沁水煤田石炭系煤层中伴生元素的地质地球化学特征

2022-07-09朱雪莉

西部探矿工程 2022年6期

朱雪莉

（1.山西省地质矿产研究院,山西太原 030001；2.煤与煤系气地质山西省重点实验室，山西太原 030001）

煤层中的常量元素是含量超过0.1%的C、H、O、N、Na、Si、S、K、Ca、Ti、P 和Fe等十四种元素[1]，煤层中的常量元素通常是煤灰分的重要组成部分，也是影响煤灰熔融性的重要因素[2]。煤中的微量元素是含量低于0.1%的元素，如Ge、Ga、U等七十多种元素[3]，微量元素的含量分布特征以及赋存状态能为进一步发掘富集有益元素、甄选脱除煤中的有害元素提供科学依据[4]。本次研究工作基于沁水煤田地质构造背景，通过利用电感耦合等离子体发射质谱仪（ICP-MS）等手段和元素相关性分析方法，对沁水煤田石炭系煤层进行系统采样测试分析，对石炭系主要煤层的煤岩特征及煤中伴生元素的含量分布进行研究，并对11种微量元素的含量与灰分、全硫、煤灰成分中各氧化物含量百分比做了相关性分析，同时对有利微量元素的富集成因进行了研究，为进一步研究聚煤盆地及其区域地质的演化过程提供了基础地质地球化学信息，以期促进矿产资源的综合勘探和利用。

1 地质背景

沁水煤田位于山西省东南部太岳山与太行山中南段之间（详见图1）。挤压性断裂褶皱带围限了沁水盆地周缘，呈现出在盆地的内部构造比较稳定，但在盆地的边缘部位活动性增强的基本规律。沁水盆地古构造上是属于华北地台的中带，由于剪压不断增强，在燕山期隆升不断扩大而形成了残余构造盆地[5]。在华北地区，由于燕山期挤压剪切应力作用逐渐增强，大华北盆地逐渐向鄂尔多斯地区退缩。到燕山运动中期，沁水盆地已处于隆起区范围内，于是规模最大的复式向斜型盆地最终出现并定型于其上[6]。

图1 沁水盆地构造纲要略图

沁水煤田属于石炭—二叠纪含煤盆地，本次研究的对象是煤田内的主要含煤地层之一石炭系上统太原组，厚106～140m，由深灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩和灰白色的中细粒砂岩，并且夹3～6 层石灰岩组成。含煤7～12层，其中15号煤层为主要可采煤层，部分矿区9号煤层也是主采煤层。煤层的古地理格局为：太原组煤层主要形成于障壁渴湖以及下三角洲平原环境之中。太原组聚煤作用与沉积环境的关系表现为：煤层的厚度由北向南逐渐变小，因为聚煤时北部的水体相对比较浅，为泥炭沼泽的持续发育提供了有利条件，于是形成了比较厚的煤层，而南部的渴湖相带以及滨外陆棚相带水体比较深，不具备有利于泥炭沼泽持续发育的条件，所以煤层的厚度相对比较小；东南部由于分布着局部发育的障壁砂坝使得水体变浅，便于发育有聚煤作用的泥炭沼泽。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

对沁水煤田内的77座生产煤矿进行了井下采样，共采集了石炭系太原组9号煤层和15号煤层的煤样、顶底板样、夹矸样共计354个。9号煤层位于石炭系太原组中下部，该煤层在煤田范围内较为发育，大部分地区可见其踪迹。发育区范围内煤层厚度在0～6.69m之间，平均厚度1.15m，结构简单。属稳定—较稳定，大部可采或局部可采煤层。15号煤层位于石炭系太原组下部，该煤层在煤田范围内普遍发育，煤层厚度在0～12.55m之间，平均厚度3.35m，基本属结构复杂、稳定可采煤层。

2.2 样品测试

依据《煤的工业分析方法》（GB/T212-2008）、《煤中全硫的测定方法》（GB/T214-2007）和《煤灰成分分析方法》（GB/T1574-2007）测试工业分析（水分、灰分、挥发分）、全硫、灰成分等参数。

依据《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》（GB/T6948-2008）、《煤的显微组分组和矿物测定方法》（GB/T8899-2013），在显微镜下对煤样的三个显微组分及各个亚组分进行观测并且分类统计，并在显微光度计上进行光片镜质体反射率的测试。

利用电感耦合等离子体发射质谱仪（ICP-MS）进行共伴生微量元素测试，电感耦合等离子体发射质谱仪是测定同位素和超痕量元素比值的仪器，根据探测器的浓度与计数的比例关系，测出元素的含量[7]。

3 测试结果及地质地球化学特征分析

3.1 煤质特征及煤类分布

通过对采集的样品进行测试分析，将本次测试的煤质成果与收集到的近40年来在沁水煤田所做的184份煤炭地质报告的煤质成果进行详细分析，并与前人的研究成果相印证，可得：石炭系太原组9号煤层煤类以无烟煤为主，无烟煤由南向北穿过沁水煤田中部，两侧依次分布有贫煤、贫瘦煤和瘦煤。石炭系太原组15号煤层煤类以无烟煤为主，无烟煤由南向北穿过沁水煤田中部，两侧依次分布有贫煤、贫瘦煤和瘦煤，煤田西侧分布有少量焦煤，在沁水煤田北部还有少量贫煤和贫瘦煤分布。

3.2 煤岩及矿物分析

成煤期的沼泽沉积环境决定了煤样的有机煤岩组成特征，微量元素在不同有机煤岩组分和矿物中的分布又受到环境介质的差异的影响[8]。通过对采集的61个样品进行煤岩及矿物分析，可得：石炭系太原组（9、15号煤）镜质组组成主要为均质镜质体和基质镜质体，有部分碎屑镜质体；惰质组组成主要为粗粒体、碎屑体和丝质体。

石炭系太原组9号煤层属中煤级煤Ⅶ级，石炭系太原组15（9+10）号煤层属中煤级煤Ⅶ级。通过计算凝胶化指数GI和植物结构保存指数TPI值，GI≥5.27，含量比较高，而TPI值较为集中在1.22～1.89，石炭系太原组煤层的主体煤相为潮湿森林沼泽相。

3.3 常量元素分析

各煤层灰分含量统计结果见表1。用灰成分比(CaO+MgO+Fe2O3)／(SiO2+Al2O3)可作为海水对泥炭影响的评价指标，灰成分比越大则泥炭沼泽受海水影响越大。石炭系太原组9号煤层的灰成分比较小，则受海水影响也比较小。石炭系太原组15号煤层的灰成分比较大，则成煤时沼泽环境受海水的影响较大，15号煤层在成煤过程中因受到海、陆两方面的影响均较大，于是形成了海陆交互的成煤沼泽环境[9]。

表1 沁水煤田石炭系主采煤层煤灰成分含量统计表

3.4 微量元素分析

根据代世峰等提出的煤中微量元素含量水平的指标，富集系数（CC，Concentration Coefficient）=煤中微量元素含量/中国煤中微量元素含量，将煤中微量元素含量水平分为六级[10]（表2）。

表2 煤中元素含量水平分级指标

2012 年Dai 等在系统收集已有数据基础上并结合自己的最新研究成果，给出了中国煤中微量元素含量的背景值（表3）。

本次研究利用的基础数据为以往钻孔资料和采样点共伴生元素含量加权平均值，通过对以上数据分煤层算术平均统计得到太原组9、15号煤层的微量元素平均含量对比表，见表3。

表3 沁水煤田9、15号煤中微量元素平均含量对比表（单位：ppm）

通过与中国煤均值相比得出的富集系数（CC）分析（表4），可以看出：太原组9 号煤中镓（2.50）、铀（2.93）、锂（2.37）属于轻度富集，其他元素均属正常范围（图2）；15 号煤中镓（2.04）、铀（2.28）、锂（2.20）属于轻度富集，其他元素均属正常范围（图3）。

图2 9号煤中微量元素富集系数（CC）

图3 15号煤中微量元素富集系数（CC）

表4 沁水煤田9、15号煤中微量元素CC值对比表

3.5 相关性分析

通过对煤中的微量元素含量与灰分的相关性进行分析，来显示微量元素的有机亲和性或无机亲和性，以此方法来推测微量元素的赋存状态。一般来说，煤中某种微量元素含量与煤灰分产率之间的正相关性越强，在煤中赋存状态呈无机态的可能性就越大。而某类煤质参数与微量元素之间的相关关系在一定程度上对成煤环境有一定的指示意义。

统计学中这种相关性的大小利用相关系数(r)来衡量。相关系数的取值范围在-1～+l 之间，其中：当|r|≥0.8 时，视为高度相关；当 0.5≤|r|<0.8 时，视为中度相关；当0.3≤|r|<0.5 时，视为低度相关；当|r|<0.3 时，说明变量之间的相关程度已经极弱了，可视为不相关。

采用数理统计的方法，分别对沁水煤田9、15号煤层采集样品的11种微量元素的含量与灰分、全硫、煤灰成分中各氧化物含量百分比做了相关性分析（表5、表6）。

表5 沁水煤田9号煤中微量元素与基础煤质之间的相关系数

如表5 所示，按照相关系数理论，沁水煤层9 号煤层中的灰分与铷元素的相关系数|r|＞0.8，视为高度正相关；灰分与稀土总量、钪、铯、镓、钍、钒这6种元素的相关系数0.5≤|r|<0.8，视为中度相关；其余为低度相关和不相关。全硫与铊元素的相关系数0.5≤|r|<0.8，视为中度相关；其余为低度相关和不相关。Fe2O3与铊元素的相关系数0.5≤|r|<0.8，视为中度相关；其余为低度相关和不相关。TiO2与锂、镓、钍这三种元素的相关系数0.5≤|r|<0.8，视为中度相关；其余为低度相关和不相关。K2O 与铷、铯这三种元素的相关系数0.5≤|r|<0.8，视为中度相关。

如表6所示，按照相关系数理论，沁水煤层15号煤层中的灰分与稀土总量、钪、锂、铷、铯、锗、镓、钍、钒这9 种元素的相关系数0.5≤|r|<0.8，视为中度相关；其余为低度相关和不相关。全硫与铊、锗元素的相关系数0.5≤|r|<0.8，视为中度相关；其余为低度相关和不相关。Fe2O3与锗元素的相关系数0.5≤|r|<0.8，视为中度相关；其余为低度相关和不相关。其余基础煤质与微量元素为低度相关或不相关。