研究意義
從原始社會開始,人類就廣泛利用非金屬礦產,包括不作為金屬原料提取利用的所有有用礦物和岩石。其中,少數用來提取某一種或幾種非金屬元素,絕大多數因其單獨礦物或礦物集合體具有特殊的物理性質、化學性質和工藝性能,而被套用於國民經濟建設中。六七千年以前,人類發現並利用了金屬礦產,從此,金屬礦產逐步取代了非金屬礦產的主導地位。但隨著科學技術的進步,目前在一些已開發國家的非金屬礦產的開發速度與產值,又已超過了金屬礦產。據統計,在1945年以前,世界金屬原料的開發速度大於非金屬礦產。但20世紀50年代以來,情況有了很大的變化。1950年,世界非金屬礦產產量比金屬礦產高出20%。到1980年,已超出50%~60%。在一些已開發國家,目前非金屬礦產的總產值一般要比金屬礦產的產值高出一倍。近20餘年來,美國非金屬礦產的消費量平均增長率為5.6%,而金屬礦物原料的平均增長率僅為1.6%。中國非金屬礦產資源產量增長速度遠遠高於世界各國。其中,1980年的石墨產量比1949年增長178.88倍,需求量也逐年增加;預計2000年高嶺土的需求量為1949年的23.78倍。
新的技術革命正在世界範圍興起,而新材料又是新技術革命的核心之一。新材料包括金屬材料、非金屬材料、半導體材料,複合材料和合成材料等,其中,除金屬材料外,後三者多少都與非金屬礦產有關。當前,最引人注目的一些新材料,包括:精細陶瓷、光導纖維、雷射材料、複合材料等,則與非金屬礦產的關係更為密切。可以說,對非金屬礦產資源基礎理論和開發利用的深入研究,將會促進經濟的高漲和技術的重大變革。
研究現狀
中華人民共和國建立後,對含煤岩系中的礦產資源,特別是非金屬礦產資源的勘查、評價、開發與加工利用,作了大量的工作。近年來,許多煤礦、煤炭大專院校、科研機構陸續開展了對含煤岩系中非金屬礦產的資源勘查,在加工利用方面,正在探索精加工和深加工途徑。徐州礦務局利用優質高嶺岩加工成造紙塗布級和填料級材料;蒲白礦務局利用“200”矸焙燒出煅燒高嶺土,其白度可達90%以上,可用作4Å分子篩原料及其它多種深加工產品原料。
用途
含煤岩系中的共伴生礦產,特別是非金屬礦產在電子、機械、冶金、輕工、化工、紡織、建材、石油、食品、農林、環保、醫藥以及高新技術等許多工業中,有著非常廣泛的用途。除傳統用途外,隨著科學技術的發展,人們對這些礦石中的主要組成礦物的化學成分、晶體構造、物理化學性質,以及礦物套用之間的相互取代的認識日益深入,又不斷開拓出許多新的用途。如高嶺岩的傳統用途是做耐火材料和陶瓷原料,隨著檢測技術的提高,發現高嶺岩主要由片狀高嶺石組成。超細磨粉設備、高梯度強磁選機的問世,以及剝片、漂白等技術的發展,可使高嶺岩加工成質量極佳的高嶺土,極大地縮小了“硬岩”與“軟岩”的差別,拓寬大了其工業套用領域。
隨著工業的發展,對非金屬礦產產品的質量提出了更高的要求,從而促使非金屬礦產的精加工和深加工迅速開展起來。高嶺石在高溫(1200~1500℃)和氮氣氛下,能與碳結合成SiC,能與氮結合成SiN和塞隆(sialon)。後者是一種新型高溫、高強陶瓷,可代替金屬,用作核反應堆、噴氣飛機、火箭燃燒噴嘴等耐高溫複合材料以及陶瓷發動機材料。膨潤土、高嶺土與有機物結合成有機粘土,使其成為功能性填料,套用於高分子材料、有機合成催化劑、高性能陶瓷材料等領域。
資源概況
中國含煤岩系中非金屬礦產礦種繁多,儲量豐富,分布地區廣泛,賦存於多個地質時代。其中,高嶺土(岩)、耐火粘土、硫鐵礦多形成大型或特大型礦床;膨潤土、硅藻土、石墨在煤系中也可形成大、中型,甚至特大型礦床。中國高嶺土儲量占世界高嶺土總儲量的59.23%;含煤岩系中的鋁土礦(高鋁粘土),其探明儲量占世界鋁土礦總儲量的7.08%。中國膨潤土儲量居世界首位,且鈉基膨潤土占很大比例,其中48.29%賦存在含煤岩系中。中國硅藻土的儲量亦居世界之首,其中70.95%賦存在含煤岩系中。中國隱晶質石墨的儲量占世界總儲量的40.86%,亦居世界首位。
含煤岩系中的高嶺土(岩)有相當部分質量優良。華北地區由大同往西經內蒙古、陝北直達寧夏石嘴山,廣大範圍內石炭二疊紀煤系的太原組和山西組煤層夾矸及頂、底板類型的高嶺土(岩),有的礦層或塊段礦石質量極好,其代表是大同黑砂石、蒲白“200”矸。江蘇徐州,安徽淮北、山東明水、淄博等地下石盒子組中所產“焦寶石”型高嶺岩,所含高嶺石均在90%以上。鋁土礦在華北主要賦存於本溪組下部G層鋁土和下石盒子組底部B層鋁土中,前者礦物成分以硬水鋁石為主,含量可達40%~90%,次要礦物成分為高嶺石,含量多在50%以下,後者AlO含量>40%,甚至可達56%。這些高鋁粘土礦床中,均含有低矽、低硫、低鐵、高鋁的優質礦石。含煤岩系中膨潤土儲量大,特別是鈉基膨潤土儲量大,質量好。吉林省劉房子煤礦產出的鈉基膨潤土,其蒙脫石含量高達70%~90%,甚至超過了世界著名的美國懷俄明州產的鈉基膨潤土。含煤岩系中的硅藻土,主要產於第三紀和第四紀煤系中,多與褐煤共生,礦床儲量大,但夾矸多,純淨的優質硅藻土較少。含煤岩系中隱晶質石墨品質優良,含碳量高,中國是世界石墨出口大國。最大的湖南郴州魯塘石墨礦產出的礦石含碳量在80%~85%以上,廣東佛崗縣洞溪石墨礦品位為81.7%,吉林盤石礦礦石品位為66.3%
開展煤成烴研究是當前一項重要科研任務。煤成烴是指含煤岩系中有機質(煤層和源岩中有機質)在煤化過程形成的碳氫化合物。其中氣態的稱為煤成氣,液態的稱煤成油。中國自“六五”攻關以來,對煤成烴研究有重大突破,確定鄂爾多斯大氣田的氣源之一即為煤成氣;吐魯番—哈密大油氣田最近亦確定為煤成型。