尼亚州。现年产煤达2.3亿吨,成为全国产量最大的煤田。这里的煤主要供应中西部、芝加哥地区和东北大西洋沿岸地区。从大西洋沿岸出口的煤炭主要来自这里。
阿巴拉契亚南端的亚拉巴马煤田,位于伯明翰附近,年产煤2000多万吨,是伯明翰地区钢铁工业的燃料基地。
阿巴拉契亚煤田的重要性不仅在于它储量丰,产量大,而更重要的是位置优越。它恰位于美国经济最发达,人口密集的制造业带内,与工业区紧密结合,接近最大煤炭消费区,也是美国现代钢铁工业的摇篮。
中部煤田,位于美国内陆中部,探明储量约占全国的近20%。1985年产量达1.3亿多吨,占全国煤产量的16.5%,2/3产自伊利诺斯和印第安纳两个州。煤田靠近大的燃料消费区——大湖工业区,但煤质较差,多为动力煤,且含硫量较高。能炼焦的煤不多,一般要与阿巴拉契亚的优质煤混合才能炼出合格的焦炭。有些低硫优质炼焦煤都埋藏很深,因此使该煤田的发展受到一定的限制,并遭到西部煤田的竞争。
落基山煤田和北部大平原煤田,是密西西比河以西最主要的煤田。大部位于落基山区和大平原的北部,储量丰富,探明储量占全国的48%,1985年生产煤近2.4亿吨,占全国煤炭产量的近30%。西部煤田大部为烟煤,突出特点是含硫量低,煤层厚,覆盖层薄,适于大规模露天开采。西部新建露天煤矿的吨煤投资仅为东部新矿井投资的1/3。西部煤田开采近十余年得到迅速发展。目前西部最大的产煤州是怀俄明州,1970年仅产煤600多万吨,1985年产煤达12500万吨,增长近20倍。其次产煤多的州有新墨西哥州、科罗拉多州和犹他州。大平原北部煤田主要分布在北达科他州和蒙大拿州,煤质较差,主要是褐煤,年产煤约5000多万吨。西部煤田由于位置远离东部大的消费区,这是不利因素。但对西部钢铁工业的发展成为有利的条件。美国目前正在研究解决西煤东运问题。
据美国煤炭工业发展趋势看:煤炭产量将继续增长,预测1992年产量将达10亿吨。生产将继续由东向西转移,西部煤田产量将增长更快,在全国的比重进一步提高。
美国煤炭资源分布虽较普遍,但煤炭的开采却较集中。就全国来看,煤炭开采主要集中在密西西比河以东。1985年密西西比河以东占全国煤炭产量的64%,密西西比河以西只占36%。美国主要的煤田有阿巴拉契亚煤田、中部煤田、南部煤田(墨西哥湾沿岸)、北部大平原煤田、西部煤田(落基山煤田)、太平洋沿岸煤田和阿拉斯加煤田。其中以阿巴拉契亚、中部和西部煤田最重要。
美国煤炭产量1900年已达2.45亿吨,居世界首位;1918年产量达6.15亿吨。此后产量不断下降,1947年又回升为6.24亿吨,为历史最高水平;此后又一直下降,1960年只产3.8亿吨。由于“能源危机”的爆发,使煤炭重新受到重视,产量上升,1985年产量达8.04亿吨,1990年达8.6亿吨,仅次于中国居世界第二位。美国煤炭生产除满足国内需要外,还有大量出口,近来每年出口达8400万吨(1980~1984年平均),1981年出口曾达1亿吨,是世界最大的煤炭出口国。主要出口到日本、加拿大和西欧等地区。大西洋沿岸中部的诺福克是美国最大的煤炭出口港。就煤炭国内消费看,主要用于发电,约占总消费量的80%多,炼焦用煤占7~8%。其中近90%的煤来自东部阿巴拉契亚煤田,特别集中在肯塔基、西弗吉尼亚、宾夕法尼亚和弗吉尼亚等州。
人类对煤炭的认识最早可追溯到公元前,古中国、希腊、古罗马等地都有使用煤炭的记录。距今大约2000多年前,古希腊开始开采和利用煤炭,而中国早在6800~7200年以前,煤炭就被发现和利用作为燃料,是世界上最早利用煤的国家。但是,由于生产力的限制,此时对煤炭的认识尚处于早期,柴草是当时最主要的能源。
直到17世纪后,随着手工业的蓬勃发展,木柴作为燃料越来越满足不了人类日益增长的需求,煤炭真正得到广泛利用,取代木柴成为世界的主要能源。
18世纪开始,煤炭成为西方国家的主要工业和运输能源。早期工业化国家发达的煤炭产业,为工业发展和人民生活水平的提高提供了大量能源,为优化资源配置,促进经济进一步发展打下了坚实的基础。蒸汽机的推广,冶金工业的勃兴及交通运输的发展,都需要大量的煤炭。因此,各国几乎都在产业革命的同时,迅速兴起近代煤炭工业。18世纪中叶由于工业革命的进展,英国对炼铁用焦炭的需要量大幅度地增加,炼焦炉应运而生。
随着钢铁工业的兴盛,西方工业国家,尤其是英国,迎来了“煤钢时代”。此时英国的主要煤矿产区大都经历了一个钢铁行业耗煤量占煤炭总产量的一半甚至七八成的时段,但是其峰值大多出现在1870年之前。
伴随着能源消耗和产业转型,煤炭产业在20世纪初迎来了繁荣时期。二战前,煤炭生产集中在美、英、德和(前)苏联,合占世界总产量的3/4。1913年,世界煤炭产量13.20亿t,占世界一次能源总产量的92.2%,比1860年增加7倍,从而进入了能源“煤炭时代”。
1929年爆发的经济危机,大批煤矿被关闭,众多矿工被解雇,这又引发了不断的煤矿工人罢工。与此同时石油的大量开发,又夺走了许多煤炭市场,迫使煤炭产量出现了下降和徘徊局面。20世纪30年代,煤炭产业进入了最暗淡、最困难的时期。
第二次世界大战的爆发加速了美国经济的复兴,20世纪30年代末到40年代初、中期,美国煤炭产量迅速回升,支持了美国的战争和战后欧洲的复兴。第二次世界大战前夕及大战期间,煤化工也取得了全面而迅速的发展。1950年,世界煤炭产量比1913年增长39.8%,达18.18亿t,占世界能源消费的62.3%。
20世纪50年代开始,煤炭在工业文明中的重要地位不断式微,煤钢时代的几个传统大国在二战后也都不复当年之辉煌。新兴的美国和石油一起逐渐成为世界的主导力量,天然气与核能也在总的能源利用中占据越来越重要的地位。总体而言,1950~1973年,是石油的黄金时代,其间煤炭产业发展缓慢。1951~1974年,是煤炭生产的萧条时期,20多年间煤炭产量只增加12.2%。一些传统煤炭生产国弃煤开油,西方国家的煤炭工业一度衰落。由于大量廉价石油和天然气的开采,除炼焦工业随钢铁工业的发展而不断发展外,工业上大规模由煤制取气体燃料的生产暂时中止,不少工业化国家用天然气代替了民用煤气。以石油和天然气为原料的石油化工飞速发展,致使以煤为基础的乙炔化学工业的地位大大降低。
进入20世纪70年代末,石油危机使煤炭工业重现生机,产量加速增长,生产和利用都有很大发展。1980年煤炭产量达37.89亿t,比1970年增长29.3%1989年世界煤炭产量达48.8亿t,比1976年增加50%1990年世界煤产量达47.167亿t,为历史最高水平,比1980年增长59.4%。
进入20世纪90年代中期,世界煤炭生产发生戏剧性的变化,由20世纪80年代的高速增长变为负增长,1996年产量为46.3亿t,比1990年下降1.8%。主要原因是:前苏联经济严重滑坡,煤产量陡降,从1990年的7.03亿t降至1996的4.192亿t,下降40.5%西欧国家逐步取消煤炭生产补贴,导致产量大幅下降,英国从1990年的0.944亿t降至1996年的0.505亿t,下降46.5%,德国从3.975亿t降至2.351亿t,下降45.8%全球环境浪潮的冲击,使发达国家煤炭需求减少,OECD国家煤炭总需求量从1990年的13.552亿t煤当量减至1996年的13.35亿t煤当量,减少1.5%世界第1和第3产煤国中国和印度煤产量增长速度趋缓。此外,曾是世界主要产煤国的法国和日本,煤炭工业即将消失,1996年产量已分别降到990万t和650万t。
进入21世纪,纵观当今世界各主要产煤国的煤炭工业,煤炭企业的发展正逐步走向集团化、集约化、信息化和国际化。除中国外,目前世界主要产煤国家的前4家煤炭企业的市场占有率均在40%以上(美国45.8%、南非62%、澳大利亚64%),单井平均生产规模200万t左右(德国280万t、波兰200万t、英国180万t)。
EIA近期发布的一篇报道称:作为世界第一大煤炭生产国,2010年,中国的煤炭产量几乎占了世界煤炭产量的50%,是世界第二大煤炭生产国美国煤炭产量的3倍之多,差不多是继中国之后十大煤炭生产国的产量之和。世界排名前五的中国、美国、印度、澳大利亚和印度尼西亚,煤炭生产占了全球煤炭总产量的75%,总产量增长占到了98%而世界其他国家煤炭增长仅占7%。2000~2010年间,全球煤炭产量上涨了66%,年产量一度超过80亿t。
人类与地质环境相互作用,是从人类有意识地制造工具开始的。在此之前,人类与动物没有太多差别,本能地、被动地依附于地质环境。从人类文明的历史发展过程分析,可将人类与地质环境的相互作用的历史进程大致划分为以下几个时期。
(一)文明史前时期
在这一时期,人类从被动地依附于地质环境转向主动地求助于地质环境,从周围的地质环境中有目的、有意识地就地选取合适的矿产材料作为原料来制造工具。以当时人们开发利用的主要矿产种类为依据,历史学家将文明史前时期划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代和铁器时代。
矿产资源的开发利用,对人类社会文明的发展产生了巨大的、无可代替的作用。旧石器时代人们将石料打制为生产工具,维持采集和狩猎的原始生活。我国考古工作者发现,最早为人们所利用的矿产主要是石料、石英和燧石[29]。例如,脉石英是周口店附近来源比较丰富的一种原料,北京人在长期实践中发明了砸击法将脉石英打制为石制品,使这种劣质原料的制品成为石制品的主要组成部分[30]。大约在公元前3500年,古美索不达米亚人已经学会用太阳晒干的粘土砖块建造永久性居所。到了新石器时代,石料矿产的利用更加广泛,制作的工具除石刀、石箭外,还有石斧、石镰、石犁等。同时,人们开发利用粘土、陶土等非金属矿产作为原料来烧制陶器,开发利用多种矿物作为原料来制作玉器、首饰和绘画。之后,人们发现铜熔炼后加入少许锡硬度会大大增强,开始向青铜器过渡,最先为人们所利用的金属包括铜、铅、锡和锌,逐渐达到繁荣,之后又向铁器时代过渡[31]。实际上,铁器在很多方面劣于青铜器。铁器能推广应用,在很大程度上,是由于青铜器原材料的缺乏。铁矿可能是最早的基于经济原因而出现的其他金属矿的替代品。虽然某些矿产资源发生了缺乏或耗竭的现象,但当时的决策者并没有意识到资源匮乏对社会经济发展的影响。
大约六七千年以前,人们开始开发利用地下水。考古学家在浙江余姚河姆渡原始社会遗址发现了我国最早的水井。这口水井原先可能是一个天然的或人工挖的锅底形水坑,为防止井壁坍塌,向坑中打入四排木桩,组成一个方形的桩木墙,将墙内的泥土挖出,就建成了水井[32]。原始社会末期,人们已经打出了深达六七米,直径两米的生活用水井。随着井的大量开凿,人们对地下水的性质也有了新的认识。《管子》记载了地下水埋藏深度、地下水质和相应的地表土壤情况。引泉水灌溉也属于地下水利用的一个方面,《水经注》中多处提到古代利用泉水灌溉,如山西汾阴(今山西万荣县西)引瀵水种稻等。
虽然在矿产、地下水、土壤开发利用方面取得了缓慢的进步,但是在自然界面前人类仍处于任由摆布的地位,对地震、滑坡、泥石流等突发型的地质灾害完全无能为力。对自然灾害,人们认为是上天降罚于人类,这便产生了天命主义禳弭思想[33]。人们想要免除自然灾害,只能祈求上天宽恕。
由上述论述可知,这一时期人类与地质环境的关系,主要表现在人类向地质环境资源的单纯索取上。
(二)农业文明时期
从原始社会末期到近代资本主义萌芽,人类经历了漫长的农业文明时期。这一时期,人类在向地质环境索取更多的生活生产资料的同时,主动地顺应地质环境,利用缓慢进步的技术改造地质环境随着人口的增加与技术的进步,人们对地质环境改造的能力在局域内超越了地质环境承载力,引发了当时难以解决的地质环境问题。
越来越多的矿种被不同程度地开发利用。我国秦汉时期,盐矿、铁、铜、金、银、铅、锡、汞等矿产的开采进入一个兴盛时期。魏晋时期,煤炭已用作生活燃料,人们已经懂得将石油做燃料用于战争中的火攻。隋唐时期,盐业、铜矿开采得到了大力发展。到宋代,煤炭已经成为人们日常生活和手工业较为普遍使用的燃料。山西已有很多人以采煤为生,煤矿开采已经有一套比较完整的技术。从鹤壁古煤矿遗址知道,当时是先由地面开凿圆形竖井,深达46m,然后依地下自然煤层的变化开掘巷道。巷道高1m多,形状上窄下宽,上宽1m,下宽1.4m,再把需要开采的煤田凿成若干小区,运用“跳格式”的先内后外的方法逐步后撤。井下排水一方面用辘轳往外抽水,另一方面把地下水引进采完煤的坑洼地区贮积起来。古代英国早期主要砍伐森林获得所需的燃料,但是随着森林资源的大规模开伐,木材供应紧张,人们开始开发煤炭以替代木材。1300年,纽卡斯尔和英格兰东北部煤炭开采业已经有了一定规模,人们将开采的煤炭用船水运到伦敦供居民使用,到1600年煤炭的使用已经相当普遍了。到1700年工业革命前夕,英国煤炭产量达到了300万t[34]。
原始社会末期,人们开始开发利用一种新的资源,并很快取代矿产成为最重要的地质资源,这种资源就是土壤。土壤的开发利用,标志着农业的出现。农业的出现是人类发展史上的一次重要革命。随着农业的发展,越来越多的土地留下了人们耕作的痕迹,人类对地质环境的作用随着农田的扩大而在空间上不断扩展和延伸。农业的发展,促进了人口增长和经济发展。由于人口增加,大片宜耕或不宜耕的土地被开垦成农田,原来的森林、草原、湖沼、山原不断为农田景观所取代。农业是直接依托地质环境而发展的生产部门,无限制的土壤开发带来了人们意想不到的地质环境问题。古代美索不达米亚土壤开发就是一个典型的实例。美索不达米亚地处幼发拉底河和底格里斯河之间的冲积平原,地势平坦,土地肥沃,但是气候干旱,土壤渗透性差。为了得到充足的水源,苏美尔人开凿运河,开挖沟渠,引底格里斯河和幼发拉底河河水灌溉农田,农业开发取得了前所未有的成功。据吉尔苏城邦文献记载,在公元前2400年平均粮食产量高达每公顷2537L。然而,长期的只灌不排和过度灌溉导致当地地下水位不断上升,在蒸发作用下,地下水中的盐分不断在土壤中累积,导致土壤次生盐渍化问题,原来肥沃的土地逐渐退化。粮食产量不断下降,到公元前2100年下降到每公顷1460L,到公元前1700年下降到每公顷897L[35]。同时,引来的河水携带着大量的泥沙,不断淤积在运河与沟渠附近的农田,在破坏农田的同时,形成了多堤岗、多沼泽的地貌特征,给人类生活生产造成了巨大影响。据考古学家研究,我国楼兰古国处于塔里木河下游一个绿洲上。由于汉代政府采取了在西域驻兵屯田的策略,塔里木河中上游的农业开发规模日益扩大,用水日渐增多,破坏了下游楼兰的水资源条件,引起绿洲地质环境恶化,土壤沙化日益严重,原本水草茂盛、水网交织、森林密布的绿洲最终退化为不适合人类居住的地质环境,楼兰古国亦随之而倾[36]。针对大规模的森林砍伐和土地开荒,1666年日本幕府已经意识到发生土壤流失、河流淤积、洪水泛滥等灾害的危险,向人们发出警告并鼓励植树造林蓄养土地[37]。
随着古代人口增长和城邦的发展,不同城市间货物贸易推动了交通道路的建设。大约在公元前600年,古埃及人开凿了连接地中海和红海的第一条运河,运河宽60m深13m,长约160Km,大量挖掘出来的土壤堆放在运河沿岸。用400年的时间,古代罗马人采用泥沙、碎石和岩块铺设了30万Km道路。约公元前100年,人们广泛采用石灰石烧制混凝土,用作建筑材料[38]。
(三)工业革命时期
18世纪中叶,以蒸汽机的发明为标志,人类社会进入了工业革命时期。这一时期人类与地质环境的关系主要表现为经济活动对地质环境无约束的大规模扰动、改造和污染。随着科学技术水平的快速提高,人类征服自然的能力空前提高,矿产、地下水和土地(土壤)资源开发规模日益扩大农业生产、交通水利设施建设、矿冶工程、城市化等经济活动对地质环境作用强度不断加大矿山环境问题、土壤流失、地面沉降、土壤污染等地质环境问题逐步显现、恶化,对人类生活生产形成了越来越严重的威胁人类保护地质环境的意识缓慢觉醒,工业化国家开始制定相应的法律法规来约束人们的经济活动。
工业革命极大地推动了煤炭、铁矿等矿产资源的开发利用,矿产对于经济社会的重要性再次超过了土壤。1795年,William WilKinson发明了熔炼铁矿石的熔铁炉1815年,Humphry Davy发明了防止煤矿瓦斯爆炸的安全灯1856年,Henry Bessemer发明了底吹酸性过程技术。随着一系列技术的发明,人们开发利用矿产资源的能力不断提高。据Flinn估算,1750~1830年英国煤炭产量从520万t增长到3040万t,80年间增长了6倍左右[39]生铁产量从1740年的1.74万t增长到1880年的774.92万t[40],140年间增长了约445倍。美国工业革命也伴随着矿产资源的大规模开发。据统计,美国煤炭产量经历了两次快速增加的时期:第一次为1867~1918年,煤炭产量从0.13亿t迅速增加到6.14亿t,之后的1918~1964年,受多种因素影响,煤炭产量在3亿~6亿t之间变动第二次为1965~1998年,煤炭产量从4.73亿t快速增长到10.14亿t(图1-13)。同时,随着经济规模的扩大,金属矿产产量持续增加(图1-14)。由于矿产资源开发利用引发地质环境问题往往在时间上存在滞后效应,人们在意识到地质环境问题的危害时,很可能已遭受了惨痛的教训。英国LanarKshire,HicKleton,Northwich等矿区先后发生了地面沉降。据SherlocK估计,到20世纪初英国因采矿导致的地面沉降相当于59.1亿立方码的岩石被从地表挖走[42]。1971年,美国西弗吉尼亚南部一座煤矿由于露天开采的疏忽,大雨造成煤炭泥浆池决口,洪水导致118人死亡和4000人无家可归。
图1-13 美国煤炭产量变化示意图(1867~1990年)[41]
图1-14 美国典型金属矿产品产量变化示意图(1867~1990年)
农业和城市发展对地下水的需求不断增加。在1900年以前,美国主要通过自流井开采地下水。随着各个州自流井数量越来越多,自流井自流水量不断衰减。到20世纪30年代,Tolman发现了地下水开采所引发的海水入侵和地面沉降现象。含水层枯竭、地下水污染、海水入侵和地面沉降等问题的先后出现,使人们认识到开发地下水需要进行合理规划和科学管理。
交通、矿产开采、城市化、农业开发等工程经济活动规模的日益扩大,使人类活动逐渐成为作用于地质环境的一种主要地质营力。在火车发明之前,英国主要依靠水运运输矿产和货物。为了扩大运输范围,英国自1731年开始开凿运河。从第一条Newry运河开始到最后一条Liverpool Junction运河完成,持续了近一个世纪的时间。据统计,到19世纪末,英国开凿运河挖掘岩土约2.53亿立方码,修建铁路搬移岩土约30.31亿立方码,道路建设搬移岩土约6.24亿立方码,采矿搬移岩土约196.92亿立方码,房屋建设搬移岩土约5.00亿立方码。由于农业开荒、矿产开采和城市化,1770~1980年欧洲森林面积从2.30亿hm2减少到2.12亿hm2,减少了7.8%草地面积从1.90亿hm2减少到1.38亿hm2,减少了27.4%农田面积从0.67亿hm2增长到1.37亿hm2,增加了104.5%。从全球范围来看,1770~1980年森林面积从62.15亿hm2减少到50.53亿hm2,减少了18.7%农田面积从2.65亿hm2增长到15.01hm2,增加了466.4%城市化水平从3%增长到41%,城市人口达到18.1亿人[43]。可以看出,在越来越多的地区人们对地质环境的扰动超过了自然营力的作用。
(四)信息革命时期
20世纪末,人类社会经历了前所未有的来自知识信息革命的冲击。在发展中国家加快工业化的同时,发达国家进入了知识经济时代。这一时期人类与地质环境的关系主要表现为开发与保护并重,从过去无节制的大规模扰动、改造和污染模式转向人地协调相处模式。在技术进步的推动下,全球经济一体化的步伐加快,发展中国家在全球产业分工中多处在产业链低端,以生产资源环境密集型产品为主。一方面,发达国家加大治理工业化过程中遗留的地质环境问题力度,加强地质环境涵养与保护另一方面,发展中国家承载了越来越多的资源消耗和地质环境污染,地质环境压力不断增大。
经济活动对地质环境的作用在空间上不断延伸,在强度上不断加大。矿产资源的开发不再局限于陆域地表浅部。一是向海域进军,探索海底蕴藏的矿产资源。几十年前人们还仅是开发大陆架的石油和天然气,而目前正在试图探索、勘查深海洋底。二是向地壳深部进军,探索地表500m以下蕴藏的矿产资源。据估计,目前人类每年从地质环境开发的矿产资源总量高达300亿t以上,人均消费量达到6t左右[44]。城市化、工程建设、矿产开采、农业开发等工程经济活动搬运和移动的土壤与岩石量达到了前所未有的程度。HooKe根据不同历史时期典型国家的工程经济活动规模,估算出了不同历史时期人均搬运岩土量(图1-15)。如果以人均搬运岩土量表示人类对地质环境作用强度,从图1-15可以得出,在距今200年以前的人类漫长历史进程中人类对地质环境的作用强度很弱近100年人类对地质环境的作用强度急剧增大,到目前人类每年搬移土壤和岩石总量已经超过了全球沉积循环的自然的土壤和岩石流动。
图1-15 人类不同历史时期人均搬移土壤和岩石量估算曲线图[31]
在可持续发展的框架下,各个国家先后出台了相关的法律、规定、政策和规划,加强地质环境保护与管理。美国1977年颁布了露天采矿与复垦法,在1990年和1992年进行了大幅度的修改和完善,对矿产开采、矿山闭坑、土地复垦等活动做出法律规定,并建立了废弃矿山复垦基金和矿山环境恢复履约保证金等制度,防治矿山开采所引发的地质环境问题。2002年欧盟出台了“第六环境行动计划”,目的是促进自然资源的可持续利用和废弃物管理,强调资源消费不能超过环境承载能力[45]。2006年欧盟发布了“土壤主题战略”,通过建立土地框架指南,以期解决土壤流失、土壤污染、盐渍化等土壤地质环境问题。
如果你知道了世界上最大的铜矿,那么对世界前十大煤矿感兴趣吗?你肯定会认为在我国,其次是山西煤矿,其实不然,在美国的罗切斯特煤矿,储量为23亿吨,来看看世界前十大煤矿有哪些?
10.塞雷洪煤矿,哥伦比亚预储煤量:7.5亿吨
位于哥伦比亚瓜贾拉半岛的塞雷洪煤矿,预计可采煤量为7.5亿吨,其中的6.6亿吨已经确认,于1985年开始投入生产,是一处大型的露天矿,是世界前十大煤矿之一。
9.拉斯帕兹卡娅煤矿,俄罗斯预储煤量:7.8亿吨
位于俄罗斯克麦罗沃州的拉斯帕兹卡娅煤矿,是哦俄罗斯最大的煤矿,预计可采煤量为7.8亿吨,20世纪70年代末开始投入生产,是世界前十大煤矿之一。
8.科巴洛煤矿,美国预储煤量:8.5亿吨
也位于美国怀俄明州,处东南部,预计可采煤量为8.5亿吨,自1978年以来一直在生产,是主要的露天采矿地,是世界前十大煤矿之一。
7.亚瑟山煤矿,澳大利亚预储煤量:10.4亿吨
该煤矿位于澳大利亚新南威尔士州猎人谷地带,预计可采煤量为10.4亿吨(其中5.85亿吨确认的和4.6亿吨预测),由两个露天矿组成。1968年开始生产,年产量1600万吨,矿场寿命为40年,是世界前十大煤矿之一。
6.皮克当斯煤矿,澳大利亚预储煤量:10.6亿吨
该煤矿位于澳大利亚昆士兰中部的鲍文盆地,预计可采煤量约为10.6亿吨,是一种露天矿场,于1972年开始生产,近年来产量创历史新高,是世界前十大煤矿之一。
5.黑雷露天煤矿,美国预储煤量:14.6亿吨
也是位于美国的怀俄明州,预计可采煤量14.6亿吨,2012年生产原煤9290万吨,2011年为1.049亿吨,据这个速度至少可以维持到2021年,是世界前十大煤矿之一。
4.莫阿蒂泽煤矿,莫桑比克预储煤量:14.9亿吨
莫阿蒂泽煤矿位于莫桑比克的特提省,预计可开采的煤量为14.9亿吨,也有可能是11.9亿吨,运营商是巴西矿业公司淡水河谷,持有该矿95%的股份,于2015年正常投入生产,是世界前十大煤矿之一。
3.黑岱沟露天煤矿,中国预储煤量:15亿吨
位于准格尔煤田中部,也在中国内蒙古自治区,据估计有15亿吨可开采的煤炭储量,1990年建设,1999年开始生产,生产低硫、低磷煤,年生产能力为2000万吨,是世界前十大煤矿之一。
2.哈尔乌素露天煤矿,中国预储煤量:17亿吨
位于中国的内蒙古自治区东部,处陕蒙交界地带,是中国最大的露天煤矿,预计可采煤量将超过17亿吨,露天煤矿现有在籍职工1157人。该煤矿的开发成本约为11亿美元,第一批煤炭在2008年10月,年产量约为20吨原煤,是世界前十大煤矿之一。
1.罗切斯特煤矿,美国预储煤量:23亿吨
位于美国的怀俄明州波德河煤田,是目前世界上储量最大的煤矿,美国40%的煤炭都来自这里,预计可采煤量将超过23亿吨。也认为是美国最干净的煤炭,硫含量很低,是世界前十大煤矿之一。
各国产量(单位:百万吨) 国家 1970 1980 1990 2000 2001 德国 369.300 388.000 356.500 167.700 175.400 俄罗斯 127.000 141.000 137.300 86.400 83.200 美国 5.400 42.300 82.600 83.500 80.500 澳大利亚 24.200 32.900 46.000 65.000 67.800 希腊 8.100 23.200 51.700 63.300 67.000 印度 24 24 24 24 24 波兰 32.800 36.900 67.600 61.300 59.500 土耳其 4.400 15.000 43.800 63.000 57.200 捷克 67.000 87.000 71.000 50.100 50.700 中华人民共和国 13.000 22.000 38.000 40.000 47.000 南斯拉夫 26.000 43.000 60.000 - - 塞尔维亚 - - - 35.500 35.500 罗马尼亚 14.100 27.100 33.500 17.900 29.800 朝鲜民主主义人民共和国 5.700 10.000 10.000 26.000 26.500 Total 804.000 1,028.000 1,214.000 877.400 894.800 主要用于发电厂的燃料,也可作化工原料、催化剂载体、吸附剂、净化污水和回收金属等。通常有两种:(1)土状褐煤(brown coal),质地疏松而较软;(2)暗色褐煤(lignite),质地致密而较硬。可直接用作家庭燃料、工业热源燃料及发电的燃料,也可用作气化、低温干馏等的原料。
碘。
在世界上的某些地方,把褐煤用作热源燃料和化学制品及气体与液体燃料的原料。在美国,最先在大平原北部(北达科他州、蒙大拿州东部、怀俄明州东北部和南达科他州的西北部)和墨西哥湾沿岸地区(亚拉巴马州、阿肯色州、堪萨斯州、路易斯安那州、俄克拉荷马州和得克萨斯州)以及太平洋沿岸诸州(加利福尼亚州、俄勒冈州和华盛顿州)发现了褐煤。
中国褐煤量只有2118亿吨,与世界褐煤资源量(26229亿吨)约占世界煤炭资源总量(107539亿吨)的24.4%相比,比例也很低,约占全国煤炭总资源量的13%,主要分布在内蒙古东部和云南东部,东北和华南也有少量。
褐煤的燃烧值低,在3000大卡或以下。国内外最新的发展技术是褐煤干燥,能够将其燃烧值提高到4800 甚至6000大卡。
美国最重要的阿巴拉契亚煤田,生成于2.2-3.2亿年前,属二叠纪宾夕法尼亚统;中西部各煤田,成煤年代约在3300万-1.4亿年前,属白垩纪和第三纪;阿拉斯加州煤田则属侏罗纪,成煤年代距今在1.35-1.75亿年间。
美国按地理位置将煤炭资源分为三大地区,即东部阿巴拉契亚地区,中部地区和西部地区。以上3个地区在探明储量中所占百分比分别为22.6%、28.1%和49.3%。
美国适于炼焦的煤炭资源较为丰富,约占探明储量的35%;但低挥发分烟煤储量有限,只占探明储量的1.1%。炼焦煤的主要产地是阿巴拉契亚煤田,西部也有一些重要的烟煤产区。
无烟煤资源有限,主要集中于宾夕法尼亚,阿拉斯加、新墨西哥、犹他州、弗吉尼亚也有少部分储量。
从地理分布上看,虽然在50个州中有38个发现了煤炭,但煤炭储量集中在科罗拉多、伊利诺依、蒙大拿、宾夕法尼亚、俄亥俄、西弗吉尼亚、怀俄明和肯塔基州8个州,这8个州的煤炭储量占全美的84%;其中蒙大拿拥有全国25.4%的探明储量,怀俄明州列第二,占14.8%,伊昨诺依居第三,占14.3%。
若以密西西比河为界划分,西部较东部资源丰富,占全国储量的55%,且适于露天开采的储量为东部的3倍。东部多优质炼焦煤、动力煤和无烟煤,热值较高(288.42MJ/KG),灰分低,不过含硫量高(2%-3%);西部煤质相对较差,多为次烟煤和褐煤,热值低(255.72MJ/KG),但含硫量较低(1%左右)。
美国的主要煤田有阿巴拉契煤田、伊利诺依煤田、中西部煤田、尤宁堡煤田、波德河煤田、尤塔固煤田、格林河煤田、圣胡安煤田和科尔维尔高煤田,开发强度和储量最大的2个煤田是东部的阿巴拉契亚煤田和醅的波德河煤田。
1) 阿巴拉契亚煤田
阿巴拉契亚煤田是美国发现最早、开采时间最长、在美国煤炭工业发展史上最重要的煤田,煤田位于美国东部,沿阿巴拉契亚山脉从北向南纵贯9个州,成煤年代在2.2亿前的二叠纪,1991年总资源量为3107亿吨,其中探明储量938亿吨,可采储量约499亿吨。该煤田煤种齐全,以烟煤为主,占储量的90%。煤田北部宾夕法尼亚州有大量的无烟煤赋存,为美国唯一的无烟煤产地;南部亚拉巴马州有少量的褐煤赋存。
阿拉巴契亚煤田野美国传统的炼焦煤和动力煤主要产地,从美国建国后到本世纪中期,有力地支持了美国的工业发展。
阿拉巴契亚煤田的可采煤层多达30多个,且赋存稳定,断层构造少,顶底板为砂岩或砂页岩,整体性强,含水少,一般煤厚0.7-2.5米,平均1.7米煤种许多是优质焦煤和动力煤。探明储量中可露天开采储量997亿吨,占15%;其余85%为井工开采储量。一般埋藏在距地表300米以内,可以方便地用露天、平硐或斜井开采。该煤田产量在1970年以前一直占美国煤炭总产量的70%以上,20世纪70、80年代仍占60%-50%以上。1997年,煤田总产量为421.5MT,占美国总产量的42.7%。
2) 波德河煤田
波德河煤田是美国、也是世界上已开发的控明储量最大的煤田。该煤田位于美国西北部的怀俄明州和蒙大拿州境内,成煤年代为330万年前的第三纪和白垩纪,含煤面积3.1万平方千米,总资源量7000亿吨,探明储量934亿吨,其中132亿吨适于露天开采。煤种为低灰(10%以下)、低硫(平均约0.4%)、中等发热量(平均约217.36MJ/KG)优质次烟煤。
波秆河煤田的可采煤层达20层以上,赋存稳定平整,总计煤层厚度达60-110米,最上面的怀俄达克煤层厚度8-53米,平均30.5米,离地表一般在60米以内,露天剥采比在3以下,是波秆河矿区和全美目前产煤最多的煤层(1993年产煤160MT,占矿区总产量的90%以上)。1969年开始开发,20世纪80年代以来迅速发展。1995年产量为240.4MT,其中怀俄明州占82%,25个大型露天矿产量占90%。1994年怀俄明州产煤227.3MT,煤矿职工人数仅3035人,露天矿平均效率达243.5T/工。
世界煤炭工业 世界近代煤炭工业是从 18 世纪 60年代英国的产业革命开始的,煤炭是欧美各国工业化的动力基础。第一次世界大战前后,煤产量达到高峰。1913年,英国产煤292Mt,为历史最高水平世界煤产量为1320Mt,占世界一次能源总产量的92.2%。从20年代开始,世界能源结构逐渐由煤炭转向石油和天然气,煤产量增长缓慢,1950年世界总产量为1820Mt。
1950~1973年,是石油的黄金时代,煤炭在世界能源系统中的地位迅速下降 ,1966 年被石油超过而退居第二位。1973年第一次石油危机以后,煤炭重新受到重视,生产和利用都有很大发展。以微电子技术为先导的世界新技术革命的成果,迅速渗透到煤炭领域,使这一古老的传统产业发生巨大的变革,正在从根本上改变煤炭工业的面貌,劳动生产率成倍提高,生产成本明显下降,安全状况大为改善,洁净煤技术的研究开发将使煤炭成为干净、高效和廉价的能源。这在高技术领先的美国尤为突出。1990年主要产煤国家煤炭工业主要指标如上页表中所列。
中国煤炭工业 中国是世界最大产煤国。煤炭在中国经济社会发展中占有极重要的地位,1991年,煤占一次能源消费量的76%,全国70%的工业燃料和动力、80%的民用商品能源、60%的化工原料是由煤炭提供的。原煤产量达1087.4Mt,其中统配煤矿占44.2%,地方国营煤矿占18.7%,乡镇和个体煤矿占36.7%。年产10Mt以上的大型矿区有山西大同、西山、阳泉、晋城,河北开滦、峰峰 ,河南平顶山 、义马,黑龙江鹤岗、鸡西、双鸭山,安徽淮北,江苏徐州,辽宁阜新、铁法,山东兖州。全国原煤入洗比重18.1%。出口煤炭20Mt。
煤层气与煤岩是同体共生矿,煤炭资源丰富的国家也是煤层气资源丰富的国家。据BoyerⅡ C M(1995)估算,世界煤炭资源量为24.46×1012t。其中加拿大7.0×1012t,俄罗斯6.5×1012t,中国4.0×1012t,美国3.97×1012t,澳大利亚1.7×1012t。世界2000 m以浅煤层气资源量为(84~270)×1012m3,相当于常规天然气探明储量的2倍。其中加拿大(5.6~76)×1012m3,俄罗斯(17~113)×1012m3,中国(30~35)×1012m3,美国(11.32~24)×1012m3,澳大利亚(8.5~14)×1012m3。
美国是煤层气资源丰富的国家,也是煤层气勘探开发最先取得成功的国家。20世纪初叶煤矿瓦斯抽放技术传播到美国。1915年进行了矿井巷道水平井试验。30年代开始在煤矿采空区上部砂岩抽放瓦斯。1952年取得了140m以浅煤层地面垂直井抽放瓦斯的成功,获得1100m3/d的单井产量。美国真正将煤层气作为矿产资源开发利用,是20世纪60年代以后,时值美国天然气储量下滑能源短缺时期,为了弥补天然气储量短缺而将煤层气列入能源矿产资源评价范围。1971年在沃里尔(黑勇士)盆地进行了五点式井网试验,经过压裂取得单井产量2800m3/d。1978年至1982年间,针对煤层气单井产量进行技术攻关,在沃里尔盆地浅煤层由单井2000m3/d提高到3000~4000m3/d,圣胡安盆地单井产量达42×104m3/d,累计产量5×108m3。1977年至1982年间,美国将煤层气勘探开发列入天然气开采计划,对13个含煤-煤层气盆地,面积158×104km2,埋深1829m(6000ft)以浅的含煤地层进行了远景资源评价。这些沉积盆地主要分布在东部的阿巴拉契亚褶皱带、西部的科迪勒拉褶皱带与中部陆块之间的相对稳定区。东部区有北阿巴拉契亚、中阿巴拉契亚、伊利诺斯、沃里尔、阿科马等石炭、二叠纪含煤-煤层气盆地。西部区有拉顿、圣胡安、皮申斯、犹他、大格林(绿)河、温德河、皮德河、华盛顿等白垩、第三纪含煤-煤层气盆地。其中尤以圣胡安、沃里尔盆地资源丰度高、资源前景好、勘探开发程度较高。80年代后期至90年代的十几年间,圣胡安、沃里尔等盆地开展了大规模的煤层气勘探开发,形成了相当可观的生产能力。目前,已由圣胡安、沃里尔盆地扩展为尤因塔、粉河、拉顿和阿巴拉契亚等六个盆地,并在尤因塔、粉河盆地上白垩统煤系地层取得勘探成功。据不完全统计,1988年美国煤层气钻井数仅为644口,1990年达2000余口,1999年钻井数已达10600口。美国的煤层气年产量1980年至1990年十年间,由不足1×108m3跃升到52×108m3,1990年至1993年间又达到200×108m3,1997年煤层气的年产量已占天然气总产量的6%,到1999年煤层气产量达350×108m3。
1988年美国天然气研究所测算13个含煤-煤层气盆地资源量为11.32×1012m3,测算14个含煤-煤层气盆地1200 m以浅资源量为(11.32~24)×1012m3。1990年估算煤层气资源量为11.32×1012m3,可采地质储量为2.55×1012m3。1992年估算可采储量为(1.75~3.82)×1012m3,占天然气储量的5%。1994年测算18个含煤-煤层气盆地或区块资源量为19×1012m3,可采储量为3×1012m3,剩余探明可采储量占天然气储量的8%。据美国能源信息中心估算,1997年煤层气储量为3247×108m3,比前一年增长8%,是1990年的两倍,占天然气总储量的7%。
加拿大与美国同处北美大陆,加拿大中部的陆块与西部科迪勒拉褶皱带之间发育了广阔的稳定沉积区,古生代以来的沉积岩系发育,晚古生代及中生代发育有含煤岩系。80年代以来在西部阿尔伯特盆地开展了煤层气勘探,评估煤层气资源量为19×1012 m3,可采资源量为7×1012m3。80年代初对煤层气资源进行了广泛的勘探评价,在阿尔伯特盆地施工的4口煤层气井测试见有良好的显示。
大洋洲的煤层气勘探主要是澳大利亚和新西兰。澳大利亚煤层气资源量为(8.5~14.6)×1012m3。主要集中在东部的悉尼、冈尼达、博恩、加利利等二叠—三叠纪含煤盆地。澳大利亚为了寻找距东南部沿海经济发达城市更近的天然气资源,开展了煤层气勘探,从而成为煤层气勘探开发商业性突破较早的国家。在20世纪70年代末至90年代初,澳大利亚煤层气钻井已经运用了水力压裂技术,但是未能取得成功,直至90年代初,煤层气勘探试验都未能取得重大突破。澳大利亚煤层气勘探之所以较长时间未能成功的原因,是未能将引进的美国现代煤层气勘探开发技术更好地结合澳大利亚复杂的地质构造条件的实际。近年来,澳大利亚加大勘探力度,煤层气钻井已超过百口,勘探开发有了新的突破,由勘探转入开发生产,一些生产井区已经进行商业经营。
澳大利亚的煤层气勘探主要集中在东部沿海的塔斯曼褶皱带与西部的澳大利亚陆块之间较为稳定的加利利盆地,近南北走向的博恩盆地、冈尼达盆地和悉尼盆地,以及克拉伦斯—莫顿、依普斯威奇、劳腊等二叠至三叠纪含煤-煤层气盆地,广泛发育的二叠系煤系地层是煤层气勘探的目标煤层。
1994年在悉尼盆地有6口煤层气勘探井对3×104km2面积评估煤层气资源量为3.68×1012m3。冈尼达盆地在1993至1995年钻探2口评价井,测试渗透率达45×10-3μm2。加利利盆地面积23.4×104km2,钻探了8口探井及测试井,测试渗透率达(13~52)×10-3μm2,评价煤层气地质储量为400×108m3。近年来在博恩盆地取得了成功,1994年至1995年17口钻井经测试有2口井产量大于2.8×104m3/d,盆地东缘的2口井7.1×104m3/d和3.6×104m3/d。至1996年盆地中南部投产的单井产量达到4000m3/d,商业生产达10.58×104m3/d,同时投产的5口水平井,井深1000~1300 m,产量为(1~2)×104m3/d。
欧洲是利用煤田瓦斯的始祖,但近代已经落伍,采用现代地面垂向钻井开采技术是在20世纪90年代之后。英国和中欧大陆国家同处北海-中欧盆地,石炭纪以来形成的煤系地层发育,有良好的煤层气资源前景。英国、西班牙、法国、比利时、捷克、波兰、匈牙利等都先后开展了煤层气勘探。1992年以来,在不同地域勘探试验,进行了资源评价。1992年初,英国完成了井深1074.4 m的第一口煤层气井,钻遇煤层厚22 m,并进行了压裂处理。近期在中部煤区完成3口煤层气井,单井日产量超过1000 m3。比利时在东北部的凯平盆地建立了煤层气试验区,1992年曾经钻探一口煤层气井并进行了生产测试。捷克在俄斯特拉发-卡尔菲纳盆地石炭系煤系地层进行了煤层气勘探开发试验,测算3个区块资源量为(150~200)×108m3。在取得勘探试验成功后,1998年已有2×108m3/a的生产能力。
俄罗斯及乌克兰等独联体国家横跨欧亚大陆,煤层气资源与煤炭资源均居世界之首。但是煤层气勘探开发起步较晚,尚处在资源评价阶段,1998年在乌克兰西南部里沃夫-沃伦煤田施工了3口400~500 m的煤层气井。
印度近年也开展了煤层气勘探。印度板块大部分面积为古老地块(地盾),沉积盆地主要分布在北部及沿海周缘地区,目前开展煤层气勘探主要位于西部稳定陆块的裂谷盆地——坎贝盆地,白垩系、第三系煤系地层是主要目标煤层。印度煤层气资源量为0.8×1012m3,也具有相当的资源潜力。
印度尼西亚群岛煤层气资源具有一定的潜力,煤炭储量为320×108t,石炭纪以来的沉积岩系都很发育,下第三系含煤岩系是较好的煤层气勘探目标煤层。印度尼西亚的煤层气勘探还刚刚起步。
在南美洲,智利和阿根廷也开展了煤层气勘探。在麦哲伦盆地发育有第三纪湖相沉积,有可供煤层气勘探的目标煤层。
在非洲南部开展煤层气勘探的有南非和津巴布韦。南非的煤层气资源量为0.72×1012m3,具有相当的资源潜力。津巴布韦含煤沉积盆地并不很大,石炭系卡鲁群和二叠系万基煤系发育了较好的含煤岩系。1994年以来已经施工了煤层气井,对沉积盆地一些区块进行勘探评价。
中国是煤炭资源大国,也是煤层气资源丰富的国家。中国的成煤期与世界其它地区大体相似,主要是晚石炭世、二叠纪、晚三叠世、早中侏罗世、晚侏罗—早白垩世和第三纪。中国大陆基本构造单元是以陆块为代表的稳定区和以陆缘为代表的活动带。按板块构造划分,中国大陆及海域跨越了六个板块构造,其中范围较大的四个板块除藏滇板块外,含煤-煤层气盆地主要分布在塔里木-华北板块、华南板块和在中国境内的西伯利亚板块准噶尔-兴安活动带。根据煤层气盆地研究统计资料,中国含煤盆地煤层气资源总量为201205×108m3,其中煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为35915.3×108m3。主要分布在三个板块构造单元:塔里木-华北板块,其中主要分布在华北陆块,煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为27522.5×108m3,总计资源量为153365.1×108m3;华南板块,主要分布在扬子陆块,煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为6325.7×108m3,总计资源量为41191.4×108m3。西伯利亚板块的准噶尔-兴安活动带(包括天山-赤峰活动带),煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为2020.8×108m3,总计资源量为6308.2×108m3。
煤层气资源量按含煤盆地不同层位统计:石炭、二叠系,煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为34111.2×108m3,总计资源量为156539.9×108m3;上三叠统煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为0×108m3,总计资源量为71.6×108m3;侏罗系煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为739.5×108m3,总计资源量41025.8×108;下白垩统煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为1033.3×108m3,总计资源量为3493.6×108m3;第三系煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为31.4×108m3,总计资源量为74.2×108m3。
煤层气资源量按含煤岩系不同煤级(阶)统计:无烟煤、贫煤阶,煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为71.1×108m3,总计资源量为1877.8×108m3;瘦煤、焦煤、肥煤阶,煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为35825.2×108m3,总计资源量为160986.1×108m3;气煤、长焰煤阶,煤层埋深8m3,煤层埋深1500~2000 m资源量为19×108m3,总计资源量为38341.1×108m3。
中国自20世纪80年代已经开始研究美国现代煤层气勘探开发技术,系统编译了煤层气勘探开发资料,在一些煤田矿区进行勘探试验,与外国公司合作直接引进勘探开发技术,取得了许多宝贵资料和经验。为了适应经济发展的需要和环境保护长远利益,政府十分重视煤层气工业的发展,90年代以来加快了勘探开发的进程。煤炭部组建了煤层气领导小组(1993年),将煤层气勘探开发利用列为三大发展战略之一,作为第二煤炭资源进行开发。煤炭部、地矿部和石油天然气总公司联合组建了中联煤层气公司(1996年)。召开了国内、国际煤层气发展战略和专业研讨会议。国家计委会同地矿部将《煤层气勘探开发评价选区及工程工艺技术攻关研究》列入“八五”国家重点科技攻关项目。国家经贸部会同煤炭部、地矿部分别实施了“中国煤层气资源开发”(UNDP/CPR/92/G93)、“深层煤层气勘探”(UNDP/CPR/91/214)等联合国开发计划署资助的煤层气勘探开发项目。煤炭、地矿、石油等部门及地方省市在不同地区相继开展了煤层气勘探,同时还与美、澳等外国公司合作在河东、淮南等处开展了煤层气勘探,至2001年底在不同地区先后施工了200余口煤层气勘探井,对一些含煤-煤层气盆地或区块进行了预探评价,在河东、沁水、铁法等地区相继实现了勘探试验的突破。煤层气勘探、试验井主要部署在华北陆块和扬子陆块。分布在华北陆块的勘探、试验井有180口左右,其中鄂尔多斯盆地东缘50余口,沁水盆地东南缘近50口,还有近80口井分布在华北盆地的北缘及南缘。扬子陆块的13口煤层气勘探井分布在湘中涟邵、赣北萍乐盆地和六盘水。仅有5口煤层气井分布在准噶尔微陆块吐哈盆地和嫩松-佳木斯微陆块鹤岗盆地。从煤层气井的勘探层位来分析,部署在华北陆块的绝大多数井的目标层位是石炭系太原组和二叠系山西组,扬子陆块的目标层位是二叠系龙潭组,仅有吐哈盆地、鄂尔多斯盆地彬长地区目标层位为下中侏罗统,铁法、鹤岗盆地勘探目标层位是下白垩统。
鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带的黄河以东地区(简称河东地区),联合国资助华北石油局实施的“深层煤层气勘探”项目评价了石炭系太原组和二叠系山西组煤层气成藏条件,在柳林试验区施工的井网于1994年8月排采获得成功,7口井全部出气,单井平均产量3000m3/d,柳5井最高产量达7050m3/d。近年在对外合作勘探开发区块离石鼻状隆起北翼碛口试验区5口井井网试获单井最高产量达5500m3/d。离石鼻状隆起北翼三交林家坪试验区9口井井网试获单井最高产量达7000m3/d。在沁水盆地南缘斜坡带固县枣园形成十口井井网进行排采试验。在沁水盆地南缘斜坡带,中联煤层气公司在潘庄区块164 km2控制面积取得402×108m3煤层气探明储量,并在TL-7井获16303 m3/d产气量。中国石油集团在樊庄区块六口煤层气井井网,182.22 km2控制面积取得353.26×108m3煤层气探明储量。同时,扬子陆块黔西盆地群盘关向斜(六盘水)对南方二叠系含煤岩系进行煤层气勘探试验,还在阜新盆地、铁法盆地对侏罗系、下白垩统含煤岩系进行勘探试验,并在铁法盆地取得成功,获取煤层气单井最高产量8928 m3/d。
在加强煤层气勘探开发进程的同时,同步进行了煤层气勘探技术攻关和地质评价研究。新星石油公司华北石油局自20世纪80年代以来,系统地研究了国外煤层气勘探开发技术,首刊了《煤层气译文集》,90年代以来,对华北盆地石炭、二叠系煤层气赋存条件进行评价研究,撰写了“华北及邻区煤层气煤层气地质特征及评价选区研究”。与此同时,新星石油公司华北、西南、中南、华东、东北石油局分别对鄂尔多斯盆地、四川盆地、湘中南盆地群、下扬子地区、松辽盆地等进行煤层气赋存条件及评价选区研究,撰写了专项报告。华北石油局于九十年代初启动了“华北煤层气勘探开发试验”项目的同时,开始了“煤层气勘探开发评价选区及工程工艺技术攻关研究”国家重点科技攻关项目及“深层煤层气勘探”联合国开发计划署资助项目,通过三位一体项目实施,取得了一批国内领先水平的研究成果和资助项目的成功。与此同时,国内同行均在加快煤层气勘探的进程中,加强了煤层气地质理论及勘探技术方面的研究。中国石油集团煤层气勘探部及时勘探,及时总结,对大城、沁水、河东等区块勘探后均进行了总结评价,还结合国内外资料撰写了《煤层气地质与勘探技术》、《世界煤层气工业发展现状》、《中国煤层气地质》、《中国煤层气地质评价与勘探技术新进展》。西安煤炭研究分院1991年刊出《中国的煤层甲烷》(张新民、张遂安),中国煤田地质总局编写、编制了《中国煤层气资源》及《中国煤层气资源图》(1∶200万)。中联煤层气公司与国内研究部门合作,对沁水盆地、三江盆地、辽中地区及六盘水地区等煤层气勘探前景进行评价研究,并着眼于全国进行了选区评价研究,同时编写了《煤层气开发利用手册》(孙茂远等)。除此,还有《国外煤层气勘探开发研究实例》(王新民等),《煤层甲烷储层评价及生产技术》(秦勇等),《黔西滇东煤层气地质与勘探》(桂宝林)。
中国煤层气勘探试验的突破具有重要的战略意义,说明在北美大陆板块地史上所发生的事件,在欧亚大陆中国板块也有类似的事件同时发生,进而证明了含煤-煤层气盆地和煤层气藏成生及演化的规律性有着全球意义。中国煤层气勘探试验的突破,鄂尔多斯盆地东缘柳林试验区勘探试验的成果,不单单证明鄂尔多斯盆地石炭、二叠系含煤岩系的煤层气勘探前景,它与沁水盆地勘探试验的成果,以及其它勘探成果,同时预示着华北陆块古生代以来的沉积盆地广泛分布的石炭、二叠系含煤岩系具有煤层气勘探前景。松辽盆地东南缘的铁法断陷盆地是在古老基岩上发育的中生代断陷,下白垩统有较发育的含煤岩系,也预示了松辽盆地同样具有良好的煤层气勘探前景。
十五届世界石油大会上人们普遍关注由于石油短缺在未来世纪会出现能源危机,大会肯定了21世纪50年代前,石油、天然气等矿物燃料仍然是人类生存的主要能源。但是,人类也清醒地认识到在地球上石油、天然气、煤炭等等不可再生的矿物燃料终归是有限的。Marchctti(1979)编制的能源系统变迁和理论替代模式图,预示了自1850年至2050年200年间能源结构演变趋势。自从人类用矿物燃料替代了木质能源后,在2000年之前的一个半世纪中,煤炭(1920年)和石油(1980年)都曾上升为能源构成比率的高峰,转而走向低谷,天然气将于2020年达到顶峰,同时太阳能及核能渐趋上势。
在未来世纪的能源构成中,煤炭所占比率将逐步缩小,但其采掘量的绝对值并不一定缩减,因此无论从煤炭采掘业需要不断地运用新技术加大对矿田巷道瓦斯的抽放,或是运用地面垂向钻井开采技术对未开采的煤层先期抽放或对已开采的巷道后期抽空,都是减少矿田瓦斯灾害不可缺少的措施,在加大科技进步保证矿业安全生产的同时,必然会促进煤层气工业的发展。
中国是瓦斯排放量较高的国家之一,排放量占世界的1/3。为了将煤矿巷道瓦斯排放到大气中,不但造成严重的大气污染,还要耗费大量的动力资源。环球臭氧层的保护已经是人类关心自我生存环境的重大事件,甲烷(CH4)排放造成的温室效应高于二氧化碳的20倍,穿透臭氧层的能力高出7倍,为了维护生存环境保护地球大气圈的需要,人类要将煤层气的开发利用列入21世纪议程,也必然促使煤层气工业加快发展。
在全球经济一体化的进程中,环境和资源都是重大命题,中国经济发展也必将顺应世界潮流,加快发展洁净能源,天然气必然是首选。中国能源资源评价预测:常规天然气远景资源量为38×1012m3,可采资源量为10.5×1012m3。1997年中国天然气产量近210×108m3/a,近几年一直维持在200×108m3/a左右水平,2000年产量262×108m3/a,预测2005年可达到500×108m3/a,2010年储量为(5.1~5.6)×1012m3,产量(660~770)×108m3/a,2020年储量(7.4~8.15)×1012m3,产量(970~1200)×108m3/a。预测2000年至2020年天然气储量将翻一番,产量增长2倍,是天然气工业高速发展的阶段。从中国国民经济对天然气需求预测:2010年天然气消费量需要增加50%~100%,2010年前消费量需要翻一番,2010年至2020年的十年间需要增加1000×108m3,天然气在能源消费中占10%。2020年我国天然气需求量将达到(1877~2088)×108m3/a。上述资料表明,根据国民经济增长预测的天然气需求量远大于资源预测的天然气工业增长的产量,可见发展天然气工业的市场潜力十分巨大。
从异军突起的中国煤层气工业来看,2000年前实现了勘探试验的突破,开始进入区域勘探阶段,初步完成了高速发展前准备阶段的历史使命。可以设想,2000年至2010年是煤层气工业发展的关键时期,将由储量、产量的零点起步,实现由1×108m3/a—10×108m3/a—100×108m3/a两个数量级增长的飞跃,2020年再实现(200~300)×108m3/a产量的翻番。实现了这个目标,也就相当于天然气工业发展预测目标的(970~1200)×108m3/a总产量中包含的(150~230)×108m3/a煤层气和液化气份额值,也只有这样才能基本适应国民经济发展的需要。
中国煤层气资源潜力巨大,远景资源量为20×1012m3,与美国煤层气资源量(11.32~24)×1012m3相当,是世界煤层气资源量240×1012m3的8%,相当于中国常规天然气远景资源量38×1012m3的一半,因此从资源保有程度而言,实现21世纪初期煤层气工业高速发展的设想目标是完全有条件的。