曹代勇，王 路，朱文卿，吳國(guó)強(qiáng)，魏迎春，寧樹(shù)正，王桂香，肖金成，徐 祥，劉 亢

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.山西能源學(xué)院 地質(zhì)與測(cè)繪工程系，山西 晉中 030600；3.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410000；4.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039；5.中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)局，河南 鄭州 450000)

煤系石墨(煤成石墨)是一種較常見(jiàn)的煤系非金屬礦產(chǎn)[1-2]，從礦產(chǎn)資源角度歸屬于石墨礦種。煤系石墨主要為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，不僅可以部分取代晶質(zhì)石墨應(yīng)用于冶金、電子、機(jī)械等領(lǐng)域，而且因其各向同性特征，在新能源材料、核工業(yè)、國(guó)防軍工應(yīng)用等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[3-4]。

由于煤系石墨與高變質(zhì)無(wú)煙煤存在連續(xù)過(guò)渡性質(zhì)，導(dǎo)致煤系石墨鑒別和類型劃分具有不同于晶質(zhì)石墨的特點(diǎn)和復(fù)雜性。由于過(guò)去對(duì)煤系石墨成礦機(jī)制和演化特征研究程度較低，缺乏煤系石墨鑒別和分類標(biāo)準(zhǔn)，難以可靠區(qū)分煤系石墨與高變質(zhì)無(wú)煙煤，嚴(yán)重影響煤系石墨的科學(xué)評(píng)價(jià)和合理開(kāi)發(fā)利用[5]。在新時(shí)期國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的背景下，受實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和(“雙碳”)國(guó)家目標(biāo)和煤炭綠色開(kāi)發(fā)利用轉(zhuǎn)型升級(jí)驅(qū)動(dòng)，煤系石墨逐漸受到各界關(guān)注，在近年來(lái)煤系石墨成礦機(jī)制研究和找礦工作取得重要發(fā)現(xiàn)[6-16]，但資源評(píng)價(jià)和地質(zhì)勘查也因受制于無(wú)鑒別標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)展緩慢。

因此，制定煤系石墨鑒定標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)前煤系石墨礦產(chǎn)地質(zhì)勘查和開(kāi)發(fā)利用工作亟待解決的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。筆者在前期提出的煤系石墨鑒別指標(biāo)及分類分級(jí)體系框架[17]基礎(chǔ)上，結(jié)合作者團(tuán)隊(duì)正在承擔(dān)的湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)《煤系石墨鑒別》和能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤系石墨鑒定與質(zhì)量評(píng)價(jià)導(dǎo)則》的編制工作，進(jìn)一步探討制定煤系石墨鑒定標(biāo)準(zhǔn)的幾個(gè)核心問(wèn)題。

1 標(biāo)準(zhǔn)編制依據(jù)

1.1 煤系石墨成礦機(jī)制

由于煤物質(zhì)組成的特殊性和對(duì)地質(zhì)環(huán)境條件的敏感性，由富集型有機(jī)質(zhì)組成的煤的石墨化與區(qū)域變質(zhì)巖中分散型碳物質(zhì)的石墨化機(jī)制存在較大差異，其顯著特征表現(xiàn)在煤系石墨結(jié)構(gòu)演化的過(guò)渡性和物質(zhì)組成的復(fù)雜性。

煤作為一種有機(jī)巖，對(duì)溫度、構(gòu)造應(yīng)力(壓力)等地質(zhì)因素十分敏感，盆地沉降、巖漿侵位等構(gòu)造-熱事件必然導(dǎo)致煤有機(jī)組分發(fā)生一系列物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造變化[18]，最終形成三維有序結(jié)構(gòu)的石墨礦物[19-22]。煤變質(zhì)作用可劃分為煤化作用階段和石墨化作用階段，煤巖成分和大分子結(jié)構(gòu)經(jīng)歷數(shù)次躍變，由非晶質(zhì)的有機(jī)混合物轉(zhuǎn)變?yōu)閱钨|(zhì)碳石墨晶質(zhì)礦物，其間存在一系列的過(guò)渡狀態(tài)(圖1)[3,17]。

圖1 煤變質(zhì)作用階段劃分與大分子結(jié)構(gòu)演化[17]Fig.1 Stage division of coal metamorphism and evolution of macromolecular structure [17]

煤系石墨物質(zhì)組成的復(fù)雜性，在于其具有的礦物學(xué)和巖石學(xué)(礦石學(xué))雙重屬性[17]。煤石墨化作用與煤化作用是連續(xù)遞進(jìn)加躍變的演化過(guò)程[19,23]，對(duì)于特定煤巖組分而言，在微觀變化上表現(xiàn)為逐漸形成具有不同有序度的石墨結(jié)構(gòu)，由有機(jī)組分最終演變?yōu)榫哂腥S晶體結(jié)構(gòu)的石墨礦物。煤系石墨的巖石學(xué)屬性則是針對(duì)礦石(礦層)的研究，由于差異石墨化作用的存在[17,23-24]，煤系石墨是多種組分構(gòu)成的集合體，顯微組成包括新生的石墨組分、殘留的煤巖組分、過(guò)渡組分各向異性體和熱解炭等三大類[24-26]。隨著石墨化作用進(jìn)行，新生石墨組分含量逐漸增多，導(dǎo)致礦石(礦層)總體石墨化程度不斷提高。

煤系石墨具有成礦演化階躍性和物質(zhì)組成非均質(zhì)性等特點(diǎn)，造成礦種鑒別的復(fù)雜性和資源評(píng)價(jià)的困難性[17]。

1.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

中國(guó)大陸中生代以來(lái)的多期次構(gòu)造巖漿活動(dòng)和煤盆地構(gòu)造-熱演化進(jìn)程，導(dǎo)致含煤巖系變形-變質(zhì)作用強(qiáng)烈[27]、尤其是我國(guó)中東部地區(qū)巖漿異常熱疊加變質(zhì)作用顯著[28]，決定了煤系石墨成礦和賦存的時(shí)空差異性顯著，具有東多西少、南多北少，集中成帶展布的特點(diǎn)[3]。受區(qū)域地質(zhì)背景和賦煤構(gòu)造格局控制，我國(guó)煤系石墨成礦區(qū)帶可劃分為5 個(gè)成礦域和12 個(gè)成礦帶(圖2)。

作者團(tuán)隊(duì)[17](2021)從煤系石墨成礦機(jī)制和相關(guān)測(cè)試技術(shù)方法適用性分析入手，以我國(guó)典型煤系石墨(隱晶質(zhì)石墨)礦區(qū)的樣品測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為依據(jù)，開(kāi)展煤系石墨分類分級(jí)研究，初步提出了煤系石墨鑒別指標(biāo)體系。一年來(lái)，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)開(kāi)展煤系石墨現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和采樣測(cè)試，補(bǔ)充110 多組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，再次驗(yàn)證了文獻(xiàn)[17]數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。總計(jì)超過(guò)500 組測(cè)試數(shù)據(jù)涵蓋了我國(guó)現(xiàn)有煤系石墨礦區(qū)或礦山(圖2)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果為煤系石墨鑒別指標(biāo)體系提供了較充分的依據(jù)，表明制定煤系石墨鑒別標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

圖2 我國(guó)煤系石墨成礦區(qū)帶劃分及采樣點(diǎn)分布Fig.2 Metallogenic belts division of coal-measure graphite in China and distribution of sampling points

2 標(biāo)準(zhǔn)制定原則

煤系石墨鑒定標(biāo)準(zhǔn)制定應(yīng)遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、適用性和可操作性的原則。

2.1 科學(xué)性

科學(xué)性原則體現(xiàn)在以煤系石墨成礦機(jī)制研究為指導(dǎo)，合理地鑒別煤系石墨并劃分礦產(chǎn)類型。煤系石墨是由不同演化程度、不同數(shù)量的石墨化組分和殘留煤巖顯微組分組成的特殊巖石，導(dǎo)致煤系石墨鑒別和類型劃分具有不同于晶質(zhì)石墨的自身特點(diǎn)。深入了解煤系石墨成礦機(jī)制和演化規(guī)律，是科學(xué)劃分煤系石墨類別和確定鑒定指標(biāo)的前提條件。

2.2 系統(tǒng)性

煤石墨化與煤化作用是一個(gè)連續(xù)漸進(jìn)的過(guò)程，在無(wú)煙煤與礦物石墨之間，存在具有類似石墨物理化學(xué)特征和工藝性能的過(guò)渡成分，采用石墨化程度劃分煤系石墨類型，可以全面反映煤系石墨礦產(chǎn)資源特征。過(guò)去由于缺乏鑒定標(biāo)準(zhǔn)和煤系石墨類型劃分，其中石墨化程度較低的礦產(chǎn)資源往往被劃歸煤作為燃料使用，造成極大的資源浪費(fèi)并帶來(lái)環(huán)境壓力。將變質(zhì)演化形成的石墨和發(fā)育不同程度石墨結(jié)構(gòu)的半石墨統(tǒng)一歸屬為煤系石墨礦產(chǎn)，劃分類型分級(jí)開(kāi)發(fā)利用，可以最大程度地保護(hù)資源。

2.3 適用性

從煤系石墨成礦機(jī)制研究和相關(guān)測(cè)試技術(shù)方法適用性分析入手，匯集全國(guó)主要煤系石墨(隱晶質(zhì)石墨)礦區(qū)500 余組樣品的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分析處理，確定有效的測(cè)試分析技術(shù)方法，歸納總結(jié)測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，建立煤系石墨鑒別和級(jí)別劃分指標(biāo)體系，使其滿足一般性煤系石墨礦床的資源評(píng)價(jià)需求。

2.4 可操作性

標(biāo)準(zhǔn)編制應(yīng)注重可操作性，以地質(zhì)勘查和資源開(kāi)發(fā)利用工作為導(dǎo)向，以煤系石墨鑒定指標(biāo)和類型劃分為核心，給出具體的分析測(cè)試技術(shù)方法流程并制定煤系石墨鑒定模板，以方便于指導(dǎo)生產(chǎn)單位開(kāi)展煤系石墨資源評(píng)價(jià)和地質(zhì)勘查工作。

3 煤系石墨分類

3.1 煤系石墨類型

在作者前期工作[2,3,17]的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充完善了煤系石墨的定義：煤系石墨又稱為煤成石墨，是煤和煤系有機(jī)質(zhì)經(jīng)受巖漿熱變質(zhì)及構(gòu)造應(yīng)力作用進(jìn)入石墨化階段的產(chǎn)物，主要為隱晶質(zhì)或微晶結(jié)構(gòu)，由不同石墨化程度的新生組分和殘留煤巖組分混合組成，具有石墨或類似石墨的物理化學(xué)特征和工藝性能，可用作工業(yè)原料。從礦產(chǎn)資源管理角度，煤系石墨歸屬于石墨礦種的隱晶質(zhì)石墨大類。

煤系石墨類型是指礦石總體石墨化程度分類，煤的石墨化是一個(gè)連續(xù)遞進(jìn)躍變演化過(guò)程，煤系石墨具有礦物學(xué)和巖石學(xué)(礦石學(xué))雙重屬性，煤系石墨類型劃分也應(yīng)從這兩方面加以理解。隨著對(duì)煤系石墨成礦機(jī)制認(rèn)識(shí)的不斷深化，有關(guān)煤系石墨類型劃分方案也在不斷完善。參考文獻(xiàn)[3]曾將煤系石墨劃分為石墨化無(wú)煙煤、半石墨、石墨3 種類型；參考文獻(xiàn)[17]把煤系石墨劃分為半石墨、石墨兩大基本類型，認(rèn)為前期劃分的石墨化無(wú)煙煤從詞義上容易與煤混淆，故把石墨化無(wú)煙煤和半石墨合并，統(tǒng)稱為半石墨。然而，從實(shí)際操作角度，半石墨術(shù)語(yǔ)其實(shí)也存在歧義，“石墨”和“半石墨”與“煤系石墨”的關(guān)系不明確。在編制標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研過(guò)程中，根據(jù)地質(zhì)勘探單位和礦山企業(yè)的意見(jiàn)，將煤系石墨按總體石墨化程度(巖石學(xué)屬性)劃分為一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)等3 種類型。

3.2 煤系石墨一號(hào)

煤系石墨一號(hào)即作者前期劃分煤系石墨中的石墨類型[3,17]，其礦物學(xué)意義是指石墨化高級(jí)階段的新生組分，發(fā)育較完善的三維晶體結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于A.Oberlin[29](1984)和鄭轍[30](1991)分類的平直石墨階段，對(duì)應(yīng)晶面間距d002為0.336 nm[30]，B.Kwiecinska等[20](2004)劃分石墨與半石墨的分界值晶面間距為0.337 nm。

煤系石墨一號(hào)的巖石(礦石)組成以新生石墨組分和半石墨組分為主，其中，石墨組分占比大于50%。顯然，煤系石墨一號(hào)d002所反映的巖石(礦石)平均結(jié)構(gòu)有序度應(yīng)低于礦物石墨，根據(jù)主要煤系石墨礦山樣品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，把煤系石墨一號(hào)的d002上限定為0.338 nm[17]。

3.3 煤系石墨二號(hào)和三號(hào)

煤系石墨二號(hào)和三號(hào)均屬于半石墨，其礦物學(xué)意義是石墨化中、低級(jí)階段的新生組分，發(fā)育不同程度的石墨結(jié)構(gòu)，大致相當(dāng)于A.Oberlin[29](1984)和鄭轍[30](1991)劃分的柔縐石墨和微柱石墨。半石墨在煤變質(zhì)石墨化作用階段占據(jù)較長(zhǎng)部分(圖1)，根據(jù)主要煤系石墨礦山樣品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按石墨化程度由高至低，以d002=0.340 nm 為界，劃分煤系石墨二號(hào)和三號(hào)，分別對(duì)應(yīng)柔縐石墨和微柱石墨。

煤系石墨鑒定針對(duì)礦石整體，而不是單一的石墨組分，因此，作為礦產(chǎn)的半石墨(煤系石墨二號(hào)和三號(hào))應(yīng)理解為以新生半石墨組分和石墨組分為主的巖石(礦石)。半石墨樣品的Raman 參數(shù)(屬于微區(qū)分析技術(shù))離散程度較大[17]，也反映了半石墨礦石成分的多元性特征。

4 煤系石墨鑒別與分類指標(biāo)

4.1 指標(biāo)選取

煤系石墨組成的非均質(zhì)性、演化階段性和過(guò)渡性等特點(diǎn)，決定了煤系石墨鑒定標(biāo)準(zhǔn)不能簡(jiǎn)單采用單一指標(biāo)。參考文獻(xiàn)[17]從煤系石墨成礦演化機(jī)制出發(fā)，詳細(xì)分析了相關(guān)測(cè)試技術(shù)方法(表1)的適用性，在評(píng)述前人研究成果的基礎(chǔ)上，篩選揮發(fā)分產(chǎn)率Vdaf、最大反射率Rmax、XRD 參數(shù)d002、石墨化度G、Raman 參數(shù)G 峰位和R2(Raman 譜D 峰與G 峰面積之比)等6 個(gè)指標(biāo)構(gòu)建煤系石墨鑒定指標(biāo)體系；通過(guò)典型煤系石墨礦區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，確定了各個(gè)指標(biāo)的參數(shù)值[17]。

表1 煤系石墨測(cè)試分析方法Table 1 Testing and analysis methods of coal-measure graphite

通過(guò)作者團(tuán)隊(duì)一年來(lái)編制標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中的多次研討和調(diào)研，以及新增110 余組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，從實(shí)用性和易操作性出發(fā)，對(duì)之前提出的鑒別指標(biāo)[17]進(jìn)行以下2 處調(diào)整。

(1) 由于Raman 參數(shù)G 峰位位移和面積比R2在表征碳物質(zhì)結(jié)構(gòu)有序度方面具有相同意義，樣品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明R2的規(guī)律性更明顯。為減少重復(fù)和簡(jiǎn)化鑒定指標(biāo)體系，刪去G 峰位指標(biāo)，僅保留R2指標(biāo)。

(2) 根據(jù)煤系石墨Vdaf和Rmax實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，把初步劃分煤系石墨的門限值由累計(jì)頻率60%對(duì)應(yīng)的參數(shù)值提高到累計(jì)頻率曲線80%對(duì)應(yīng)的參數(shù)值(圖3)，使初步評(píng)價(jià)階段盡可能降低漏判。同時(shí)取消初步鑒定指標(biāo)(Vdaf和Rmax)煤的門限值，避免與煤系石墨的門限值交叉，不利于理解和實(shí)際操作。

圖3 煤系石墨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Fig.3 Statistical analysis results of measured data of coal-measure graphite

4.2 指標(biāo)體系與鑒定模版

修改完善的煤系石墨鑒定指標(biāo)見(jiàn)表2，包括初步鑒定指標(biāo)和精確鑒定指標(biāo)兩大類。

表2 煤系石墨鑒定指標(biāo)Table 2 Identification index of coal-measure graphite

初步鑒定指標(biāo)有Vdaf和Rmax，這是煤炭分類和煤變質(zhì)階段劃分的2 個(gè)常用指標(biāo)，在煤化作用階段的演變規(guī)律明顯，但煤系石墨樣品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，石墨化階段的規(guī)律性降低，且與無(wú)煙煤的參數(shù)有交叉[17]。由于上述指標(biāo)是煤炭地質(zhì)勘查中基本測(cè)試分析項(xiàng)目，數(shù)據(jù)量豐富，在煤系石墨資源評(píng)價(jià)和地質(zhì)勘查階段，可充分利用原有煤炭地質(zhì)勘查成果，根據(jù)Vdaf和Rmax數(shù)據(jù)初步區(qū)分無(wú)煙煤與煤系石墨。當(dāng)其中1 個(gè)指標(biāo)或2 個(gè)滿足煤系石墨條件時(shí)，表明其屬于煤系石墨的可能性較大。

精確鑒定指標(biāo)包括XRD 晶面間距d002(石墨化度G)和Raman 的峰面積比R2，這些參數(shù)反映石墨微晶結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)和晶格缺陷的消亡，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究石墨晶體結(jié)構(gòu)的主流參數(shù)。精確指標(biāo)用于可靠地區(qū)分煤系石墨與煤，以及劃分煤系石墨類型。其中，晶面間距d002具有樣品平均值性質(zhì)，煤系石墨一號(hào)的閾值(0.338 0 nm)略高于單組分礦物石墨閾值(0.337 0 nm)。Raman 參數(shù)R2刻畫單組分的結(jié)構(gòu)缺陷特征，可以測(cè)定樣品的最大石墨化程度。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)Raman 參數(shù)與XRD 參數(shù)不一致時(shí)，應(yīng)以d002判定結(jié)果為準(zhǔn)。

根據(jù)鑒定指標(biāo)體系，編制了煤系石墨鑒別與類型劃分模板(圖4)。該模板橫坐標(biāo)為d002和G，縱坐標(biāo)為R2，圖中Ⅰ區(qū)為煤系石墨一號(hào)，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)分別為煤系石墨二號(hào)和煤系石墨三號(hào)，Ⅳ區(qū)為煤(無(wú)煙煤)；Ⅰa 區(qū)屬于可能性較大的煤系石墨一號(hào)，Ⅱa 和Ⅲa 區(qū)屬于可能性較大的煤系石墨二號(hào)和三號(hào)，Ⅱb 和Ⅲb 區(qū)則屬于可能性較小的煤系石墨二號(hào)和煤系石墨三號(hào)。

圖4 煤系石墨類型鑒定分類模板Fig.4 Identification and classification template of coal-measure graphite

將我國(guó)典型煤系石墨礦(礦權(quán)為石墨)和鄰近煤礦(主要為無(wú)煙煤類)樣品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)投點(diǎn)到模板圖中，現(xiàn)有石墨礦山的樣品絕大部分落在煤系石墨區(qū)域(圖4)。表明該模板煤系石墨的識(shí)別符合度高，具有實(shí)用價(jià)值。

5 鑒定指標(biāo)應(yīng)用

5.1 煤系石墨與煤的鑒別

煤系石墨成礦作用是一個(gè)以化學(xué)成分單一化、大分子結(jié)構(gòu)有序化為標(biāo)志的連續(xù)遞進(jìn)演化過(guò)程，煤系石墨與煤(尤其是高變質(zhì)無(wú)煙煤)在諸多性質(zhì)方面存在過(guò)渡性和相似性，從而造成鑒別上的難度。

從找礦和資源評(píng)價(jià)角度，本方案采用Vdaf和Rmax作為初步區(qū)分煤系石墨與煤的指標(biāo)，為開(kāi)展專門測(cè)試(獲取精確鑒定指標(biāo))提供依據(jù)。其中，Vdaf是煤炭分類的主要指標(biāo)，根據(jù)GB/T 5751-2009《中國(guó)煤炭分類》，無(wú)煙煤一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)的干燥無(wú)灰基揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)分別為≤3.5%、＞3.5%～6.5%和＞6.5%～10.0%[31]，實(shí)測(cè)煤系石墨的揮發(fā)分產(chǎn)率多在2.5%～6.5%(圖3a)，與無(wú)煙煤一、二號(hào)相當(dāng)[17]。取煤系石墨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)頻率曲線的80%所對(duì)應(yīng)的揮發(fā)分產(chǎn)率5.0%，作為煤系石墨的上限，該數(shù)值與無(wú)煙煤揮發(fā)分產(chǎn)率存在交叉。這樣處理有利于對(duì)已有煤炭勘查地質(zhì)資料的分析，在地質(zhì)勘查工作中初步鑒別煤系石墨。即揮發(fā)分產(chǎn)率小于5.0%的樣品有可能屬于煤系石墨，應(yīng)開(kāi)展進(jìn)一步工作，從而更好地利用和保護(hù)煤系石墨礦產(chǎn)資源。

同樣，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，煤系石墨與煤(高變質(zhì)無(wú)煙煤)的最大反射率數(shù)值分布也存在交叉重疊現(xiàn)象，前人提出區(qū)分煤(無(wú)煙煤)與半石墨(礦物)的Rmax參數(shù)的不同閾值，從6.5%～8.0%[19,28,32]。我國(guó)典型礦區(qū)煤系石墨Rmax實(shí)測(cè)值分布范圍較寬，本方案取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)頻率曲線的80%所對(duì)應(yīng)Rmax=6.0%為煤系石墨的下限，其意義與Vdaf類似，即Rmax＞6.0%的樣品有可能屬于煤系石墨。

需要說(shuō)明的是，初步鑒定指標(biāo)揮發(fā)分產(chǎn)率Vdaf和最大反射率Rmax是從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律(80%的概率)角度，提出發(fā)育煤系石墨的可能性，從而有利于最大限度地保護(hù)煤系石墨礦產(chǎn)資源。事實(shí)上，高煤階無(wú)煙煤的Vdaf和Rmax均已超越上述閾值，與煤系石墨重疊交叉，國(guó)際煤分類標(biāo)準(zhǔn)ISO 11760:2018《Classification of coals》亦用加注方式指出，由于可能存在接觸變質(zhì)，Rmax可能高達(dá)10.5%，也屬于高階煤[32]。

煤的石墨化是有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)逐步有序化、石墨微晶生長(zhǎng)和晶格缺陷愈合的演化過(guò)程，因此，d002(以及根據(jù)d002換算的G)和R2等結(jié)構(gòu)參數(shù)是區(qū)分煤系石墨與煤的可靠指標(biāo)[17]。其中，XRD 獲得的碳層面網(wǎng)間距(晶面間距)d002最常用，標(biāo)準(zhǔn)石墨礦物的d002為0.335 4 nm，B.Kwiecińska 等[20](2004)給出半石墨與變無(wú)煙煤的分界d002為0.338 nm，變無(wú)煙煤與無(wú)煙煤的分界d002為0.340 nm。由d002衍生的石墨化度G也常被用以評(píng)價(jià)石墨礦產(chǎn)，但目前鑒別煤系石墨的無(wú)明確G值，從湖南省隱晶質(zhì)石墨(煤系石墨)部分加工生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研了解到，目前主要利用石墨化度G＞0.7(對(duì)應(yīng)d002為0.338 nm)的原礦，G＞0.5(對(duì)應(yīng)d002為0.340 nm)的原礦也可以部分利用。

我國(guó)典型煤系石墨礦區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)d002值分布范圍較大，但絕多數(shù)小于0.344 nm(圖4)?；趯?duì)煤系石墨的巖石學(xué)特征的認(rèn)識(shí)，d002具有平均值性質(zhì)，煤系石墨礦產(chǎn)的起始閾值應(yīng)略高于礦物石墨及礦物半石墨的閾值。R.E.Franklin[33](1951 年)認(rèn)為d002為0.344 nm 是碳物質(zhì)由亂層結(jié)構(gòu)向有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵點(diǎn)，可以視為煤的石墨化作用起點(diǎn)，以此作為煤系石墨與煤(無(wú)煙煤)的分界值[17]。

拉曼光譜參數(shù)近年在煤系石墨(隱晶質(zhì)石墨)評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用，前人評(píng)價(jià)碳結(jié)構(gòu)有序化程度的Raman 參數(shù)眾多，確定石墨或半石墨的閾值也不相同[17,34]。通過(guò)理論分析和實(shí)例研究，選定D 峰與G 峰面積比R2作為煤系石墨鑒別的精確指標(biāo)，與d002指標(biāo)配合使用。根據(jù)我國(guó)典型煤系石墨礦區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果[17]，煤系石墨與無(wú)煙煤分界閾值R2取0.6。

5.2 煤系石墨分類

煤變質(zhì)的煤化作用階段與石墨化作用階段是一個(gè)連續(xù)遞進(jìn)躍變過(guò)程，煤化作用階段大分子結(jié)構(gòu)演化機(jī)制主要為芳構(gòu)化和環(huán)聚合作用，以側(cè)鏈和官能團(tuán)斷裂等化學(xué)變化為主，揮發(fā)分、H/C 等成分參數(shù)規(guī)律性明顯；石墨化階段以拼疊作用和秩理化作用為主，表現(xiàn)為BSUs 重組導(dǎo)致晶核增大和有序化為特征的物理變化，揮發(fā)分、H/C 等成分參數(shù)失去意義。此外，由于新生石墨組分的形態(tài)特征，煤系石墨反射率測(cè)值離散性大且普遍偏低[5,24,26]，利用反射率數(shù)據(jù)作為煤系石墨分類指標(biāo)的準(zhǔn)確性受限。因此，在根據(jù)前述指標(biāo)鑒別煤系石墨之后，主要采用XRD 和Raman 兩類結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行煤系石墨類型劃分，考慮到生產(chǎn)企業(yè)的習(xí)慣，由d002計(jì)算的石墨化度G也可以等效使用。

(1) 煤系石墨一號(hào)：0.335 4 nm≤d002＜0.338 0 nm(G＞0.7)、R2＜0.50。我國(guó)典型煤系石墨礦區(qū)實(shí)測(cè)XRD 參數(shù)統(tǒng)計(jì)顯示，d002演化拐點(diǎn)位于0.338 0 nm 附近，當(dāng)d002＜0.338 0 nm，基本結(jié)構(gòu)單元延展度La和堆砌度Lc突然增大到數(shù)十nm[17]，表明微晶快速生長(zhǎng)，石墨三維晶體結(jié)構(gòu)形成。煤系石墨一號(hào)d002參數(shù)值上限略大于B.Kwiecińska 等[20](2004)劃分的石墨d002，這與煤系石墨的巖石學(xué)特征有關(guān)。在Raman 參數(shù)R2-d002相關(guān)分析圖上，大致以橫坐標(biāo)(d002)0.338 nm 為界，R2隨d002減小迅速降低，表明結(jié)構(gòu)有序程度增加和結(jié)構(gòu)缺陷降低，其上限為R2=0.5[17]。煤系石墨一號(hào)具有較完善的石墨晶體結(jié)構(gòu)，從生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研表明，已廣泛應(yīng)用于加工各類石墨產(chǎn)品。

(2) 煤系石墨二號(hào)：0.338 0 nm≤d002＜0.340 0 nm(G＞0.5～0.7)，R2值為0.50～0.60。煤系石墨二號(hào)相當(dāng)于半石墨，與石墨比較，其微晶尺寸較小，結(jié)構(gòu)缺陷較多；延展度La、堆砌度Lc和R2結(jié)構(gòu)參數(shù)總體變化趨勢(shì)明顯，但散點(diǎn)圖中分布離散性較大，表明不同結(jié)構(gòu)有序度的組分共存[17]。鏡下觀察，顯微組分包括不同比例的顆粒狀石墨、片狀和絲狀石墨組分，殘留的煤巖有機(jī)組分，以及少量各向異性體和熱解炭等過(guò)渡組分[24]。調(diào)研表明，煤系石墨二號(hào)在部分石墨加工企業(yè)得到利用。

(3) 煤系石墨三號(hào)：晶面間距d002為0.340 0～0.344 0 nm(G為0～0.5)，與煤系石墨二號(hào)的區(qū)別是微晶尺寸更小、晶面間距d002較大，但反映結(jié)構(gòu)缺陷的R2沒(méi)有明顯差異，因此，煤系石墨三號(hào)的R2值范圍仍為0.50～0.60[17]。煤系石墨三號(hào)是煤石墨化早期階段的產(chǎn)物，劃歸半石墨，也有人稱為石墨化煤，屬于無(wú)煙煤與石墨之間的過(guò)渡產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)演化和理化特征也具有過(guò)渡性質(zhì)，具有類似石墨的工藝性能和加工利用潛力。煤系石墨三號(hào)若作為燃料使用是對(duì)資源的巨大浪費(fèi)，將石墨化程度較低的此部分資源劃歸煤系石墨礦種，有利于資源保護(hù)，促進(jìn)煤系共伴生礦產(chǎn)資源合理開(kāi)發(fā)利用，也可以為煤系石墨分級(jí)分質(zhì)利用和提純提級(jí)技術(shù)創(chuàng)新留出足夠的發(fā)展空間。

6 結(jié)論

a.煤系石墨的科學(xué)評(píng)價(jià)和合理開(kāi)發(fā)利用以煤系石墨鑒別和類型劃分為前提條件，制定煤系石墨鑒定標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)前煤系石墨礦產(chǎn)地質(zhì)勘查和開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。

b.制定煤系石墨鑒定標(biāo)準(zhǔn)的總體思路是以煤系石墨成礦機(jī)制研究為指導(dǎo)，以全國(guó)主要煤系石墨礦區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果為依據(jù)，遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、適用性和可操作性的原則。

c.在前期工作的基礎(chǔ)上，修改完善了由初步鑒定指標(biāo)和精確鑒定指標(biāo)構(gòu)成的煤系石墨鑒定指標(biāo)體系。前者包括揮發(fā)分產(chǎn)率Vdaf和最大反射率Rmax，用于資源評(píng)價(jià)和地質(zhì)勘查階段初步區(qū)分無(wú)煙煤與煤系石墨；后者包括晶面間距d002和石墨化度G(二者等效)、拉曼光譜參數(shù)R2，用以精確鑒別煤與煤系石墨，并劃分煤系石墨類型。

d.按礦石總體石墨化程度把煤系石墨劃分為一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)等3 種類型，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析所揭示的規(guī)律，確定了各個(gè)類型的劃分指標(biāo)：煤系石墨一號(hào)，0.335 4 nm≤d002＜0.338 0 nm(G＞0.7)、R2＜0.50；煤系石墨二號(hào)，0.338 0 nm≤d002＜0.340 0 nm(G＞0.5～0.7)、R2=0.50～0.60；煤系石墨三號(hào)，0.340 0 nm≤d002＜0.344 0 nm(G＞0～0.5)，R2=0.50～0.60。

e.根據(jù)煤系石墨鑒定指標(biāo)，建立了煤系石墨鑒別和類型劃分模板，我國(guó)主要煤系石墨礦區(qū)樣品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果表明，該模版識(shí)別煤系石墨的符合度較高，具有實(shí)用性。