長治盆地東南地區(qū)15#煤中元素分布特征

金瞰昆,魏曉超,教光印

(1.河北工程大學(xué)河北省資源勘測研究實驗室,河北邯鄲056038;2.河北工程大學(xué)資源學(xué)院,河北邯鄲056038;3.冀中能源有限公司 邯鄲礦業(yè)集團,河北 邯鄲056002)

煤中微量元素一直是煤巖學(xué)和煤質(zhì)研究的重要內(nèi)容;當(dāng)今出于對資源利用和環(huán)境保護的關(guān)注,煤中微量元素,尤其是有益和有害元素的分布特征更是成為當(dāng)前研究的熱點。王云泉等[1]總結(jié)了晉城礦區(qū)主要煤層中微量元素的賦存狀態(tài);白向飛[2]闡明了煤中有害微量元素的富集主要與陸源供給和巖漿熱液有關(guān),在加工利用過程中的遷移機理與環(huán)境影響。代世峰[3]和劉桂建[4]研究了煤中元素和微量元素的賦存特征與研究意義;齊慶杰[5]、魯百合[6]、李文華[7]研究了煤中有害元素的分布特征。本文以長治盆地東南地區(qū)15#煤層為研究對象,對煤中釷、鎵、鈾、氟等微量元素的賦存特征和富集成因機理進行研究,為今后該區(qū)煤炭綜合開發(fā)利用過程中環(huán)境污染的預(yù)防和控制提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

長治盆地東南邊緣山區(qū)的地貌單元屬于低中山區(qū),中部為一近東西向延伸的分水嶺,分水嶺兩側(cè)的次級山梁和溝谷走向近南北向。總體地形特征為中部高、南北低,出露地層主要有二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組及第四系松散沉積物。區(qū)內(nèi)15#煤層為主要可采煤層之一,屬于太原組,其厚2.56-6.00m,平均4.22m,含煤系數(shù)為3.61%,為穩(wěn)定可采煤層。

2 15#煤煤巖特征

2.1 顯微煤巖組分及其特征

通過對15#煤層樣品顯微煤巖組分分析,得到15#煤層顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主,次為惰質(zhì)組,缺少殼質(zhì)組,礦物組則以粘土礦物為主,少量的碳酸鹽和硫化物,還可見針鐵礦、褐鐵礦和一水鋁石等礦物。

(1)鏡質(zhì)組:均以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主,無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中主要為均質(zhì)鏡質(zhì)體和膠質(zhì)鏡質(zhì)體,部分以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主。顯微組分定量分析結(jié)果:15#煤鏡質(zhì)組含量為55%～90%,一般為75%以上。

(2)惰質(zhì)組:以無結(jié)構(gòu)絲質(zhì)體為主,另外也含有碎屑絲質(zhì)體和少量的結(jié)構(gòu)絲質(zhì)體、絲炭化渾圓體、微粒體。顯微組分定量分析結(jié)果:惰質(zhì)組含量為5%～40%,一般含量為15%～20%,15#煤惰質(zhì)組含量變化幅度較大,細胞結(jié)構(gòu)較清楚,結(jié)構(gòu)絲質(zhì)體胞腔多被無機礦物充填。

(3)殼質(zhì)組:本區(qū)煤巖樣品中殼質(zhì)組分甚微,不定形體或消失。

(4)礦物質(zhì):以粘土礦物為主,也含有少量的碳酸鹽和硫化物,部分樣品中可見針鐵礦、褐鐵礦和一水鋁石等礦物。礦物質(zhì)呈星點狀、團塊狀、條帶狀、線理狀,分布于鏡質(zhì)組中,或充填在結(jié)構(gòu)絲質(zhì)體胞腔中,或分布在絲質(zhì)體之間。礦物質(zhì)含量為2.75%～20%,一般含量為5%～10%。

根據(jù)上述研究分析,15#煤鏡質(zhì)組中以結(jié)構(gòu)和無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主;絲質(zhì)組以無結(jié)構(gòu)絲質(zhì)體為主;殼質(zhì)組分微量至消失,不定形體;鏡質(zhì)組油浸鏡下最大反射率平均值界于2.05～2.33之間,顯示高變質(zhì)階段的煤巖特征。

2.2 工業(yè)分析及其煤巖類型

根據(jù)鉆孔煤心煤樣分析結(jié)果:①水分(Mad):原煤為0.49%～1.43%,平均0.92%;精煤為0.37%～0.99%,平均0.69%。 ②灰分(Ad):原煤為8.56%～20.91%,平均 15.88%;原煤灰分小于10%的有2個孔(ZK1-5和ZK3-4),占總孔數(shù)(13)的15%;介于10.01%～16.00%之間的有3個孔(ZK1-12、ZK2-5、ZK5-1),占總孔數(shù)(13)的23%;其余8個孔大于16.00%,占總孔數(shù)(13)的62%,灰分變化詳見圖 1;精煤為5.88%～10.50%,平均 7.71%,根據(jù)《煤炭質(zhì)量分級》(GB／T15224.1-2004)15號煤為低灰-中灰煤。

表1 15#煤中有害、微量元素含量表Tab.1 Harmful and race elements content tables of the No.15 coal

表2 15#煤灰份中元素含量表Tab.2 Elements content of the No.15 coal in ash

3 15#煤元素分布特征

3.1 15#煤中元素含量

通過對所采樣品的實驗室分析測得出15#煤中元素含量情況(表1、表2所示)。

3.2 15#煤中元素分布特征

從曲線圖2中可以看出鎵與釷含量變化具有相似性,在ZK3-5鉆孔表現(xiàn)更為明顯,尤其是釷升高幅度明顯變大,釷元素的含量為7～26ug／g,釷與鋁的氫氧化物礦物關(guān)系密切,主要存在于鋁的氫氧化物水鋁石中;本研究區(qū)鎵、鈾的相對含量較高,鎵為6～ 18 ug／g,鈾為3.1～ 5.5 ug／g,它們與粘土礦物關(guān)系密切,因煤中粘土礦物搬運、沉積過程中對其有吸附作用。粘土礦物對煤中微量元素的富集有重要意義[1-3]。

15#煤中的鐵則以針鐵礦(氧化鐵)和褐鐵礦(氫氧化鐵)為主,為黃鐵礦的氧化產(chǎn)物,大部分黃鐵礦則是泥炭聚積時海水入侵的產(chǎn)物,因為15#煤層位于海陸交互相含煤地層中,其底板為泥巖或含黃鐵礦泥巖,局部為粉砂質(zhì)泥巖;也有部分黃鐵礦是煤中后生成因充填于裂隙中[4]。氟由于離子體積小,容易與許多正離子形成穩(wěn)定的配位化合物,以類質(zhì)同象形式呈離子態(tài)存在于礦物晶格中或以非類質(zhì)同象形式呈離子狀態(tài)吸附于礦物顆粒表面或存在于煤的水分之中,15#煤中其含量59-136 ug／g,主要存在于無機質(zhì)中[5-7]。曲線圖3則顯示氧化鐵與氟呈負相關(guān)性,在ZK2-4孔中表現(xiàn)明顯,氟的含量隨氧化鐵含量增加大幅度降低。鐵主要賦存于黃鐵礦中[6],當(dāng)黃鐵礦形成時處于還原或弱還原環(huán)境,水流不暢則帶入的粘土物質(zhì)匱乏,從 136 ug／g 減少到 59 ug／g,降幅達一倍多,主要是粘土物質(zhì)的吸附,氟元素是親有機的,在粘土物質(zhì)匱乏的情況下氟的含量自然會減少,故形成了氧化鐵與氟呈負相關(guān)性。

曲線圖4則表明二氧化硅與氧化鋁呈現(xiàn)相似性變化,是組成無機物(以粘土礦物為主)的主要部分,也是構(gòu)成灰份的主要成分,是成煤過程中粘土物質(zhì)隨水搬運到沉積盆地,即沼澤中伴隨成煤植物一起沉積下來。研究區(qū)煤中硅主要以粘土礦物,來源于泥炭聚積時陸源碎屑的供給[1]。鋁主要以鋁的氫氧化物——水鋁石形式,也是來源于泥炭聚積時陸源碎屑的供給[8]。

4 結(jié)論

1)長治盆地東南地區(qū)15#煤中釷與氫氧化鋁關(guān)系密切,主要存在于水鋁石中;鎵、鈾的相對含量較高,與粘土礦物關(guān)系密切。

2)二氧化硅與氧化鋁呈現(xiàn)相似性變化,是組成粘土礦物的主要部分,也是構(gòu)成灰份的主要成分。

3)氧化鐵與氟呈負相關(guān)性。

[1]王運泉,任德貽,王隆國.煤中微量元素的賦存狀態(tài)[J].煤田地質(zhì)與勘探,1996,24(2):9-11.

[2]白向飛.中國煤中微量元素分布賦存特征及其遷移規(guī)律試驗研究[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院,2003.

[3]代世峰,任德怡,唐躍剛.煤中常量元素的賦存特征與研究意義[J].煤田地質(zhì)與勘探,2005,33(2):1-5.

[5]齊慶杰.煤中氟賦存形態(tài)、燃燒轉(zhuǎn)化與污染控制的基礎(chǔ)和試驗研究[D].杭州:浙江大學(xué),2002.

[6]魯百合.我國煤層中氟和氯的賦存特征[J].煤田地質(zhì)與勘探,1996,24(1):9-11,12.

[7]李文華.中國主要高硫煤和石煤中氟的分布[J].煤炭分析及利用,1986,(5):27-37.

[8]權(quán)巨濤,宋志堅.磁西一號勘查區(qū)上煤組煤質(zhì)特征及成煤環(huán)境[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,26(2):66-69.