中国煤科陈佩佩研究员：走近煤炭资源

煤炭是一种化石能源，是以植物为主的古生物遗体经过漫长的地质作用形成的能源矿产，是以碳氢化合物及其衍生物为主的复杂混合物。煤炭是地球上蕴藏量最丰富、分布最广泛的化石能源，拥有煤炭资源的国家约有80个。我国煤炭储量比较丰富，2020年我国公布的已探明储量为1488亿吨，继美国、俄罗斯、澳大利亚，居世界第四位。鉴于我国相对富煤、贫油、少气的能源结构，煤炭长期以来一直是我国能源安全的压舱石与稳定器，我国是世界上最大的煤炭生产国、消费国和进口国。外表“黑乎乎”的煤炭，为我们提供了丰富的热能、光明、电力、天然气、化工品和关键金属等生产生活所需的能量和物质，支撑着我国社会经济的发展。

文章来源：《智能矿山》2024年第4期“太阳石科普”专栏

作者简介：陈佩佩，中煤科工开采研究院有限公司研究员，长期从事煤矿特殊开采相关研究

作者单位：中煤科工开采研究院有限公司；中国煤炭地质总局；中国煤炭地质总局勘查研究总院；中国煤炭地质总局第一勘探局地质勘査院；中国煤炭地质总局浙江煤炭地质局

引用格式：陈佩佩，王佟，赵欣，等.走近煤炭资源[J].智能矿山，2024，5（4）：22-26.

煤炭的形成

亿万年前，大量植物在泥炭沼泽中持续地生长和死亡，其残骸不断堆积，首先形成了泥炭（图1a）。经过长期而复杂的生物化学、地球化学、物理化学和地质化学作用逐渐演化成煤炭。这一过程大致可以分为2个阶段：

（1）泥炭化作用（图1b）：植物遗体中的有机化合物分解为简单、化学性质活泼的化合物，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。

（2）煤化作用（图1c）：泥炭形成后，由于盆地沉降而被埋藏于地下深处，在较高的温度、压力条件下，经过复杂的物理、化学作用，泥炭逐渐形成褐煤、烟煤、无烟煤。

图1　成煤环境和过程示意

成煤时期，地球的二氧化碳浓度较高，丰沛的降水和温热的气候让当时的植物“彻底疯狂”，不仅长得快、长得高，还“到处都是”。石炭纪初植物演化出的木质素更是为“更高、更快、更强”生长提供了物质条件，数以万计的植物日复一日地吸进二氧化碳，释放氧气，以至于将整个大气中的氧气含量提升到30%，而这一过程则持续了近7000万年。植物生老病死，大量植物倒下后，纤维素被微生物缓慢分解，而木质素无法被分解则保留下来，分解者和大型消费者的缺乏更是让这些植物“死而不僵”，巨量的植物遗骸在水与泥沙的作用下最终演化形成了泥炭。

图2　牛轭湖（大陆环境）

图3　三角洲（海陆过渡环境）

煤炭的前身—泥炭沼泽主要形成于地表充分湿润、季节性或常年积水、丛生着喜湿性沼泽植物的低洼地段，广泛分布于从大陆到过渡地带的不同沉积环境。沉积环境中水动力条件、陆源碎屑输入状况、水介质化学性质以及沼泽基底稳定性等的不同，会造成泥炭物质组成、泥炭层厚度和侧向稳定性等方面存在差异，直接影响着煤炭的形成。

图4　若尔盖草本沼泽（大陆环境）

图5　曲流河（大陆环境）

煤炭多来源于高等陆生植物，其性质和聚集规模受生物界演化进程的影响。所以，煤炭并不是任何时期都可以形成的，地球历史上只有几个时期可以形成煤炭。我们以地球的地质年代为顺序，可以总结出：①早泥盆世以前为低等植物（菌藻类）发育时代，那时还没有高等植物出现，没有大规模的聚煤作用。低等植物经过一系列复杂变化形成的煤，灰分很高，发热量较低，称为“石煤”，如我国南方寒武纪的“石煤”；②在约4.1亿年前的志留纪末—泥盆纪初，植物界进入裸蕨时代并登陆，开始了高等植物演化及工业性煤层聚集的地质进程，在我国部分地区形成角质残植煤；③约3.7亿年前的晚泥盆世出现蕨类，陆生植物开始繁盛，石炭二叠纪蕨类植物的繁盛导致全球性聚煤作用的发生，这是地球上最重要的聚煤时期；④约2.6亿年前出现裸子植物，侏罗—白垩纪裸子植物的繁盛导致我国北方出现了广泛而持久的聚煤作用；⑤约0.9亿年前出现的被子植物在新生代的繁盛是南、北半球形成巨厚煤层的重要原因。

煤炭的分类和成分

按煤化程度的不同，煤的家族成员，从低到高依次为：褐煤、长焰煤、不黏煤、弱黏煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤。低变质烟煤包括长焰煤、不黏煤、弱黏煤；中变质烟煤包括气煤、肥煤、焦煤、瘦煤；高变质煤包括贫煤、无烟煤，中国煤的分类如图6所示。

图6　中国煤的分类

碳、氢、氧、氮是煤炭有机质的主体，占95%以上，煤化程度越深，碳的含量越高，其余元素的含量越低。其中，碳和氢是煤炭燃烧过程中产生热量的元素。此外，煤中常见的伴生元素有铀、锗、镓、钒、钍、铼、钛、铍、锶、锂等，石煤中有时还富集着镍、钼等元素。这些元素的含量有时可达工业品位可综合利用，是十分重要的资源。

如今不同地区赋存的煤层则是由煤层（原位泥炭在长距离上的堆积）和分散的陆源性沉积有机物共同构成的源−汇系统形成，其中有机质包括有泥炭沼泽的原位堆积、流水搬运的有机质和长距离分散运移沉降的有机质。煤中的矿物和元素主要来自外部物源输送，锗、铝、镓等矿产和金属元素的富集，则来自周边花岗岩类、风化壳铝土矿等物源区补给和长英质火山灰输入补给。煤系，包括煤层（收敛在原位泥炭沼泽的巨量有机质）和地面分散的有机质，以及流水等搬运的元素和无机矿物，共同构成了煤系源−汇系统。

世界煤炭资源分布

世界煤炭储量十分丰富，居各种能源之首，2020年全球煤炭探明储量达10741亿吨。按照地区划分，亚太地区储量占比42.8%，北美地区占比23.9%，独联体国家占比17.8%，欧盟地区占比7.3%，以上4个地区储备合计占比超过90%。按储量结构区分，烟煤和无烟煤占总储量的70.16%。从国家分布来看，美国是全球煤炭储量最丰富的国家，占全球资源的23.2%，俄罗斯占比15.1%，澳大利亚占比14%，中国占比13.3%，印度占比10.3%，以上5个国家储量之和占全球总储量的76%。

图7　世界煤炭资源分布

图8 2020年全球煤炭探明储量排名前十的国家统计

我国煤炭资源分布

我国赋煤区分布呈“井”字形格局，蒙东分区的西部地区、黄淮海分区、晋陕蒙宁分区、云贵川渝分区、北疆地区、甘青分区的南疆地区煤炭资源分布较为集中，其他地区煤炭资源分布相对分散（图9）。我国煤炭资源地理分布极不平衡，总格局是“西多东少，北富南贫”，主要集中分布在新疆、内蒙古、山西、陕西、贵州、宁夏等省区。同时煤炭资源的赋存区与消费区分布极不协调，煤炭消费量大的地方，资源赋存状况差，资源赋存丰富的地方消费能力不足，由此形成了“西煤东运，北煤南调”的格局。