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摘要:煤炭是我國的基礎(chǔ)能源，煤系共伴生礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量大、種類多，主要包括金屬礦產(chǎn)、非金屬礦產(chǎn)與能源礦產(chǎn)。加強(qiáng)煤系共伴生礦產(chǎn)資源綜合利用符合國家能源資源加工利用重大需求。闡述了煤系金屬礦產(chǎn)（鍺、鎵、鋁、稀土元素）、非金屬礦產(chǎn)（硫鐵礦、高嶺土、膨潤土、耐火黏土、硅藻土、石墨）和能源礦產(chǎn)（鈾礦、油頁巖、煤系氣、天然氣水合物）的賦存狀況、分布特征與加工利用研究進(jìn)展，分析了“雙碳”背景下煤系共伴生礦產(chǎn)資源綜合利用面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，展望了延伸煤系產(chǎn)業(yè)鏈、聚焦關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)、促進(jìn)煤系共伴生礦產(chǎn)資源分類及內(nèi)涵改革、完善礦業(yè)權(quán)設(shè)置管理的發(fā)展前景，為未來煤系共伴生礦產(chǎn)資源綜合利用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：煤炭；鍺；稀土；共伴生礦物；綜合利用

引 言

我國煤炭資源豐富，富含大量共伴生礦產(chǎn)資源。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中將“推動(dòng)煤炭等化石能源清潔高效利用”列為主要發(fā)展目標(biāo)[1]。這就要求充分發(fā)揮我國資源優(yōu)勢，深入推進(jìn)煤炭資源綜合利用，深化煤系共伴生礦產(chǎn)資源加工利用，促進(jìn)礦產(chǎn)資源低碳轉(zhuǎn)型。煤系共伴生礦產(chǎn)資源是指成煤巖層中與煤炭共生/伴生，或是在煤炭加工選冶過程中生成的有用礦產(chǎn)[2]。根據(jù)性質(zhì)的不同，煤系共伴生礦產(chǎn)資源可以分為煤系金屬礦產(chǎn)、煤系非金屬礦產(chǎn)和煤系能源礦產(chǎn)[2]（圖1）。煤系金屬礦產(chǎn)主要包括鍺、鎵、鋁、稀土元素、釩以及鋰等；煤系非金屬礦產(chǎn)涵蓋硫鐵礦、高嶺土、膨潤土、耐火黏土、硅藻土與石墨等；煤系能源礦產(chǎn)中常見的有鈾礦、油頁巖、煤系氣與天然氣水合物等。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，上述礦產(chǎn)資源的原生礦產(chǎn)大多出現(xiàn)資源枯竭、開采難度大、開發(fā)利用生態(tài)環(huán)境污染等問題，導(dǎo)致重要礦產(chǎn)資源供不應(yīng)求。我國煤炭年產(chǎn)量達(dá)41億t[3]，其共伴生礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量豐富、開采成本低，可以有效彌補(bǔ)資源短缺、環(huán)境破壞的短板，同時(shí)實(shí)現(xiàn)煤炭固體廢棄物的資源化利用。本文梳理了煤系共伴生礦產(chǎn)資源的綜合利用現(xiàn)狀，總結(jié)分析了煤系金屬礦產(chǎn)、非金屬礦產(chǎn)和能源礦產(chǎn)的賦存狀況、分布特征與加工利用研究進(jìn)展，論述了“雙碳”背景下煤系共伴生礦產(chǎn)資源發(fā)展面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，為提高我國煤系礦產(chǎn)資源開發(fā)利用水平、發(fā)展綠色礦業(yè)、建設(shè)綠色礦山、促進(jìn)選礦工業(yè)進(jìn)步發(fā)揮作用。

圖 1 煤系共伴生礦產(chǎn)資源分類

1. 煤系共伴生礦產(chǎn)資源加工利用現(xiàn)狀

1.1 煤系金屬礦產(chǎn)

煤系金屬礦產(chǎn)主要有鍺、鎵-鋁、稀土元素、釩以及鋰等。粉煤灰和煤矸石有可能成為鎵、鋁資源的理想替代來源，開發(fā)利用前景廣闊。我國煤中稀土元素含量遠(yuǎn)超世界平均值水平[4]，為我國工業(yè)化開發(fā)利用煤系稀土元素礦床提供了可能。傳統(tǒng)的煤系釩資源提取工藝主要有鈉化焙燒法、無鹽焙燒法和鈣鹽焙燒法等[2]，受原料特性影響，普遍存在回收率低、適應(yīng)性差等問題。空白焙燒—堿浸法、氧壓酸浸法等清潔型提釩工藝已成為熱點(diǎn)，尚處于研究階段。我國煤系鋰區(qū)域成礦無明顯特征[5]，多呈零星點(diǎn)狀分布，集中開發(fā)利用難度大。

1.1.1 鍺

我國內(nèi)蒙古烏蘭圖嘎鍺礦與云南臨滄鍺礦均是世界知名的大型煤系鍺礦床，由于其盆地附近分布有富鍺花崗巖，淋溶形成的富鍺溶液浸入泥炭形成煤系富鍺礦床。煤中鍺的含量達(dá)到300 μg/g以上，可以進(jìn)行工業(yè)化提取與利用[6]。褐煤是有工業(yè)價(jià)值的富鍺煤的典型代表，鍺在其中的賦存狀態(tài)主要為腐殖酸絡(luò)合物、有機(jī)化合物和硫化物[7]。目前，煤中金屬鍺的提取技術(shù)主要包括干餾—氯化法、水冶法和微生物浸出法[8]。干餾—氯化法已進(jìn)入工業(yè)化運(yùn)行階段，提取原理是將褐煤加熱使鍺揮發(fā)，然后通過氯化反應(yīng)與蒸餾技術(shù)得到鍺的氯化物。然而，該工藝蒸餾殘液鍺含量高、殘?jiān)看蟮葐栴}仍然突出，工業(yè)生產(chǎn)成本高。水冶法是將原煤粉碎至一定粒度，用濃度不低于7 mol/L的濃鹽酸對其進(jìn)行浸出蒸餾提取鍺[9]。該方法鍺的回收率可達(dá)90%以上，但由于鹽酸的消耗量過大、成本高昂等原因尚不適合工業(yè)化生產(chǎn)，還需進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)探索。微生物浸出法是利用球菌將大分子有機(jī)鍺的結(jié)構(gòu)破壞，形成易溶解的游離鍺或小分子結(jié)合的鍺，浸出率高達(dá)85%，耗酸量遠(yuǎn)低于水冶法，且不破壞煤的燃燒性能[10]，具有操作簡便、價(jià)格低廉、回收率高、污染小的優(yōu)點(diǎn)；但其處理規(guī)模小、周期長且微生物浸出收集困難，尚處于技術(shù)研究階段。

當(dāng)前，金屬鍺被廣泛應(yīng)用于太陽能電池、紅外光學(xué)、半導(dǎo)體及醫(yī)藥領(lǐng)域，對鍺的需求量也正以每年近20%的速度增長。中國作為世界煤炭大國，優(yōu)勢明顯。但是我國目前煤中高品位鍺的提取利用工藝較成熟（如褐煤），對于煤中低品位鍺的開發(fā)處理尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，未來應(yīng)加強(qiáng)對煤中低品位金屬鍺的提取利用的研究，如低品位含鍺褐煤控氣氛二次揮發(fā)富集等[11]。

1.1.2 鎵?鋁

中國是世界上第一大鋁生產(chǎn)和消費(fèi)國，由于鎵元素與鋁元素在晶體化學(xué)上相似性極強(qiáng)，所以鎵的遷移與分布很大程度上受鋁元素的地球化學(xué)行為影響[12]。我國高鎵煤主要分布于華北賦煤區(qū)石炭?二疊系煤層、西北賦煤區(qū)侏羅系煤層和華南賦煤區(qū)二疊系煤層[13]。鎵?鋁礦床主要分布在內(nèi)蒙古的準(zhǔn)格爾煤田和大青山煤田[9]。我國煤中鎵的平均含量為6.55 μg/g。煤系鎵、鋁主要從燃煤灰分中提取，當(dāng)煤灰中鎵含量超過50～100 μg/g，可以考慮鎵、鋁的共同開發(fā)。粉煤灰中提取鎵和鋁可以分為酸法和堿法[14]。酸法一般采用鹽酸溶液進(jìn)行酸浸，使得鎵與鋁一起被溶解，再通過樹脂吸附、沉淀—電解或者萃取法等提取獲得金屬。堿法是將粉煤灰燒結(jié)后，用碳酸鈉溶液浸出，經(jīng)多次碳酸化處理及分離后獲得富鎵、鋁沉淀，后用氫氧化鈉溶液溶解該沉淀，最終通過電解法可制得金屬鎵和鋁。一般酸法的提取率高于堿法，可達(dá)90%以上[15]。

鎵是一種重要的戰(zhàn)略稀缺金屬，被稱為“電子工業(yè)的糧食”，廣泛應(yīng)用于新能源與航空航天領(lǐng)域。與此同時(shí)，隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展，鋁土礦消耗量逐年遞增，已經(jīng)出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象。因此粉煤灰和煤矸石有可能成為鋁和鎵資源的理想替代來源，開發(fā)利用前景廣闊。未來應(yīng)加強(qiáng)對煤中提取鎵、鋁的熱力學(xué)機(jī)理、影響因素以及在提取過程中加入不同物質(zhì)來改善粉煤灰結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及提取效率等方向的研究[16]。

1.1.3 稀土元素

煤具有一定的吸附性能，在一定的地質(zhì)條件下能夠富集稀土元素，使其達(dá)到可以加工利用的程度。煤中稀土元素賦存狀態(tài)多樣，在低灰分煤中傾向于賦存在有機(jī)質(zhì)組分中。我國煤中稀土元素含量的平均值為96 g/t[17]，遠(yuǎn)超世界平均水平，另外，煤灰中稀土含量比煤中還要高出很多，是因?yàn)槊禾拷?jīng)過燃燒后稀土得以再次富集。尤其是重慶西南部地區(qū)和內(nèi)蒙古地區(qū)，煤灰中稀土元素氧化物的含量超過1000 g/t[18]，為我國工業(yè)化開發(fā)利用煤系稀土元素礦床提供了可能。

使用重選、磁選、浮選以及氫氧化鈉化學(xué)活化處理可以富集煤中稀土元素，提高后續(xù)浸出效率，浸出液通過沉淀法、溶劑萃取法、液膜法和生物吸附法等方法實(shí)現(xiàn)稀土元素的提取[19]。其中，沉淀法是在浸出液中加入碳酸鹽等沉淀劑，通過pH調(diào)節(jié)或者絡(luò)合反應(yīng)生成沉淀，實(shí)現(xiàn)稀土離子的分離。該方法處理成本低、易操作，但在處理過程中會(huì)產(chǎn)生廢水，造成二次污染。溶劑萃取法借助溶質(zhì)在不同溶劑中的溶解度不同的原理來分離稀土。由于浸出液pH一般小于7，所以大多數(shù)選擇陽離子交換型萃取劑。該法具有連續(xù)性強(qiáng)、效率高和易操作的優(yōu)勢，但由于萃取液的使用量大且易造成二次污染，該法不適合投入工業(yè)化應(yīng)用。液膜法利用非水溶劑和螯合劑將滲濾液和酸性剝離劑物理分離，同時(shí)回收稀土元素。與溶劑萃取法相比，液膜法選擇性高、工藝簡單，但其液膜具有不穩(wěn)定性，只能用于混合稀土元素的富集。生物吸附法的原理是借助生物吸附劑與溶液之間的靜電力以及羰基官能團(tuán)的吸附作用實(shí)現(xiàn)稀土元素的提取。與其他提取方法相比，生物吸附法效率高、污染小，但未來還需對其能否投入工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)一步探索。

稀土元素的金屬活潑性很高，有“工業(yè)維生素”的美譽(yù)，是現(xiàn)代科技高速發(fā)展必不可少的重要戰(zhàn)略資源之一。如果將煤及其副產(chǎn)品中的稀土元素進(jìn)行有效利用，不僅能夠緩解我國對稀土資源的需求壓力，更有著長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。未來的研究應(yīng)重視研發(fā)適用于不同煤種的稀土元素提取工藝，同時(shí)還要考慮提取過程的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。

1.2 煤系非金屬礦產(chǎn)

煤系非金屬礦產(chǎn)主要有硫鐵礦、高嶺土、膨潤土、耐火黏土、硅藻土與石墨，一般在煤層的頂?shù)装?、夾矸中賦存，種類多樣，應(yīng)用與開發(fā)前景廣泛。

1.2.1 硫鐵礦

我國煤系硫鐵礦資源儲(chǔ)量豐富，保有儲(chǔ)量超過16億t，主要分布在煤矸石中，含硫量高達(dá)18%；部分礦石為結(jié)核狀，含硫量30%以上[20]。煤系硫鐵礦約占我國硫鐵礦資源的40%，主要分布在我國山東、四川、山西等省份。

煤系硫鐵礦形態(tài)多樣、賦存特征各異，多以中低品位為主，結(jié)構(gòu)主要為粒狀、膠狀、生物結(jié)構(gòu)充填[21]。煤系硫鐵礦一般隨煤采出，主要是夾矸和少量頂?shù)装?，在較粗的磨礦細(xì)度條件下，即可分離出粗粒硫鐵礦[22]，再通過螺旋溜槽、搖床分離或者浮選工藝可以得到硫精礦，但浮選得到的硫精礦含碳量過高，不利于常規(guī)應(yīng)用，因此還要經(jīng)過反浮選或絮凝等工藝進(jìn)行降碳處理。合格的硫精礦可用于生產(chǎn)硫酸和硫磺。除此之外，硫精礦生產(chǎn)中排出的固體廢渣也是一種二次資源，可用于制取磁性材料、顏料、化工產(chǎn)品、高效脫硫劑以及復(fù)合凈化劑等[23]。目前，煤系硫鐵礦回收技術(shù)存在效率低且精砂含硫品位低的弊端，影響其進(jìn)一步利用。為此，未來應(yīng)加強(qiáng)對分系統(tǒng)開采煤系硫鐵礦的技術(shù)研究，即隨煤采出夾矸中的硫鐵礦，有目的地開采煤層頂、底板部位的硫鐵礦，以提高硫鐵礦的采出率，增加綜合采礦效益。

1.2.2 高嶺土

煤系高嶺土一般以煤層夾矸或煤層頂、底板的形式賦存于煤系之中，隨煤采出分離后累計(jì)堆存量已達(dá)70億t，并以每年1.5億t的速度增長[24]。我國煤系高嶺土多屬沉積形成，顏色較深，礦物成分單一[25]。以其賦存狀態(tài)和礦石性質(zhì)可以大致劃分為以下三種類型[26]: （1）含炭高嶺土，一般以煤層夾矸的形式賦存于煤系之中，在我國分布極其廣泛，一般來講，只要有煤的地方就有含炭高嶺土的存在。含炭高嶺土主要應(yīng)用于建材、化工、石油等行業(yè)。（2）“焦寶石型”高嶺土，以煤層頂、底板或煤層之間等方式賦存的礦石，在我國的分布同樣極其廣泛，主要分布在石炭-二疊系和侏羅系[27]，重點(diǎn)應(yīng)用于冶金、建材、橡塑和化工等許多行業(yè)。（3）沉積型軟質(zhì)和半軟質(zhì)高嶺土。以廣東茂名高嶺土為突出代表，此外還有內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾、陜西涇陽等地，地質(zhì)時(shí)代分布主要以三疊紀(jì)居多[28]。這種高嶺土具有極好的可選性，選后的精礦可廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)。

通過磨礦、磁選、漂白、壓濾、干燥、煅燒等工藝流程可實(shí)現(xiàn)煤系高嶺土的精選提純與應(yīng)用。煤系高嶺土的綜合利用以發(fā)電、建材以及無害化處理等大宗利用技術(shù)作為主攻應(yīng)用方向[29]。此外，煤系高嶺土還應(yīng)用于化工原料、陶瓷、塑料、橡膠、涂料等材料研發(fā)與制備領(lǐng)域[30]，低純度煤系高嶺土可以用作水泥混合材或混凝土礦物摻合料。其綜合利用途徑如圖2所示[31]。可見，煤系高嶺土不僅資源可靠，同時(shí)還具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值優(yōu)勢。

圖 2 煤系高嶺土綜合利用途徑

1.2.3 膨潤土

我國煤系膨潤土儲(chǔ)量豐富、品質(zhì)優(yōu)良，且多為大型或超大型礦床，探明儲(chǔ)量8.88億t[32]，主要分布在我國東北三省、廣西、新疆、甘肅等省區(qū)，易于在開采煤的同時(shí)進(jìn)行開采，不需新建礦井，開采成本低。

煤系膨潤土品位高，通常采用手選法和風(fēng)選法實(shí)現(xiàn)干法提純[33]，手選法是通過人工將膨潤土礦石中的大塊廢石挑選除去，基本流程為破碎、干燥、手選、粉磨、包裝。此法工藝簡便，生產(chǎn)過程靈活性高，但工業(yè)應(yīng)用較少，只適合小規(guī)模生產(chǎn)。風(fēng)選法通過利用膨潤土礦物和雜質(zhì)礦物的硬度和密度差異逐級分離沉降，將雜質(zhì)和膨潤土分離。基本流程為破碎、干燥、風(fēng)選分級、碾磨，最終得到精礦產(chǎn)品[34]。該法操作簡便、處理量大，但是容易造成空氣污染，對于雜質(zhì)礦物同蒙脫石粒度相近的超細(xì)粒級產(chǎn)品來說分離不徹底。

煤系膨潤土是由于其形成的環(huán)境所決定的，但是就其本身的性質(zhì)來講與非煤系地層中的膨潤土基本沒有區(qū)別，因此其加工提純的基本思路與技術(shù)路徑是相通的[35]。對煤系膨潤土的深加工應(yīng)用主要包括制備人工改型鈉土、4A沸石、無機(jī)凝膠、有機(jī)膨潤土以及廢水廢氣的綜合治理。目前，人工改型鈉土、4A沸石、無機(jī)凝膠都已投入工業(yè)化應(yīng)用。人工改型鈉土是將膨潤土用鈉鹽處理，通過離子交換合成鈉基膨潤土[35]。4A沸石是一種理想的吸附劑與干燥劑[36]，主要制備工藝流程是用酸處理膨潤土產(chǎn)生活性硅膠，后經(jīng)過晶化、洗滌、干燥、粉碎得到成品。無機(jī)凝膠主要用于牙膏和化妝品的生產(chǎn)，生產(chǎn)流程是先利用粉碎、浸取、分散、沉降等措施實(shí)現(xiàn)除雜[37]，后將濃縮后的礦漿進(jìn)行化學(xué)改性，以改善和提高膠體性能。通過陽離子交換改性得到有機(jī)蒙脫石、制備有機(jī)膨潤土。在環(huán)境污染治理方面，膨潤土能吸附大量的懸浮物，在污水、廢氣治理中可以起到捕集凈化的作用[38]。未來應(yīng)積極研究新的改性工藝及設(shè)備、活化方法等，逐步實(shí)現(xiàn)煤系膨潤土的工業(yè)化應(yīng)用。

1.2.4 耐火黏土

我國煤系耐火黏土資源豐富，已探明資源儲(chǔ)量17億t[39]。主要分布在山西、河南、山東、內(nèi)蒙古、河北等省區(qū)。受地質(zhì)條件影響，我國耐火黏土礦床與煤地層密切伴生。在新疆、內(nèi)蒙古、遼寧等地，由于煤的自燃作用，與煤伴生的黏土已燒成天然熟料，成為一種節(jié)能耐火原料。

煤系耐火黏土主要成分是鋁硅酸鹽礦物，厚度僅為厘米級，分布范圍廣，性質(zhì)穩(wěn)定。一般而言，Al2O3含量的高低決定了耐火材料性能[40]，所以煤系耐火黏土根據(jù)不同耐火材料要求等級進(jìn)行分級開采、分類煅燒、分類利用，使其發(fā)揮不同級別燒結(jié)性能和煅燒后熟料的高溫性能。對煤系耐火黏土化工方面深加工而言，可以生產(chǎn)工業(yè)硫酸鋁、明礬、氯化鋁等鋁鹽產(chǎn)品[41]。其生產(chǎn)廢渣還可用以制作充填增強(qiáng)劑及耐火材料等。此外，耐火黏土在研磨材料、陶瓷和石油鉆井支撐劑、鋪路材料、農(nóng)業(yè)促肥劑等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用[42]。

耐火黏土屬于我國重要的非金屬礦產(chǎn)資源，但目前具有開采技術(shù)落后、選礦分級效率低、煅燒水平較低的發(fā)展弊端，相關(guān)研究成果未能在生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用。因此應(yīng)加強(qiáng)對已有研究成果的產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)繼續(xù)拓寬煤系耐火黏土應(yīng)用領(lǐng)域，提高其開發(fā)利用水平。

1.2.5 硅藻土

我國煤系硅藻土探明儲(chǔ)量1.9億t，占硅藻土總探明儲(chǔ)量的71％，是一種理想的硅源，主要分布在我國的西南地區(qū)和東北地區(qū)的第三紀(jì)褐煤煤層上[43]。

煤系硅藻土是由于生物作用在煤中形成的硅質(zhì)沉積巖，其有益成分為硅藻，煤系硅藻土的提取要先經(jīng)過800 ℃煅燒去除有機(jī)質(zhì)[44]，后破碎至1 mm以下，通過硫酸或鹽酸處理生成可溶鹽，再經(jīng)過濾、洗滌、干燥后得到精硅藻土，主要用在啤酒、制藥等行業(yè)中[45]，煅燒精選后的煤系硅藻土還可以作為催化劑載體，如接觸法制硫酸使用的釩觸煤就是以硅藻土浸涂V2O5制成。此外，由于硅藻土具有納米級的天然微孔及縫隙，比表面積大、吸附性強(qiáng)，可以用于制造多孔道納米沸石、微孔玻璃等微孔材料以及作為吸附劑用于油類物質(zhì)的脫色精煉和污水治理[46]。

我國煤系硅藻土資源豐富，應(yīng)用前景廣闊，但目前仍存在煤系硅藻土中鐵氧化物含量較高的問題，對硅藻土的加工利用產(chǎn)生一定阻礙。未來應(yīng)加強(qiáng)對鐵氧化物的存在形態(tài)及成分研究，克服除鐵難關(guān)，提高煤系硅藻土加工利用的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2.6 石墨

我國煤系石墨資源潛力巨大，已探明儲(chǔ)量達(dá)5000萬t以上[47]，主要分布在我國東、中部，以吉林、湖南和福建省最為典型。煤系石墨屬于隱晶質(zhì)石墨，晶體直徑處于微米級別[48]，具有高品位、礦體集中、開發(fā)利用簡單的特點(diǎn)。

煤系石墨的選礦提純主要采用鹽酸與氫氟酸酸洗樣品[49]，后經(jīng)過洗滌、干燥處理，使得氮含量下降，碳得到富集。富集得到的石墨可以作為電池、耐火材料、碳素制品等的優(yōu)質(zhì)原料，前景廣闊。目前煤系石墨的開采和初選相對簡單[50]，但存在效率低、污染大、成本高等問題；未能做到統(tǒng)一規(guī)劃，開采混亂現(xiàn)象嚴(yán)重，浪費(fèi)資源且污染環(huán)境。與此同時(shí)，煤系石墨的深加工工藝落后，缺乏對高附加值產(chǎn)品的研發(fā)投入，制約了煤系石墨的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，對于煤系石墨的未來發(fā)展，一方面應(yīng)深入研究煤系石墨的賦存狀態(tài)及成礦機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高效分級利用；另一方面，應(yīng)加大對煤系石墨選礦提純和深加工技術(shù)的研究投入，保障石墨產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。

1.3 煤系能源礦產(chǎn)

煤系能源礦產(chǎn)中，鈾礦、油頁巖為固態(tài)礦產(chǎn)；煤層氣、致密砂巖氣、頁巖氣等煤系氣以及天然氣水合物為氣態(tài)礦產(chǎn)。隨著煤系礦產(chǎn)的研究和勘查的不斷深入，煤系能源礦產(chǎn)的潛在價(jià)值不斷被發(fā)掘。

1.3.1 鈾礦

煤系鈾礦主要分布在我國西南、西北地區(qū)，包括砂巖型和煤巖型兩類，砂巖型鈾礦主要出現(xiàn)在煤層頂?shù)装迳皫r中，煤巖型鈾礦多數(shù)存在于褐煤中[51]。我國煤中鈾煤層具有明顯的時(shí)代分布規(guī)律，云南和貴州主要為古生代石炭紀(jì)到二疊紀(jì)，部分為新生代煤層，內(nèi)蒙古和新疆地區(qū)則以侏羅紀(jì)煤層為主[15]。鈾在煤中主要有四種賦存狀態(tài)，其中最主要的賦存方式是有機(jī)質(zhì)螯合或束縛。

當(dāng)煤中鈾含量超過200 μg/g時(shí)，即具有工業(yè)化利用價(jià)值[52]。從煤中提取鈾主要有兩種途徑，一是從原煤中提取鈾；二是從煤灰中提取鈾。若直接從原煤中浸出鈾，煤中的有機(jī)物會(huì)部分進(jìn)入浸出液中，出現(xiàn)固液分離困難、浸出率低和試劑消耗多等問題[53]。故通常是先將煤灰化，再從煤灰中提取鈾，其過程包括選礦分離、灰化、煤灰浸出和浸出液中提取鈾。煤與砂巖、黏土的分離是根據(jù)比重不同進(jìn)行風(fēng)選，灰化處理的目的是除去煤中的有機(jī)物，主要受溫度影響。浸出和液固分離煤灰中的鈾主要以鈾的氧化物和鈾酸鹽等狀態(tài)存在，通常采用硫酸浸出，浸出率可達(dá)到94%[54]。

目前對煤中鈾的認(rèn)識(shí)更多是處于概念認(rèn)識(shí)層面，在實(shí)踐層面的有效利用技術(shù)研究還不夠深入，缺乏統(tǒng)一部署的方案，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。未來的研究應(yīng)將煤中鈾作為一種特殊的煤單獨(dú)分類，制定其勘查與開發(fā)利用等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)資源化、高效化、清潔化。

1.3.2 油頁巖

我國油頁巖資源大多與第三紀(jì)低階煤共生，成為煤層的頂板或底板或單獨(dú)賦存在煤層上下部的礦層，主要分布在吉林、廣東、遼寧和新疆等地[55]。目前，頁巖油提煉、頁巖灰殘?jiān)鹘ú沫h(huán)保材料是煤系油頁巖資源綜合利用的主要技術(shù)路線。頁巖油提煉的工藝流程包括大、中顆粒油頁巖煉油、剩余瓦斯和頁巖半焦發(fā)電以及綜合輸煤[56]，已形成完整產(chǎn)業(yè)鏈。此外，油頁巖灰渣的主要成分是SiO2和Al2O3，可以用來制備超輕陶粒、輕質(zhì)磚、硅酸鹽水泥和泡沫玻璃等。當(dāng)油頁巖中苯的抽提率大于1.3%時(shí)，可以提煉油頁巖蠟得到淺色精制蠟，提煉后的油頁巖依舊可以繼續(xù)使用。

煤系油頁巖的成因十分復(fù)雜，受沉積環(huán)境的影響較大，目前尚缺乏該方面的深入研究；此外，由于西部地區(qū)部分礦產(chǎn)資源開發(fā)較晚[57]，與煤共生的油頁巖資源尚未得到合理勘查與利用，所以今后需要加強(qiáng)對煤系油頁巖資源的理論研究及勘查開發(fā)力度。

1.3.3 煤系氣與天然氣水合物

煤系氣是成煤過程中形成的富含甲烷的天然氣，包括煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣[58]。我國煤系煤層氣資源儲(chǔ)量豐富，千億級別的含煤層氣盆地共有14個(gè)。煤系致密砂巖氣是一種低孔隙度、低滲透率的非常規(guī)氣，主要分布于四川盆地、鄂爾多斯盆地的煤系烴源巖中[59]。煤系頁巖氣主要分布于我國西北、東北、華北和南方等地區(qū)。賦存狀態(tài)包括吸附氣、游離氣和溶解氣。按照油氣出產(chǎn)的出井方式煤系氣的開采可分為分采混出共采以及分采共出共采[60]。開采出的煤系氣在諸多領(lǐng)域都具備廣闊的應(yīng)用前景，如通過內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)低濃度煤層氣發(fā)電、利用液化和變壓生成壓縮天然氣、提取裂解原料及合成油、制取醇類、醛類等液體燃料和有機(jī)產(chǎn)品[61]。

煤系天然氣水合物具有高效、清潔的優(yōu)勢，開發(fā)潛力極大，被視為未來天然氣的替代能源[62]。其主要賦存于永久凍土帶之下的中侏羅統(tǒng)含煤巖系，在我國的青海木里煤田中分布廣泛[63]，該區(qū)發(fā)育天然氣水合物并非偶然現(xiàn)象，而是含煤巖系的充足氣源和有利生儲(chǔ)蓋條件與高寒山區(qū)適宜的水合物穩(wěn)定帶耦合作用的必然結(jié)果。煤系烴源巖豐富，地層巖性旋回性強(qiáng)，低孔低滲的碎屑巖層封蓋性好，在凍土區(qū)的溫壓穩(wěn)定帶中極易形成天然氣水合物[64]。鑒于煤系天然氣水合物的“低品位”和與煤系氣共存的特點(diǎn)[65]，在遵循天然氣水合物開采“增溫降壓”基本原理的基礎(chǔ)上，把煤系天然氣水合物納入煤系氣共探合采范疇，無疑是煤系天然氣水合物經(jīng)濟(jì)合理開發(fā)值得關(guān)注的方向。

2. “雙碳”目標(biāo)下的挑戰(zhàn)與展望

在當(dāng)前復(fù)雜的國際政治經(jīng)濟(jì)形勢下，作為全球最大的礦產(chǎn)資源生產(chǎn)國、消費(fèi)國，我國如何實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)已成為全球矚目的焦點(diǎn)?！半p碳”目標(biāo)的達(dá)成意味著我國必須進(jìn)行能源供需結(jié)構(gòu)的重大轉(zhuǎn)變，這對我國礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略安全保障提出了嚴(yán)格的要求。煤系共伴生礦產(chǎn)資源是我國的重要資源，盡管現(xiàn)有的研究成果顯示，煤系共伴生礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用潛力很大，但是由于這一領(lǐng)域的研究起步較晚，還存在諸多挑戰(zhàn)：（1）煤中鍺、耐火黏土、石墨、鈾礦、油頁巖、煤系氣與天然氣水合物等煤系共伴生礦產(chǎn)資源開采技術(shù)落后、開采混亂現(xiàn)象嚴(yán)重、開發(fā)利用水平較低，相關(guān)研究成果未能在生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用。（2）煤中提取鎵、鋁的熱力學(xué)機(jī)理及影響因素、針對不同煤種稀土元素的提取工藝、煤系硅藻土中鐵氧化物含量及存在形態(tài)的相關(guān)研究缺乏。（3）對煤系共伴生礦產(chǎn)資源的賦存狀態(tài)與機(jī)理、分布規(guī)律、構(gòu)造環(huán)境、地球動(dòng)力學(xué)過程和機(jī)制以及煤系共伴生礦產(chǎn)資源開發(fā)的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、戰(zhàn)略重要性、污染性缺乏系統(tǒng)性研究。

針對以上嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我國煤系共伴生礦產(chǎn)資源綜合利用未來發(fā)展應(yīng)考慮以下主要方向：（1）突破傳統(tǒng)的單一煤炭資源開發(fā)利用模式，著力解決開采混亂、技術(shù)落后等短板，延伸煤系產(chǎn)業(yè)鏈，立足全生命周期的生存發(fā)展規(guī)律與邏輯，提高對煤系共伴生礦產(chǎn)資源的綜合勘查開發(fā)利用水平，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化發(fā)展；（2）聚焦煤系共伴生礦產(chǎn)資源的賦存狀態(tài)與分布規(guī)律、提取機(jī)理與影響因素、特殊地球動(dòng)力學(xué)過程和機(jī)制以及資源開發(fā)評價(jià)研究；（3）立足礦產(chǎn)資源加工利用全產(chǎn)業(yè)鏈，推進(jìn)煤系共伴生礦產(chǎn)資源分類及內(nèi)涵改革；（4）完善煤系共伴生礦產(chǎn)資源的礦業(yè)權(quán)管理與開發(fā)利用方案，并落到實(shí)處。

3. 結(jié)語

新形勢下，礦產(chǎn)資源作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要物質(zhì)支撐，在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了基礎(chǔ)保障作用。推進(jìn)礦產(chǎn)資源低碳轉(zhuǎn)型，節(jié)能減排，加快煤系共伴生礦產(chǎn)資源開發(fā)利用，對實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)具有重要意義。加強(qiáng)煤系共伴生礦產(chǎn)資源開發(fā)利用研究對于推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)從“粗放”到“集約”的轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配與產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。