准东地区煤中钠元素富集的控制因素

雍晓艰，王 刚

（1.新疆维吾尔自治区煤炭综合勘查院，新疆乌鲁木齐830000；2.新疆煤田地质局煤层气研究开发中心，新疆乌鲁木齐830000）

根据准东煤田各矿区总体规划确定的煤炭转化利用方向，2014年6月～2015年12月，作者作为项目负责人之一完成了新疆中央返还两权价款资金《新疆煤炭资源分质利用技术研究》项目，针对准东煤田煤炭资源的煤质特性，尤其是煤中钠的赋存状态及煤灰特性开展研究，选取代表性样品进行提质、热解、气化等转化试验研究，提出新疆准东煤田主要煤层的煤质特征，分析煤炭转化应用中可能存在的问题并提出相应对策，为新疆准东煤田煤炭资源的洁净、高效利用提供地质依据。

1 概况

新疆准东煤田位于准格尔盆地的东部，北界山体为北西走向的克拉麦里山，南界山脉为东西向的东天山的博格达山，二者在木垒县城东北部胡乔克处交汇，西界由克拉麦里山西端的滴水泉沿216国道向南至吉木萨尔城西的三台镇，与准噶尔盆地中心相接；整体呈东窄西宽的三角形。行政区划大部属昌吉回族自治州吉木萨尔县、奇台县和木垒哈萨克自治县管辖。西北角属阿勒泰地区富蕴县管辖。东西长约226km，南北西边界处最宽处为126km，面积约7596km2。含煤地层为侏罗系中统西山窑组、下统八道湾组。西山窑组含煤1～16层，煤层总厚0.8～65.11m，可采3～15层，可采厚度33.38～57.11m，煤种为31号不粘煤，少量41号长焰煤；八道湾组含煤1～4层，煤层厚度0.5～7.72m，可采1～3层，可采厚度0.8～6.2m，煤种为41号长焰煤。查明及预测总资源量约2215×108t。准东煤田自西向东划分为五彩湾矿区、大井矿区、将军庙矿区、西黑山矿区和老君庙矿区，各个矿区面积及资源量见表1。

表1 矿区面积及资源量

2 钠从表土到煤层的分布规律

准东煤田西山窑组煤层顶板以砂岩为主，局部位置有泥岩。准东煤田各矿煤层顶板、上覆岩层及表土中钠含量如表2所示。煤层顶板及上覆表土层中钠含量较高并且波动较大。利用SEM-EDX检测煤中的夹矸发现为钠长石型含钠矿物（如图1所示）。由图1可知，钠从地表到煤层中含量显著降低。

3 准东煤中钠富集控制因素

地下水化学成分主要受补给来源的化学成分、含水层及其岩石成分以及地下水的径流条件影响。准东地区地下水的补给来源主要是大气降水及地表水。准东煤田第四纪表土层蒸发作用强烈，水分以垂直交替（只是排出水分、不排盐分）为主，地表水的矿化度高。

表2 本次采样煤层顶板、上覆岩层及表土中钠含量

图1 准东煤顶板中的含钠矿物

地表水可通过岩石风化裂隙、构造裂隙、岩石孔隙等途径顺层渗入到地下，补给地下水。地下水与地表水之间存在弱的水力联接。地下水流动过程中，会与岩石发生离子交换，含水层岩石中钾、钠的卤化物、硫酸盐和碳酸盐等容易被地下水溶解带走，其次是钙、镁的卤化物，硫酸盐和碳酸盐。准东煤田上覆岩层岩石多为钾长石和钠长石，为地下水提供丰富的物质来源。含水层岩石经历风化作用和溶滤作用后，可溶性的钠离子进入地下水中。逐级化学提取试验中，煤层顶板岩石中钠以矿物钠为主，表明顶板岩石已经风化分解，可溶钠随高矿化度的地下水进入煤层。此外侏罗纪煤层上覆地层的透水性和富水性都较弱，裂隙不甚发育，地下水径流不畅，地下水交替滞缓，为岩石与地下水的阳离子交换作用提供充足的时间。

地下水在径流过程中不断蒸发失水，地下水中物质浓度增加，矿化度增大，溶解度小的盐类会相继沉积析出，引起水化学成分的改变。HCO3-首先沉淀析出，地下水变为硫酸盐型水；如果再进一步浓缩，SO42-发生沉积，变为高矿化度的氯化物型水。因而地下水在垂向上呈HCO3--SO42--Cl-的沉积顺序。准东表土中发现硫酸钠晶体以及南露天矿煤层中发现硬石膏（CaSO4·2H2O）即为地下水中的盐类沉积析出的结果。

准东煤田侏罗纪中统西山窑组由砂岩、泥岩、粉砂质泥岩、粉细砂岩、煤层组成，岩石富水性及透水性弱，为裂隙孔隙弱含水层。上覆地层中侏罗系中—上统石树沟群、白垩系下统吐谷鲁群及新生界第三系上新统独山子组均为裂隙孔隙弱含水层，而第四系上更新统—全新统洪冲积、更新统西域组砂砾石层为透水不含水层。此外在局部地区还存在烧变岩裂隙含水层。煤层缺少隔水层，导致高矿化度地下水进入煤层。准东煤田各含（隔）水层（段）地下水的化学类型及矿化度如表3所示。按照相应的测试标准测试准东煤田侏罗纪西山窑组煤层地下水中主要离子浓度如表4所示。地下水中阳离子中钠离子占绝对优势，阴离子主要以氯离子和硫酸根为主，地下水中溶解性总固体含量较高。

准东煤的变质程度低，孔隙结构发达，是良好的含水层（表5），高矿化度的地下水与煤有机质结合，经过漫长的地质作用，钠以离子交换态与有机质结合及溶解在孔隙中。

表3 准东煤田各含（隔）水层（段）地下水的化学类型及矿化度

表4 准东地区地下水中主要离子浓度

4 结论

通过研究分析认为，以砂岩为主的准东煤田西山窑组煤层顶板、上覆岩层及表土中钠含量较高并且波动较大，利用SEM-EDX检测煤中的夹矸发现为钠长石型含钠矿物，钠从地表到煤层中含量显著降低。准东煤田侏罗纪煤层为内陆湖泊相成煤，成煤期及后期均为未受到海水的影响，煤形成时期钠含量极低。后期盐渍化的地表水对地下水进行补给，将钠离子、氯离子和硫酸根离子带入；地下水交替缓慢导致地下水矿化度高，水化学类型为高矿化度的Cl型水，离子与煤体稳定接触。准东煤变质程度低，块体煤样的孔隙率高、吸水性强，将地下水中的水溶态钠富集在煤中，以离子交换态与有机质结合及溶解在孔隙中，致使煤中钠含量增高。

表5 准东煤的孔隙率及吸水率

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