宁夏任家庄煤矿9#煤层煤质及元素分布特征

吴 蒙，秦云虎，杨 柳，朱士飞，王晓青，杜俊红，曹 磊

(1.江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州 221006；2.中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室，江苏 徐州 221006；3.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454000；4.中国煤炭地质总局一七三勘探队，河北 涿州 072750)

鄂尔多斯盆地西缘拥有丰富的煤炭资源、油气资源，其中，煤炭资源累计探获资源储量657.48亿t，煤层气可采资源量达1.77万亿m3(2 000 m以浅)[1-2]。根据《能源发展战略行动计划2014～2020年》，2020年我国煤炭消费依然占能源消费总量的60%以上，表明在未来一段时间内，煤炭作为我国能源的主要地位不会改变。然而，粗放式的煤炭利用造成严重的环境污染。随着国家倡导生态文明建设，对能源发展提出了新要求，煤炭的洁净利用成为煤炭发展不可或缺的方向之一，不同的工艺对煤炭煤质要求不同，研究煤质和煤中元素的地球化学特征及富集机理，可以减少环境污染，提高煤炭资源利用水平。

任家庄煤矿是宁夏回族自治区重要的煤炭基地之一，前人主要对宁夏的沉积环境[3-4]、构造形态[5-7]、煤系矿产共生组合[2]、煤系非常规气成藏规律[8-10]等方面进行研究。 但对宁夏的煤层煤质及元素分布特征的深入研究相对较少，本文以任家庄煤矿9#煤层为研究对象，结合井下剖面刻槽和钻孔的采样测试，对任家庄煤矿9#煤层煤质及元素分布特征进行了分析，以期对该区煤炭资源洁净利用提供参考。

1 地质背景

图1 任家庄煤矿位置Fig.1 Location of Renjiazhuang coal mine

任家庄煤矿隶属横城矿区，处于宁夏回族自治区灵武市东北部，西隔黄河与银川相望，行政区划属灵武市横山乡临河镇。属于鄂尔多斯盆地西缘褶皱冲断带马家滩-甜水堡地段[11]，地质构造复杂，发育三道沟背斜、黄草沟背斜、黄草沟向斜和沙沟向斜，褶皱呈“北多南少”的特点，走向呈NNW向或SN向(图1)。其中含煤地层属太原组和山西组，由海陆过渡相的泥岩、粉砂岩、灰岩、砂岩、煤层和煤线组成[11-12]。含煤20余层，厚度8.03～33.85 m，平均为20.94 m，局部可采4～9层，9#煤层全区稳定可采，厚度0.73～7.84 m，平均为5.12 m，含夹矸1～2层。

2 煤质特征

任家庄煤矿9#煤层最大镜质组反射率0.67%～0.75%，平均值为0.71%，属于气煤阶段，煤中水分含量为0.57%～1.80%，平均值为1.16%，水分含量自上而下逐渐升高;灰分产率为4.20%～35.14%，平均值为19.04%，属低中灰煤，灰分表现为煤层顶底部高、中间低的特点;挥发分产率为32.09%～44.72%，平均值为38.96%，属高挥发分煤，挥发分从煤层顶部到底部呈逐渐升高的趋势;固定碳含量为36.37%～59.61%，平均值为49.54%，固定碳表现出煤层中间高、顶底部低的特点；全硫含量为1.93%～5.46%，平均值为2.82%，属中-高硫煤，煤层全硫含量从上到下呈现先增大后减小的趋势(图2)。其中，煤中有机硫含量1.00%～3.91%，平均值为2.47%，平均占全硫含量的79.40%;黄铁矿硫含量0.02%～1.89%，平均值为0.56%，平均占全硫含量的19.89%;硫酸盐硫含量0%～0.08%，平均值为0.02%(表1)，表明9#煤层硫的赋存形式以有机硫为主，黄铁矿硫次之。任家庄煤矿9#煤层由于泥炭聚集时期，受海水影响[13-15]，加之煤层顶板发育灰岩、泥岩，给细菌提供了良好的厌氧环境，有利于煤中硫的富集[16]，因此煤层中全硫含量较高。

任家庄煤矿9#煤层灰成分中酸性氧化物以SiO2和Al2O3为主，平均含量分别为41.51%和34.96%，酸性氧化物之和为58.18%～95.59%，平均值为83.45%。Fe2O3、CaO、MgO、SO3和TiO2次之，K2O、Na2O、MnO2和P2O5少量。主要碱性氧化物(Fe2O3+CaO+MgO)之和为2.50%～39.22%，灰成分指数为K[K=(SiO2+A2O3)/(Fe2O3+CaO+MgO)]的变化在一定程度上可以较好地表征成煤环境。 煤的灰成分指数越低，还原性越强；煤的灰成分指数越高，还原性越弱[17]。9#煤层的灰成分指数为1.06～37.96，平均值为11.98(表2)。表明任家庄煤矿9#煤层的成煤环境为还原性。

3 煤中元素赋存特征

3.1 稀土元素

运用电感耦合等离子质谱(ICAP-QC ICP-MS)分析9#煤层的15块煤样，煤层中总稀土变化范围为22.6～169.8 μg/g，平均值为83.0 μg/g(表3)，9#煤层中下部CK-9煤样、CK-13煤样显示稀土元素相对富集。依据REE在煤样中的含量除以REE在球粒陨石中的含量，可以得到标准化数据。根据La、Sm和Lu标准化数据的比值，可以将稀土元素分成轻稀土类富集型((LaN/LuN)>1)、中稀土类富集型((LaN/SmN)<1，(GdN/LuN)>1)和重稀土类富集型((LaN/LuN)<1)3种富集类型。经过球粒陨石标准化后，9#煤层LaN/SmN处于1.04～11.92，LaN/LuN处于1.78～19.74，GdN/LuN处于0.36%～1.42%。表明任家庄煤矿9#煤层为轻稀土富集类型。从煤层稀土元素(REE)配分模式(图3)可知，9#煤层的REY曲线总体呈现右倾斜的趋势，并且所有煤样均表现出负Eu异常V型谷。

图2 9#煤层主要煤质指标垂向变化Fig.2 Vertical variation of main index of coal quality in No.9# coal seam

表1 9#煤层工业分析和硫含量测试结果Table 1 Industrial analysis and sulfur content test results in No.9# coal seam

表2 9#煤层灰成分分析Table 2 Analysis of ash composition in No.9# coal seam

表3 9#煤层稀土元素测试结果Table 3 Test results of rare earth elements in No.9# coal seam

3.2 微量元素

任家庄煤矿9#煤层微量元素富集程度可以根据富集系数判断，CC1=煤样微量元素含量的算术平均值/中国煤中微量元素含量；CC2=煤样微量元素含量的算术平均值/世界煤中微量元素含量。与中国煤中微量元素含量相比较，Li、Y为轻富集状态，Tl、Rb、Zn、Mn、Ni、Cd、Co、Cs、Cr、V、Bi、Ba和Nb为亏损状态(图4(a))。与世界煤中微量元素含量相比较，Li为富集状态，Pb和Th为轻富集状态，Tl、Rb、Ni、Mn、Zn、Cd、Co、Cr、Cs、Bi、V和Ba为亏损状态(图4(b))。煤中Li含量较高，是中国煤中Li含量的2.97倍，是世界煤中Li含量的7.86倍，而煤中Tl含量异常低(表4)。

图3 9#煤层剖面各分层中的REE配分模式Fig.3 REE distribution model of each layerin No.9# coal seam profile

表4 9#煤层微量元素含量特征Table 4 Content characteristics of trace elements inNo.9# coal seam

续表4

图4 9#煤层中微量元素富集系数柱状图Fig.4 Histogram of trace elements enrichmentfactor in No.9# coal seam

4 结 论

1) 任家庄煤矿9#煤层为高挥发分、低灰-中灰、中-高硫气煤，煤层中硫的赋存形式以有机硫为主，灰成分以酸性氧化物为主，且灰成分指数较低，表现出成煤环境为还原性。

2) 任家庄煤矿9#煤层属轻稀土富集类型，煤层REY曲线总体上表现出右倾、负Eu异常V型谷的特征。

3) 任家庄煤矿9#煤层中Li含量较高，分别是中国煤和世界煤中Li含量的2.97倍和7.86倍，煤中Li具有较高的综合开发的潜力，以后的工作应该进一步关注。