山西省石炭-二叠纪主采煤层中氟元素的含量与分布特征

孙富民

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

0 引言

在煤所含微量元素中，氟是丰度较高的少数几种元素之一，也是对环境影响较大的元素之一[1-6]。煤在燃烧时，其中的氟化物将发生分解，大部分以HF、SiF4等气态污染物形式排入大气，不仅严重腐蚀锅炉和烟气净化设备，而且造成大气氟污染和生态环境的破坏[3-4,7-8]。燃煤氟排放是人为大气氟污染的主要来源，因其环境敏感性，1990年美国《洁净空气补充法案》将煤中氟列入189种“有害大气污染物”；1996年我国将氟化物列入11种大气环境质量监测有害污染物(GB3095-1996)，并于1997年将其列为大气污染物综合排放控制对象(GB16297-1997)。地氟病是一种在世界范围内广泛流行的生物地球化学性疾病，燃煤污染型地方性氟中毒在我国也分布较广，其中山西运城、辽宁鞍山、内蒙古包头、安徽阜阳、宿县等地区的煤-氟污染甚为严重[9-15]。由此可见，燃煤造成的氟排放对环境和人类健康危害巨大，而煤中氟的含量与分布特征研究，可以为控制氟排放提供依据，具有十分重要的现实意义。

1 中国煤中氟含量与分布特征

华北石炭-二叠纪煤是我国的主要动力用煤，含氟量一般为(50～200)×10-6，平均含氟量100×10-6[16]；侏罗纪煤的含氟量为(20～50)×10-6[16]；华南晚二叠世煤中氟的算术均值为206.77×10-6。可见我国绝大多数煤中氟含量是比较低的，但是在一些特殊的地质背景下可富集于一些特定的煤层中[17-19]。中华人民共和国煤炭行业标准《煤中氟含量分级》(MT/T 966-2005)中将氟含量大于200×10-6的煤称为高氟煤。

关于煤中氟的分布规律，研究普遍认为我国各地区煤中氟的含量差异很大。鲁百合[20]研究了红阳煤田东北聚煤区和合山煤田华南聚煤区煤中的含氟量，认为总的趋势是华南聚煤区氟含量高于华北、东北聚煤区；刘建忠等[21]认为我国煤中氟含量变化较大，近似服从对数正态分布规律。雒昆利等[16]认为我国煤的含氟量与煤的形成时代、形成环境、所处大地构造位置及后期多期岩浆活动的时代、物源等密切相关。总体而言，研究者们分别从区域差异、煤种、大地构造和地壳活动等不同角度探讨了我国煤中氟的含量及其分布特征，但是目前的研究尚存在一些问题：研究区域大多局限于某个矿区或聚煤区，缺乏对我国不同地区煤的含氟量、煤中氟的分布规律的系统研究。

2 山西省石炭-二叠纪煤中氟含量与分布特征

本次山西省石炭-二叠纪主采煤层煤中氟数据来源主要为以往钻孔测试数据，其次为煤矿井下采样测试数据，氟的测试方法为离子选择性电极法。经系统整理与分析后，共形成太原组有效数据点1 120个、山西组971个。太原组、山西组主采煤层煤中氟含量统计见表1、图1。

表1 太原组、山西组主采煤层煤中氟含量统计表

图1 六大煤田太原、山西组主采煤层煤中氟含量折线图Figure 1 Line chart of main mineable coal seam fluorine content in Taiyuan and Shanxi formations of six major coalfields

由图1可以看出，整体上太原组主采煤层煤中氟平均含量高于山西组(宁武煤田除外)，且太原组整体趋势变化较大，山西组较为平缓。具体特征分述如下：

2.1 山西省太原组主采煤层中氟含量与分布特征

太原组主采煤层煤中氟含量范围为(0～1 165)×10-6，均值为176×10-6。其中，大同煤田煤中氟含量范围为(20～647)×10-6，均值为206×10-6，平面分布整体呈中部向东部、西部增高的趋势，在东部和西部边缘形成高氟煤区域；河东煤田煤中氟含量在(24～708)×10-6之间，均值为180×10-6，煤田内大部区域氟含量在(80～130)×10-6，属低氟煤范围，但在煤田北部保德地区，中部柳林地区，南部吉县、乡宁地区均有高氟煤区域零星分布；宁武煤田煤中氟含量范围为(4～748)×10-6，均值为136×10-6，煤田内大部区域氟含量在(130～200)×10-6，属中氟煤范围，但在煤田北部朔州、宁武地区，南部静乐地区有高氟煤区域分布；西山煤田煤中氟含量范围为(59～523)×10-6，均值为153×10-6，平面分布整体呈由煤田东南向西、北逐渐增高的趋势，在煤田中北部、西南边缘部分地区形成高氟煤区域；霍西煤田煤中氟含量范围为(2～1 165)×10-6，均值为199×10-6，平面分布整体由中部向北部、南部逐渐增高，中部大部地区属中氟煤区域，在南部襄汾县、北部介休地区形成高氟煤区域；沁水煤田煤中氟含量范围为(0～836)×10-6，均值为179×10-6，平面分布整体呈边缘高，中间低，煤田中部均为低、中氟煤，在煤田边缘形成多处高氟煤区域。参见表1，图2。

综上所述，山西省太原组主采煤层煤中氟含量在(0～1 165)×10-6之间，均值为176×10-6。六大煤田中，大同煤田氟含量均值最高为206×10-6，宁武煤田最低为136×10-6。六大煤田中均有部分高氟煤区域分布。

2.2 山西组主采煤层煤中氟含量分布特征

山西组主采煤层煤中氟含量范围为(0.8～1 443)×10-6，均值为155×10-6。其中，大同煤田煤中氟含量范围为(35～766)×10-6，均值为196×10-6，整体上从东南部往西北部呈逐渐增高的趋势，煤田大部区域属低氟煤，在左云地区形成高氟煤区域； 河东煤田煤中氟含量在(13～478)×10-6之间，均值为162×10-6，煤田内大部分区域为低氟煤，在煤田北部保德地区，中部柳林地区， 南部吉县、乡宁

图2 太原组主采煤层煤中氟含量等值线分级图Figure 2 Isoline ranking of fluorine content in Taiyuan Formation main mineable coal seams

地区均有高氟煤区域零星分布； 宁武煤田煤中氟含量范围为(2～1 130)×10-6，均值为155×10-6，该煤田大部分区域为中氟煤，仅在朔州、岚县地区为低氟煤，而宁武县、静乐县的部分区域则为高氟煤；西山煤田煤中氟含量范围为(8～512)×10-6，均值为131×10-6，该煤田整体分布为中间高、边缘低，边缘大部地区为中氟煤，煤田中心马兰、邢家社南部地区分布两个较大范围的高氟煤区域；霍西煤田煤中氟含量范围为(4～508)×10-6，均值为170×10-6，煤田整体由北向南逐渐增高，北部多为中氟煤，南为高氟煤，高氟煤区域主要集中在襄汾、翼城、临汾市地区；沁水煤田煤中氟含量范围为(0.8～1 443)×10-6，均值为154×10-6，平面分布整体呈边缘高，中间低，煤田中部为低、中氟煤，在煤田边缘形成多处高氟煤区域。参见表1、图3。

综上所述，山西省山西组主采煤层煤中氟含量在(0.8～1 443)×10-6之间，均值155×10-6。六大煤田中，大同煤田最高为196×10-6，西山煤田最低为131×10-6。六大煤田中均有部分高氟煤区域分布。

图3 山西组主采煤层煤中氟含量等值线分级图Figure 3 Isoline ranking of fluorine content in Shanxi Formation main mineable coal seams

3 结论

(1)通过系统的收集勘探钻孔资料及对煤矿样品测试分析，得出了山西省六大煤田石炭-二叠纪主采煤层中氟的含量及其分布规律：总体来看，山西省石炭-二叠纪煤中氟的平均含量处于中低水平，但各煤田中均有部分高氟煤区域存在。

(2)从山西组和太原组主采煤层煤中氟的平均含量对比来看，太原组略高于山西组，太原组高氟煤的分布区域也较山西组多，范围也较大。

(3)山西省石炭-二叠纪太原组煤中高氟区主要分布于河东煤田北部、霍西煤田北部和南部、沁水煤田边缘等区域；山西组煤中高氟区主要分布于宁武煤田中部、霍西煤田中南部、沁水煤田边缘等区域。在今后的煤炭资源开发利用过程中应重视这些区域煤中氟的排放对生态环境、人类健康的影响，开展高氟煤区域的调查与研究工作，以降低资源开发利用对环境的潜在威胁。