南桐礦5號(hào)煤層若干微量元素地球化學(xué)特征及潔凈煤的意義

胡志丹

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局312地質(zhì)隊(duì), 安徽蚌埠 233000）

南桐煤礦位于萬(wàn)盛主城區(qū), 發(fā)育于烏龜山背斜東西兩翼, 其所含地層屬于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M, 其中K3（4號(hào)）、K2（5號(hào)）、K1（6號(hào)）為計(jì)劃中的開(kāi)采煤層, 南桐煤礦中5號(hào)煤為最薄的煤層, 因該煤層中含有大量的黃鐵礦結(jié)合故又被稱之為“礦子硐”煤層, 它位于龍?zhí)督M下部, 屬于相對(duì)比較穩(wěn)定的薄煤層。本文主要以南桐礦區(qū)南桐礦二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M5號(hào)煤層為研究對(duì)象, 研究該煤層中煤樣的煤巖以及煤質(zhì)特征, 測(cè)定了煤中14種微量元素的含量分布, 并了解了這些元素的有機(jī)親和性, 在此基礎(chǔ)上推測(cè)出5號(hào)煤層中微量元素的賦存狀態(tài), 為潔凈煤技術(shù)提供了重要的參考。

1 樣品采集及實(shí)驗(yàn)

本次研究的5號(hào)煤層煤樣采自南桐煤田南桐礦礦, 采樣嚴(yán)格服從煤樣品采取方法（GB/T19222-2003）按照從上往下的方法每層刻槽收集樣品, 包括頂板1個(gè)樣品在內(nèi)共計(jì)采集9個(gè)樣品。樣品通過(guò)研磨后用200目分樣篩篩選, 最后密封保存。運(yùn)用電感耦合等離子質(zhì)譜（ICP-MS）的分析方法測(cè)出樣品中14種微量元素的含量, 同時(shí)運(yùn)用X射線熒光光譜法（XFS）以及根據(jù)硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法（GB/T 14506.28-93）測(cè)出樣品中常量元素的含量, 以上測(cè)試均在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)完成。煤質(zhì)以及全硫數(shù)據(jù)則是按照煤的工業(yè)分析方法（GB/T 212-2001）得出。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 煤質(zhì)特征

結(jié)合南桐礦5號(hào)煤樣品的工業(yè)分析結(jié)果（表1）, 得出5號(hào)煤為中灰、低水、中揮發(fā)分、高硫煤, 其中僅有位于頂板1、底板9分層的灰分產(chǎn)率相對(duì)偏高, 分別81.98%和80.60%。因?yàn)?號(hào)煤的全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本上都高于1%, 并且考慮到硫賦存狀態(tài)的因素, 因此硫在煤的實(shí)際潔凈處理過(guò)程中比較難清除。

表1 南桐礦5號(hào)煤樣品工業(yè)分析及成分分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果（%）

2.2 礦物成分

結(jié)合南桐礦5號(hào)煤樣品的礦物成分分析結(jié)果（表2）, 得出5號(hào)煤層中主要礦物為粘土礦物, 石英、黃鐵礦以及方解石次之, 而鐵白云石、白云石、燒石膏和銳鈦礦含量相對(duì)較少。煤層頂板中還含有鈉長(zhǎng)石和石膏。

表2 南桐礦5號(hào)煤礦物成分分析

2.3 成煤環(huán)境

結(jié)合5號(hào)煤的煤灰成分含量分析結(jié)果, 表明頂板1和煤分層樣4、5、7、8的灰成分比值C高于受海水影響的泥炭沼澤的分界值0.23[7]。雖然檢測(cè)得出其他分層樣品的灰成分比值C遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于受海水影響的泥炭沼澤的分界值0.23[7], 但因?yàn)檫@些分層中的黃鐵礦和硫含量較高, 因此依然可以得出5號(hào)煤是海陸過(guò)渡相沉積環(huán)境。

2.4 微量元素含量分布特征

結(jié)合南桐礦5號(hào)煤層中14種微量元素的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表3）, 可以得出煤層剖面上微量元素的含量特征。Co、Ni、W、Sc4種元素含量相對(duì)來(lái)說(shuō)低于煤層頂?shù)装逯性睾? 而As、Tl元素在煤分層8以及頂板中的含量相對(duì)來(lái)說(shuō)高于其他的煤分層以及煤層底板中的含量。

表3 南桐礦5號(hào)煤樣品微量元素測(cè)試結(jié)果分析（10-6）

通過(guò)對(duì)比南桐礦5號(hào)煤和美國(guó)煤、中國(guó)煤以及貴州煤中相同元素的含量差別可以總結(jié)出如下結(jié)論：

軟交換主要是通過(guò)將呼叫控制價(jià)功能與媒體網(wǎng)關(guān)分離開(kāi)來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電話交換網(wǎng)與IP電話有效溝通的交換技術(shù)，結(jié)合軟交換技術(shù)的應(yīng)用可以通過(guò)合理使用分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的信息傳送能力，促進(jìn)呼叫控制功能、業(yè)務(wù)功能以及媒體承載功能的分離。從廣義上講，軟交換泛指一種特殊的體系結(jié)構(gòu)，涉及到邊緣接入層、核心交換層、網(wǎng)絡(luò)控制層和業(yè)務(wù)管理層幾個(gè)方面，是下一代交換組網(wǎng)構(gòu)成元素中較為重要的組成部分，在實(shí)際應(yīng)用方面可以促進(jìn)新老網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展。將軟交換作為核心構(gòu)建下一代交換組網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)。

（1）煤中Se、Li、Be、W、Th、Sc6種元素含量高于美國(guó)煤、中國(guó)煤以及貴州煤中這些元素的平均含量, 尤其以元素Se的富集特征最為顯著, 富集系數(shù)高達(dá)467.45, 屬于煤中極其富集元素;Li的富集系數(shù)為6.25, 屬于煤中富集元素。

（2）As元素在5號(hào)煤中的含量低于美國(guó)煤中的平均含量卻高于中國(guó)煤和貴州煤中的平均含量。As富集系數(shù)為9.17,屬煤中富集元素。

（3）Co、Mo、Ni這3種元素的平均含量高于美國(guó)煤和中國(guó)煤中的含量卻低于貴州煤中的平均含量。其中Co、Ni富集系數(shù)不大, 不富集, 而Mo的富集系數(shù)為9.89, 屬煤中富集元素。

（4）Pb、Sb、Bi、Tl這4種元素在5號(hào)煤層中的平均含量全部低于美國(guó)煤、中國(guó)煤和貴州煤中的平均含量。其中Sb富集系數(shù)為5.23, 屬煤中富集元素。

3 討論

結(jié)合煤中常量元素與微量元素以及工業(yè)分析指標(biāo)的相關(guān)性系數(shù)（表4）, 利用煤中微量元素的分布規(guī)律以及煤中礦物的化學(xué)組成特征, 再結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析并且推測(cè)5號(hào)煤中14種微量元素的賦存狀態(tài)。

表4 微量元素與工業(yè)分析指標(biāo)及常量元素相關(guān)性系數(shù)

Be：劉東娜、趙峰華等在研究大同煤田時(shí)發(fā)現(xiàn)Be主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)賦存, 主要賦存于惰質(zhì)組中[11]。Be在5號(hào)煤層中含量相對(duì)較高, 其含量值與灰分以及其他常量元素呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, Be在5號(hào)煤中的賦存狀態(tài)以有機(jī)結(jié)合態(tài)為主。

Li：通常情況下Li元素與Al元素有較大的相關(guān)性, 并且Li主要以硅酸鹽的形式存在于自然界中。在5號(hào)煤的研究中, Li元素含量與灰分具有正相關(guān)關(guān)系, 與Al元素有較強(qiáng)的相關(guān)性, 相關(guān)系數(shù)為0.859, 與Si元素的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到0.724。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)Li元素在5號(hào)煤層分層中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煤層底板中的含量, 并且Li在煤層剖面上的分布特征表明Li在煤層中的賦存狀態(tài)主要為鋁硅酸鹽礦物形式。

Co：以往研究認(rèn)為Co有親硫和親鐵性。而劉東娜、趙峰華等在研究大同煤田時(shí)得出Co以有機(jī)結(jié)合態(tài)賦存的結(jié)論。這表明Co的賦存狀態(tài)多樣。通過(guò)對(duì)5號(hào)煤層研究發(fā)現(xiàn)Co與灰分呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.961, 同時(shí)Co還與其他常量元素都呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。研究還發(fā)現(xiàn)Co在5號(hào)煤分層中的含量小于煤層頂?shù)装宓暮? 由此得出5號(hào)煤層中Co賦存狀態(tài)以碳酸鹽形式為主。

As：既是兩性元素, 又是親銅元素, 通常情況下更傾向與硫形成化合物。趙峰華研究貴州高砷煤時(shí)總結(jié)出As與有機(jī)硫具有正相關(guān)關(guān)系, 然而As在有機(jī)顯微組分中卻以非晶體的形式存在, 并且可以形成砷酸鹽或亞砷酸鹽。Yudovich and Ketris認(rèn)為As可能有黃鐵礦、砷化物和有機(jī)物3種主要賦存形態(tài)[12]。Belkin等在研究中發(fā)現(xiàn)As可以以7種不同的形式賦存于煤層中。在南桐煤礦5號(hào)煤中As元素含量比較高, 與灰分的相關(guān)性系數(shù)為0.574, 與常量元素Fe的相關(guān)性系數(shù)為0.788。研究還發(fā)現(xiàn)在5號(hào)煤中As在剖面上的含量與黃鐵礦的含量有關(guān), 黃鐵礦含量高則As元素含量高, 說(shuō)明5號(hào)煤中As元素以黃鐵礦形式存在。

Se：據(jù)以前相關(guān)研究記載Se既可以以有機(jī)態(tài)形式賦存于煤中, 也可以無(wú)機(jī)態(tài)形式賦存于煤中。南桐煤礦5號(hào)煤中Se元素與灰分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 與常量元素除Fe以外均呈負(fù)相關(guān), 尤其與St,d的相關(guān)性系數(shù)較大。由此可以判斷Se元素在5號(hào)煤中主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)賦存, 部分以黃鐵礦形式賦存。

Mo：通常認(rèn)為Mo在煤中以硫化物形式賦存, 但是研究發(fā)現(xiàn)5號(hào)煤中Mo元素與灰分呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系, 與Fe的相關(guān)系數(shù)也為負(fù)值并且與St,d的相關(guān)系數(shù)相對(duì)比較小, 據(jù)此推斷5號(hào)煤中Mo在煤中的賦存狀態(tài)為有機(jī)結(jié)合態(tài)。

Ni：通常認(rèn)為Ni以無(wú)機(jī)態(tài)、有機(jī)態(tài)以及水溶態(tài)等形式賦存于煤中。研究得出5號(hào)煤樣品中Ni元素與水分以及灰分呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。推測(cè)Ni可能主要以碳酸鹽形式賦存。

Sb：目前認(rèn)為Sb在煤中以有機(jī)態(tài)或無(wú)機(jī)態(tài)賦存形式, 一般容易富集在揮發(fā)分和灰分中,是重要有害大氣污染物之一。5號(hào)煤中Sb與灰分呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與其他元素的相關(guān)性相對(duì)較小。可以認(rèn)為在5號(hào)煤中主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)賦存于煤中。

W：5號(hào)煤樣品中W元素與水分、灰分以及常量元素全部呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。其中與Al和Si的相關(guān)系數(shù)分別為0.901和0.903, 據(jù)此推測(cè)W在煤中的賦存狀態(tài)主要為鋁硅酸鹽吸附態(tài), 部分以碳酸鹽礦物形式存在。

Tl：通常認(rèn)為Tl一般以無(wú)機(jī)態(tài)形式賦存, 具有親硫性。在5號(hào)煤樣中的含量遠(yuǎn)低于地殼含量, 其與灰分呈正相關(guān), 與Fe的相關(guān)系數(shù)為0.713, 分層中的含量與黃鐵礦在剖面上含量分布相似。因此可推測(cè)5號(hào)煤中Tl主要以硫化鐵形式存在。

Pb：陳建等在研究中得出Pb主要以鋁硅酸鹽吸附態(tài)形式賦存[14]。5號(hào)煤中Pb與灰分呈正相關(guān), 并與S和Fe的相關(guān)系數(shù)分別為0.704和0.751。據(jù)此推斷5號(hào)煤中Pb在煤中的賦存狀態(tài)以硫化鐵形式為主, 部分為鋁硅酸鹽形式。

Bi：5號(hào)煤中Bi元素與灰分呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系, 與其他常量元素也具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此可以推斷Bi元素在5號(hào)煤中賦存狀態(tài)主要為有機(jī)結(jié)合態(tài), 部分以鋁硅酸鹽礦物形式賦存。

Th：在表生狀態(tài)下容易水解, 屬于親石元素。Th與灰分呈正相關(guān),與Al和Si元素的相關(guān)性較大。因此可以推斷該元素以鋁硅酸鹽形式在5號(hào)煤中賦存。

Sc：在5號(hào)煤中Sc屬于局部富集元素, 并且一般在煤層頂?shù)装逯懈患Ｆ湓?號(hào)煤中與灰分呈正相關(guān), 與Mg、K、Fe正相關(guān)系數(shù)很大, 故Sc應(yīng)主要賦存于碳酸鹽礦物中。

4 結(jié)論

（1）煤中Se、Li、Be、W、Th、Sc6種元素含量高于美國(guó)煤、中國(guó)煤以及貴州煤中這些元素的平均含量, 尤其以元素Se的富集特征最為顯著, 富集系數(shù)高達(dá)467.45, 屬于煤中極其富集元素;Li的富集系數(shù)為6.25, 屬于煤中富集元素；As元素在5號(hào)煤中的平均含量高于貴州煤和中國(guó)煤中平均含量, 低于美國(guó)煤中平均含量, As富集系數(shù)為9.17,屬煤中富集元素；Co、Mo、Ni等3種元素在5號(hào)煤中平均含量高于中國(guó)煤和美國(guó)煤, 低于貴州煤中平均含量, 其中Co、Ni富集系數(shù)不大, 不富集, 而Mo的富集系數(shù)為9.89, 屬煤中富集元素；Pb、Sb、Bi、Tl等4種元素在5號(hào)煤中平均含量均低于貴州煤、中國(guó)煤和美國(guó)煤中的平均含量, 其中Sb富集系數(shù)為5.23, 屬煤中富集元素。

（2）5號(hào)煤中Li、W、Th、Sc、As、Co、Ni、Pb、Tl不具有機(jī)親和性, 而B(niǎo)e、Mo具有相對(duì)較強(qiáng)的有機(jī)親和性, Se、Sb、Bi只具有一般有機(jī)親和性。

（3）5號(hào)煤中Be、Mo、Se、Sb、Bi主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)賦存；Li、W、Pb、Th等主要以鋁硅酸鹽形式賦存；As、Tl等主要以硫化鐵形式賦存；Sc、Co和Ni主要以碳酸鹽形式賦存。