寧夏任家莊煤礦9#煤層煤質及元素分布特征

吳 蒙，秦云虎，楊 柳，朱士飛，王曉青，杜俊紅，曹 磊

(1.江蘇地質礦產設計研究院，江蘇 徐州 221006；2.中國煤炭地質總局煤系礦產資源重點實驗室，江蘇 徐州 221006；3.河南理工大學資源環境學院，河南 焦作 454000；4.中國煤炭地質總局一七三勘探隊，河北 涿州 072750)

鄂爾多斯盆地西緣擁有豐富的煤炭資源、油氣資源，其中，煤炭資源累計探獲資源儲量657.48億t，煤層氣可采資源量達1.77萬億m3(2 000 m以淺)[1-2]。根據《能源發展戰略行動計劃2014～2020年》，2020年我國煤炭消費依然占能源消費總量的60%以上，表明在未來一段時間內，煤炭作為我國能源的主要地位不會改變。然而，粗放式的煤炭利用造成嚴重的環境污染。隨著國家倡導生態文明建設，對能源發展提出了新要求，煤炭的潔凈利用成為煤炭發展不可或缺的方向之一，不同的工藝對煤炭煤質要求不同，研究煤質和煤中元素的地球化學特征及富集機理，可以減少環境污染，提高煤炭資源利用水平。

任家莊煤礦是寧夏回族自治區重要的煤炭基地之一，前人主要對寧夏的沉積環境[3-4]、構造形態[5-7]、煤系礦產共生組合[2]、煤系非常規氣成藏規律[8-10]等方面進行研究。 但對寧夏的煤層煤質及元素分布特征的深入研究相對較少，本文以任家莊煤礦9#煤層為研究對象，結合井下剖面刻槽和鉆孔的采樣測試，對任家莊煤礦9#煤層煤質及元素分布特征進行了分析，以期對該區煤炭資源潔凈利用提供參考。

1 地質背景

圖1 任家莊煤礦位置Fig.1 Location of Renjiazhuang coal mine

任家莊煤礦隸屬橫城礦區，處于寧夏回族自治區靈武市東北部，西隔黃河與銀川相望，行政區劃屬靈武市橫山鄉臨河鎮。屬于鄂爾多斯盆地西緣褶皺沖斷帶馬家灘-甜水堡地段[11]，地質構造復雜，發育三道溝背斜、黃草溝背斜、黃草溝向斜和沙溝向斜，褶皺呈“北多南少”的特點，走向呈NNW向或SN向(圖1)。其中含煤地層屬太原組和山西組，由海陸過渡相的泥巖、粉砂巖、灰巖、砂巖、煤層和煤線組成[11-12]。含煤20余層，厚度8.03～33.85 m，平均為20.94 m，局部可采4～9層，9#煤層全區穩定可采，厚度0.73～7.84 m，平均為5.12 m，含夾矸1～2層。

2 煤質特征

任家莊煤礦9#煤層最大鏡質組反射率0.67%～0.75%，平均值為0.71%，屬于氣煤階段，煤中水分含量為0.57%～1.80%，平均值為1.16%，水分含量自上而下逐漸升高;灰分產率為4.20%～35.14%，平均值為19.04%，屬低中灰煤，灰分表現為煤層頂底部高、中間低的特點;揮發分產率為32.09%～44.72%，平均值為38.96%，屬高揮發分煤，揮發分從煤層頂部到底部呈逐漸升高的趨勢;固定碳含量為36.37%～59.61%，平均值為49.54%，固定碳表現出煤層中間高、頂底部低的特點；全硫含量為1.93%～5.46%，平均值為2.82%，屬中-高硫煤，煤層全硫含量從上到下呈現先增大后減小的趨勢(圖2)。其中，煤中有機硫含量1.00%～3.91%，平均值為2.47%，平均占全硫含量的79.40%;黃鐵礦硫含量0.02%～1.89%，平均值為0.56%，平均占全硫含量的19.89%;硫酸鹽硫含量0%～0.08%，平均值為0.02%(表1)，表明9#煤層硫的賦存形式以有機硫為主，黃鐵礦硫次之。任家莊煤礦9#煤層由于泥炭聚集時期，受海水影響[13-15]，加之煤層頂板發育灰巖、泥巖，給細菌提供了良好的厭氧環境，有利于煤中硫的富集[16]，因此煤層中全硫含量較高。

任家莊煤礦9#煤層灰成分中酸性氧化物以SiO2和Al2O3為主，平均含量分別為41.51%和34.96%，酸性氧化物之和為58.18%～95.59%，平均值為83.45%。Fe2O3、CaO、MgO、SO3和TiO2次之，K2O、Na2O、MnO2和P2O5少量。主要堿性氧化物(Fe2O3+CaO+MgO)之和為2.50%～39.22%，灰成分指數為K[K=(SiO2+A2O3)/(Fe2O3+CaO+MgO)]的變化在一定程度上可以較好地表征成煤環境。 煤的灰成分指數越低，還原性越強；煤的灰成分指數越高，還原性越弱[17]。9#煤層的灰成分指數為1.06～37.96，平均值為11.98(表2)。表明任家莊煤礦9#煤層的成煤環境為還原性。

3 煤中元素賦存特征

3.1 稀土元素

運用電感耦合等離子質譜(ICAP-QC ICP-MS)分析9#煤層的15塊煤樣，煤層中總稀土變化范圍為22.6～169.8 μg/g，平均值為83.0 μg/g(表3)，9#煤層中下部CK-9煤樣、CK-13煤樣顯示稀土元素相對富集。依據REE在煤樣中的含量除以REE在球粒隕石中的含量，可以得到標準化數據。根據La、Sm和Lu標準化數據的比值，可以將稀土元素分成輕稀土類富集型((LaN/LuN)>1)、中稀土類富集型((LaN/SmN)<1，(GdN/LuN)>1)和重稀土類富集型((LaN/LuN)<1)3種富集類型。經過球粒隕石標準化后，9#煤層LaN/SmN處于1.04～11.92，LaN/LuN處于1.78～19.74，GdN/LuN處于0.36%～1.42%。表明任家莊煤礦9#煤層為輕稀土富集類型。從煤層稀土元素(REE)配分模式(圖3)可知，9#煤層的REY曲線總體呈現右傾斜的趨勢，并且所有煤樣均表現出負Eu異常V型谷。

圖2 9#煤層主要煤質指標垂向變化Fig.2 Vertical variation of main index of coal quality in No.9# coal seam

表1 9#煤層工業分析和硫含量測試結果Table 1 Industrial analysis and sulfur content test results in No.9# coal seam

表2 9#煤層灰成分分析Table 2 Analysis of ash composition in No.9# coal seam

表3 9#煤層稀土元素測試結果Table 3 Test results of rare earth elements in No.9# coal seam

3.2 微量元素

任家莊煤礦9#煤層微量元素富集程度可以根據富集系數判斷，CC1=煤樣微量元素含量的算術平均值/中國煤中微量元素含量；CC2=煤樣微量元素含量的算術平均值/世界煤中微量元素含量。與中國煤中微量元素含量相比較，Li、Y為輕富集狀態，Tl、Rb、Zn、Mn、Ni、Cd、Co、Cs、Cr、V、Bi、Ba和Nb為虧損狀態(圖4(a))。與世界煤中微量元素含量相比較，Li為富集狀態，Pb和Th為輕富集狀態，Tl、Rb、Ni、Mn、Zn、Cd、Co、Cr、Cs、Bi、V和Ba為虧損狀態(圖4(b))。煤中Li含量較高，是中國煤中Li含量的2.97倍，是世界煤中Li含量的7.86倍，而煤中Tl含量異常低(表4)。

圖3 9#煤層剖面各分層中的REE配分模式Fig.3 REE distribution model of each layerin No.9# coal seam profile

表4 9#煤層微量元素含量特征Table 4 Content characteristics of trace elements inNo.9# coal seam

續表4

圖4 9#煤層中微量元素富集系數柱狀圖Fig.4 Histogram of trace elements enrichmentfactor in No.9# coal seam

4 結 論

1) 任家莊煤礦9#煤層為高揮發分、低灰-中灰、中-高硫氣煤，煤層中硫的賦存形式以有機硫為主，灰成分以酸性氧化物為主，且灰成分指數較低，表現出成煤環境為還原性。

2) 任家莊煤礦9#煤層屬輕稀土富集類型，煤層REY曲線總體上表現出右傾、負Eu異常V型谷的特征。

3) 任家莊煤礦9#煤層中Li含量較高，分別是中國煤和世界煤中Li含量的2.97倍和7.86倍，煤中Li具有較高的綜合開發的潛力，以后的工作應該進一步關注。