Econ. Environ. Geol. 2024; 57(3): 281-292

Published online June 30, 2024

https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.3.281

© THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY

Situation of Geological Occurrences and Utilization, and Research Trends of North Korean Coal Resources

Sang-Mo Koh1,*, Bum Han Lee1,2, Otgon-Erdene Davaasuren1

1Critical Minerals Research Center, Mineral Resources Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
2Geological Sciences, University of Science and Technology

Correspondence to : *kohsm@kigam.re.kr

Received: January 30, 2024; Revised: March 20, 2024; Accepted: March 21, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided original work is properly cited.

Abstract

North Korea relies heavily on coal as the primary energy source, playing an important role in all energy demand sectors except for the transportation sector. Approximately half of the total electricity is generated through coal-fired power plants, and coal is used to produce heat and power for all industrial facilities. Furthermore, coal has been a significant contributor to earning foreign currency through long-term exports to China. Nevertheless, since the 1980s, indiscriminate mining activities have led to rapid depletion of coal production in most coal mines. Aging mine facilities, lack of investment in new equipment, shortages of fuel and electricity, difficulties in material supply, and frequent damage from flooding have collectively contributed to a noticeable decline in coal production since the late 1980s. North Korea's coal deposits are distributed in various geological formations from the Proterozoic to the Cenozoic, but the most critical coal-bearing formations are Ripsok and Sadong formations distributed in the Pyeongnam Basin of the Late Paleozoic from Carboniferous to Permian, which are called as Pyeongnam North and South Coal Fields. Over 90% of North Korea's coal is produced in these coal fields. The classification of coal in North Korea differs from the international classification based on coalification (peat, lignite, sub-bituminous coal, bituminous coal, and anthracite). North Korean classification based on industrial aspect is classified into bituminous coal, anthracite, and low-grade coal (Chomuyeontan). Based on the energy factor, it is classified into high-calorie coal, medium calorie coal, and low-calorie coal. In North Korea, the term "Chomuyeontan" refers to a type of coal that is not classified globally and is unique to North Korea. It is a low-grade coal exclusively used in North Korea and is not found or used in any other country worldwide. This article compares North Korea's coal classification and the international coal classification of coal and provides insights into the geological characteristics, reserves, utilization, and research trends of North Korean coal resources. This study could serve as a guide for preparing scientific and industrial agendas related to coal collaboration between North Korea and South Korea.

Keywords North Korea, Chomuyeontan, occurrences, utilization, research trends

북한 석탄 자원의 부존 및 활용현황과 연구동향

고상모1,* · 이범한1,2 · Otgon-Erdene Davaasuren1

1한국지질자원연구원 광물자원연구본부 희소금속광상연구센터
2과학기술연합대학교 지질과학

요 약

북한에서 석탄은 전력 생산은 물론 산업용, 가정상업용 등 수송부문을 제외한 모든 에너지 수요부문에서 중추적 역할을 담당하는 주종에너지원이다. 북한은 전체 전력의 절반 정도를 석탄발전을 통해 생산하며, 모든 산업체의 열과 동력을 석탄에 의존하고 있다. 아울러 장기간 동안 대중 수출품목으로서 외화 획득에 지대한 기여를 하여 왔다. 그러나 1980년대 이래로 장기간 동안 무분별한 채탄으로 인해 대부분의 광산은 심부화가 급속도로 진행 되었고 광산설비의 노후화, 신규설비의 투자부족, 유류와 전력의 부족, 자재 공급 곤란, 잦은 수해로 인한 피해까지 겹치면서 1980년대 후반부터 석탄 생산량은 뚜렷하게 감소 추세를 보이고 있다. 북한의 석탄광상은 원생대로부터 신생대에 이르기까지 다양한 지질시대 지층에 배태되어 있으나, 가장 중요한 탄전지대는 평남분지 내에 분포하는 후기 고생대 퇴적층인 평안초군층의 립석주층 및 사동주층 함탄층이며, 이들은 평남북부탄전과 평남남부탄전을 이룬다. 북한 석탄의 약 90% 이상을 이 탄전에서 생산한다. 북한에서 석탄 분류는 탄화 정도에 따라 분류한 국제적 분류(토탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄과 무연탄)와는 다르게 산업적 견지에서 유연탄, 무연탄, 초무연탄으로 분류하고, 유연탄은 수탄(아갈탄), 갈탄, 역청탄으로 분류하며, 발열량 기준으로 고열탄, 보통탄, 저열탄으로 분류하기도 한다. 북한에서 지칭하는 초무연탄은 우리나라 뿐만 아니라 세계적으로도 분류되지 않은 석탄 등급이며, 북한에서만 유일하게 사용하고 있는 부니질저급 석탄이다. 이 기고에서는 석탄의 국제적 분류와 북한 분류를 비교하고, 북한 석탄의 지질학적 부존특성 및 부존량, 활용분야 및 연구동향을 파악하여 북한 석탄 자원을 보다 정확하고 심도 깊게 이해할 수 있는 내용으로 구성하고자 하였다. 이 연구는 남북 광물자원 협력이 가시화 되었을 때 석탄과 관련된 과학적 및 산업적 협력 아젠다를 준비하는데 지침으로 활용 될 수 있을 것이다.

주요어 북한, 석탄, 초무연탄, 부존현황, 활용현황, 연구동향

  • Coal resources of North Korea are not only the most important energy source, but also a major contributor to foreign exchange earnings.

  • Pyeongnam North Coal Field is the most promising anthracite source in North Korea.

  • Chomuyeontan classified in North Korea is a low grade coal with a characteristic of high vanadium contents.

  • Technical cooperation on coal resources between North Korea and South Korea for coal briquetting and extracting vanadium from Chomuyeontan.

북한에서 장기간 동안 가장 중요한 수출 품목은 석탄이다. 2011년부터 제재 이전인 2016년까지 중국에 수출한 무연탄(HS 2701-1100)은 연간 약 1,100만 톤에서 약1,900만 톤으로 금액 기준으로는 약 10억 불에서 12억 불에 달하며 광산물 수출의 70% 이상을 상회한다(I-RENK, 2024). 김일성 저작집 15권(Kim, 1981)에서는“석탄은 공업의 중요한 동력 외 현대화학공업의 귀중한 원료로서,잘 처리하면 천과 신발도 나오고 다른 귀중한 일용품들이 나오는 검은 금이라고 말할 수 있다”라고 강조하였다.그 이후 지속적으로 북한 정부는 주체공업의 생명선인석탄 자원에 대한 탐사를 강화하여 석탄 문제를 원만히해결하는 것은 인민경제 여러 부문에서 생산을 정상화하고인민생활을 한 계단 높여 사회주의 강성대국을 건설하는데 매우 중요한 의의를 가진다고 강조하여 왔다(Choe, 2010).

북한의 석탄광상은 원생대로부터 신생대에 이르기까지다양한 지질시대의 지층에 배태된 연유로 여러 지역(함경도, 양강도, 평안도, 황해도 및 강원도)에 분포하고 있다(Fig. 1). 중-신원생대에는 초무연탄(부니질 저열탄)과무연탄, 하부 고생대, 상부 고생대와 중생대에는 무연탄,신생대에는 갈탄(북한 분류에서는 유연탄에 포함) 및 제4기에는 토탄(이탄)이 주로 형성되었다(Kim et al., 1988).

Fig. 1. Distribution of coal deposits of North Korea (Koh, 2018).

두만강 조산대에는 함북북부탄전의 제3기층 갈탄이 부화주층, 하면주층 및 온성주층에 분포하고, 혜산-이원분지에는 혜산탄전 내에 고생대와 중생대 무연탄과 제3기층 갈탄이 분포하는데, 고생대 무연탄은 사동주층 내 배태하고, 중생대 무연탄은 중강주층과 장파주층에 분포하고 그 외 제3기층에 주로 갈탄이 분포한다(Kim and Choe, 2014). 평남분지에는 초무연탄, 무연탄 및 갈탄이 대량 매장되어 있으며, 무연탄의 95%가 이 분지 내에 배태한다.평남분지 내 평남북부탄전과 평남남부탄전이 위치하는데평남북부탄전이 가장 유망한 무연탄 생산기지이다(Kim and Choe, 2014). 평남분지에서 초무연탄은 황해남북도와 강원도 묵천군층에, 무연탄은 대부분 평안남도와 평양시, 함경남도 고원일대의 립석주층과 사동주층 내 분포하고, 청천강 하류 안주분지에 안주탄전이 분포하는데주로 갈탄으로 구성되며 룡림주층에 배태된다(Kim and Choe, 2014). 초무연탄은 우리나라 뿐만 아니라 세계적으로도 분류되지 않은 석탄 종류이며, 북한에서만 유일하게부니질 저열탄(해양성 유기 기원의 해조류, 균류 및 부유생물과 대륙성 무기 기원의 규질규산이 혼화된 부니질점토가 탄화되어 형성)을 초무연탄으로 분류하고 있다.초무연탄은 조선지리전서(Kim et al., 1988)에서 강원도 김화지구, 황해북도 연탄지구와 봉산지구에 부존함이 보고되었고, 조선지질총서 제9권(Chae et al., 2012)에서는강원도 및 황해도 지역 20여 개의 초무연탄 광상을 자세하게 기재하고 있다. 특히 일부 초무연탄 광상에는 바나듐이 수반되고 있음이 특징이다.

이 기고에서는 국제적 석탄 분류와 북한에서의 석탄 분류를 비교하고, 북한 석탄의 지질학적 부존특성 및 부존량,활용분야 및 연구동향을 기술하여 북한 석탄 자원을 보다 정확하고 심도 깊게 이해할 수 있는 내용으로 구성하였다.

석탄은 육생 및 수생 식물이 퇴적작용에 의해 장기간동안 탄화가 초래되어 형성되기 때문에 지질학적으로 탄화정도(coal rank) 즉 탄화도(coalification)에 따라 토탄(이탄: peat), 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal), 역청탄(bituminous coal) 및 무연탄(anthracite)으로 분류하며, 무연탄보다 더 탄화가 진행되면 흑연(graphite)으로분류한다. 석탄을 구성하는 유기물을 마세랄(maceral)로명명하며, 근원 식물질 및 형성 환경에 따라 3개의 마세랄 군(vitrinite, liptinite, inertinite)과 20여개의 마세랄 종으로 구분한다(Pak, 1981; Pak et al., 1983). 탄화정도에따라 형성되는 석탄은 마세랄 종류와 구성비가 다르기때문에 석탄의 종류를 명확하게 식별하는데 마세랄의 종류 및 구성비 파악은 중요한 지표가 된다. 암석은 광물의 집합체이며 석탄은 마세랄의 집합체로서, 마세랄은 광물과 동일한 단위로서의 의미를 가진다. 마세랄은 반사현미경을 이용하여 반사도를 측정함으로서 동정이 가능하다.

석탄을 식별하고 등급을 결정하는데 광물학적 조성인마세랄의 종류 외에 탄소(C), 수소(H), 산소(O), N(질소)와 같은 가장 기본적인 화학적 조성이 일반적으로 사용된다(Table 1). 전 세계적으로 통용되는 석탄의 등급은Table 2에 나타난 분류이며, 이 분류는 1967년 미국 광무국(USBM)에서 공업분석 자료에 근거한 등급 분류이다.이 분류는 산업적인 활용도에 근접하고 있는 관계로 현재까지 가장 보편적으로 이용되고 있으며, 미국시험협회(ASTM)에서도 이 분류(ASTM D388-82, 1982)를 공인하고 있다. 역청탄과 유연탄은 동의어로 사용되고 있으나,산업적으로는 유연탄이란 용어로 일반적으로 사용된다.또한 토탄, 갈탄, 아역청탄을 형상(분상, 토상 및 괴상 등)및 경도에 따라 Soft Coal (Low Rank Coal)로 역청탄과무연탄을 Hard Coal (High Rank Coal)로 불리기도 한다.석탄의 화학적 및 물리적 특성이 간략하게 정리된 석탄유형별 조성은 Table 3과 같다. 이 특성은 석탄의 물리-화학적 특성 및 열량을 기준으로 석탄의 종류를 식별하고 등급을 결정하는데 중요하게 활용되고 있다. 이 분류는 Table 2의 USBM 분류와는 다소 차이가 있다.

Table 1 Chemical compositions of coal types (Shabudeen, 2010)

Coal typeC(%)H(%)O(%)N(%)Characteristics
Peat576.035.01.0Highly fibrous, pale brown
Lignite675.026.01.0Fibrous, brown
Sub-bituminous coal775.016,01.5High homogeneous, black
Bituminous coal835.010.01.7Brittle, black
Anthracite933.03.01.7Hard and high mature, black

Table 2 Coal classifications (Averitt, 1967; Gordon et al., 1983)

ClassGroupFixed carbon (%) (d.m.f*)Volatile matter (%) (d.m.f*)Calorie (Kcal/kg) (m.m.f**)
AnthraciteMeta-anthracite≥98≤2-
Anthracite92~982~8-
Semi-anthracite86~928~14-
Bituminous coalLow volatile bituminous coal78~8614~22-
Medium volatile bituminous coal69~7822~31-
High volatile A bituminous coal<69>31≥7,840
High volatile B bituminous coal--7,280-7,840
High volatile C bituminous coal--6,440-7,280
Sub-bituminous coalSemi-bituminous A coal--5,880-6,440
Semi-bituminous B coal--5,320-5,880
Semi-bituminous C coal--4,648-5,320
LigniteLignite A--3,528-4,648
Lignite B--<3,528

* d.m.f: dry mineral matter free; ** m.m.f: moist mineral matter free


Table 3 Physico-chemical properties of coal (Brian and Marty, 2008)

AnthraciteBituminous coalSub-bituminous coalLignite
Heat contentKcal/kg7,215-8,3256,105-8,3254,718-7,2152,220-4,607
Btu/lb*13,000-15,00011,000-15,0008,500-13,0004,000-8,300
KJ/kg13,390-15,45011,330-15,4508,755-13,3904,120-8,549
Moisture<15%2-15%10-45%30-60%
Fixed carbon85-98%45-85%35-45%25-35%
Ash10-20%3-12%≤10%10-50%
Sulfur0.6-0.8%0.7-4.0%<2%0.4-1.0%
Chlorine340±40ppm340±ppm120±20ppm120±20ppm

* Btu/lb (British thermal unit/pound)



북한에서 석탄 분류는 산업적 견지에서 이탄, 유연탄, 무연탄, 초무연탄으로 분류하고, 유연탄은 수탄(아갈탄),갈탄, 역청탄으로 분류한다(Coal Industry 304-2, 2005).발열량을 기준으로 고열탄, 보통탄, 저열탄으로 분류하기도 하는데 고열탄-유연탄은 20,930 kJ/kg 이상, 고열탄-무연탄은 25,120 kJ/kg 이상이며, 보통탄-유연탄은 12,560 ~20,930 kJ/kg 이상, 보통탄-무연탄은 16,747~25,120 kJ/kg이상이며, 저열탄-유연탄은 2,930~12,560 kJ/kg 이상, 저열탄-무연탄은 6,280~16,747 kJ/kg 이다(Coal Industry 304-2, 2005). 또한 수분함량에 따라 이탄과 갈탄으로 분류하며,이탄은 수분 함량이 75% 이상이며, 갈탄은 그 이하이다.갈탄은 수분 함량에 따라 토상 갈탄(아갈탄 40% 이상),보통 갈탄(아갈탄 20-40%), 초갈탄(아갈탄 20% 이하)으로 분류한다(Coal Industry 304-2, 2005). 이러한 분류는Table4에 정리되었다.

Table 4 Coal classifications in North Korea (Coal Industry 304-2, 2005)

IndustryCalorieWater content
PeatPeat
Bituminous coalSub-ligniteLow calorie (2,930~12,560 kJ/kg)LigniteEarthy lignite (>40% sub-lignite)
LigniteMedium calorie (12,560~20,930 kJ/kg)Common lignite (20-40% sub-lignite)
Bituminous coalHigh calorie (>20,930 kJ/kg)Ultralignite (<20% sublignite)
AnthraciteLow calorie (6,280~16,747 kJ/kg)
Medium calorie (16,747~25,120 kJ/kg)
High calorie (>25,120 kJ/kg)
Low grade coal (Chomuyeontan)Low calorie coal

북한의 석탄광상은 원생대, 고생대, 중생대, 신생대에이르는 대부분의 지질시대에 형성 되었으며, Figure 1은조선지질총서 9권(Chae et al., 2012)에 기재된 석탄 4개등급별(이탄, 유연탄, 무연탄, 초무연탄) 총 262개 석탄광상을 도시한 것이다.

중-신원생대(16억 년~5.4억 년)에 황해도 및 평안도 일대에서는 해침과 해퇴가 반복되면서 여러차례 퇴적작용에 의해 해성층과 육성층이 교호 퇴적되어 상원초군층(14억 년~7억 년)과 연탄군층(7억 년~5.7억 년)을 형성시켰다. 특히 신원생대 상원초군층의 상부층인 묵천군층은탄질물을 함유하는 초무연탄의 모암층으로 알려져 있으며(Koh et al., 2019), 초무연탄은 저열탄이지만 바나듐의함량이 높아 북한에서는 일부 바나듐 광상으로 취급하기도 한다(Choe et al., 2011).

고생대 초기(캄브리아기~오르도비스기)에는 소규모 천해성 퇴적분지가, 중기(데본기)에는 해성과 육성분지가형성되었고, 후기(석탄기~페름기)에 들어 규모가 큰 육성분지로 진화하여 평남분지를 형성시키게 된다(Koh et al., 2019). 이 시기에 북부에서는 혜산-이원분지와 두만강분지가 형성된다. 평남분지의 고생대 후기 퇴적층은 평안초군층으로 명명되며, 무연탄층은 이 군층의 립석주층과사동주층에 배태되어 이들 함탄층이 평남분지에서 평남북부탄전과 평남남부탄전을 이룬다(Fig. 1).

중생대에는 한반도에서 구조운동이 활발하게 일어나많은 호상 및 하상 분지들이 형성되었고, 화산활동과 퇴적작용이 여러차례 반복 초래되었다(Koh et al., 2019).한반도 남부에서는 경상분지가, 북부에서는 중강분지, 혜산-장파리분지 외 여러 소규모 분지들이 형성되어 육성퇴적물들과 화산분출물들이 퇴적되었다. 한반도 북부의중생대 지층들은 쥐라기 초기에 형성된 지층을 대동계,쥐라기말에 형성된 지층을 자성계, 백악기에 형성된 지층을 대보계(남한에서는 경상계)로 명명한다. 자성계의호성 퇴적분지에 혜산탄전과 안주탄전의 무연탄층들이형성되었다(Fig. 1).

신생대 제3기에 한반도 북부에서는 소규모 구조분지들이 형성되어 육성 및 해성 퇴적층들이 발달한다(Koh et al., 2019). 함북북부탄전에는 신생대 제3기에 형성된 온성분지와 청진분지에 퇴적된 육성 퇴적층이 이탄 및 갈탄으로 구성되는 함탄층을 이루고, 함북남부탄전에는 길주명천분지 퇴적층이 이탄 및 갈탄의 함탄층을 구성한다(Fig. 1). 이 외 지역에서 이 시기에는 이전에 형성되어진화된 혜산-이원분지, 고원분지, 평남분지 남쪽, 안주분지 및 의주분지 등에 이탄 및 갈탄층들이 형성되었다(Fig. 1).

요약한다면 중~신원생대에는 황해도와 강원도 일대에초무연탄층이 형성되었고, 후기 고생대에는 평남북부탄전 및 평남남부탄전, 고원탄전, 혜산탄전의 무연탄층이형성되었다. 중생대에는 혜산탄전과 안주탄전의 무연탄층이 형성되었으며, 신생대에는 함북북부탄전 및 함북남부탄전과 안주탄전에 이탄 및 유연탄층(갈탄 포함)이 형성되었고, 혜산탄전에 유연탄층(갈탄 포함)과 평남남부탄전에 이탄층이 형성되었다(Fig. 1).

4.1. 정의

북한에서 칭하는 초무연탄은 저급탄 중 해양성 유기 기원의 해조류, 균류 및 부유생물과 육성의 무기 기원의 광물질(특히 규질규산)이 혼화된 부니질 점토가 퇴적되어퇴적작용과 변성작용을 받아 탄질물이 탄화되어 형성된부니질 저열탄을 말하며, 이 용어는 북한에서만 사용하고 있다(Chae et al., 2012).

Dai et al. (2018)은 중국 남부 초기 고생대 지층에 주로 분포하고, 드물게 페름기 지층에 분포하는 저열탄을가연성, 저열량 및 높은 등급의 흑색 셰일로 정의하고 있으며 영문으로는 stone coal로 칭하는데 북한의 초무연탄과 유사하다.

4.2. 분포

북한의 초무연탄은 황해북도, 강원도, 황해남도, 개성 등 평안남도 이남에 주로 분포한다(Fig. 2). 초무연탄 배태층은 중원생대 상원초군층 직현군층의 오봉주층(C1 탄층), 신원생대 상원초군층 묵천군층의 설화산주층(C2-1탄층), 옥현주층(C2-2 탄층), 묵천주층(또는 린산주층: C3, C4 탄층), 신원생대 멸악산군층 안창주층(C5-1 탄층), 반석주층(C5-2 탄층), 신원생대 연탄군층의 비랑동주층(C6-1탄층) 및 능리주층 (C6-2 탄층), 초기 고생대 황주초군층의 황주군층 중화주층(C7 탄층), 림촌주층(C8 탄층)과 중기 중생대 림진군층의 삭녕주층 및 부합주층(C9 탄층)에배태되어 9개 탄층군(C1~C9 탄층군)과 17개 분층을 이룬다(Table 5). 요약한다면 북한의 초무연탄은 중원생대~신원생대 상원초군층과 신원생대 연탄군층 및 초기 고생대황주초군층, 중생대 림진군층 내에 배태된다(Fig. 2, Table5).

Table 5 Stratigraphy of low grade coal (Chomuyeontan) of North Korea (Chae et al., 2012)


Fig. 2. Distribution map of low grade coal (Chomuyeontan) deposits (Ri et al., 1990; Chae et al., 2012).

4.3. 특성

원생대 초기 및 중기 상원초군층의 묵천군층 초무연탄 (C2, C3, C4 탄층군)과 멸악산군층의 초무연탄(C5 탄층군) 및 하부 고생대 캄브리아기의 황주군층의 중화주층초무연탄(C7 탄층군)은 함광 부니질 저열탄으로 V, Mo, W, P, Ni 등의 중요한 산업적 탄층으로 규정하고 있다(Chae et al., 2012). 북한 초무연탄의 특성 중 가장 주목해야 할 사항이 초무연탄 내 경제성 있는 품위의 바나듐이 함유되어 있는 점이다. 황해북도 금천-토산지구 탄층(중화주층), 린산-서흥 탄층(설화산주층, 린산주층, 옥현주층), 사리원탄층 및 묵천탄층의 각 탄층(린산주층)에 V2O5 0.08~1.76%, 0.1%(최대 1.0%), 0.53~0.54% 및0.70~1.0%가 각각 함유되고, 중원생대 황해층군 내 협재된 황해남도 판문탄층은 V2O5 0.18~0.26% 함유됨이 보고되었다(Table 5). 강원도에는 회양탄전(설화산주층/린산주층/옥현주층), 금화-금강-창도지구(설화산주층/린산주층 /옥현주층), 철원탄전(린산주층, 멸악산주층), 법동탄전(린산주층)에 각각 V2O5 0.24~0.44%, 0.30~ 0.50%, 0.18~0.29%, 0.08~0.12% 함유됨이 보고되었다 (Table 6). 바나듐을 함유하는 탄질세일층을 셰일모암의 바나듐광상(shale hosted vanadium deposit)으로 분류하기도 한다(Karen et al., 2017).

Table 6 Vanadium contents of low grade coal deposits (Chomuyeontan) of North Korea (Choe et al., 2011; Chae et al., 2012)

ProvinceCoal seam (district)FormationV contentReference
Hwanghaebuk-doKumchon-ThosanJunghwaV2O5 0.08~1.76%Chae et al. (2012)
Choe et al. (2011)
Rinsan-SohungSolhwasan, Rinsan, OkhyeonV2O5 0.1% (max. 1.0%)Choe et al. (2011)
SariwonRinsanV2O5 0.53~0.54%Chae et al. (2012)
MukchonRinsanV2O5 0.70~1.0%
Hwanghaenam-doPhanmunHwanghae GroupV2O5 0.18~0.26%
Gangwon-doHoiyangSolhwasan, Rinsan, OkhyeonV2O5 0.24~0.42%Choe et al. (2011)
V2O5 0.35, 0.44%Chae et al. (2012)
Kimhwa-Kumgang-ChangdoSolhwasan(C1), Rinsan(C3), Myoraksan(C5)V2O5 0.30~0.50%
CheolwonRinsan(C3), Myoraksan(C5)V2O5 0.18~0.29%
PoptongRinsan(C3, C4)V2O5 0.08, 0.12%


북한에서 오랫동안 우라늄을 생산하고 있는 것으로 알려진 평산 우라늄광상(황해북도 평산군)의 배태층이 상원초군층의 묵천군층 흑색셰일층으로서 초무연탄에 속하며 V, Mo, U, As, Sb, Ni, Ag 함량이 높은 것이 특징이다(Gavshin and Sozinov, 1991). 북한에서 초무연탄은 해양 퇴적물 내 함유된 유기물질(조류 및 균류)들과 니질퇴적물이 변성작용을 거치면서 탄화되어 형성되고 해수내 풍부히 함유된 V, U, Mo 등의 금속성분들이 농집되는 것으로 해석한다(Chae, et al., 2012). 이는 우리나라옥천층군 창리층 탄질 셰일(coaly shale)에 우라늄-바나듐광상이 배태하고 있는 점과 U, V, Cr, Ni, Mo 등의 금속들이 부화된 특성으로 보아 북한 초무연탄과 우리나라창리층 탄질셰일층과의 유사성을 지시해 준다(Kim et al., 1995; Shin et al., 2012). 우리나라 옥천층군 함우라늄 탄층은 일반적인 해수로부터의 단순한 침전이 아닌 해저화산활동이 수반된 퇴적작용이나 혹은 이차적인 열수작용의 영향을 받아 V, Cr, Ni, Mo, U과 같은 산화-환원 지시원소들이 현저히 부화되어 산출되는 것은 혐기성 환경에서 해수로부터의 직접적인 침전에 의한 영향일 수 있으며, 특히, Ni, Mo, Cr 등의 금속원소는 원거리 해저열수활동에 의해 주로 공급되었을 것으로 추정한바 있다(Shin et al., 2012).

석탄 매장량은 최근 자료는 없지만, 1988년 발간된 조선지리전서(지질과 지하자원편) (Kim et al., 1988)에 보고된 자료(1982. 1.1. 집계)에 의하면 Table 6과 같다. 이도서에는 단위 광상별로 확보, 잔존 및 전망 매장량을 표기하고 있다. 우리나라 매장량 용어와 비교해 본다면 확보는 확정광량을, 전망은 추정 및 예상광량을 의미한다.이 자료에 의하면 무연탄 확보 매장량이 8.4억 톤, 전망매장량이 24.8억 톤이며, 유연탄(실제 갈탄 우세)은 확보량이 13.1억 톤, 전망량이 164.4억 톤으로서(Table 7), 유연탄(갈탄)이 월등하게 많다. 김화지구(강원도) 초무연탄탄전은 전망 매장량 2억400만 톤, 1982년 1월 기준 확보매장량 1,992만 톤이며, 봉산지구(황해북도) 초무연탄 탄전은 전망 매장량 2억5,000만 톤, 1982년 1월 기준 확보 매장량이 4,763만 4,000 톤이다(Kim et al., 1988).

Table 7 Coal reserves of North Korea (Kim et al., 1988)

Coal rankOre reserves (thousand tons)
ProvedProbableTotal
Peat1,361-1,361
Anthracite842,1422,480,0783,322,220
Bituminous coal & lignite1,311,54516,441,23117,752,776
Chomuyeontan (Kimhwa and Bongsan coal fields)67,500454,000521,500

석탄의 연구동향을 파악하기 위하여 1988년부터 2018년까지 31년 동안 “석탄공업”지에 게재된 2,471편의 논문을 13개 세부분야(발파, 운반, 갱도, 채굴, 통기, 갱내배수, 탐사, 광산안전, 선탄, 자동장치, 석탄평가, 저탄, 파분쇄)별로 구분하여 논문수를 집계하였다. 그 결과, 가장많은 분야가 채굴, 발파, 운반, 갱도분야이며, 다음으로많은 분야가 통기, 갱내배수, 탐사분야이며, 가장 적은 분야가 선탄, 자동장치, 석탄평가, 저탄, 파분쇄 분야로 확인되었다(Fig. 3). 1980년 말부터 2018년까지 세부분야별논문수의 뚜렷한 차이는 보이지 않지만, 석탄안전 분야의 증가세가 보인다(Fig. 3). 분류한 13개 세부분야 외 석탄액화기술, 연탄제조, 석탄 탈수 및 건류(장치), 산성배수(환경) 및 3D 지질 및 광체 모델(채굴모델) 연구도 소수가 확인된다.

Fig. 3. The trend of the number of papers on coal by subject published in the journal of “Coal Industry” in North Korea.

북한의 석탄 활용 중 중요한 현안 중의 하나가 초무연탄과 저급탄(폐석, 버럭탄)의 활용이다. 초무연탄은 황해남도와 황해북도에 풍부히 부존하고 있어 주민용 원료로이용하기 위한 연구가 1990년대부터 시작되었다. 초무연탄 활용과 관련한 연구는 초무연탄의 특성규명(Pak, 1991),초무연탄으로 연탄(벽돌식 구멍탄) 제조(Kim, 1992), 초무연탄을 이용하여 연탄 연소에 영향을 미치는 연소비표면적의 영향연구(Ha and Pak, 2014), 초무연탄의 유황가스 발생량 감소 및 발열량을 증가시켜 연소효율 향상연구(Pak and Ri, 2016), 열화학적 반응과정 해석(Kim and Choe, 2016) 등이 있다. 즉 초무연탄을 연료탄으로활용하기 위한 연구들이 최근까지 지속되고 있다.

1993년 국가과학기술위원회 주최로 석탄공업부문 제3차 과학기술토론회가 개최되어, 석탄채굴을 개선하고 탄광에서 자연발화를 극복하며 동발용 원목을 절약하는 문제 해결과 새로운 채탄기 개발에 관련된 연구결과들이다수 발표되었다(Coal Industry, 247-2, 1993). 1995년 석탄 공업부문 기술일군집중강의에서는 발파법 및 채탄법에 대한 기술 소개가 있었다(Coal Industry, 258-1, 1995). 2005년 제20차 중앙과학기술축전 석탄분과 발표회에서수상 논문은 1등은 암석올리굴고굴 다량채취법, 2등이 2단 선택 파쇄식 무연탄 버럭 선별기, 3등은 컴퓨터에 의한 채굴공정 설계의 작성과 도입과 함수구역에서 합리적인 채탄법으로 보도되었다(Coal Industry, 305-3, 2005).이는 석탄 개발의 가장 기본적인 채굴, 발파, 운반, 갱도분야에 지속적으로 집중하고 높이 평가되고 있음을 보여준다.

2007년 Surfer를 이용한 석탄자원 밀도 분포도 작성에대한 논문이 소개되었으며, 이는 컴퓨터 소프트웨어를 이용한 자원 부존량 분포를 보여주기 위한 시도 연구이다(Coal Industry, 314-4, 2007). 컴퓨터 지원으로 채굴공정설계를 완성하고 순천, 북창, 덕천, 개천, 고원지구 탄광들에 도입하고 있다고 보고하였다(Han and Ok, 2008). GIS로 채굴설계를 과학적이고 현실성 있게 할 수 있는GIS 응용체계 개발이 소개되었으며(Kim, 2009), GIS 기술을 이용한 채굴공정관리 체계구축 연구 결과도 소개되었다(Choe, 2011). 즉 소프트웨어를 이용하여 체계적이고 도식적인 모델연구들이 2000년대 중반 이후부터 시작되었음을 보여준다.

2010년 이후부터는 컴퓨터 조정체계에 의한 소형착화연탄(구멍탄) 배열공정을 설정하여 과학화하는 논문이 발표되었으며(Mun and Hong, 2015), 3D 지질 및 광체 모델링을 통하여 채굴설계 등을 할 수 있는 프로그램을 개발하여 보고하였고(Ri and Kim, 2015), 채굴조건평가 프로그램도 개발하였다(Pak, 2015). 또한 채굴공업에서 통신 및 정보기술에 의해 발전되는 전문가체계가 인공지능의 이론과 종합적 응용으로 발전하고 있음을 소개하였다(Han, 2011). 2000년 이후 소프트웨어의 활용에 이어 2010년 이후에는 자동조정장치의 연구를 시작한 것으로 보인다.

전반적으로 북한의 석탄 연구는 2000년대 이전에는 석탄 생산에 가장 기본적인 채굴, 발파, 운반, 갱도분야에집중하여 왔다. 2000년대 이후부터는 소프트웨어를 개발하거나 이용하여 자료를 처리하고 3D 모델을 작성하고자동원격장치를 개발하는 관리체계, 광산 안전문제와 환경 연구 등으로 진전되었다. 이는 전 세계적인 추세와 일치하지만 북한의 연구 내용들은 매우 단순하여 선도국과는 차별성이 큰 것으로 생각된다.

북한의 무연탄 채굴지는 평안남도 북부탄전과 남부탄전, 고원-문천탄전 등이며, 경제성이 가장 높은 지역은 평남북부탄전으로 알려져 있다. 무연탄은 주민용 연료, 화력발전과 제철제강, 화학산업, 보일러 등 열공업에 이용됨이 기본이고, 비날론공업에서 카바이드 생산에 이용되어 왔으며, 김정은 정권 들어 2013년부터는 화학비료의기본 원료로도 활용되기 시작하였다(Ji, 2013). 순천지구탄광의 무연탄은 청진화력발전소에 공급되며, 구장지구탄광의 무연탄은 평양화력에, 덕천지구탄광의 무연탄은북창화력에서 활용되고, 순천2.8직동탄광 무연탄은 평양화력과 동평양화력, 북창화력 등 주요 화력발전이나, 야금공업, 화학공업, 건재공업의 원료로 공급되었다(Kim et al., 2015).

유연탄(갈탄)은 주로 안주탄전과 함경북도 북부 및 남부탄전에서 채굴되며, 경제성 높은 지역은 함북북부탄전이다. 유연탄(갈탄)은 주민용 연료 외 화학공업에서 갈탄을 건류해 화학섬유, 합성수지, 메틸알콜, 벤졸, 크레졸,페놀, 나프탈렌, 농약, 의약품 등 수백 종의 화학제품 생산에 사용되기도 한다(Ji, 2013). 안주지구탄광에서 생산되는 갈탄은 천리마제강연합과 남흥청년화학연합에, 함경북도 북부지구탄광에서 채굴된 갈탄은 대부분 군수산업과 김책제철연합, 성진제강연합, 청진제강연합, 흥남비료연합, 단천광업연합, 함흥공업지구 등에 공급된다(Kim et al., 2015).

무연탄과 유연탄(갈탄)은 가정용 연료와 공업용 연료및 원료로 사용함이 일반적이다. 그 외 저급탄에 해당되는 초무연탄이나 석탄 폐석(버럭탄)의 활용이 가장 중요한 현안으로서 연구개발을 통하여 활용분야가 확대되고있는 추세이다. 발열량이 낮은 저열탄의 활용기술에 대한 연구가 1990년대 초부터 지속적으로 진행되었으며, 조연제(탄산염광물, 수화광물, 분광과 미광 등)의 첨가에 의한 발열량의 증가연구 사례(원탄 10,450 kJ을 20,900 kJ로 향상)가 보고되었다(Choe and Hwang, 1996). 석탄 폐석은 석탄을 선별하고 남은 폐석의 일종으로 대체적으로고정탄소가 18%이하, 회분이 80% 이상인 탄질 점판암과 탄질혈암 등의 탄광 폐석(맥석)을 말하는데 이 버럭탄을 이용하여 비료를 만드는 사례가 소개(Coal Industry, 313-3, 2007) 되었다. 2000년에 생산된 버럭탄은 1억9천만 톤으로 4천만 톤의 석탄량과 유사한 1,000kw·h의 전력을 생산 할 수 있다고 보고되었으며, 선탄기를 이용하여 선별 후 보일러, 벽돌, 시멘트, 충전재로 사용되기도하며(Han, 2008), 기공제와 연소첨가제를 첨가하면 버럭연탄으로 이용될 수 있다고 보고되었다(Han and Ri, 2014).

북한에서 1990년대 이후부터 석탄 액화 기술에 대한관심이 높았지만 “석탄공업지”에서는 단편적인 적용 사례만 보고되고 있다. 그 사례는 다음과 같다. 유연탄과이탄을 용매(벤졸, 벤졸-휘발유, 휘발유)로 가공하여 밀랍을 제조하여 섬유, 종이, 가죽, 고무, 수지 등의 가공과화장품, 세척제, 구두약, 학용품 등 경공업에 이용되는 사례, 정밀주조, 금속표면가공, 유탁액 등 중공업 부문에서도 이용되고 있는 경우(Pak and Im, 1990)와 갈탄저온타르를 이용하여 중질 윤활유에 가까운 저속 윤활유를 생산하여 탄광 갱내 전동차의 연료로 사용하고 있는 경우(Sin and Pak, 1993)이다. 2000년대부터 석탄액화방법에대해서는 석탄공업지(291-1, 2002; 295-1 2003)에 간단히소개되고 있다. 석탄혼합연료는 석탄을 기름대신 쓰기위해 만든 일종의 새로운 연료로서 석탄가루와 물을 7:3으로 혼합하고 0.5-1% 분산제와 0.02-0.1% 안정제를 배합하고 600-700°C로 가열시켜 고속분사하여 만들어진 50-60µm 입자들을 증발시키면 석탄 내 휘발분이 석출되면서 착화되는데, 북한에서는 이를 많이 사용하고 있다고보고되었다(Coal Industry, 300-2, 2004), 석탄을 가스화하여 합성가스를 제조하고 메타놀을 생산하여 제약, 농약,염료, 냉동가스, 가스분무제로 사용한다. 석탄직접액화에활용될 수 있는 석탄은 갈탄과 역청탄이며, 석탄액화기술을 간략히 소개하고 생산원가를 낮추기 위한 연구 사업에 치중한다고 보고하였다(Kim, 2009). 또한 안주갈탄의 부분액화기술공정이 소개 된 바 있으며(Paek and Kim, 2015), 석탄액화기술의 발전 동향에 대해 기술되었다(Jo, 2015). 이처럼 북한에서는 석탄 액화 기술 동향에 대한소개와 단편적으로 제품 생산이 이루어지기도 하는 것으로보인다. 하지만 획기적이고 실용성이 높은 기술은 아직미진하기 때문에 북한 정부에서는 탄소하나화학공업의창설에 사활을 걸고 있다는 보도가 여러 차례 나오고 있다.

1) 북한에서 석탄 분류는 이탄, 유연탄, 무연탄, 초무연탄으로 분류하고, 유연탄은 수탄(아갈탄), 갈탄, 역청탄으로 분류한다. 이는 탄화도에 따른 국제적 분류인 토탄 (이탄: peat), 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal), 역청탄(bituminous coal) 및 무연탄(anthracite)의 분류와는 차별적이다.

2) 북한에서의 광물자원 매장량은 확보, 잔존 및 전망매장량으로 표기하고 있으며, 조선지리전서(지질과지하자원)에 보고된 자료(1982. 1.1. 집계)를 집계하면 무연탄 확보 매장량은 8.4억 톤, 전망 매장량이24.8억 톤이며, 이에 비해 유연탄(갈탄)은 확보량이13.1억 톤, 전망량이 164.4억 톤이다. 김화지구와 봉산지구에서 산정된 초무연탄 전망 매장량은 4억5,400만 톤, 확보매장량 6,755만 4,000 톤으로 알려져 있다.

3) 북한의 석탄광상은 원생대, 고생대, 중생대, 신생대에 이르는 대부분의 지질시대에 형성되었다. 원생대에는 주로 초무연탄층이 형성되었고, 고생대에는 주로 무연탄층이 형성되었다. 중생대에도 무연탄층이형성되었으며, 신생대에는 이탄 및 유연탄층(갈탄)

이 주로 형성되었다. 여러 초무연탄 광상에서 바나듐이 V2O5 0.10~ 0.50% 함유되어 있는 것으로 보고하고 있으며, 이 광상 유형은 흑색 셰일 모암의 저품위 바나듐광상으로 취급하여도 무방하다.

4) 북한의 석탄 연구는 2000년대 이전에는 석탄 생산에 가장 기본적인 채굴, 발파, 운반, 갱도분야에 집중하여 왔으며, 2000년부터는 소프트웨어를 활용한3D 모델을 작성하고 자동원격장치를 개발하는 관리체계, 안전문제와 환경 연구 등이 추가되었다. 2010년부터는 3D 지질 및 광체 모델링을 통하여 채굴설계 및 채굴조건평가 프로그램 개발, 자동조정장치개발, 채굴공업에 인공지능을 적용하는 시도 등 AI에 접근하는 것처럼 보이기도 한다.

5) 무연탄과 유연탄(갈탄)은 가정용 연료와 공업용 연료 및 산업원료로 사용함이 일반적이다. 그 외 저급탄에 해당되는 초무연탄이나 폐석(버럭탄)의 활용과 석탄 액화 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고있으나 획기적인 성과는 없는 것으로 추측된다.

6) 북한 석탄자원의 부존 및 활용현황을 고려한 남북석탄자원 협력은 우리나라가 추진한 석탄광산 합리화 정책의 적용, 저급탄을 이용한 연탄제조 기술협력과 초무연탄에 함유된 바나듐 활용기술 협력 등이필요할 것으로 판단된다.

이 논문은 과학기술정보통신부에서 지원한 한국지질자원연구원 기본사업(GP2023-004)으로 연구가 수행되었습니다. 유익한 제언을 해 주신 두분의 심사위원님들께 감사를 표합니다.

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Review

Econ. Environ. Geol. 2024; 57(3): 281-292

Published online June 30, 2024 https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.3.281

Copyright © THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY.

Situation of Geological Occurrences and Utilization, and Research Trends of North Korean Coal Resources

Sang-Mo Koh1,*, Bum Han Lee1,2, Otgon-Erdene Davaasuren1

1Critical Minerals Research Center, Mineral Resources Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
2Geological Sciences, University of Science and Technology

Correspondence to:*kohsm@kigam.re.kr

Received: January 30, 2024; Revised: March 20, 2024; Accepted: March 21, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided original work is properly cited.

Abstract

North Korea relies heavily on coal as the primary energy source, playing an important role in all energy demand sectors except for the transportation sector. Approximately half of the total electricity is generated through coal-fired power plants, and coal is used to produce heat and power for all industrial facilities. Furthermore, coal has been a significant contributor to earning foreign currency through long-term exports to China. Nevertheless, since the 1980s, indiscriminate mining activities have led to rapid depletion of coal production in most coal mines. Aging mine facilities, lack of investment in new equipment, shortages of fuel and electricity, difficulties in material supply, and frequent damage from flooding have collectively contributed to a noticeable decline in coal production since the late 1980s. North Korea's coal deposits are distributed in various geological formations from the Proterozoic to the Cenozoic, but the most critical coal-bearing formations are Ripsok and Sadong formations distributed in the Pyeongnam Basin of the Late Paleozoic from Carboniferous to Permian, which are called as Pyeongnam North and South Coal Fields. Over 90% of North Korea's coal is produced in these coal fields. The classification of coal in North Korea differs from the international classification based on coalification (peat, lignite, sub-bituminous coal, bituminous coal, and anthracite). North Korean classification based on industrial aspect is classified into bituminous coal, anthracite, and low-grade coal (Chomuyeontan). Based on the energy factor, it is classified into high-calorie coal, medium calorie coal, and low-calorie coal. In North Korea, the term "Chomuyeontan" refers to a type of coal that is not classified globally and is unique to North Korea. It is a low-grade coal exclusively used in North Korea and is not found or used in any other country worldwide. This article compares North Korea's coal classification and the international coal classification of coal and provides insights into the geological characteristics, reserves, utilization, and research trends of North Korean coal resources. This study could serve as a guide for preparing scientific and industrial agendas related to coal collaboration between North Korea and South Korea.

Keywords North Korea, Chomuyeontan, occurrences, utilization, research trends

북한 석탄 자원의 부존 및 활용현황과 연구동향

고상모1,* · 이범한1,2 · Otgon-Erdene Davaasuren1

1한국지질자원연구원 광물자원연구본부 희소금속광상연구센터
2과학기술연합대학교 지질과학

Received: January 30, 2024; Revised: March 20, 2024; Accepted: March 21, 2024

요 약

북한에서 석탄은 전력 생산은 물론 산업용, 가정상업용 등 수송부문을 제외한 모든 에너지 수요부문에서 중추적 역할을 담당하는 주종에너지원이다. 북한은 전체 전력의 절반 정도를 석탄발전을 통해 생산하며, 모든 산업체의 열과 동력을 석탄에 의존하고 있다. 아울러 장기간 동안 대중 수출품목으로서 외화 획득에 지대한 기여를 하여 왔다. 그러나 1980년대 이래로 장기간 동안 무분별한 채탄으로 인해 대부분의 광산은 심부화가 급속도로 진행 되었고 광산설비의 노후화, 신규설비의 투자부족, 유류와 전력의 부족, 자재 공급 곤란, 잦은 수해로 인한 피해까지 겹치면서 1980년대 후반부터 석탄 생산량은 뚜렷하게 감소 추세를 보이고 있다. 북한의 석탄광상은 원생대로부터 신생대에 이르기까지 다양한 지질시대 지층에 배태되어 있으나, 가장 중요한 탄전지대는 평남분지 내에 분포하는 후기 고생대 퇴적층인 평안초군층의 립석주층 및 사동주층 함탄층이며, 이들은 평남북부탄전과 평남남부탄전을 이룬다. 북한 석탄의 약 90% 이상을 이 탄전에서 생산한다. 북한에서 석탄 분류는 탄화 정도에 따라 분류한 국제적 분류(토탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄과 무연탄)와는 다르게 산업적 견지에서 유연탄, 무연탄, 초무연탄으로 분류하고, 유연탄은 수탄(아갈탄), 갈탄, 역청탄으로 분류하며, 발열량 기준으로 고열탄, 보통탄, 저열탄으로 분류하기도 한다. 북한에서 지칭하는 초무연탄은 우리나라 뿐만 아니라 세계적으로도 분류되지 않은 석탄 등급이며, 북한에서만 유일하게 사용하고 있는 부니질저급 석탄이다. 이 기고에서는 석탄의 국제적 분류와 북한 분류를 비교하고, 북한 석탄의 지질학적 부존특성 및 부존량, 활용분야 및 연구동향을 파악하여 북한 석탄 자원을 보다 정확하고 심도 깊게 이해할 수 있는 내용으로 구성하고자 하였다. 이 연구는 남북 광물자원 협력이 가시화 되었을 때 석탄과 관련된 과학적 및 산업적 협력 아젠다를 준비하는데 지침으로 활용 될 수 있을 것이다.

주요어 북한, 석탄, 초무연탄, 부존현황, 활용현황, 연구동향

Research Highlights

  • Coal resources of North Korea are not only the most important energy source, but also a major contributor to foreign exchange earnings.

  • Pyeongnam North Coal Field is the most promising anthracite source in North Korea.

  • Chomuyeontan classified in North Korea is a low grade coal with a characteristic of high vanadium contents.

  • Technical cooperation on coal resources between North Korea and South Korea for coal briquetting and extracting vanadium from Chomuyeontan.

1. 서론

북한에서 장기간 동안 가장 중요한 수출 품목은 석탄이다. 2011년부터 제재 이전인 2016년까지 중국에 수출한 무연탄(HS 2701-1100)은 연간 약 1,100만 톤에서 약1,900만 톤으로 금액 기준으로는 약 10억 불에서 12억 불에 달하며 광산물 수출의 70% 이상을 상회한다(I-RENK, 2024). 김일성 저작집 15권(Kim, 1981)에서는“석탄은 공업의 중요한 동력 외 현대화학공업의 귀중한 원료로서,잘 처리하면 천과 신발도 나오고 다른 귀중한 일용품들이 나오는 검은 금이라고 말할 수 있다”라고 강조하였다.그 이후 지속적으로 북한 정부는 주체공업의 생명선인석탄 자원에 대한 탐사를 강화하여 석탄 문제를 원만히해결하는 것은 인민경제 여러 부문에서 생산을 정상화하고인민생활을 한 계단 높여 사회주의 강성대국을 건설하는데 매우 중요한 의의를 가진다고 강조하여 왔다(Choe, 2010).

북한의 석탄광상은 원생대로부터 신생대에 이르기까지다양한 지질시대의 지층에 배태된 연유로 여러 지역(함경도, 양강도, 평안도, 황해도 및 강원도)에 분포하고 있다(Fig. 1). 중-신원생대에는 초무연탄(부니질 저열탄)과무연탄, 하부 고생대, 상부 고생대와 중생대에는 무연탄,신생대에는 갈탄(북한 분류에서는 유연탄에 포함) 및 제4기에는 토탄(이탄)이 주로 형성되었다(Kim et al., 1988).

Figure 1. Distribution of coal deposits of North Korea (Koh, 2018).

두만강 조산대에는 함북북부탄전의 제3기층 갈탄이 부화주층, 하면주층 및 온성주층에 분포하고, 혜산-이원분지에는 혜산탄전 내에 고생대와 중생대 무연탄과 제3기층 갈탄이 분포하는데, 고생대 무연탄은 사동주층 내 배태하고, 중생대 무연탄은 중강주층과 장파주층에 분포하고 그 외 제3기층에 주로 갈탄이 분포한다(Kim and Choe, 2014). 평남분지에는 초무연탄, 무연탄 및 갈탄이 대량 매장되어 있으며, 무연탄의 95%가 이 분지 내에 배태한다.평남분지 내 평남북부탄전과 평남남부탄전이 위치하는데평남북부탄전이 가장 유망한 무연탄 생산기지이다(Kim and Choe, 2014). 평남분지에서 초무연탄은 황해남북도와 강원도 묵천군층에, 무연탄은 대부분 평안남도와 평양시, 함경남도 고원일대의 립석주층과 사동주층 내 분포하고, 청천강 하류 안주분지에 안주탄전이 분포하는데주로 갈탄으로 구성되며 룡림주층에 배태된다(Kim and Choe, 2014). 초무연탄은 우리나라 뿐만 아니라 세계적으로도 분류되지 않은 석탄 종류이며, 북한에서만 유일하게부니질 저열탄(해양성 유기 기원의 해조류, 균류 및 부유생물과 대륙성 무기 기원의 규질규산이 혼화된 부니질점토가 탄화되어 형성)을 초무연탄으로 분류하고 있다.초무연탄은 조선지리전서(Kim et al., 1988)에서 강원도 김화지구, 황해북도 연탄지구와 봉산지구에 부존함이 보고되었고, 조선지질총서 제9권(Chae et al., 2012)에서는강원도 및 황해도 지역 20여 개의 초무연탄 광상을 자세하게 기재하고 있다. 특히 일부 초무연탄 광상에는 바나듐이 수반되고 있음이 특징이다.

이 기고에서는 국제적 석탄 분류와 북한에서의 석탄 분류를 비교하고, 북한 석탄의 지질학적 부존특성 및 부존량,활용분야 및 연구동향을 기술하여 북한 석탄 자원을 보다 정확하고 심도 깊게 이해할 수 있는 내용으로 구성하였다.

2. 석탄의 분류

석탄은 육생 및 수생 식물이 퇴적작용에 의해 장기간동안 탄화가 초래되어 형성되기 때문에 지질학적으로 탄화정도(coal rank) 즉 탄화도(coalification)에 따라 토탄(이탄: peat), 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal), 역청탄(bituminous coal) 및 무연탄(anthracite)으로 분류하며, 무연탄보다 더 탄화가 진행되면 흑연(graphite)으로분류한다. 석탄을 구성하는 유기물을 마세랄(maceral)로명명하며, 근원 식물질 및 형성 환경에 따라 3개의 마세랄 군(vitrinite, liptinite, inertinite)과 20여개의 마세랄 종으로 구분한다(Pak, 1981; Pak et al., 1983). 탄화정도에따라 형성되는 석탄은 마세랄 종류와 구성비가 다르기때문에 석탄의 종류를 명확하게 식별하는데 마세랄의 종류 및 구성비 파악은 중요한 지표가 된다. 암석은 광물의 집합체이며 석탄은 마세랄의 집합체로서, 마세랄은 광물과 동일한 단위로서의 의미를 가진다. 마세랄은 반사현미경을 이용하여 반사도를 측정함으로서 동정이 가능하다.

석탄을 식별하고 등급을 결정하는데 광물학적 조성인마세랄의 종류 외에 탄소(C), 수소(H), 산소(O), N(질소)와 같은 가장 기본적인 화학적 조성이 일반적으로 사용된다(Table 1). 전 세계적으로 통용되는 석탄의 등급은Table 2에 나타난 분류이며, 이 분류는 1967년 미국 광무국(USBM)에서 공업분석 자료에 근거한 등급 분류이다.이 분류는 산업적인 활용도에 근접하고 있는 관계로 현재까지 가장 보편적으로 이용되고 있으며, 미국시험협회(ASTM)에서도 이 분류(ASTM D388-82, 1982)를 공인하고 있다. 역청탄과 유연탄은 동의어로 사용되고 있으나,산업적으로는 유연탄이란 용어로 일반적으로 사용된다.또한 토탄, 갈탄, 아역청탄을 형상(분상, 토상 및 괴상 등)및 경도에 따라 Soft Coal (Low Rank Coal)로 역청탄과무연탄을 Hard Coal (High Rank Coal)로 불리기도 한다.석탄의 화학적 및 물리적 특성이 간략하게 정리된 석탄유형별 조성은 Table 3과 같다. 이 특성은 석탄의 물리-화학적 특성 및 열량을 기준으로 석탄의 종류를 식별하고 등급을 결정하는데 중요하게 활용되고 있다. 이 분류는 Table 2의 USBM 분류와는 다소 차이가 있다.

Table 1 . Chemical compositions of coal types (Shabudeen, 2010).

Coal typeC(%)H(%)O(%)N(%)Characteristics
Peat576.035.01.0Highly fibrous, pale brown
Lignite675.026.01.0Fibrous, brown
Sub-bituminous coal775.016,01.5High homogeneous, black
Bituminous coal835.010.01.7Brittle, black
Anthracite933.03.01.7Hard and high mature, black

Table 2 . Coal classifications (Averitt, 1967; Gordon et al., 1983).

ClassGroupFixed carbon (%) (d.m.f*)Volatile matter (%) (d.m.f*)Calorie (Kcal/kg) (m.m.f**)
AnthraciteMeta-anthracite≥98≤2-
Anthracite92~982~8-
Semi-anthracite86~928~14-
Bituminous coalLow volatile bituminous coal78~8614~22-
Medium volatile bituminous coal69~7822~31-
High volatile A bituminous coal<69>31≥7,840
High volatile B bituminous coal--7,280-7,840
High volatile C bituminous coal--6,440-7,280
Sub-bituminous coalSemi-bituminous A coal--5,880-6,440
Semi-bituminous B coal--5,320-5,880
Semi-bituminous C coal--4,648-5,320
LigniteLignite A--3,528-4,648
Lignite B--<3,528

* d.m.f: dry mineral matter free; ** m.m.f: moist mineral matter free.


Table 3 . Physico-chemical properties of coal (Brian and Marty, 2008).

AnthraciteBituminous coalSub-bituminous coalLignite
Heat contentKcal/kg7,215-8,3256,105-8,3254,718-7,2152,220-4,607
Btu/lb*13,000-15,00011,000-15,0008,500-13,0004,000-8,300
KJ/kg13,390-15,45011,330-15,4508,755-13,3904,120-8,549
Moisture<15%2-15%10-45%30-60%
Fixed carbon85-98%45-85%35-45%25-35%
Ash10-20%3-12%≤10%10-50%
Sulfur0.6-0.8%0.7-4.0%<2%0.4-1.0%
Chlorine340±40ppm340±ppm120±20ppm120±20ppm

* Btu/lb (British thermal unit/pound).



북한에서 석탄 분류는 산업적 견지에서 이탄, 유연탄, 무연탄, 초무연탄으로 분류하고, 유연탄은 수탄(아갈탄),갈탄, 역청탄으로 분류한다(Coal Industry 304-2, 2005).발열량을 기준으로 고열탄, 보통탄, 저열탄으로 분류하기도 하는데 고열탄-유연탄은 20,930 kJ/kg 이상, 고열탄-무연탄은 25,120 kJ/kg 이상이며, 보통탄-유연탄은 12,560 ~20,930 kJ/kg 이상, 보통탄-무연탄은 16,747~25,120 kJ/kg이상이며, 저열탄-유연탄은 2,930~12,560 kJ/kg 이상, 저열탄-무연탄은 6,280~16,747 kJ/kg 이다(Coal Industry 304-2, 2005). 또한 수분함량에 따라 이탄과 갈탄으로 분류하며,이탄은 수분 함량이 75% 이상이며, 갈탄은 그 이하이다.갈탄은 수분 함량에 따라 토상 갈탄(아갈탄 40% 이상),보통 갈탄(아갈탄 20-40%), 초갈탄(아갈탄 20% 이하)으로 분류한다(Coal Industry 304-2, 2005). 이러한 분류는Table4에 정리되었다.

Table 4 . Coal classifications in North Korea (Coal Industry 304-2, 2005).

IndustryCalorieWater content
PeatPeat
Bituminous coalSub-ligniteLow calorie (2,930~12,560 kJ/kg)LigniteEarthy lignite (>40% sub-lignite)
LigniteMedium calorie (12,560~20,930 kJ/kg)Common lignite (20-40% sub-lignite)
Bituminous coalHigh calorie (>20,930 kJ/kg)Ultralignite (<20% sublignite)
AnthraciteLow calorie (6,280~16,747 kJ/kg)
Medium calorie (16,747~25,120 kJ/kg)
High calorie (>25,120 kJ/kg)
Low grade coal (Chomuyeontan)Low calorie coal

3. 석탄광상의 부존특성

북한의 석탄광상은 원생대, 고생대, 중생대, 신생대에이르는 대부분의 지질시대에 형성 되었으며, Figure 1은조선지질총서 9권(Chae et al., 2012)에 기재된 석탄 4개등급별(이탄, 유연탄, 무연탄, 초무연탄) 총 262개 석탄광상을 도시한 것이다.

중-신원생대(16억 년~5.4억 년)에 황해도 및 평안도 일대에서는 해침과 해퇴가 반복되면서 여러차례 퇴적작용에 의해 해성층과 육성층이 교호 퇴적되어 상원초군층(14억 년~7억 년)과 연탄군층(7억 년~5.7억 년)을 형성시켰다. 특히 신원생대 상원초군층의 상부층인 묵천군층은탄질물을 함유하는 초무연탄의 모암층으로 알려져 있으며(Koh et al., 2019), 초무연탄은 저열탄이지만 바나듐의함량이 높아 북한에서는 일부 바나듐 광상으로 취급하기도 한다(Choe et al., 2011).

고생대 초기(캄브리아기~오르도비스기)에는 소규모 천해성 퇴적분지가, 중기(데본기)에는 해성과 육성분지가형성되었고, 후기(석탄기~페름기)에 들어 규모가 큰 육성분지로 진화하여 평남분지를 형성시키게 된다(Koh et al., 2019). 이 시기에 북부에서는 혜산-이원분지와 두만강분지가 형성된다. 평남분지의 고생대 후기 퇴적층은 평안초군층으로 명명되며, 무연탄층은 이 군층의 립석주층과사동주층에 배태되어 이들 함탄층이 평남분지에서 평남북부탄전과 평남남부탄전을 이룬다(Fig. 1).

중생대에는 한반도에서 구조운동이 활발하게 일어나많은 호상 및 하상 분지들이 형성되었고, 화산활동과 퇴적작용이 여러차례 반복 초래되었다(Koh et al., 2019).한반도 남부에서는 경상분지가, 북부에서는 중강분지, 혜산-장파리분지 외 여러 소규모 분지들이 형성되어 육성퇴적물들과 화산분출물들이 퇴적되었다. 한반도 북부의중생대 지층들은 쥐라기 초기에 형성된 지층을 대동계,쥐라기말에 형성된 지층을 자성계, 백악기에 형성된 지층을 대보계(남한에서는 경상계)로 명명한다. 자성계의호성 퇴적분지에 혜산탄전과 안주탄전의 무연탄층들이형성되었다(Fig. 1).

신생대 제3기에 한반도 북부에서는 소규모 구조분지들이 형성되어 육성 및 해성 퇴적층들이 발달한다(Koh et al., 2019). 함북북부탄전에는 신생대 제3기에 형성된 온성분지와 청진분지에 퇴적된 육성 퇴적층이 이탄 및 갈탄으로 구성되는 함탄층을 이루고, 함북남부탄전에는 길주명천분지 퇴적층이 이탄 및 갈탄의 함탄층을 구성한다(Fig. 1). 이 외 지역에서 이 시기에는 이전에 형성되어진화된 혜산-이원분지, 고원분지, 평남분지 남쪽, 안주분지 및 의주분지 등에 이탄 및 갈탄층들이 형성되었다(Fig. 1).

요약한다면 중~신원생대에는 황해도와 강원도 일대에초무연탄층이 형성되었고, 후기 고생대에는 평남북부탄전 및 평남남부탄전, 고원탄전, 혜산탄전의 무연탄층이형성되었다. 중생대에는 혜산탄전과 안주탄전의 무연탄층이 형성되었으며, 신생대에는 함북북부탄전 및 함북남부탄전과 안주탄전에 이탄 및 유연탄층(갈탄 포함)이 형성되었고, 혜산탄전에 유연탄층(갈탄 포함)과 평남남부탄전에 이탄층이 형성되었다(Fig. 1).

4. 초무연탄

4.1. 정의

북한에서 칭하는 초무연탄은 저급탄 중 해양성 유기 기원의 해조류, 균류 및 부유생물과 육성의 무기 기원의 광물질(특히 규질규산)이 혼화된 부니질 점토가 퇴적되어퇴적작용과 변성작용을 받아 탄질물이 탄화되어 형성된부니질 저열탄을 말하며, 이 용어는 북한에서만 사용하고 있다(Chae et al., 2012).

Dai et al. (2018)은 중국 남부 초기 고생대 지층에 주로 분포하고, 드물게 페름기 지층에 분포하는 저열탄을가연성, 저열량 및 높은 등급의 흑색 셰일로 정의하고 있으며 영문으로는 stone coal로 칭하는데 북한의 초무연탄과 유사하다.

4.2. 분포

북한의 초무연탄은 황해북도, 강원도, 황해남도, 개성 등 평안남도 이남에 주로 분포한다(Fig. 2). 초무연탄 배태층은 중원생대 상원초군층 직현군층의 오봉주층(C1 탄층), 신원생대 상원초군층 묵천군층의 설화산주층(C2-1탄층), 옥현주층(C2-2 탄층), 묵천주층(또는 린산주층: C3, C4 탄층), 신원생대 멸악산군층 안창주층(C5-1 탄층), 반석주층(C5-2 탄층), 신원생대 연탄군층의 비랑동주층(C6-1탄층) 및 능리주층 (C6-2 탄층), 초기 고생대 황주초군층의 황주군층 중화주층(C7 탄층), 림촌주층(C8 탄층)과 중기 중생대 림진군층의 삭녕주층 및 부합주층(C9 탄층)에배태되어 9개 탄층군(C1~C9 탄층군)과 17개 분층을 이룬다(Table 5). 요약한다면 북한의 초무연탄은 중원생대~신원생대 상원초군층과 신원생대 연탄군층 및 초기 고생대황주초군층, 중생대 림진군층 내에 배태된다(Fig. 2, Table5).

Table 5 . Stratigraphy of low grade coal (Chomuyeontan) of North Korea (Chae et al., 2012).


Figure 2. Distribution map of low grade coal (Chomuyeontan) deposits (Ri et al., 1990; Chae et al., 2012).

4.3. 특성

원생대 초기 및 중기 상원초군층의 묵천군층 초무연탄 (C2, C3, C4 탄층군)과 멸악산군층의 초무연탄(C5 탄층군) 및 하부 고생대 캄브리아기의 황주군층의 중화주층초무연탄(C7 탄층군)은 함광 부니질 저열탄으로 V, Mo, W, P, Ni 등의 중요한 산업적 탄층으로 규정하고 있다(Chae et al., 2012). 북한 초무연탄의 특성 중 가장 주목해야 할 사항이 초무연탄 내 경제성 있는 품위의 바나듐이 함유되어 있는 점이다. 황해북도 금천-토산지구 탄층(중화주층), 린산-서흥 탄층(설화산주층, 린산주층, 옥현주층), 사리원탄층 및 묵천탄층의 각 탄층(린산주층)에 V2O5 0.08~1.76%, 0.1%(최대 1.0%), 0.53~0.54% 및0.70~1.0%가 각각 함유되고, 중원생대 황해층군 내 협재된 황해남도 판문탄층은 V2O5 0.18~0.26% 함유됨이 보고되었다(Table 5). 강원도에는 회양탄전(설화산주층/린산주층/옥현주층), 금화-금강-창도지구(설화산주층/린산주층 /옥현주층), 철원탄전(린산주층, 멸악산주층), 법동탄전(린산주층)에 각각 V2O5 0.24~0.44%, 0.30~ 0.50%, 0.18~0.29%, 0.08~0.12% 함유됨이 보고되었다 (Table 6). 바나듐을 함유하는 탄질세일층을 셰일모암의 바나듐광상(shale hosted vanadium deposit)으로 분류하기도 한다(Karen et al., 2017).

Table 6 . Vanadium contents of low grade coal deposits (Chomuyeontan) of North Korea (Choe et al., 2011; Chae et al., 2012).

ProvinceCoal seam (district)FormationV contentReference
Hwanghaebuk-doKumchon-ThosanJunghwaV2O5 0.08~1.76%Chae et al. (2012)
Choe et al. (2011)
Rinsan-SohungSolhwasan, Rinsan, OkhyeonV2O5 0.1% (max. 1.0%)Choe et al. (2011)
SariwonRinsanV2O5 0.53~0.54%Chae et al. (2012)
MukchonRinsanV2O5 0.70~1.0%
Hwanghaenam-doPhanmunHwanghae GroupV2O5 0.18~0.26%
Gangwon-doHoiyangSolhwasan, Rinsan, OkhyeonV2O5 0.24~0.42%Choe et al. (2011)
V2O5 0.35, 0.44%Chae et al. (2012)
Kimhwa-Kumgang-ChangdoSolhwasan(C1), Rinsan(C3), Myoraksan(C5)V2O5 0.30~0.50%
CheolwonRinsan(C3), Myoraksan(C5)V2O5 0.18~0.29%
PoptongRinsan(C3, C4)V2O5 0.08, 0.12%


북한에서 오랫동안 우라늄을 생산하고 있는 것으로 알려진 평산 우라늄광상(황해북도 평산군)의 배태층이 상원초군층의 묵천군층 흑색셰일층으로서 초무연탄에 속하며 V, Mo, U, As, Sb, Ni, Ag 함량이 높은 것이 특징이다(Gavshin and Sozinov, 1991). 북한에서 초무연탄은 해양 퇴적물 내 함유된 유기물질(조류 및 균류)들과 니질퇴적물이 변성작용을 거치면서 탄화되어 형성되고 해수내 풍부히 함유된 V, U, Mo 등의 금속성분들이 농집되는 것으로 해석한다(Chae, et al., 2012). 이는 우리나라옥천층군 창리층 탄질 셰일(coaly shale)에 우라늄-바나듐광상이 배태하고 있는 점과 U, V, Cr, Ni, Mo 등의 금속들이 부화된 특성으로 보아 북한 초무연탄과 우리나라창리층 탄질셰일층과의 유사성을 지시해 준다(Kim et al., 1995; Shin et al., 2012). 우리나라 옥천층군 함우라늄 탄층은 일반적인 해수로부터의 단순한 침전이 아닌 해저화산활동이 수반된 퇴적작용이나 혹은 이차적인 열수작용의 영향을 받아 V, Cr, Ni, Mo, U과 같은 산화-환원 지시원소들이 현저히 부화되어 산출되는 것은 혐기성 환경에서 해수로부터의 직접적인 침전에 의한 영향일 수 있으며, 특히, Ni, Mo, Cr 등의 금속원소는 원거리 해저열수활동에 의해 주로 공급되었을 것으로 추정한바 있다(Shin et al., 2012).

5. 석탄 매장량

석탄 매장량은 최근 자료는 없지만, 1988년 발간된 조선지리전서(지질과 지하자원편) (Kim et al., 1988)에 보고된 자료(1982. 1.1. 집계)에 의하면 Table 6과 같다. 이도서에는 단위 광상별로 확보, 잔존 및 전망 매장량을 표기하고 있다. 우리나라 매장량 용어와 비교해 본다면 확보는 확정광량을, 전망은 추정 및 예상광량을 의미한다.이 자료에 의하면 무연탄 확보 매장량이 8.4억 톤, 전망매장량이 24.8억 톤이며, 유연탄(실제 갈탄 우세)은 확보량이 13.1억 톤, 전망량이 164.4억 톤으로서(Table 7), 유연탄(갈탄)이 월등하게 많다. 김화지구(강원도) 초무연탄탄전은 전망 매장량 2억400만 톤, 1982년 1월 기준 확보매장량 1,992만 톤이며, 봉산지구(황해북도) 초무연탄 탄전은 전망 매장량 2억5,000만 톤, 1982년 1월 기준 확보 매장량이 4,763만 4,000 톤이다(Kim et al., 1988).

Table 7 . Coal reserves of North Korea (Kim et al., 1988).

Coal rankOre reserves (thousand tons)
ProvedProbableTotal
Peat1,361-1,361
Anthracite842,1422,480,0783,322,220
Bituminous coal & lignite1,311,54516,441,23117,752,776
Chomuyeontan (Kimhwa and Bongsan coal fields)67,500454,000521,500

6. 석탄 연구동향

석탄의 연구동향을 파악하기 위하여 1988년부터 2018년까지 31년 동안 “석탄공업”지에 게재된 2,471편의 논문을 13개 세부분야(발파, 운반, 갱도, 채굴, 통기, 갱내배수, 탐사, 광산안전, 선탄, 자동장치, 석탄평가, 저탄, 파분쇄)별로 구분하여 논문수를 집계하였다. 그 결과, 가장많은 분야가 채굴, 발파, 운반, 갱도분야이며, 다음으로많은 분야가 통기, 갱내배수, 탐사분야이며, 가장 적은 분야가 선탄, 자동장치, 석탄평가, 저탄, 파분쇄 분야로 확인되었다(Fig. 3). 1980년 말부터 2018년까지 세부분야별논문수의 뚜렷한 차이는 보이지 않지만, 석탄안전 분야의 증가세가 보인다(Fig. 3). 분류한 13개 세부분야 외 석탄액화기술, 연탄제조, 석탄 탈수 및 건류(장치), 산성배수(환경) 및 3D 지질 및 광체 모델(채굴모델) 연구도 소수가 확인된다.

Figure 3. The trend of the number of papers on coal by subject published in the journal of “Coal Industry” in North Korea.

북한의 석탄 활용 중 중요한 현안 중의 하나가 초무연탄과 저급탄(폐석, 버럭탄)의 활용이다. 초무연탄은 황해남도와 황해북도에 풍부히 부존하고 있어 주민용 원료로이용하기 위한 연구가 1990년대부터 시작되었다. 초무연탄 활용과 관련한 연구는 초무연탄의 특성규명(Pak, 1991),초무연탄으로 연탄(벽돌식 구멍탄) 제조(Kim, 1992), 초무연탄을 이용하여 연탄 연소에 영향을 미치는 연소비표면적의 영향연구(Ha and Pak, 2014), 초무연탄의 유황가스 발생량 감소 및 발열량을 증가시켜 연소효율 향상연구(Pak and Ri, 2016), 열화학적 반응과정 해석(Kim and Choe, 2016) 등이 있다. 즉 초무연탄을 연료탄으로활용하기 위한 연구들이 최근까지 지속되고 있다.

1993년 국가과학기술위원회 주최로 석탄공업부문 제3차 과학기술토론회가 개최되어, 석탄채굴을 개선하고 탄광에서 자연발화를 극복하며 동발용 원목을 절약하는 문제 해결과 새로운 채탄기 개발에 관련된 연구결과들이다수 발표되었다(Coal Industry, 247-2, 1993). 1995년 석탄 공업부문 기술일군집중강의에서는 발파법 및 채탄법에 대한 기술 소개가 있었다(Coal Industry, 258-1, 1995). 2005년 제20차 중앙과학기술축전 석탄분과 발표회에서수상 논문은 1등은 암석올리굴고굴 다량채취법, 2등이 2단 선택 파쇄식 무연탄 버럭 선별기, 3등은 컴퓨터에 의한 채굴공정 설계의 작성과 도입과 함수구역에서 합리적인 채탄법으로 보도되었다(Coal Industry, 305-3, 2005).이는 석탄 개발의 가장 기본적인 채굴, 발파, 운반, 갱도분야에 지속적으로 집중하고 높이 평가되고 있음을 보여준다.

2007년 Surfer를 이용한 석탄자원 밀도 분포도 작성에대한 논문이 소개되었으며, 이는 컴퓨터 소프트웨어를 이용한 자원 부존량 분포를 보여주기 위한 시도 연구이다(Coal Industry, 314-4, 2007). 컴퓨터 지원으로 채굴공정설계를 완성하고 순천, 북창, 덕천, 개천, 고원지구 탄광들에 도입하고 있다고 보고하였다(Han and Ok, 2008). GIS로 채굴설계를 과학적이고 현실성 있게 할 수 있는GIS 응용체계 개발이 소개되었으며(Kim, 2009), GIS 기술을 이용한 채굴공정관리 체계구축 연구 결과도 소개되었다(Choe, 2011). 즉 소프트웨어를 이용하여 체계적이고 도식적인 모델연구들이 2000년대 중반 이후부터 시작되었음을 보여준다.

2010년 이후부터는 컴퓨터 조정체계에 의한 소형착화연탄(구멍탄) 배열공정을 설정하여 과학화하는 논문이 발표되었으며(Mun and Hong, 2015), 3D 지질 및 광체 모델링을 통하여 채굴설계 등을 할 수 있는 프로그램을 개발하여 보고하였고(Ri and Kim, 2015), 채굴조건평가 프로그램도 개발하였다(Pak, 2015). 또한 채굴공업에서 통신 및 정보기술에 의해 발전되는 전문가체계가 인공지능의 이론과 종합적 응용으로 발전하고 있음을 소개하였다(Han, 2011). 2000년 이후 소프트웨어의 활용에 이어 2010년 이후에는 자동조정장치의 연구를 시작한 것으로 보인다.

전반적으로 북한의 석탄 연구는 2000년대 이전에는 석탄 생산에 가장 기본적인 채굴, 발파, 운반, 갱도분야에집중하여 왔다. 2000년대 이후부터는 소프트웨어를 개발하거나 이용하여 자료를 처리하고 3D 모델을 작성하고자동원격장치를 개발하는 관리체계, 광산 안전문제와 환경 연구 등으로 진전되었다. 이는 전 세계적인 추세와 일치하지만 북한의 연구 내용들은 매우 단순하여 선도국과는 차별성이 큰 것으로 생각된다.

7. 석탄 활용분야

북한의 무연탄 채굴지는 평안남도 북부탄전과 남부탄전, 고원-문천탄전 등이며, 경제성이 가장 높은 지역은 평남북부탄전으로 알려져 있다. 무연탄은 주민용 연료, 화력발전과 제철제강, 화학산업, 보일러 등 열공업에 이용됨이 기본이고, 비날론공업에서 카바이드 생산에 이용되어 왔으며, 김정은 정권 들어 2013년부터는 화학비료의기본 원료로도 활용되기 시작하였다(Ji, 2013). 순천지구탄광의 무연탄은 청진화력발전소에 공급되며, 구장지구탄광의 무연탄은 평양화력에, 덕천지구탄광의 무연탄은북창화력에서 활용되고, 순천2.8직동탄광 무연탄은 평양화력과 동평양화력, 북창화력 등 주요 화력발전이나, 야금공업, 화학공업, 건재공업의 원료로 공급되었다(Kim et al., 2015).

유연탄(갈탄)은 주로 안주탄전과 함경북도 북부 및 남부탄전에서 채굴되며, 경제성 높은 지역은 함북북부탄전이다. 유연탄(갈탄)은 주민용 연료 외 화학공업에서 갈탄을 건류해 화학섬유, 합성수지, 메틸알콜, 벤졸, 크레졸,페놀, 나프탈렌, 농약, 의약품 등 수백 종의 화학제품 생산에 사용되기도 한다(Ji, 2013). 안주지구탄광에서 생산되는 갈탄은 천리마제강연합과 남흥청년화학연합에, 함경북도 북부지구탄광에서 채굴된 갈탄은 대부분 군수산업과 김책제철연합, 성진제강연합, 청진제강연합, 흥남비료연합, 단천광업연합, 함흥공업지구 등에 공급된다(Kim et al., 2015).

무연탄과 유연탄(갈탄)은 가정용 연료와 공업용 연료및 원료로 사용함이 일반적이다. 그 외 저급탄에 해당되는 초무연탄이나 석탄 폐석(버럭탄)의 활용이 가장 중요한 현안으로서 연구개발을 통하여 활용분야가 확대되고있는 추세이다. 발열량이 낮은 저열탄의 활용기술에 대한 연구가 1990년대 초부터 지속적으로 진행되었으며, 조연제(탄산염광물, 수화광물, 분광과 미광 등)의 첨가에 의한 발열량의 증가연구 사례(원탄 10,450 kJ을 20,900 kJ로 향상)가 보고되었다(Choe and Hwang, 1996). 석탄 폐석은 석탄을 선별하고 남은 폐석의 일종으로 대체적으로고정탄소가 18%이하, 회분이 80% 이상인 탄질 점판암과 탄질혈암 등의 탄광 폐석(맥석)을 말하는데 이 버럭탄을 이용하여 비료를 만드는 사례가 소개(Coal Industry, 313-3, 2007) 되었다. 2000년에 생산된 버럭탄은 1억9천만 톤으로 4천만 톤의 석탄량과 유사한 1,000kw·h의 전력을 생산 할 수 있다고 보고되었으며, 선탄기를 이용하여 선별 후 보일러, 벽돌, 시멘트, 충전재로 사용되기도하며(Han, 2008), 기공제와 연소첨가제를 첨가하면 버럭연탄으로 이용될 수 있다고 보고되었다(Han and Ri, 2014).

북한에서 1990년대 이후부터 석탄 액화 기술에 대한관심이 높았지만 “석탄공업지”에서는 단편적인 적용 사례만 보고되고 있다. 그 사례는 다음과 같다. 유연탄과이탄을 용매(벤졸, 벤졸-휘발유, 휘발유)로 가공하여 밀랍을 제조하여 섬유, 종이, 가죽, 고무, 수지 등의 가공과화장품, 세척제, 구두약, 학용품 등 경공업에 이용되는 사례, 정밀주조, 금속표면가공, 유탁액 등 중공업 부문에서도 이용되고 있는 경우(Pak and Im, 1990)와 갈탄저온타르를 이용하여 중질 윤활유에 가까운 저속 윤활유를 생산하여 탄광 갱내 전동차의 연료로 사용하고 있는 경우(Sin and Pak, 1993)이다. 2000년대부터 석탄액화방법에대해서는 석탄공업지(291-1, 2002; 295-1 2003)에 간단히소개되고 있다. 석탄혼합연료는 석탄을 기름대신 쓰기위해 만든 일종의 새로운 연료로서 석탄가루와 물을 7:3으로 혼합하고 0.5-1% 분산제와 0.02-0.1% 안정제를 배합하고 600-700°C로 가열시켜 고속분사하여 만들어진 50-60µm 입자들을 증발시키면 석탄 내 휘발분이 석출되면서 착화되는데, 북한에서는 이를 많이 사용하고 있다고보고되었다(Coal Industry, 300-2, 2004), 석탄을 가스화하여 합성가스를 제조하고 메타놀을 생산하여 제약, 농약,염료, 냉동가스, 가스분무제로 사용한다. 석탄직접액화에활용될 수 있는 석탄은 갈탄과 역청탄이며, 석탄액화기술을 간략히 소개하고 생산원가를 낮추기 위한 연구 사업에 치중한다고 보고하였다(Kim, 2009). 또한 안주갈탄의 부분액화기술공정이 소개 된 바 있으며(Paek and Kim, 2015), 석탄액화기술의 발전 동향에 대해 기술되었다(Jo, 2015). 이처럼 북한에서는 석탄 액화 기술 동향에 대한소개와 단편적으로 제품 생산이 이루어지기도 하는 것으로보인다. 하지만 획기적이고 실용성이 높은 기술은 아직미진하기 때문에 북한 정부에서는 탄소하나화학공업의창설에 사활을 걸고 있다는 보도가 여러 차례 나오고 있다.

8. 맺음말

1) 북한에서 석탄 분류는 이탄, 유연탄, 무연탄, 초무연탄으로 분류하고, 유연탄은 수탄(아갈탄), 갈탄, 역청탄으로 분류한다. 이는 탄화도에 따른 국제적 분류인 토탄 (이탄: peat), 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal), 역청탄(bituminous coal) 및 무연탄(anthracite)의 분류와는 차별적이다.

2) 북한에서의 광물자원 매장량은 확보, 잔존 및 전망매장량으로 표기하고 있으며, 조선지리전서(지질과지하자원)에 보고된 자료(1982. 1.1. 집계)를 집계하면 무연탄 확보 매장량은 8.4억 톤, 전망 매장량이24.8억 톤이며, 이에 비해 유연탄(갈탄)은 확보량이13.1억 톤, 전망량이 164.4억 톤이다. 김화지구와 봉산지구에서 산정된 초무연탄 전망 매장량은 4억5,400만 톤, 확보매장량 6,755만 4,000 톤으로 알려져 있다.

3) 북한의 석탄광상은 원생대, 고생대, 중생대, 신생대에 이르는 대부분의 지질시대에 형성되었다. 원생대에는 주로 초무연탄층이 형성되었고, 고생대에는 주로 무연탄층이 형성되었다. 중생대에도 무연탄층이형성되었으며, 신생대에는 이탄 및 유연탄층(갈탄)

이 주로 형성되었다. 여러 초무연탄 광상에서 바나듐이 V2O5 0.10~ 0.50% 함유되어 있는 것으로 보고하고 있으며, 이 광상 유형은 흑색 셰일 모암의 저품위 바나듐광상으로 취급하여도 무방하다.

4) 북한의 석탄 연구는 2000년대 이전에는 석탄 생산에 가장 기본적인 채굴, 발파, 운반, 갱도분야에 집중하여 왔으며, 2000년부터는 소프트웨어를 활용한3D 모델을 작성하고 자동원격장치를 개발하는 관리체계, 안전문제와 환경 연구 등이 추가되었다. 2010년부터는 3D 지질 및 광체 모델링을 통하여 채굴설계 및 채굴조건평가 프로그램 개발, 자동조정장치개발, 채굴공업에 인공지능을 적용하는 시도 등 AI에 접근하는 것처럼 보이기도 한다.

5) 무연탄과 유연탄(갈탄)은 가정용 연료와 공업용 연료 및 산업원료로 사용함이 일반적이다. 그 외 저급탄에 해당되는 초무연탄이나 폐석(버럭탄)의 활용과 석탄 액화 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고있으나 획기적인 성과는 없는 것으로 추측된다.

6) 북한 석탄자원의 부존 및 활용현황을 고려한 남북석탄자원 협력은 우리나라가 추진한 석탄광산 합리화 정책의 적용, 저급탄을 이용한 연탄제조 기술협력과 초무연탄에 함유된 바나듐 활용기술 협력 등이필요할 것으로 판단된다.

사 사

이 논문은 과학기술정보통신부에서 지원한 한국지질자원연구원 기본사업(GP2023-004)으로 연구가 수행되었습니다. 유익한 제언을 해 주신 두분의 심사위원님들께 감사를 표합니다.

Fig 1.

Figure 1.Distribution of coal deposits of North Korea (Koh, 2018).
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 281-292https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.3.281

Fig 2.

Figure 2.Distribution map of low grade coal (Chomuyeontan) deposits (Ri et al., 1990; Chae et al., 2012).
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 281-292https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.3.281

Fig 3.

Figure 3.The trend of the number of papers on coal by subject published in the journal of “Coal Industry” in North Korea.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 281-292https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.3.281

Table 1 . Chemical compositions of coal types (Shabudeen, 2010).

Coal typeC(%)H(%)O(%)N(%)Characteristics
Peat576.035.01.0Highly fibrous, pale brown
Lignite675.026.01.0Fibrous, brown
Sub-bituminous coal775.016,01.5High homogeneous, black
Bituminous coal835.010.01.7Brittle, black
Anthracite933.03.01.7Hard and high mature, black

Table 2 . Coal classifications (Averitt, 1967; Gordon et al., 1983).

ClassGroupFixed carbon (%) (d.m.f*)Volatile matter (%) (d.m.f*)Calorie (Kcal/kg) (m.m.f**)
AnthraciteMeta-anthracite≥98≤2-
Anthracite92~982~8-
Semi-anthracite86~928~14-
Bituminous coalLow volatile bituminous coal78~8614~22-
Medium volatile bituminous coal69~7822~31-
High volatile A bituminous coal<69>31≥7,840
High volatile B bituminous coal--7,280-7,840
High volatile C bituminous coal--6,440-7,280
Sub-bituminous coalSemi-bituminous A coal--5,880-6,440
Semi-bituminous B coal--5,320-5,880
Semi-bituminous C coal--4,648-5,320
LigniteLignite A--3,528-4,648
Lignite B--<3,528

* d.m.f: dry mineral matter free; ** m.m.f: moist mineral matter free.


Table 3 . Physico-chemical properties of coal (Brian and Marty, 2008).

AnthraciteBituminous coalSub-bituminous coalLignite
Heat contentKcal/kg7,215-8,3256,105-8,3254,718-7,2152,220-4,607
Btu/lb*13,000-15,00011,000-15,0008,500-13,0004,000-8,300
KJ/kg13,390-15,45011,330-15,4508,755-13,3904,120-8,549
Moisture<15%2-15%10-45%30-60%
Fixed carbon85-98%45-85%35-45%25-35%
Ash10-20%3-12%≤10%10-50%
Sulfur0.6-0.8%0.7-4.0%<2%0.4-1.0%
Chlorine340±40ppm340±ppm120±20ppm120±20ppm

* Btu/lb (British thermal unit/pound).


Table 4 . Coal classifications in North Korea (Coal Industry 304-2, 2005).

IndustryCalorieWater content
PeatPeat
Bituminous coalSub-ligniteLow calorie (2,930~12,560 kJ/kg)LigniteEarthy lignite (>40% sub-lignite)
LigniteMedium calorie (12,560~20,930 kJ/kg)Common lignite (20-40% sub-lignite)
Bituminous coalHigh calorie (>20,930 kJ/kg)Ultralignite (<20% sublignite)
AnthraciteLow calorie (6,280~16,747 kJ/kg)
Medium calorie (16,747~25,120 kJ/kg)
High calorie (>25,120 kJ/kg)
Low grade coal (Chomuyeontan)Low calorie coal

Table 5 . Stratigraphy of low grade coal (Chomuyeontan) of North Korea (Chae et al., 2012).


Table 6 . Vanadium contents of low grade coal deposits (Chomuyeontan) of North Korea (Choe et al., 2011; Chae et al., 2012).

ProvinceCoal seam (district)FormationV contentReference
Hwanghaebuk-doKumchon-ThosanJunghwaV2O5 0.08~1.76%Chae et al. (2012)
Choe et al. (2011)
Rinsan-SohungSolhwasan, Rinsan, OkhyeonV2O5 0.1% (max. 1.0%)Choe et al. (2011)
SariwonRinsanV2O5 0.53~0.54%Chae et al. (2012)
MukchonRinsanV2O5 0.70~1.0%
Hwanghaenam-doPhanmunHwanghae GroupV2O5 0.18~0.26%
Gangwon-doHoiyangSolhwasan, Rinsan, OkhyeonV2O5 0.24~0.42%Choe et al. (2011)
V2O5 0.35, 0.44%Chae et al. (2012)
Kimhwa-Kumgang-ChangdoSolhwasan(C1), Rinsan(C3), Myoraksan(C5)V2O5 0.30~0.50%
CheolwonRinsan(C3), Myoraksan(C5)V2O5 0.18~0.29%
PoptongRinsan(C3, C4)V2O5 0.08, 0.12%

Table 7 . Coal reserves of North Korea (Kim et al., 1988).

Coal rankOre reserves (thousand tons)
ProvedProbableTotal
Peat1,361-1,361
Anthracite842,1422,480,0783,322,220
Bituminous coal & lignite1,311,54516,441,23117,752,776
Chomuyeontan (Kimhwa and Bongsan coal fields)67,500454,000521,500

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Jun 30, 2024 Vol.57 No.3, pp. 281~352

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Economic and Environmental Geology

pISSN 1225-7281
eISSN 2288-7962
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