我国煤系石墨研究及资源开发利用前景

曹代勇，王 路，刘志飞，丁正云，李 阳，束振宇

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

石墨是碳元素的一种同素异形体，由于特殊的分子结构，具有耐高温、导热性、导电性、化学稳定性、润滑性和可塑性等诸多优良性能，广泛应用于冶金、机械、核工业、航天、电子信息、新能源汽车等领域，属于新兴战略性矿产。2010 年，欧盟委员会将石墨列为14 种“对欧盟生死攸关的原料”之一，我国 2016 年《全国矿产资源规划(2016—2020)》首次将石墨等24 种矿产列入战略性矿产，2018 年美国将石墨(天然)列为35 种“关键矿物”之一[1-6]。根据不同工业用途，石墨矿产可分晶质石墨和隐晶质石墨两大类，煤系石墨(又称为煤成石墨)是隐晶质石墨的主要组成部分，也是煤系非金属矿产的一种[6-7]，与晶质石墨相比，煤系石墨具有矿体集中、品位高、易开发等特点，石墨查明资源储量中，隐晶质石墨(煤系石墨)占比不足20%[8-9]，却支撑着全国一半以上的石墨产量[6-10]。由于过去对隐晶质石墨(煤系石墨)成矿机制认识不够深入，缺乏煤系石墨鉴别标准，难以科学地区分煤系石墨与高变质无烟煤，严重影响了煤系石墨的评价和勘查工作。据估计，每年我国开采的煤系石墨中有50%左右被当作燃料消耗，造成极大的资源浪费。随着石墨矿床应用领域的拓宽和煤系综合矿产开发利用的推进，煤系石墨矿产资源评价和勘查工作也逐渐受到重视，近年来在煤系石墨成矿机制、赋存规律、鉴别指标与评价方法研究等方面取得重要进展[6,8,11-19]，福建、湖南、江西、陕西等省份煤系石墨找矿评价获得重要发现[13-14,16,19-24]，显示了煤系石墨勘查开发利用的良好前景。

1 煤系石墨鉴别指标与等级划分

1.1 煤系石墨的概念

目前普遍认为隐晶质石墨是由煤或煤系有机碳经岩浆侵位接触变质形成的，属于接触变质型石墨成因类型[1,8]，因而，从成矿物质和矿床赋存角度出发，煤系石墨可视为隐晶质石墨的同义词，煤系石墨矿床与煤层为同层异矿，是煤及煤系有机碳(炭质页岩等)经历煤化作用阶段进入石墨化阶段的产物，发育不同程度石墨结构、具有石墨或类似石墨的物理化学特征和工艺性能，可做工业原料。

煤化作用与石墨化作用是一个连续(存在几次跃变)的过程(图1)，具有不可逆性和非线性两个基本特点，其演化实质在元素组成上表现为富碳、去氢、脱氧，在分子结构上表现为缩合程度增加、有序化增强和石墨结构的逐渐形成。石墨化作用的开始标志着煤有机质开始向无机矿物发展演化，随着结构有序度提高，逐渐形成具有不同石墨化程度的石墨化无烟煤、半石墨、石墨，最终演变为三维有序的石墨晶体结构[6,13,25-26]。与具有完全有序的晶体结构的无机矿物不同，在煤成石墨化过程中常形成不同结晶程度的微观结构，因此，煤系石墨属于特殊的非典型晶质矿物。

图1 煤化作用与石墨化作用阶段Fig.1 Coalification and graphitization stages

1.2 鉴别指标与等级划分

科学地鉴别煤系石墨是资源评价与开发利用的前提条件和基础工作，遗憾的是，迄今尚未有专门针对煤系石墨鉴别的指标或标准规范，现行的DZ/T 0326—2018《石墨、碎云母矿产地质勘查规范》采用固定碳含量(FC)作为石墨矿的一般性工业指标，隐晶质石墨边界品位和工业品位分别为FC≥55%和FC≥65%[27]。该规范是在确定为隐晶质石墨的前提下，用固定碳含量作为质量(品位)指标。根据固定碳含量的定义和测定方法，固定碳含量反映的是样品的物质组成，众所周知，大多数煤的固定碳质量分数超过55%和65%，因此，采用固定碳含量作为区分煤系石墨和煤的鉴别指标势必引起混乱。由前述可知，煤系石墨成矿的实质是在热能和定向应力的作用下，煤大分子结构有序度提高，最终演变为三维有序的石墨晶体结构的过程，因此，反映煤大分子和石墨晶体结构的参数才是鉴别煤系石墨的可靠指标。

国内外学者分别采用反射率、FCad、H/C、碳层间距d002、Raman 光谱等参数作为区别煤与石墨的划分指标[28-33]。综合前人的研究成果，在福建闽西南、湖南鲁塘、吉林磐石等典型煤系石墨矿区研究工作的基础上[6-7,11-16,20]，提出了煤系石墨鉴别指标和等级划分方案(表1)。划分指标分为结构参数和成分参数两大类，结构参数包括X 衍射分析碳层间距(d002)和拉曼光谱表征结构缺陷的参数R2(D 峰与G峰的面积比AD1/(AD1+AD2+AG))，作为精确指标，用以鉴别煤与煤系石墨及其石墨化程度的确定(等级)；成分参数包括固定碳含量(FC)、镜质体反射率、挥发分产率(Vdaf)和H/C 元素比，用以评价煤系石墨的质量，在资源勘查阶段也可用于初步区分无烟煤与煤系(隐晶质)石墨。

表1 煤系石墨鉴别指标与等级划分方案Table 1 Identification index and grade classification of coal-based graphite

煤的石墨化是一个连续—跃变的演化过程，在微观结构变化上表现为逐渐形成具有不同石墨化程度的石墨化无烟煤、半石墨、石墨，最终演变为三维有序的石墨晶体结构(图1)，不同演化程度的煤系石墨则具有不同程度类似石墨的物理化学特征和工艺性能，据此划分煤系石墨等级(表1)，以满足资源评价和地质勘查的需要。

Ⅰ级煤系石墨，对应石墨，其碳层间距0.3354nm≤d002≤0.3370nm，R2≤0.6，结构有序度较高，碳层尺寸发育较大，煤的有机组分完全消失，转变成颗粒状、丝状等石墨组分，具有典型石墨矿物的理化性能。

Ⅱ级煤系石墨，对应半石墨，进一步划分两个亚级：Ⅱ1级，0.3370nm＜d002≤0.3440 nm，0.60＜R2≤0.65，碳层间距相对较小、结构有序度较高、显微组分以颗粒状石墨组分为主；Ⅱ2级，0.3370nm＜d002≤0.3440nm，但R2＞0.65，该亚级石墨碳层间距较小，但具有的结构缺陷相对较多，具有部分石墨矿特征。

Ⅲ级石墨，对应石墨化无烟煤，d002>0.344 nm，0.65≤R2≤0.70，该级别石墨化程度相对较差，碳层长程无序，但其导电性、热稳定性较好，可作为低端工业原料，具有一定程度实用价值。

2 煤系石墨形成的控制因素

影响煤系石墨形成的主要控制因素可以分为内因(物质组成)和外因(温度、压力等)两大类[12]。

2.1 物质组成

煤系石墨形成首先要有煤作为矿源层，煤是由有机组分(煤岩显微组分)和无机组分(矿物质)组成的混合物，由于煤中不同有机显微组分的分子结构、化学组成的差异性，以及对不同温度、压力条件的敏感性差异，导致其石墨化速率和石墨化产物也各不相同[6,12-13,19]，而不同种类、含量的矿物在煤的石墨化中的催化作用也各有差别[12,34-37]，由此决定了可石墨化性和石墨化差异性特征(图 2)。R.E.Franklin[38]依据碳在高温下是否可石墨化分为可石墨化碳和不可石墨化碳两种类型，较弱的桥键、较小的超微孔隙和趋于定向排列的大分子结构决定了碳的可石墨化性。煤的大分子结构是由众多以芳香环为核心，含有侧链、官能团等小分子结构，由桥键连接组成的大分子基本结构单元(BSUs)，当桥键断裂、小分子结构排出，芳香环相互排列、堆叠可构成石墨的晶体结构；桥键的断裂也促使被“锁住”的芳层可以发生旋转、择优取向。A.Oberlin 等[39]认为，无烟煤在2 500℃以上时，芳香层之间的超微孔隙出现扁平化，导致芳层有序排列。镜质组、壳质组和惰质组三大显微组分的结构变化和演化速率各不相同，在高煤级煤—石墨阶段，煤中原生有机显微组分逐渐消失，取而代之的是新生成的石墨化组分，根据其形态特征可以将其划分为颗粒状、片状或丝状石墨组分和热解碳，其中，片状和丝状石墨的石墨化程度最高，颗粒状石墨的石墨化程度较低[13,19,40]。实例研究发现，壳质组在高变质无烟煤中已经消失，表明其石墨化速率最快；其次为镜质组，惰质组在石墨化中表现出“惰性”特征，在石墨化程度高的样品中仍可观察到残留的惰质组分，表明其石墨化速率最慢[13,19,40-41]。

图2 煤向石墨演化的作用要素Fig.2 Critical factors for evolution of coal to graphite

2.2 温 度

温度是影响有机质演化(包括煤化作用和石墨化作用)的首要因素，高温为原子重排、重结晶、结构转化提供了活化能。杨起等[26]认为岩浆作用的叠加热场是中国高变质煤形成的根本原因，作为煤化作用(煤变质作用)的延续，煤系的石墨化作用的活化能也主要来自岩浆作用产生的高温。石墨矿床按其成因划分为区域变质型、接触变质型及岩浆热液型三大类，隐晶质石墨(煤系石墨)属于接触变质型，由岩浆侵入煤层接触变质而成，岩体的性质一般为酸性花岗岩类或中酸性闪长岩类。酸性岩浆稠度低、流动性好，有利于热的传递，同时此类岩浆富含氟和硼等挥发性气体，可起到催化剂和助熔剂作用，有利于有机碳转变为石墨[1]。我国目前已知煤系石墨矿床几乎均与大规模的酸性和中酸性岩体如岩基、岩株有关，深成岩体侵位深度较深(数千米至10 km 以上)、接触变质带范围宽、侵位时上覆岩系厚、形成良好“热封闭条件”，从而具有热量充足、作用时间长的优势，能够为煤变质和石墨化提供充足的热能。而岩脉、岩墙和岩床等小型侵入体，侵入深度浅、规模小、热作用时间较短，所能提供的热能有限，其接触带窄、煤变质梯度大，通常形成天然焦—热变煤系列[26]。

2.3 地质构造

地质构造(构造格局和构造应力)也是煤系石墨形成不可忽视的控制因素之一，包括构造导热辅助成矿、构造应力主导成矿和同期或后期改造等3 种基本方式[6]。强烈构造活动带往往伴随显著的岩浆活动，大型断裂构造提供岩浆侵入通道；不同的构造格局构成不同类型的成矿构造–热环境条件(封闭式、半封闭–半开放式和开放式[16])，导致不同石墨化程度的差异。已经认识到构造应力尤其是剪切应力具有与热力作用相似的机制(应力降解和应力缩聚)，在有机质演化(煤化作用—石墨化作用)中起到催化作用[42]，R.M.Bustin 等[43]提出了在剪切应力作用下煤的石墨化模式，Wang Lu 等[13]在湖南鲁塘煤系石墨研究中提出了应变诱导石墨化机制。人工合成石墨实验表明，需要把碳物质加热到2 800℃才能形成石墨结构[44]，显然与天然石墨形成温度分布于400～800℃的地质研究成果相矛盾[1,44-47]。煤石墨化过程所需的活化能达到1 089 J/mol，仅仅由岩浆所提供的热能远远不够[48]，构造应力应变能可以为煤成石墨化提供必需的活化能。为数不多的高温高压模拟实验研究支持剪应力在碳物质石墨化过程中起到重要作用[37,48-50]，加拿大R.M.Bustin 等[43]采用镜质体反射率Rmax=5.27%的无烟煤样品，开展了共轴挤压和剪切实验，得出在剪切变形条件下局部石墨结构出现的起始温度可低至600℃，900℃时样品绝大部分已经石墨化[43]。

3 煤系石墨赋存规律与成矿区带划分

3.1 煤系石墨赋存规律

目前已知的煤系石墨产地大多分布在中生代(以燕山期为主)酸性或中酸性深成岩体(岩基、岩株)旁侧，接触变质–变形带宽度1～3 km，从岩体向外，总体上呈现石墨→半石墨→石墨化无烟煤→无烟煤的过渡变化，空间展布受褶皱形态和挤压性断层控制。由于矿源层(煤层)物质组成的差异和地质构造的变化，导致石墨化程度的突变或间断，从而造成煤系石墨赋存状态十分复杂，平面分布和垂向变化显著。矿井调查和显微尺度观察发现，石墨化程度与煤/石墨的变形程度(原生结构→碎裂结构→碎粒结构→糜棱结构)呈正相关关系，表明局部应力/应变集中是导致石墨化特征差异的主要因素。

区域上，煤系石墨的形成与岩浆活动和挤压性构造环境密切相关，受区域性构造–岩浆带控制，具有方向性、递变性、集中成带展布的特点。莫如爵等[1]总结我国石墨分布特点时指出，煤层接触变质型石墨矿床主要见于活动大陆边缘地区，一般形成于早期挤压–中酸性岩浆活动阶段；我国煤层变质石墨分布于我国东部环太平洋域及西部若干断裂岩浆带上，更多集中于郯庐断裂以东地区。肖克炎等[5]在我国东部划分出老爷岭陆缘活动带接触变质型石墨成矿区和东南地区中生代隐晶质石墨成矿区等两个与煤系石墨有关的成矿带。颜玲亚等[8]依据已有石墨矿点分布，划分出4 个隐晶质石墨成矿带，分别为内蒙古扎鲁特旗隐晶质石墨成矿带、吉中隐晶质石墨成矿带、小兴安岭—张广才岭(造山带)隐晶质石墨成矿带、湘中南—粤北拗陷中生代隐晶质石墨成矿带。

3.2 成矿区带划分

在前人研究成果的基础上，总结近年我国煤系石墨研究和资源评价的新进展，以区域大地构造格局和赋煤构造格局为基础，结合煤系石墨成矿的构造–岩浆地质条件，初步划分了全国煤系石墨成矿区带，包括4 个成矿域和9 个成矿带(表2)。煤系石墨主要分布在我国东、中部，具有东多西少、南多北少的基本规律，一级成矿区带呈“一纵三横”格局。一纵是指大兴安岭–太行山–雪峰山以东NNE 向展布的滨太平洋煤系石墨成矿域(Ⅰ-1)，三横是指分别受控于3 条EW 向区域性构造–岩浆带的南岭煤系石墨成矿域(Ⅰ-2)、秦岭–大别山煤系石墨成矿域(Ⅰ-3)和燕山–阴山煤系石墨成矿域(Ⅰ-4)。

表2 我国煤系石墨成矿区带划分Table 2 The main metallogenic belts of coal-based graphite in China

3.2.1 滨太平洋煤系石墨成矿域(Ⅰ-1)

滨太平洋煤系石墨成矿域由东北经华东延伸至东南地区，呈NNE 向斜跨东北赋煤区、华北赋煤区和华南赋煤区三大一级赋煤构造单元，并与EW 向区域构造带东段叠加复合，中生代以来进入活动大陆演化阶段，多期次、高强度的构造–岩浆活动不仅造就了多金属成矿区，同时也为煤系石墨成矿提供了有利条件。该成矿域北段东北赋煤区东部小兴安岭–张广才岭构造–岩浆岩带形成有利的封闭式成矿条件，发育黑吉东部煤系石墨成矿带。南段华南赋煤带东部华夏赋煤构造亚区以前泥盆纪浅变质岩系为基底，成煤期后经历多次挤压与拉张等不同构造机制的交替作用，中生代以来卷入活动大陆边缘，燕山期岩浆活动强烈，煤系变形–变质程度高，煤类以无烟煤为主，沿海中生代闽浙火山岩带西侧闽西南拗陷成矿带多处煤系石墨产地沿区域断裂–岩体连片分布[16,51]。滨太平洋煤系石墨成矿域中段华北赋煤区中东部自燕山运动以来进入大陆裂解阶段，太行山东麓诸煤田和淮北煤田在开放性构造环境下，众多浅层或中浅层小型岩体侵入煤系，接触变质带发育天然焦，尚无煤系石墨的报道。

3.2.2 南岭煤系石墨成矿域(Ⅰ-2)

南岭构造–岩浆活动带是以近EW 向的花岗岩带为主要标志，由北向南分布的骑田岭–九峰山岩带、大东山–贵东岩带和佛冈–新丰江岩带3 个岩浆岩带[52]。南岭煤系石墨成矿域与滨太平洋煤系石墨成矿域南段呈叠加复合关系，对华南赋煤区的华夏赋煤构造亚区含煤岩系赋存影响较大，构造变形强烈，煤田推覆和滑覆构造全面发育，构造变形强度和岩浆活动强度均呈由西向东增强的趋势[53]。南岭煤系石墨成矿域中生代以来经历的多期构造–岩浆活动导致煤变质程度高，挤压性构造格局和深成岩体侵位造就了有利的煤系石墨成矿环境，雪峰山与武夷山之间发育湘中–湘南煤系石墨成矿带、赣中–赣南煤系石墨成矿带和粤北煤系石墨成矿带，煤系石墨矿床主要分布于湖南中南部、江西中南部、闽西南以及广东北部一带，矿源层主要为二叠系龙潭组，部分地区为下石炭统测水组(如湘中新化矿区)[16,19-20,22,24]。

3.2.3 秦岭–大别山煤系石墨成矿域(Ⅰ-3)

秦岭–大别山造山带是我国重要的构造–岩浆活动带，具有多旋回复合造山特征，晚古生代初南北大陆从东向西逐渐拼合，到三叠纪拼合完成，中、新生代秦岭–大别山造山带的地壳演化以逆冲推覆和强烈酸性岩浆活动为特征[54-57]。煤系石墨分布在东段大别山北麓北淮阳地区商固煤田和西段北秦岭凤县一带。商固煤田位于河南省商城与安徽金寨一带，石炭纪含煤沉积习称杨山煤系，晚古生代以来相继经历了由弧后裂陷盆地→前陆盆地→构造反转等多期构造–热事件，导致煤系变形强烈、煤变形–变质作用显著[53]，划分为构造–热变质、岩浆热变质和区域变质3 种类型。其中，构造–热变质类型位于燕山期(早白垩世)商城花岗岩基旁侧剪切变形带内，马鞍山煤矿样品d002为0.335 5～0.339 4 nm，平均值0.336 8 nm，高分辨透射电镜分析呈现接近平直石墨的SAD 衍射环[58]。北秦岭煤系石墨成矿带位于洛南–栾川逆冲推覆构造与商丹缝合带之间，矿源层为石炭系草凉驿组，经历多期构造运动，变形强烈，以“S”型褶皱、推覆构造及叠加褶皱等挤压性构造样式为主；陕西凤县贯沟–老厂–煤沟一带的草凉驿组煤层受燕山期岩浆热作用及构造热作用变质而发生石墨化，东部(老厂至贯沟)矿体多、矿石质量较好，固定碳质量分数一般为68%～89%；西部矿石质量变差[21]。草凉驿组煤系石墨的主要控矿要素是海西期、印支期和燕山期多次岩浆热侵位对煤层的加热烘烤作用，同时区域性的构造运动对石墨矿层的富集也起到了积极作用[23]。

3.2.4 阴山–燕山煤系石墨成矿域(Ⅰ-4)

阴山–燕山构造–岩浆带属于天山–兴蒙造山带的东段，后者是华北–塔里木板块与西伯利亚板块之间的巨型造山带，同样具有多旋回演化的历史，中、新生代卷入滨太平洋构造域，发生陆内俯冲、逆冲推覆、伸展断陷、走滑旋转等构造变形和岩浆活动[56-57]，对南北两侧华北赋煤区和东北赋煤区煤变质具有一定程度的影响。阴山–燕山煤系石墨成矿域北侧内蒙古通辽市扎鲁特旗煤系石墨成矿带区域大地构造位置位于阴山–燕山褶皱带与大兴安岭中生代岩浆岩带(滨太平洋构造域)复合部位，褶皱断裂发育，岩浆活动显著，以燕山中期侵入活动为主，中、酸性岩体出露面积大，下侏罗统红旗组煤层经岩浆热接触变质作用发生石墨化，矿石品位一般较高，固定碳质量分数多为60%～80%[59]。阴山–燕山煤系石墨成矿域南侧京西煤田北京海淀南安河和房山车厂各有一小型接触变质型石墨矿床，为石炭–二叠纪煤层变质形成，南安河石墨矿固定碳质量分数为12.17%，车厂石墨矿的矿石固定碳质量分数为6.62%～71.50%，平均29.22%，因质量较差，基本无工业价值[60]。

4 我国煤系石墨资源

4.1 煤系石墨资源现状

我国煤系石墨资源储量较大，据《全国矿产资源储量通报》(2018)资料统计[9]，截至2018 年底，全国石墨查明资源储量53 782.09 万t，其中晶质石墨43 740.58 万t、隐晶质石墨10 041.51 万t，隐晶质石墨资源储量前三位的省(自治区)分别是内蒙古、湖南和吉林(表3)。把煤系石墨等同于隐晶质石墨，则占全国石墨查明资源储量的18%。如前文所述，由于缺乏鉴别煤系石墨的科学指标，大约有一半左右的煤系石墨被混同为无烟煤使用，因此，现有煤系石墨查明资源储量数据可能被大大的低估。

表3 全国隐晶质石墨资源储量统计(截至2018 年底)[9]Table 3 Reserves of amorphous graphite in China(until the end of 2018)[9] 单位：万t

近年受石墨烯和石墨应用领域拓宽的驱动，煤系石墨评价和找矿取得显著进展，其中比较重要发现包括2016 年内蒙古扎鲁特旗板子庙矿区勘查新增隐晶质石墨资源量2 220 万t[8]；“陕西省凤县岩湾矿区外围石墨矿普查”阶段性成果表明，可获煤系石墨333 与334 资源量7 000 余万t；福建煤田地质局联合中国矿业大学(北京)和福能集团等完成的“福建省煤系石墨赋存规律及资源评价”于2019 年5 月通过福建省自然资源厅组织的评审验收，划分了六大煤系石墨远景区，预测资源量8 700 余万t；最近又首次在江西赣南崇义矿区发现煤系石墨矿产[20]，使粤北、湘中南、赣南、闽西南煤系石墨产地连为一片(南岭煤系石墨成矿域与滨太平洋煤系石墨成矿域的复合)，大大拓宽了华南赋煤区煤系石墨找矿范围。

4.2 煤系石墨资源前景

中国大陆是由若干个稳定地块和活动带经多次拼合镶嵌而成的复合大陆，活动带密度大，稳定地块规模小，中、新生代构造–岩浆活动强烈，对包括含煤岩系在内的沉积盖层改造显著[53]。在此大地构造背景中的含煤盆地构造–热演化历史复杂，变形显著、变质作用类型多样、尤其是叠加变质作用较普遍，导致煤类空间分异性显著，在全国2.02 万亿t已探获煤炭资源量中高煤级煤占13%[61]，显示了巨大的煤系石墨资源潜力。

中国煤炭资源分布广泛，依据煤田构造格局可以划分为东北、西北、华北、华南和滇藏五大赋煤构造区，阴山–燕山构造–岩浆活动带、秦岭–大别山构造–岩浆活动带、南岭构造–岩浆活动带、滨太平洋构造–岩浆活动带和喜马拉雅构造–岩浆活动带对各大赋煤区煤变质和石墨化均有重要影响[53]。煤系石墨资源调查评价的工作重点应在加深对煤系石墨成矿机制认识、科学鉴别煤系石墨及其划分等级的基础上，开展4 大煤系石墨成矿域的全面调查，由已知煤系石墨矿床向深部和周边扩展，扩大现有勘查成果。另一方面，拓宽找矿领域，重点排查各赋煤单元高煤级煤产地，主要找矿标志包括：燕山期酸性、中酸性深成岩体周边，区域性断裂带尤其是不同方向断裂交叉部位，煤系中出现红柱石、堇青石、蓝晶石等变质矿物，煤/石墨层变形强烈呈碎粒、糜棱结构。有希望的远景区包括：华北赋煤区周缘逆冲推覆带高煤级煤分布区、太行山东麓诸煤田、山西晋中晋南煤田；华南赋煤区西南部四川盆地周边无烟煤分布区；西北赋煤区河西走廊甘肃靖远—武威—张掖一线无烟煤分布区；滇藏赋煤区煤炭资源量小、工作程度低，尚无确切的煤系石墨矿产地报道，但特提斯构造域多期构造活动和岩浆活动，尤其是中、新生代强烈的板块碰撞构造–热事件，对煤变形–变质作用具有显著影响，沿区域性断裂和岩浆带可能存在动力变质–接触变质成因的煤系石墨。

5 开发利用前景

5.1 煤系石墨开发利用意义

天然石墨具有耐高温、高强度、导电、导热、化学性能稳定、润滑性、可塑性等诸多优良性质，应用领域广泛，其中耐火材料和钢铁冶金是石墨最主要的应用方向，市场份额合计占比超过40%[10]。近年来随着科技的发展进步，石墨在新材料、新能源领域的应用不断拓宽，尤其是利用高纯晶质石墨制作石墨烯，引发材料科学的一系列突破性进展，引起电子通讯、锂离子电池、航天军工、生物医药、环保、太阳能、光电等新兴领域的广泛关注，从而也极大地推动了石墨矿产资源评价与开发[10,62-64]。煤系石墨属于典型的隐晶质石墨，晶体直径一般小于1 μm，是微晶石墨的集合体，由于其自身物理性质，是做各种同性石墨的最佳原料，用于铸造、电池、铅笔、颜料、耐火材料、碳素制品、增碳剂及铸锭保护渣等领域[1,6,10]。随着石墨材料应用领域的拓宽，煤系石墨的产业链也在延伸。2011 年中国建材集团有限公司旗下南方石墨有限公司进驻我国最大的煤系石墨产地湖南郴州鲁塘，投资近40 亿元，用于矿区技改建设和产品开发，力争打造集原矿生产、石墨精深加工、产品研发、物流贸易于一体的“中国最大微晶石石墨产业集群”。2017 年，福建省提出了《福建省石墨烯产业发展规划(2017—2025年)》，布局“两核三区”中高端石墨及石墨烯产业聚集区，闽西南永安市把发展石墨和石墨烯新兴产业作为新一轮经济驱动的战略布局，依托丰富的煤系石墨资源，建设石墨和石墨烯产业园，引入石墨产业高新企业，致力石墨深加工，形成完整的产业链。

我国煤系石墨资源潜力巨大，具有矿体集中、品位高、易开发等特点，煤系石墨源于煤，其经济价值远高于煤，煤系石墨的开发利用具有重要经济意义和社会意义。①作为石墨矿床的重要组成部分，煤系石墨的开发增强了石墨需求的战略保障能力，为石墨产业中初级产品加工和高端产品应用提供资源保障。② 促进煤系矿产资源合理开发利用，煤系矿产种类多、资源量大、潜在价值高，煤系石墨的高效合理的开发利用，是煤系矿产资源利用价值的客观体现。③促进煤炭由单一燃料向燃料和工业原料并重转变，实现资源科学合理利用，推动煤炭行业向新兴产业的迈进。④“煤”变身为“石墨”及其系列产品，其经济价值大幅度提升，增加企业的经济效益。⑤ 有利于矿山转型升级，煤系石墨成矿区带为构造–岩浆活动区域，煤系赋存条件复杂、规模一般较小，煤炭开采受到极大限制，经勘查确认变更为石墨矿产则为矿山转型发展带来新的机遇。

5.2 存在的问题与对策建议

然而，由于历史和现实原因，目前煤系石墨矿产资源开发利用不尽如人意，存在的主要问题有：①对煤系石墨成矿机制认识肤浅，对煤系石墨赋存规律尚不清楚，资源调查和勘查程度低，资源储量不可靠。② 缺少煤系石墨鉴别标准和勘查规范，导致已发现的煤系石墨矿产难以得到认可，抑制了煤系石墨矿产资源勘查的积极性。③煤系石墨的无序开发，乱挖乱采，甚至被当成无烟煤开采和销售，煤系石墨资源浪费严重。④ 煤系石墨提纯和深加工工艺研发滞后，仍主要局限于低端应用，严重制约了煤系石墨附加值的提高，缺乏产业升级良性发展的动力[10,64-65]。⑤ 不合理、过度资源开发，造成资源迅速枯竭，并带来严重的环境污染问题。

煤系石墨是石墨矿床的重要组成部分，煤系石墨具有的矿体集中、品位高和易开发的特点，决定了其必将成为未来石墨产业的重要支柱，在新时期发展背景的要求下，为满足《中国制造2025》计划的资源需求，应从以下方面开展工作：①深入研究煤系石墨成矿机制和赋存规律，建立科学的评价指标，加强煤系石墨勘查评价，摸清资源家底。② 加强政府宏观调控，根据资源、环境和经济协调发展原则科学规划，合理有序地开发煤系石墨资源，实现在保护中开发、在开发中保护。③开展煤系石墨物理化学性质研究，实现矿床资源分级分质利用，优化在耐火材料、钢铁原料等传统工业的应用价值，提高资源利用率。④ 加强煤系石墨提纯和深加工技术研究，面向石墨产业价值链的高端，提高产品附加值。⑤ 加强产业结构转型，推进煤系石墨工业园区建设，为以煤–煤系石墨为原料制备人造高纯石墨等产品提供服务创新平台，充分将煤炭从传统粗放型的燃料转变为工业原料。

6 结论

a.煤系石墨是一类特殊的非典型晶质矿物，与煤层为同层异矿，煤向石墨演化的实质在元素组成上表现为富碳、去氢和脱氧，在分子结构上表现为有序化增强和石墨晶体结构的逐渐形成。煤岩组分、岩浆热和地质构造等均对煤成石墨化作用具有重要影响，在多因素综合作用下，煤系石墨成矿常表现出差异石墨化特征。

b.从煤系石墨成矿机理入手，提出了以化学组成参数为基础指标，以结构参数为精确指标的煤系石墨鉴别指标体系；从资源评价需求出发，将不同演化程度的煤系石墨划分为Ⅰ级(石墨)、Ⅱ级(半石墨)和Ⅲ级(石墨化无烟煤)等3 类。

c.基于煤系石墨的成矿条件和控制因素，首次开展了煤系石墨成矿区带划分，受区域性构造–岩浆带控制，我国煤系石墨成矿区带呈现“一纵三横”的分布特点，划分为滨太平洋成矿域、南岭成矿域、秦岭–大别山成矿域和阴山–燕山成矿域及9 个成矿带。

d.我国煤系石墨(隐晶质石墨)查明资源储量仅占全国石墨资源储量的18%，由于缺乏鉴别煤系石墨的科学指标，现有煤系石墨查明资源储量数据可能被大大的低估，由于我国煤炭资源丰富和赋煤区构造–热叠加作用显著，煤系石墨资源潜力巨大。

e.煤系石墨资源开发对于新时期背景下的社会发展和经济需求具有重大意义，摸清资源家底，提出适宜的开发利用途径，提高煤系石墨资源利用价值，是实现煤系石墨资源合理开发利用和相关煤炭企业转型升级的有效途径。