吳玉程，金智新，包研科，鄧存寶，郝朝瑜，王雪峰，陳 曦，李雨成

(1.太原理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院，b.安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，太原 030024； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

煉焦煤是一種以熱反應(yīng)結(jié)焦性為主要特征的中等變質(zhì)程度煙煤的統(tǒng)稱，是鋼鐵工業(yè)不可替代的稀缺原料。世界煉焦煤資源中，肥煤、焦煤、瘦煤約占1/2，其經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量約為5 000億t；其中，低灰、低硫、強(qiáng)粘結(jié)性優(yōu)質(zhì)焦煤資源不足600億t[1-2]。國土資源部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：全國保有查明煉焦煤資源量為3 073億t，占全國煤炭保有查明資源儲(chǔ)量的19%；而經(jīng)濟(jì)可采的煉焦煤儲(chǔ)量?jī)H占12.85%[3]。導(dǎo)致煉焦煤稀有性的原因有哪些？應(yīng)該如何更好地保護(hù)和利用煉焦煤？這些是值得我們深入研究的問題。

近年來，許多學(xué)者對(duì)煉焦煤的稀缺性進(jìn)行了深入研究。宋元青等[4]基于山西煉焦煤的資源稟賦，分析了山西稀缺煉焦用煤的分布特征及勘查開發(fā)中存在的問題，發(fā)現(xiàn)稀缺煉焦煤中焦煤保有資源儲(chǔ)量較大，而氣肥煤儲(chǔ)量不足。鄧小利等[5]在研究了中國稀缺煉焦煤資源分布特征后認(rèn)為，由于煉焦煤不同煤類資源量和占用量極度不匹配，如不進(jìn)行有效規(guī)劃和管理，長(zhǎng)此以往必將出現(xiàn)煉焦煤資源緊缺。張勛等[6]通過建立煉焦煤產(chǎn)量的慣性增長(zhǎng)模型，預(yù)測(cè)30～40 a后煉焦煤可采儲(chǔ)量將接近枯竭。李緒萍等[7]依據(jù)廣義能量系統(tǒng)建立了煉焦煤慣性增長(zhǎng)模型，并推斷出近幾年煉焦煤產(chǎn)量的環(huán)比增長(zhǎng)率，發(fā)現(xiàn)近年來我國煉焦煤產(chǎn)量呈破壞性增長(zhǎng)。胡榮華[8]系統(tǒng)地研究了江蘇省稀缺煉焦煤資源的區(qū)域分布和煤種分布,發(fā)現(xiàn)江蘇省7個(gè)礦區(qū)稀缺煉焦煤成煤時(shí)代主要是石炭—二疊紀(jì)，且主要分布在徐州礦區(qū)和豐沛礦區(qū)。上述研究從現(xiàn)有資源的分布及探明儲(chǔ)量的角度說明了煉焦煤的稀缺性及目前制定規(guī)劃保護(hù)性開發(fā)政策的必要性。但是，煉焦煤的稀缺性是否具有必然性，將來能否有望找到儲(chǔ)量豐富的煉焦煤，這些都需要從其成因方面做進(jìn)一步的分析。

由煉焦煤的形成過程可知：首先，成煤植物中必須含有可轉(zhuǎn)化為凝膠體的物質(zhì)；其次，還需同時(shí)具備成煤植物的堆積沉積環(huán)境、變質(zhì)動(dòng)力和含煤地層的古地溫等因素。這些因素多表示為文字表述型的、描述事物性質(zhì)與規(guī)定事物類別的定性數(shù)據(jù)。對(duì)定性數(shù)據(jù)的分析和描述通常使用列聯(lián)表。本研究利用列聯(lián)表從煉焦煤的成因影響因素角度進(jìn)一步闡明造成煉焦煤稀缺性的成因影響因素的關(guān)聯(lián)性，以便更好地預(yù)估煉焦煤儲(chǔ)量、保護(hù)并利用好煉焦煤資源。

1 研究方法

1.1 列聯(lián)表分析的基本原理

若總體中的個(gè)體同時(shí)具有兩個(gè)屬性X和Y，根據(jù)X和Y的各個(gè)狀態(tài)，可以對(duì)n個(gè)樣品按兩種不同的屬性進(jìn)行分類，兩種分法的不同組合可以把n個(gè)樣品交叉分成r×c類。用nij表示使X=xi，Y=yj的樣品數(shù)，它們可以列成表1的形式，即由兩個(gè)以上的變量進(jìn)行交叉分類組成的頻數(shù)分布表，這個(gè)表就是列聯(lián)表[9-16]。因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)屬性，所以也稱之為二維列聯(lián)表，nij為頻數(shù)。

表1 r×c列聯(lián)表Table 1 Contingency Table of r×c

記

其中：

(X,Y)的概率分布如表2所示。

表2 (X,Y)的概率分布表Table 2 Probability distribution Table of (X,Y)

設(shè)A,B是定義在r×c列聯(lián)表上的不相交的兩個(gè)類，稱為事件。

條件概率

(1)

是在事件A發(fā)生的條件下事件B發(fā)生可能性大小的度量。

相對(duì)機(jī)會(huì)

(2)

刻畫在同一條件A下，事件B發(fā)生與B不發(fā)生的概率比，簡(jiǎn)稱機(jī)會(huì)。

條件機(jī)會(huì)

(3)

刻畫在不同條件A和B下，事件C發(fā)生的機(jī)會(huì)比。τ(C|A,B)>1表明條件A比B更容易誘發(fā)事件C.

1.2 行變量與列變量的關(guān)聯(lián)程度度量

數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)證明，在r×c列聯(lián)表上，度量行、列關(guān)聯(lián)程度的統(tǒng)計(jì)量為

(4)

式中，自由度v=(r-1)(c-1).歸一化為

(5)

稱θ為r×c列聯(lián)表上行變量X和列變量Y之間的Pearson-χ2關(guān)聯(lián)度，性質(zhì)如下：

0≤θ≤1；θ=0?X和Y獨(dú)立；θ=1?P(Y=f(x))=1.

在同一個(gè)列聯(lián)表上，θ的大小是有意義的。θ值越大，兩個(gè)變量X和Y統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律之間相互影響越大。

若兩個(gè)列聯(lián)表的r,c值不相等，則度量統(tǒng)計(jì)量的自由度v不相等，此時(shí)比較θ的大小沒有意義。因此，可以借助概率

(6)

評(píng)估列聯(lián)表行、列之間的關(guān)聯(lián)程度，概率p稱為X和Y關(guān)聯(lián)性的判真風(fēng)險(xiǎn)度。

在應(yīng)用中，p值的應(yīng)用可遵循如下準(zhǔn)則：

1) 若0.60≤p≤1.00，則X和Y之間不存在關(guān)聯(lián)性；

2) 若0.40≤p≤0.60，則X和Y之間不確定關(guān)聯(lián)性；

3) 若0.20≤p≤0.40，則X和Y之間存在弱關(guān)聯(lián)性；

4) 若0.10≤p≤0.20，則X和Y之間存在可解釋的關(guān)聯(lián)性；

5) 若0≤p≤0.10，則X和Y之間存在可解釋的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。

應(yīng)用中，若關(guān)聯(lián)度θ1和θ2可比，判真風(fēng)險(xiǎn)度p1和p2可以作為對(duì)θ1和θ2的可信賴評(píng)估。若p1

2 結(jié)果與討論

2.1 煤種與成煤因素的關(guān)聯(lián)頻數(shù)

基于第三次全國煤田預(yù)測(cè)中80個(gè)主要礦區(qū)成煤因素的統(tǒng)計(jì)資料，參考文獻(xiàn)[17-19]中的討論，整理出煉焦煤煤種與成煤植物、地質(zhì)年代、沉積環(huán)境、變質(zhì)動(dòng)力、地溫梯度的5個(gè)二維列聯(lián)表(見表3-表7).表中關(guān)聯(lián)頻數(shù)分別為在5種成煤因素下，瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、氣肥煤以及氣煤等煤種出現(xiàn)的次數(shù)。

由式(1)-(6)可計(jì)算出煉焦煤煤種分別與成煤植物、成煤年代、沉積環(huán)境、變質(zhì)動(dòng)力、地溫梯度的關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險(xiǎn)度，以及條件概率、相對(duì)機(jī)會(huì)和條件機(jī)會(huì)。

成煤植物與煤種的關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險(xiǎn)度如下：

θ=0.160 5，p=0.326 2<0.40 .

進(jìn)一步利用τ值評(píng)估條件機(jī)會(huì)，得出煉焦煤各個(gè)煤種均滿足如下關(guān)系：

O(煤種|蕨類植物)>O(煤種|裸子植物) .

注意到表3中沒有被子植物出現(xiàn)，表明在新生代地層中賦存煉焦煤的機(jī)會(huì)為零。

表3 煤種與成煤植物關(guān)聯(lián)頻數(shù)表Table 3 Associated frequency of coal type and coal-forming plants

表4中，由中生代的侏羅紀(jì)向新生代發(fā)展，地質(zhì)勘查尚未發(fā)現(xiàn)白堊紀(jì)和古近紀(jì)地層中賦存煉焦煤；由古生代的石炭紀(jì)向元古生代遷延，地質(zhì)勘查尚未發(fā)現(xiàn)泥盆紀(jì)地層中賦存煉焦煤。這表明地質(zhì)年代對(duì)煉焦煤的形成有一定的影響。

表4 煤種與成煤年代關(guān)聯(lián)頻數(shù)表Table 4 Associated frequency of coal type and coal-forming age

由表4分析煉焦煤賦存地層的地質(zhì)年代與煤種的關(guān)聯(lián)性，計(jì)算關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險(xiǎn)度，得到：

θ=0.409 0， 0.60≤p=0.637 1≤1.00 .

由表4發(fā)現(xiàn)：三疊紀(jì)焦煤的賦存機(jī)會(huì)是其他地質(zhì)年代的2倍；石炭紀(jì)瘦煤賦存機(jī)會(huì)是侏羅紀(jì)瘦煤賦存機(jī)會(huì)的3倍；古生代肥煤的賦存機(jī)會(huì)是中生代肥煤賦存機(jī)會(huì)的2倍；中生代1/3焦煤和氣煤的賦存機(jī)會(huì)高于古生代；氣肥煤在各個(gè)地質(zhì)年代的賦存機(jī)會(huì)均可以忽略。

由表5分析煉焦煤成煤時(shí)期的沉積環(huán)境同煤種的關(guān)聯(lián)性，計(jì)算關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險(xiǎn)度，得到：

θ=0.455 7， 0.40≤p=0.410 7<0.60 .

由表5可知，在陸相條件下，地層中賦存煉焦煤的機(jī)會(huì)為零。相對(duì)于湖泊相和海相，在過渡相條件下地層中賦存煉焦煤的機(jī)會(huì)明顯較小，表明隔絕空氣的水體覆蓋環(huán)境對(duì)煉焦煤的形成有一定的影響。

表5 煤種與沉積環(huán)境關(guān)聯(lián)頻數(shù)表Table 5 Associated frequency of coal type and sedimentary environment

由表6分析變質(zhì)動(dòng)力與煉焦煤煤種的關(guān)聯(lián)性，計(jì)算關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險(xiǎn)度，得：

θ=0.573 2， 0.00≤p=0.001 6<0.10 .

由表6可知：在深成變質(zhì)過程中，演化出氣煤的機(jī)會(huì)最大；石炭紀(jì)在深成變質(zhì)和接觸變質(zhì)雙因素變質(zhì)過程中，演化出瘦煤和焦煤的機(jī)會(huì)遠(yuǎn)大于其他煤種；其他地質(zhì)年代沒有這一特征。在石炭紀(jì)、二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)，多因素變質(zhì)演化出瘦煤、焦煤的機(jī)會(huì)大于其他煤種，三疊紀(jì)沒有這一特征。

表6 煤種與變質(zhì)動(dòng)力關(guān)聯(lián)頻數(shù)表Table 6 Associated frequency of coal type and metamorphic power

由表7分析地溫梯度同煉焦煤煤種的關(guān)聯(lián)性，計(jì)算關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險(xiǎn)度，得：

θ=0.503 8， 0.00≤p=0.016 0<0.10 .

由表7可知：相對(duì)于更高或更低的地溫梯度，在2.5～3.0 ℃/hm的地溫梯度條件下煉焦煤賦存的機(jī)會(huì)比最高；無論在哪個(gè)地質(zhì)年代，對(duì)煉焦煤的任何一個(gè)煤種，2.5～3.0 ℃/hm范圍的地溫梯度都是關(guān)鍵的賦存特征。

表7 煤種與地溫梯度關(guān)聯(lián)頻數(shù)表Table 7 Associated frequency of coal type and geothermal gradient

2.2 關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)關(guān)系的判真風(fēng)險(xiǎn)度

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出：裸子植物和蕨類植物對(duì)煉焦煤煤種的形成存在弱關(guān)聯(lián)性；石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)四個(gè)地質(zhì)年代不能采用關(guān)聯(lián)性解釋不同煉焦煤煤種形成之間的差異；四類沉積環(huán)境與不同煉焦煤煤種的形成之間存在不確定的關(guān)聯(lián)性；變質(zhì)動(dòng)力與煉焦煤煤種之間存在可解釋的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性；地溫梯度與煉焦煤煤種之間存在可解釋的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。

2.3 煉焦煤稀有性分析

煤地質(zhì)學(xué)研究表明，在不同地質(zhì)年代，形成煤的植物種類不同，新生代為被子植物，中生代為裸子植物，古生代為蕨類植物。各種成煤植物中的有機(jī)化合物主要含有碳水化合物、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和脂類化合物。煉焦煤的熱反應(yīng)結(jié)焦性源自成煤植物中脂類化合物、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素在復(fù)雜的化學(xué)物理過程中形成的凝膠體。在被子植物、裸子植物和蕨類植物中均富含木質(zhì)素；裸子植物中，除木質(zhì)素之外還富含蛋白質(zhì)；蕨類植物中，除木質(zhì)素之外還富含脂類化合物。因此，植物種類與煉焦煤煤種的形成之間存在弱關(guān)聯(lián)性。在石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)四個(gè)地質(zhì)年代的地層中均有煉焦煤賦存，說明這四個(gè)地質(zhì)年代與煉焦煤煤種的形成之間不存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。

即使成煤植物中含有可轉(zhuǎn)化為凝膠體的物質(zhì)，也不一定會(huì)形成煉焦煤。在成煤因素中，成煤植物的堆積沉積環(huán)境、變質(zhì)動(dòng)力和含煤地層的古地溫是主要因素。陸相、湖泊相、陸海過渡相和海相等不同沉積環(huán)境對(duì)形成的煉焦煤煤種有一定的影響，相互之間存在著不確定的關(guān)聯(lián)性。變質(zhì)動(dòng)力因素對(duì)煉焦煤的形成有較大的影響，深層變質(zhì)、接觸變質(zhì)、熱液變質(zhì)和動(dòng)力變質(zhì)條件下均有可能形成煉焦煤。深層變質(zhì)和接觸變質(zhì)共存的變質(zhì)過程記為“深層/接觸變質(zhì)”。在深層/接觸變質(zhì)的基礎(chǔ)上，至少還存在熱液變質(zhì)、動(dòng)力變質(zhì)中任一種因素的變質(zhì)過程稱為“多因素變質(zhì)”。這幾種情形對(duì)煉焦煤煤種的影響不同，它們之間存在著強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。而含煤地層古地溫是形成煤巖的關(guān)鍵因素，與煉焦煤的形成之間也存在著必然聯(lián)系，地溫梯度對(duì)不同煉焦煤煤種的形成有顯著的影響。因此，煉焦煤成煤的特殊條件是造成其儲(chǔ)量稀少的原因。

3 結(jié)論

煉焦煤是在復(fù)雜的地質(zhì)動(dòng)力學(xué)過程中形成的一種特殊煤類。與普通煤的形成過程相比較，造成煉焦煤賦存稀少的原因主要如下：

1) 在下至白堊紀(jì)至古近紀(jì)的地層、上至石炭紀(jì)至泥盆紀(jì)的地層中，煉焦煤的賦存概率為0.與我國早石炭紀(jì)至早白堊紀(jì)之間漫長(zhǎng)的聚煤期相比，煉焦煤形成的年代十分局限。

2) 成煤植物中可形成凝膠體的物質(zhì)在不同的地質(zhì)年代演化為煉焦煤所需的沉積環(huán)境和變質(zhì)動(dòng)力不盡相同。湖泊相沉積環(huán)境和深成變質(zhì)作用條件下，植物中可形成凝膠體的物質(zhì)最終演化為煉焦煤的概率最大。其他相沉積環(huán)境作用條件下形成煉焦煤的概率則較小。

3) 變質(zhì)動(dòng)力和地溫梯度同煉焦煤煤種的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性表明：適合形成煉焦煤的地溫梯度需在2.5～3.0 ℃/hm范圍內(nèi)，即在成煤年代、成煤植物、沉積環(huán)境同時(shí)滿足的條件下，關(guān)鍵因素變質(zhì)動(dòng)力和古地溫最終將植物中可形成凝膠體的物質(zhì)演化為煉焦煤。