0 引言

煤炭是中国的基础能源，是钢铁、化工行业的重要原材料（陈鹏，2007）。无烟煤作为一种重要的化工和冶金用煤，资源量少（占中国煤炭资源量的 10.9%）、产块率低，是一种重要的特殊和稀缺煤类 （王学军等，2015；宋元青和刘汉斌，2019）。山西阳泉矿区和晋城矿区是中国首批公布的特殊和稀缺煤类矿区（中华人民共和国国家发展和改革委员会，2013）。山西作为煤炭和无烟煤大省，无烟煤资源丰富，但资源量不等于可采量（白秀平，2018）。煤炭的开采受到环境、开采技术的限制。作为煤炭可采资源量的两大指标，煤层硫分、煤层厚度一直是限制煤炭可采资源量的重要因素（曹代勇等， 2007；刘汉斌和郭建云，2021）。根据最新的《山西省大气污染防治条例》（2019年1月1日起施行），山西已全面限制全硫含量＞3% 的高硫分煤炭开采。而在现行开采技术条件下，对于平均厚度小于 1.3 m 的薄煤层依然是井工煤矿开采的难题（国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局，2016）。针对山西无烟煤的开采与保护，王学军等（2015）利用以往的勘查资料和煤质化验资料，分析了山西无烟煤资源开发利用情况，并提出了山西无烟煤的保护建议。但是当前关于山西无烟煤的分类和可采资源量等的研究仍然较少（宋元青和刘汉斌，2019； 张恒源等，2020），极大地限制了山西全省对无烟煤资源的认识和开发开采战略。本文在前人研究的基础上（刘汉斌和郭建云，2021），基于山西无烟煤的近年来的勘查和化验资料，从煤层硫分和煤层厚度的约束角度，详细分析了山西无烟煤的分类、分布特征，并按照现行的开采技术要求和条件，估算了山西无烟煤的开采资源量，对未来全省无烟煤的开发利用提出了针对性的建议。

1 无烟煤

无烟煤是煤化程度最高的煤，硬度较大，发热量较高（31.36~36.17 MJ/kg），挥发分＜10%。根据形状不同，其用途差异较大，无烟块煤主要用于化肥、制造锻造等行业，粉煤主要用于冶金行业的高炉喷吹（国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局，2016）。山西是中国重要的煤炭生产基地，煤炭资源丰富，保有煤炭资源量占全国煤炭保有资源总量的 17.3%，无烟煤资源量占全国无烟煤资源总量的 32%，全国排名第一。根据《特殊和稀缺煤类开发利用管理暂行规定》，中国的无烟煤属于特殊和稀缺煤类，晋城矿区、阳泉矿区属于特殊和稀缺煤类矿区。根据用途不同，将灰分（A_d）＜ 17. 00%，硫分（S_t，d）＜1. 00% 的无烟煤命名为稀缺无烟煤；将真相对密度（TRD_d）＞2.20，灰分（A_d）＜ 10%，硫分（S_t，d）＜0.50% 的无烟煤命名特殊无烟煤 （中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2011）。

1.1 总量

山西是中国无烟煤大省，无烟煤查明资源量 565.58 亿 t，其中保有资源量 520.15 亿 t，占全国无烟煤资源总量的 32%。如表1 所示，山西无烟煤资源主要分布于晋东煤炭基地，占全省无烟煤资源总量的 91%；其次为晋中煤炭基地，占全省无烟煤资源量的 9%。资源保有率方面，晋中煤炭基地无烟煤保有率100%，占比基地保有煤炭资源总量的4%； 晋东煤炭基地无烟煤保有率 91%，无烟煤保有资源量占基地保有煤炭资源总量的58%。

1.2 分布

山西无烟煤主要分布于晋城矿区和阳泉矿区，分别占比全省无烟煤保有资源量的 52.9% 和 28. 0%，合计占比全省无烟煤资源保有总量的 80.9%。其次为潞安、武夏和霍东矿区，合计占比全省无烟煤资源总量的 13.2%。资源保有率方面，晋城、阳泉、潞安矿区无烟煤资源保有率较低，其余矿区均 98% 以上（图1），显示晋城、阳泉、潞安矿区无烟煤是全省无烟煤的主要产地，其余矿区的无烟煤开发利用程度均较低。

1.3 主采煤层对比

根据已有的勘查成果（山西省煤炭地质局， 2014），沁水煤田含煤地层为石炭纪—二叠纪山西组和太原组，共含煤层 17 层。其中山西组 4 层，从上到下依次编号为 1~4#煤。太原组含 13 层，编号 5~15#以及 15 下和 16#煤。山西无烟煤的主产区为晋城、阳泉、潞安矿区，均位于沁水煤田东翼，是晋东煤炭生产基地的主要煤炭产区。根据沉积环境， 3个矿区主要可采煤层为山西组的3#煤和太原组的 15#煤。其中 3#煤位于山西组下部，在沁水煤田分布广泛，阳泉地区平均厚 2.27 m 左右，晋城和潞安矿区沉积较厚，平均 6.50 m 左右。15#煤位于太原组下部，是沁水煤田下组煤的主要可采煤层，阳泉矿区一般厚6.44 m左右，潞安、晋城矿区分叉变薄，平均可采厚度3.38 m左右（表2）。

2 煤质特征

2.1 灰分

山西阳泉、潞安、晋城矿区山西组 3#煤的灰分为 9.44%~27. 05%，平均为 16.8%；15#煤的灰分为 10.17%~28.68%，平均为19.53%，是山西组3#煤灰分平均值的 1.2 倍。分矿区看，阳泉矿区 3#煤灰分大于 15#煤，而潞安和晋城矿区 3#煤的灰分均小于 15#煤（图2）。

2.2 硫分

山西阳泉、潞安、晋城矿区山西组 3#煤的硫分为 0.27%~0.64%，平均 0.39%；15# 煤的硫分为 1. 03%~4.84%，平均 2.54%，平均硫分含量是 3#煤平均值的 6.5 倍。其中阳泉矿区 15#煤的硫含量为 1. 03%~2.21%，平均1.38%；潞安矿区15#煤的硫含量为1.76%~3.81%，平均2.63%；晋城矿区15#煤的硫分含量为1.83%~4.84%，平均3.61%（图3）。

2.3 密度

无烟煤的真相对密度是衡量无烟煤物理机械性的一项重要指标，并且是区分无烟煤用途的一项重要指标（陈鹏，2007）。山西阳泉、潞安、晋城矿区山西组 3#煤的真相对密度（TRD）值为 1.40~1.70，平均 1.54；15#煤的真相对密度（TRD）值为 1.38~1.60，平均 1.49。晋城矿区无烟煤的 TRD 值最大，其次为阳泉矿区，潞安矿区无烟煤的 TRD 值最小（图4）。

3 不同资源量计算

根据王学军等（2015）的研究成果和《稀缺、特殊煤炭资源的划分与利用（GB/T26128-2010）》，本文将山西无烟煤划分为低硫无烟煤（S＜1%）、高硫无烟煤（S>3%）、薄层无烟煤（煤层厚度H＜1.3 m）、低硫薄层无烟煤（S＜1%，H＜1.3 m）、高硫薄层无烟煤（S＞3%，H＜1.3 m）并分别进行了讨论和计算。考虑数据的不完备性，本文使用矿区该类煤层的厚度占比近似代替该类煤层的储量占比。文中各个矿区煤质和煤层数据来自于山西省煤炭资源图集（山西省煤炭资源图集编辑委员会，2008^①）。

3.1 低硫无烟煤

低硫无烟煤在 3 个矿区广泛分布，阳泉区块低硫无烟煤层数最多，其次为沁水西区。长治区块低硫无烟煤最厚，为 6.72 m。厚度占比方面，潞安区块低硫无烟煤厚度比最大，为 69%。昔阳和顺区块低硫无烟煤占比最小，为 13%。阳泉、潞安、晋城矿区低硫煤厚度比分别为 25%、66%、55%（表3）。全省低硫无烟煤厚度为1. 05~6.72 m，平均厚4.90 m，厚度比为13%~69%，平均51%。全省低硫无烟煤的保有资源量占比为：∑矿区全省保有无烟煤资源量占比 × 矿区低硫无烟煤厚度占比，即 28%×25% +6.1%×66%+52.9%×55%=40%。

3.2 高硫煤无烟煤

按照煤炭质量分级（GBT15224.2-2010），整理阳泉、潞安、晋城矿区不同区块高硫无烟煤厚度数据（表4）。据表所示，阳泉矿区昔阳和顺区块赋存高硫煤 1 层，高硫煤层厚度占区块煤层总厚度的 9%。潞安矿区潞安区块赋存高硫煤2层，长治区块赋存高硫煤 1 层，分别占无烟煤层总厚的 22% 和 38%。晋城矿区高平区块、沁水东区分布高硫煤 2 层，沁水西区、阳城区、晋城区拥有高硫煤1层，厚度占煤层总厚的 42%、26%。阳泉、潞安、晋城矿区高硫无烟煤厚度占比分别为5%、30%、38%（表4）。不同区块高硫无烟煤厚度为 0~8.24 m，平均 3.81 m，厚度比为 0%~60%，平均 30%。全省高硫无烟煤的保有资源量占比为：∑矿区全省保有无烟煤资源量占比×矿区高低硫无烟煤厚度占比，即 28%×5% +6.1%×30%+52.9%×38%=23%。

3.3 薄层无烟煤

按照煤矿安全规程，薄煤层是指井工煤层小于 1.3 m 的煤层（国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局，2016）。根据已有的勘查成果（刘汉斌和郭建云，2021），整理山西无烟煤中薄煤层数据（表5）发现，薄层无烟煤在山西三大无烟煤矿区均有分布，薄煤层数 1~4 层，薄煤层累计厚 0.94~2.79 m，厚度比 10%~34%。其中，阳泉矿区薄煤层厚度比为25%，潞安矿区16%，晋城矿区10%。不同区块薄层无烟煤厚度为 0~2.79 m，平均厚 1.39 m，厚度比为 0~34%，平均 14%。用矿区薄层无烟煤厚度占比近似代替矿区薄层无烟煤的储量占比，则全省薄层无烟煤的保有资源量占比为：∑矿区全省保有无烟煤资源量占比×矿区薄层无烟煤厚度占比，即28%×25%+6.1%×16%+52.9%×10%=13%。

3.4 薄层低硫无烟煤

全省薄层低硫无烟煤仅存在于阳泉矿区阳泉和昔阳和顺区块。其中，阳泉区块薄层低硫无烟煤厚度占比为 7%，昔阳和顺区块薄层低硫无烟煤厚度占比为 13%，则矿区薄层低硫无烟煤的平均厚度占比为10%（表6）。全省薄层低硫无烟煤的保有资源量占比为：阳泉矿区无烟煤保有资源量的全省占比×阳泉矿区薄层低硫无烟煤的厚度占比，即 28%× 10%=2.8%≈3%。

3.5 薄层高硫无烟煤

山西薄层高硫无烟煤主要分布于昔阳和顺、潞安、高平以及沁水东区，厚度为0~1.72 m，厚度比为 0~22%，阳泉、潞安、晋城 3 个矿区的薄煤层算术平均值分别为5%、11%、7%，全省平均值为7%（表7）。全省薄层高硫无烟煤的保有资源量占比为：∑矿区全省保有无烟煤资源量占比×矿区薄层高低硫无烟煤厚度占比，即28%×5%+6.1%×11%+52.9%×7%=6%。

4 讨论

4.1 现行可采资源总量

考虑到薄层低硫无烟煤在现行开采技术条件下仍属不可采煤层，应从低硫无烟煤中扣除。因此校正后，全省中厚层以上低硫无烟煤在矿区的厚度分布为阳泉 15%、潞安 66%，晋城 55%，加权算术平均值为37%（表8）。从表8可以看出，全省高硫无烟煤占全省无烟煤保有资源总量的 23%，其中薄层高硫煤占比为 6%。根据前文分析，山西全省平均厚度小于 1.3 m 的薄层无烟煤的保有资源量占比为13%，同时考虑到硫分＞3%的高硫煤在现行条件下为不可采煤层，则全省中厚层以上可采无烟煤占比为：

$100\mathrm{\%}-[23\mathrm{\%}+(13\mathrm{\%}-6\mathrm{\%}\left)\right]=70\mathrm{\%}$

按照全省无烟煤保有资源量 520.15 亿 t 计算，则全省中厚层以上可采无烟煤资源量仅 364 亿 t。其中，硫分＜1%、煤层厚度＞1.3 m的中厚层无烟煤仅占全省无烟煤保有资源总量的 37%，约 192 亿 t。若考虑到煤层的物理机械性能，则适合高炉喷吹的低硫且可采无烟煤仅分布于晋城矿区上组煤，保有资源量为：

$520.15\text{亿}\mathrm{t}\times 52.9\mathrm{\%}\times 55\mathrm{\%}=151\text{亿}\mathrm{t}$

即仅占全省无烟煤保有资源总量的 29%，不足 1/3。而近年来，晋城矿区地方和乡镇煤炭企业长期集中开采3#煤，国有大型企业也只配采15#煤，造成优质低硫无烟煤资源大量衰减（王学军，2015），山西组低灰低硫、产块率高、抗碎强度高的特殊稀缺煤类急剧下降。因此从长期看，急需在宏观政策上对晋城矿区上组煤进行战略性保护。

4.2 高硫煤的脱硫与利用

山西高硫无烟煤占全省无烟煤保有资源总量的 23%，约 120 亿 t。其中，中厚层以上高硫无烟煤占比18%，约为97亿（t 刘汉斌等，2020）。已有研究表明沁水盆地煤中硫整体上以有机硫为主，平均占全硫的 78%（刘广进等，2008；刘贝等，2016）。煤中有机硫的去除一直是煤炭洗选的难题（杨云松， 1985；秦云虎等，2022）。山西晋城矿区高硫无烟煤占到矿区无烟煤保有资源总量的 38%，其中中厚层可采高硫无烟煤占 31%。未来山西急需实现煤中有机硫的高效脱除和高值化利用（秦云虎等， 2022），可解放至少约百亿吨高硫无烟煤。此外，已有研究发现高硫煤中富含锂、稀土等“三稀”有价元素可综合提取利用（张覃等，2022）。

4.3 薄层煤的开发

中国薄煤层资源储量仅占国内煤炭资源总储量的 20%（屠世浩等，2017）。煤矿开采薄煤层不仅提高煤炭资源利用率，还延长了煤矿生命周期（高士岗等，2020；李庆亮，2020；周开平，2020）。但长期以来，中国井工煤矿薄煤层回采率一直未获突破。近年来，随着开采工具的自动化与智能化升级，中国多地 0.8 m 左右的薄煤层已实现自动化开采（唐恩贤，2019；罗文和杨俊彩，2020；杨生华等， 2020）。山西薄煤层资源占煤炭总量的 19.2%，随着中厚煤层等易采资源逐步减少，优质薄煤层资源日益受到重视。山西薄煤层无烟煤约占全省保有无烟煤资源总量的13%，约68亿t，其中薄层中低硫无烟煤42亿t，资源量巨大，实现山西薄煤无烟煤的高效智能开采具有重要的现实意义和经济价值。

5 结论

（1）山西中厚层以上中低硫无烟煤占全省无烟煤保有资源总量的 70%，约 364亿 t。其中中厚层低硫无烟煤仅占全省无烟煤保有资源总量的 37%，约 192亿 t。适合高炉喷吹的特殊无烟煤，仅分布于晋城矿区上组煤中，资源量仅占全省无烟煤保有资源总量的 29%，约 151亿 t。山西低硫中厚层无烟煤保有资源量相对不足，应注意节约开采与使用。同时，应对晋城矿区上组无烟煤进行战略性保护。

（2）山西晋城矿区高硫无烟煤占到矿区无烟煤保有资源总量的 38%，其中中厚层以上可采高硫无烟煤占到 31%。全省高硫无烟煤占全省无烟煤保有资源总量的 23%，约 120 亿 t，中厚层以上高硫无烟煤占比18%，约为97亿t，资源量巨大。山西急需实现煤中有机硫的高效脱除技术突破，来解放下组高硫无烟煤。

（3）山西薄煤层无烟煤约占全省保有无烟煤资源总量的13%，约68亿t，其中薄层中低硫无烟煤42 亿 t，资源量巨大，实现山西薄煤层的开采具有重要的现实意义和经济价值。

注释

① 山西省煤炭资源图集编辑委员会.2008. 山西省煤炭资源图集 [R]. 太原：山西省国土资源厅.

参考文献