淮南煤田烟煤中铀元素丰度及其淋滤特征研究

2017-03-15王德高

宿州学院学报 2017年1期

关键词：烟煤淮南煤田

王德高

安徽工业经济职业技术学院，合肥，230051

淮南煤田烟煤中铀元素丰度及其淋滤特征研究

王德高

安徽工业经济职业技术学院，合肥，230051

以淮南煤田烟煤(13-1和4-1)为研究对象，分析了两者主要煤质特征(水分、灰分、挥发分、胶质层厚度和镜质组反射率)，结合电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析技术，测定了两者铀丰度值；采用淋滤模拟试验方法，阐明了两者铀的淋滤行为。研究结果表明：(1)13-1、4-1烟煤U丰度值分别为2.55 ppm和3.19 ppm，两者U丰度差异受控于煤质组成、黄铁矿含量和沉积环境；(2)在淋滤时间相同的条件下，随淋滤液pH值降低，两种烟煤U淋出率均呈现出增高趋势，但具有一定的差异性；(3)在pH值相同的条件下，随着淋滤时间的延长，4-1烟煤中U淋出率较13-1的明显增高。

铀；丰度；淋滤；烟煤；淮南煤田

1 问题的提出

近年来，淮南煤田煤中微量元素研究是国内学者广泛关注的热点领域之一[1-3]，且更加关注煤中具有伴生资源化潜力的微量元素的调查，如铀(U)元素等[3]。

从地质研究角度说，淮南煤田是华东地区重要的煤炭生产基地，开采强度还会继续加大，但开采将向深部延伸，许多矿区面临深部开采，而以往的研究成果多局限于老矿区及其浅部煤层。由于深部煤层地球化学场和其他地质条件与浅部煤层有较大差异，前者煤中赋存的U可能不同于后者，所以有必要根据煤炭资源具体开采情况，深入研究正在生产和今后即将动用的煤中U的环境效应和开采使用过程中U的综合利用，对此进行研究；从元素研究程度角度说，目前对淮南煤田煤中U的理论研究不深，研究成果相对零散，主要集中在U的丰度及其资源化利用方面，缺乏针对煤中U在淋滤条件下所表现出的地球化学行为研究。尤其是淮南地区原煤露天堆放频繁，其中的U在雨水和其他介质长期淋滤下，对周边环境介质的释放潜力需要深入研究。

鉴于此，本文将对淮南煤田典型烟煤中U的淋滤行为进行深入研究，一是查明原煤中的U释放潜力，二是探讨原煤中U淋滤后的地球化学行为。

2 研究区概况

淮南煤田位于华北克拉通聚煤盆地东南隅，坐落于安徽省淮河两岸(图1)[4]。淮南煤田在平面上呈北西向的长椭圆状，东部毗邻滁州地区、西部延展至阜阳地区，长约180 km，宽约20 km，覆盖面积3654 km2。

图1 淮南煤田区域位置图

淮南煤田主要含煤岩系为晚古生代二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组，其主要可采煤层为早二叠世山西组1煤层、中二叠世4-1煤层和晚二叠世13-1煤层。已有研究表明[5]，1煤层镜质组反射率值为0.7%～1.1%、挥发分值为19%～40%、胶质层厚度为9%～25%，4-1煤层镜质组反射率值为0.8%～1.5%、挥发分值为31%～40%、胶质层厚度为9%～24%，13-1煤层镜质组反射率值为0.8%～1.0%、挥发分值为36%～45%、胶质层厚度为8%～19%。根据《中国煤炭分类标准》(GB5751-86)，1煤层为肥气煤二号，4-1煤层为肥气煤一号，13-1煤层为气煤二号。总体来说，淮南煤田主要煤层煤变成程度为烟煤。

3 样品采集与测试分析

本次研究原煤样选自于淮南煤田主采煤层4-1和13-1烟煤，其主要煤质分析指标见表1。对2个烟煤样品中铀(U)元素在不同时间和不同介质条件下的淋滤特征进行深入研究。在淋滤实验前，采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定原煤中U元素丰度(表1)。本次使用的ICP-MS仪器型号为Plasma Quad 3，配有Elan DRC Ⅱ测试系统(由美国热电VG公司生产)，射频功率1100 W。

表1 淮南煤田烟煤煤质分析和U元素丰度数据

本次淋滤实验在中国矿业大学测试分析中心完成，具体实验步骤参照相关文献[4]执行。本次研究分别用pH=2、pH=5和pH=9三种淋滤液进行淋滤，并分别于2、8、24和48 h时取出液体(待测液体)，并用ICP-MS测定其中U元素丰度，同时测定对应淋滤液的空白值，两数值之差值即为测定结果。

本次研究采用相对淋出率(φ)表征U元素淋滤特征，即：

φ=log(avc/AM)

式中,φ为U元素的淋出率,a为U元素在淋出液中的浓度值,v为淋滤液流速,t为淋滤时间；A为U元素在样品中的浓度,M为样品的总质量。本次淋滤实验测试结果见表2。

表2 淮南煤田13-1、4-1原煤中U淋滤实验测试结果×10-9

淋滤液pH=2pH=5pH=9淋滤时间282448282448282448铀(U)13-127.25.835.375.11.73.34.55.88.12.61.92.34-181.017.3108.6183.215.84.21.20.85.61.70.80.4

4 结果与讨论

4.1 原煤中铀元素(U)元素丰度特征

由表1可见，相比较于13-1烟煤中U丰度，4-1烟煤中的U丰度相对富集(高出20%)。已有研究表明，原煤中U丰度与煤中灰分含量有关，即煤中灰分含量高，则煤中U丰度亦相对较高，这与表1中13-1、4-1烟煤灰分测试结果相一致。此外，王运泉[6]认为，煤中U丰度除了与煤中灰分含量相关外，还与煤中黄铁矿含量有关，这与黄文辉[7]得出的“煤中U的赋存与其硫化物含量有关”的结论相一致。采用XRD测试分析13-1、4-1烟煤中硫化物的含量，结果分别为0.95%和2.09%。该结果佐证了上述结论，进一步表明了不同的沉积环境是造成两者原煤中U丰度差异的重要原因。前人研究表明，中二叠统4-1煤沉积相主要为三角洲前缘相，上二叠统13-1煤沉积相主要为下三角洲平原相，这从某种程度上说明沉积环境的微区性导致煤中硫化物不同程度的富集。

4.2 铀元素(U)淋滤特征

图2表明，随着淋滤液酸性降低，U的淋滤效果整体上呈减弱趋势。当淋滤液的pH=2时，4-1原煤淋滤效果较13-1原煤的好，且其48 h的淋出率接近21%，并表现出随着淋滤时间的延长，淋出率明显增加。此外，13-1原煤淋出率的变化规律与4-1原煤的保持一致。当淋滤液的pH=5时，13-1原煤淋滤效果较4-1原煤的好，且其48 h的淋出率接近6.0%，并表现出随着淋滤时间的延长，淋出率明显增加。此外，4-1原煤48 h的淋出率仅为3.0%，且基本达到平衡。当淋滤液的pH=9时，两者淋出率的变化规律与淋滤液的pH=5时基本保持一致；不同的是，13-1原煤淋出率在48 h才达到2.5%，4-1原煤的仅达到1.0%。

4.3 淋滤条件对铀元素(U)淋滤结果的影响4.3.1 淋滤液对淋滤结果的影响

图2表明，随淋滤液酸度逐渐增加，在淋滤时间相同的条件下U淋出率相对增高。结合前人研究成果[7-8]，该现象可能源于煤中U元素主要赋存于硅铝酸盐结合态中，当淋滤液为酸性条件时，不易造成硅铝酸盐溶解，反而会使其赋存的U元素淋出；当淋滤液为碱性条件时，可能造成氧化铝或二氧化硅发生水解形成地球化学障，使得U元素难以淋滤出。

图2 在pH=2、5、9的淋滤液下淮南煤田13-1、4-1原煤中U不同时间的淋出率

从图2可以看出，在2 h和8 h时间段内，随着淋滤液酸性增强，13-1、4-1原煤淋出率增加，其中，在pH=2和pH=5时，随着淋滤时间增长，4-1原煤中U淋出总量和淋出速率较13-1原煤的高，然而，在pH=9时，两者淋出率所表现的规律正好相反；在8 h和24 h时间段内，在pH=2时，随着淋滤时间的延长，两者淋出率继续增加，且4-1原煤中U淋出总量和淋出速率较13-1原煤的高，在pH=5和pH=9时，随着淋滤时间的延长，13-1原煤淋出总量和淋出速率在8 h和24 h时间段内逐渐呈现出较4-1原煤高的趋势；在24 h和48 h时间段内，两者淋出总量和淋出速率所表现出的规律与前一个时间段一致。特别值得关注的是，4-1原煤淋出率随着酸性条件增加，其淋出率明显降低，这表明在酸性溶液体系中，4-1煤中U可以得到快速释放。

4.3.2 淋滤时间对淋滤结果的影响

淋滤时间是影响原煤中有害元素溶出的关键因素[9]。秦勇等研究表明，由于煤中部分有害微量元素性质稳定，在淋滤过程中较难析出，但在外界环境因素长期作用下，其理化性质发生变化，造成较难释放元素得以快速释放[8]。考虑到在pH=2的淋滤液中U淋滤效果最好，所以选择pH=2时的淋滤结果来分析淋滤时间对U淋滤效果的影响。

图2还表明，在pH=2和pH=5时，随着淋滤时间的延长，13-1、4-1原煤中U淋滤率逐渐增加且4-1原煤中U淋出总量较13-1原煤的高，但是，在淋滤时间达8 h后，13-1原煤淋出速率逐渐超过4-1原煤的。相较于13-1原煤淋滤规律而言，即在淋滤液和淋滤时间双控的条件下，其中的U元素淋出率未到达淋滤平衡，仍然具有析出潜力；对于4-1原煤，在pH=9、淋滤时间大于8 h时，其中的U淋出率趋于稳定(1%)，表明U元素在8 h后已经达到淋滤平衡。

5 结束语

根据以上对实验结果的分析，可得出如下结论：

(1)13-1烟煤中U丰度值为2.55 ppm，4烟煤中U丰度值为3.19 ppm，两者U丰度差异受控于煤质组成、黄铁矿含量和沉积环境；(2)随淋滤液酸度逐渐增加，在淋滤时间相同的条件下，两种烟煤U淋出率相对增高，但两者表现出一定的差异性；(3)随着淋滤时间的延长，两种烟煤中U淋滤出逐渐增加且4-1原煤中U淋出总量较13-1原煤的高。

[1]黄文辉，杨起，汤达祯，等．潘集煤矿二叠纪主采煤层中微量元素亲和性研究[J]．地学前缘，2000，7(S2)：263-270

[2]唐修义，黄文辉．煤中微量元素及其研究意义[J]．中国煤田地质，2002，14(S1)：1-4

[3]唐修义，赵继尧．微量元素在煤中的赋存状态[J]．中国煤田地质，2002，14(S1)：14-17

[4]黄文辉，杨起．燃煤过程中有害元素转化机理研究进展[J]．地质科技情报，1999，18(1)：71-74

[5]赵志根．含煤岩系稀土元素地球化学研究[M]．北京：煤炭工业出版社，2002：20-80

[6]王运泉，任德贻，王隆国．煤中微量元素的赋存状态[J]．煤田地质与勘探，1996，24(2)：9-11

[7]熊正为，喻亦林，游猛，等.云南省煤的放射性污染调查研究[J].煤炭学报，2007，32(7)：762-766

[8]秦勇，王文峰，宋党育．太西煤中有害元素在洗选过程中的迁移行为与机理[J]．燃料化学学报，2002，30(2)：147-150

[9]黄文辉，杨起，汤达祯，等．华北晚古生代煤的稀土元素地球化学特征[J]．地质学报，1999，73(4)：360-369

(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.01.033

2016-05-27