淮北矿区芦岭煤矿微量元素地球化学特征

2018-11-15李影影刘桂建陈冰宇丁典识

中国煤炭地质 2018年10期

李影影，刘桂建，陈冰宇，丁典识

(1.江西省大气污染成因与控制重点实验室东华理工大学地球科学学院，南昌 330013；2.中国科学院壳幔物质与环境重点实验室中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 230026)

煤炭是我国的重要能源之一，在丰富的煤炭资源中富含着大量的微量元素，可供开发利用[1]。煤的成分极其复杂，前人研究发现在煤的样品中可检测出86种元素，其中，包括C，H，O，N，S，Al，Si，Fe，Mg，Na，K，Ca等12种主要元素，而其余74种元素因在煤中的平均丰度低于0.1%，则被称为微量元素[2-4]。煤中微量元素作为煤田地质学、煤地球化学以及环境科学等多学科的主要研究对象，多应用于煤田地质(如Ba、Sr等具有成煤环境指向意义)、资源综合利用(如Ga、Ge、V等富集提取回收利用)和环境污染(如As、Pb、F等对环境的影响)等研究方向[5]。

基于此，本文以淮北矿区芦岭煤矿为例，系统研究主采煤层煤中微量元素的含量分布特征，并将其与华北、中国煤及地壳丰度进行对比分析，明确微量元素富集规律并剖析其地球化学特征，为淮北矿区煤中微量元素综合利用以及生态环境保护提供理论基础。

1 研究区与主采煤层概况

芦岭煤矿位于淮北矿区的宿县矿区内(图1)，处于宿东向斜西南翼的东南段，煤田内主要以斜切断层为主。受古生代加里东早期构造运动的影响，地壳整体隆起，遭受风化剥蚀，沉积间断，致使本区缺失了上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统。石炭纪早期，本区地壳缓慢下沉，接受沉积，并具备有良好的成煤环境，沉积了一套煤系地层[6]。其煤系地层以二叠系山西组、下石盒子组以及上石盒子组为主要含煤岩段，其中，下石盒子组8煤层和9煤层以及山西组10煤层为主采煤层，平均可采总厚度31.75 m。8煤层为特厚煤层，平均厚度为9.56 m，赋存稳定；9煤层为中厚煤层，平均厚度为3.01 m，局部与8煤层合并，煤层绝大多数为鳞片状，顶板破碎。8煤、9煤层坚固性系数低，松软易碎。10煤层为中厚煤层，全区普遍发育，是煤矿主要可采煤层，较稳定。煤质以气煤为主，中低灰分，低硫低磷、高焦油率，属典型的突出松软厚煤层。

图1 芦岭煤矿位置图Figure 1 Luling coalmine location map

2 样品采集与测试

本次研究共采集了淮北矿区芦岭煤矿不同煤层的原煤样品15个。其中，8煤层、9煤层和10煤层各采集了5个样品。煤岩样品均按照国标进行刻槽采样，保存于样品袋中，以避免可能的氧化和污染。样品经风干、破碎及研磨过200目筛，以达到测试分析所需要的样品粒度，然后进行加酸消解，最后将处理好的样品送于中国科学技术大学理化结构中心进行39种微量元素含量测试，测定仪器为电感耦合等离子质谱(ICP-MS)(使用仪器为Thermo Fisher Scientific公司生产的X Series 2型)及电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)(使用仪器为PeklinElmer公司生产的Optima 7300 DV型)。

3 结果与讨论

3.1 微量元素分布特征

本次共测试了下石盒子组的8煤层和9煤层及山西组的10煤层中共15个样品中的39种元素，包括Al、Mg、Fe、Si四种主量元素，微量元素有As、B、Be、Cd、Co、Cr、Cu、Li、Mn、Ni、V、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Zn、Sc、Th、U，稀土元素有Ce、Dy、Er、Eu、Gd、La、Lu、Nd、Pr、Sm、Tb、Yb、Y、Ho。

表1给出了15个原煤样品的微量元素测试统计结果。通过对表中数据分析可以得出，主量元素中Mg和Fe在8煤中含量较高，Al和Si在10煤中含量较高，说明下石盒子组煤中Mg、Fe元素相对于山西组煤富集，而山西组煤中Al、Si含量相对于下石盒子组较为富集；山西组煤中微量元素Pb的含量约为下石盒子组煤中含量的3倍，微量元素Th、Zn、Cr在山西组煤中的含量也明显高于下石盒子组，而微量元素V在山西组中要低于下石盒子组中含量；稀土元素在山西组煤中含量整体要高于下石盒子组；其余微量元素的含量在下石盒子组和山西组煤中的差距不明显。因此，可以初步得出山西组中微量元素含量明显要高于下石盒子组。

在下石盒子组中，8煤层与9煤层的微量元素含量相比，9煤层煤中微量元素普遍低于8煤层，这可能是由于9煤层在成煤过程中受到构造应力的作用，导致煤中微量元素发生迁移，从而含量减少[7]。

3.2 与华北和中国煤中微量元素的比较

微量元素含量的平均值通常可以很好的反映研究对象的总体特征[8]，因此本文将研究区主采煤层煤中微量元素的平均值与中国和华北煤中微量元素的均值进行比较，并以此作为衡量研究区内煤中微量元素富集与否的指标[9-10](表2)。

由表2中可得知，芦岭煤矿中As、Co、Fe、Mn、Sn、Sr、Ce、Nd、Sm、Yb、U等元素的平均含量明显低于华北煤、中国煤的均值；研究区内明显偏高于华北、中国煤均值的有Be、Cr、Cu、Ga、Li、Pb、Th；研究区内微量元素与华北、中国煤平均含量接近的有B、Eu、Tb、Y；芦岭煤矿中微量元素平均含量低于华北煤，与中国煤均值接近的有Ti、Sc、La；研究区内微量元素平均含量与华北煤接近，高于中国煤的有Cd、Ni、V。基于此，可以得出芦岭煤矿微量元素含量与华北、中国煤中微量元素含量差异较大，这可能是因为二叠纪时期淮北矿区处于华北聚煤盆地南缘，属海陆交互相沉积环境，陆源碎屑的带入可能影响了芦岭煤矿煤中微量元素的含量分布特征[11]。

表1 芦岭煤矿不同煤层煤样品中微量元素含量

表2 芦岭煤矿与华北、中国煤中微量元素含量对比

图2 芦岭煤矿8、9、10三煤层富集系数分布Figure 2 Luling coalmine coal Nos.8, 9 and10 enrichment coefficient distributions

3.3 与地壳微量元素的平均值的比较

不同元素在地壳中的含量存在着数量级上的差异，仅仅以微量元素的绝对含量值进行地球化学特征研究就会带来诸多不便，为此前人引入富集系数的概念进行元素的含量分布特征研究[12]。所谓富集系数是指样品实测值与选取的背景值之间的比值，用EF来表示。本文所采用的EF值的计算方法为：EF=C实测/C背景，背景值引自文献[13]。

本次研究根据Filippidis(1996)提出的评价标准[14]，确定微量元素富集程度的判别指标如下：EF>10为强烈富集型；EF在5～10为富集型；EF在0.5～5为正常型；EF<0.5为亏损型。依据此判别标准可以得出：芦岭煤矿中Be、Cd、Cu、Ga、Pb、Sb、Zn、Th属于正常型；B、Fe、Li、Pb为富集型；而Al、As、Mg、Co、Cr、Mn、Ni、V、Sn、Sr、Sc、Si、U为亏损型。同一元素在芦岭煤矿8煤层、9煤层和10煤层煤中的富集系数差异性并不明显，而不同元素的富集系数相差较大，最大值为Fe的富集系数为8.78，最小值为Si的富集系数为0.001。