準東地區煤中鈉元素富集的控制因素

雍曉艱，王 剛

（1.新疆維吾爾自治區煤炭綜合勘查院，新疆烏魯木齊830000；2.新疆煤田地質局煤層氣研究開發中心，新疆烏魯木齊830000）

根據準東煤田各礦區總體規劃確定的煤炭轉化利用方向，2014年6月～2015年12月，作者作為項目負責人之一完成了新疆中央返還兩權價款資金《新疆煤炭資源分質利用技術研究》項目，針對準東煤田煤炭資源的煤質特性，尤其是煤中鈉的賦存狀態及煤灰特性開展研究，選取代表性樣品進行提質、熱解、氣化等轉化試驗研究，提出新疆準東煤田主要煤層的煤質特征，分析煤炭轉化應用中可能存在的問題并提出相應對策，為新疆準東煤田煤炭資源的潔凈、高效利用提供地質依據。

1 概況

新疆準東煤田位于準格爾盆地的東部，北界山體為北西走向的克拉麥里山，南界山脈為東西向的東天山的博格達山，二者在木壘縣城東北部胡喬克處交匯，西界由克拉麥里山西端的滴水泉沿216國道向南至吉木薩爾城西的三臺鎮，與準噶爾盆地中心相接；整體呈東窄西寬的三角形。行政區劃大部屬昌吉回族自治州吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘哈薩克自治縣管轄。西北角屬阿勒泰地區富蘊縣管轄。東西長約226km，南北西邊界處最寬處為126km，面積約7596km2。含煤地層為侏羅系中統西山窯組、下統八道灣組。西山窯組含煤1～16層，煤層總厚0.8～65.11m，可采3～15層，可采厚度33.38～57.11m，煤種為31號不粘煤，少量41號長焰煤；八道灣組含煤1～4層，煤層厚度0.5～7.72m，可采1～3層，可采厚度0.8～6.2m，煤種為41號長焰煤。查明及預測總資源量約2215×108t。準東煤田自西向東劃分為五彩灣礦區、大井礦區、將軍廟礦區、西黑山礦區和老君廟礦區，各個礦區面積及資源量見表1。

表1 礦區面積及資源量

2 鈉從表土到煤層的分布規律

準東煤田西山窯組煤層頂板以砂巖為主，局部位置有泥巖。準東煤田各礦煤層頂板、上覆巖層及表土中鈉含量如表2所示。煤層頂板及上覆表土層中鈉含量較高并且波動較大。利用SEM-EDX檢測煤中的夾矸發現為鈉長石型含鈉礦物（如圖1所示）。由圖1可知，鈉從地表到煤層中含量顯著降低。

3 準東煤中鈉富集控制因素

地下水化學成分主要受補給來源的化學成分、含水層及其巖石成分以及地下水的徑流條件影響。準東地區地下水的補給來源主要是大氣降水及地表水。準東煤田第四紀表土層蒸發作用強烈，水分以垂直交替（只是排出水分、不排鹽分）為主，地表水的礦化度高。

表2 本次采樣煤層頂板、上覆巖層及表土中鈉含量

圖1 準東煤頂板中的含鈉礦物

地表水可通過巖石風化裂隙、構造裂隙、巖石孔隙等途徑順層滲入到地下，補給地下水。地下水與地表水之間存在弱的水力聯接。地下水流動過程中，會與巖石發生離子交換，含水層巖石中鉀、鈉的鹵化物、硫酸鹽和碳酸鹽等容易被地下水溶解帶走，其次是鈣、鎂的鹵化物，硫酸鹽和碳酸鹽。準東煤田上覆巖層巖石多為鉀長石和鈉長石，為地下水提供豐富的物質來源。含水層巖石經歷風化作用和溶濾作用后，可溶性的鈉離子進入地下水中。逐級化學提取試驗中，煤層頂板巖石中鈉以礦物鈉為主，表明頂板巖石已經風化分解，可溶鈉隨高礦化度的地下水進入煤層。此外侏羅紀煤層上覆地層的透水性和富水性都較弱，裂隙不甚發育，地下水徑流不暢，地下水交替滯緩，為巖石與地下水的陽離子交換作用提供充足的時間。

地下水在徑流過程中不斷蒸發失水，地下水中物質濃度增加，礦化度增大，溶解度小的鹽類會相繼沉積析出，引起水化學成分的改變。HCO3-首先沉淀析出，地下水變為硫酸鹽型水；如果再進一步濃縮，SO42-發生沉積，變為高礦化度的氯化物型水。因而地下水在垂向上呈HCO3--SO42--Cl-的沉積順序。準東表土中發現硫酸鈉晶體以及南露天礦煤層中發現硬石膏（CaSO4·2H2O）即為地下水中的鹽類沉積析出的結果。

準東煤田侏羅紀中統西山窯組由砂巖、泥巖、粉砂質泥巖、粉細砂巖、煤層組成，巖石富水性及透水性弱，為裂隙孔隙弱含水層。上覆地層中侏羅系中—上統石樹溝群、白堊系下統吐谷魯群及新生界第三系上新統獨山子組均為裂隙孔隙弱含水層，而第四系上更新統—全新統洪沖積、更新統西域組砂礫石層為透水不含水層。此外在局部地區還存在燒變巖裂隙含水層。煤層缺少隔水層，導致高礦化度地下水進入煤層。準東煤田各含（隔）水層（段）地下水的化學類型及礦化度如表3所示。按照相應的測試標準測試準東煤田侏羅紀西山窯組煤層地下水中主要離子濃度如表4所示。地下水中陽離子中鈉離子占絕對優勢，陰離子主要以氯離子和硫酸根為主，地下水中溶解性總固體含量較高。

準東煤的變質程度低，孔隙結構發達，是良好的含水層（表5），高礦化度的地下水與煤有機質結合，經過漫長的地質作用，鈉以離子交換態與有機質結合及溶解在孔隙中。

表3 準東煤田各含（隔）水層（段）地下水的化學類型及礦化度

表4 準東地區地下水中主要離子濃度

4 結論

通過研究分析認為，以砂巖為主的準東煤田西山窯組煤層頂板、上覆巖層及表土中鈉含量較高并且波動較大，利用SEM-EDX檢測煤中的夾矸發現為鈉長石型含鈉礦物，鈉從地表到煤層中含量顯著降低。準東煤田侏羅紀煤層為內陸湖泊相成煤，成煤期及后期均為未受到海水的影響，煤形成時期鈉含量極低。后期鹽漬化的地表水對地下水進行補給，將鈉離子、氯離子和硫酸根離子帶入；地下水交替緩慢導致地下水礦化度高，水化學類型為高礦化度的Cl型水，離子與煤體穩定接觸。準東煤變質程度低，塊體煤樣的孔隙率高、吸水性強，將地下水中的水溶態鈉富集在煤中，以離子交換態與有機質結合及溶解在孔隙中，致使煤中鈉含量增高。

表5 準東煤的孔隙率及吸水率

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