南桐矿5号煤层若干微量元素地球化学特征及洁净煤的意义

胡志丹

（安徽省地质矿产勘查局312地质队, 安徽蚌埠 233000）

南桐煤矿位于万盛主城区, 发育于乌龟山背斜东西两翼, 其所含地层属于二叠系上统龙潭组, 其中K3（4号）、K2（5号）、K1（6号）为计划中的开采煤层, 南桐煤矿中5号煤为最薄的煤层, 因该煤层中含有大量的黄铁矿结合故又被称之为“矿子硐”煤层, 它位于龙潭组下部, 属于相对比较稳定的薄煤层。本文主要以南桐矿区南桐矿二叠系上统龙潭组5号煤层为研究对象, 研究该煤层中煤样的煤岩以及煤质特征, 测定了煤中14种微量元素的含量分布, 并了解了这些元素的有机亲和性, 在此基础上推测出5号煤层中微量元素的赋存状态, 为洁净煤技术提供了重要的参考。

1 样品采集及实验

本次研究的5号煤层煤样采自南桐煤田南桐矿矿, 采样严格服从煤样品采取方法（GB/T19222-2003）按照从上往下的方法每层刻槽收集样品, 包括顶板1个样品在内共计采集9个样品。样品通过研磨后用200目分样筛筛选, 最后密封保存。运用电感耦合等离子质谱（ICP-MS）的分析方法测出样品中14种微量元素的含量, 同时运用X射线荧光光谱法（XFS）以及根据硅酸盐岩石化学分析方法（GB/T 14506.28-93）测出样品中常量元素的含量, 以上测试均在中国矿业大学完成。煤质以及全硫数据则是按照煤的工业分析方法（GB/T 212-2001）得出。

2 实验分析

2.1 煤质特征

结合南桐矿5号煤样品的工业分析结果（表1）, 得出5号煤为中灰、低水、中挥发分、高硫煤, 其中仅有位于顶板1、底板9分层的灰分产率相对偏高, 分别81.98%和80.60%。因为5号煤的全硫质量分数基本上都高于1%, 并且考虑到硫赋存状态的因素, 因此硫在煤的实际洁净处理过程中比较难清除。

表1 南桐矿5号煤样品工业分析及成分分析统计结果（%）

2.2 矿物成分

结合南桐矿5号煤样品的矿物成分分析结果（表2）, 得出5号煤层中主要矿物为粘土矿物, 石英、黄铁矿以及方解石次之, 而铁白云石、白云石、烧石膏和锐钛矿含量相对较少。煤层顶板中还含有钠长石和石膏。

表2 南桐矿5号煤矿物成分分析

2.3 成煤环境

结合5号煤的煤灰成分含量分析结果, 表明顶板1和煤分层样4、5、7、8的灰成分比值C高于受海水影响的泥炭沼泽的分界值0.23[7]。虽然检测得出其他分层样品的灰成分比值C远远低于受海水影响的泥炭沼泽的分界值0.23[7], 但因为这些分层中的黄铁矿和硫含量较高, 因此依然可以得出5号煤是海陆过渡相沉积环境。

2.4 微量元素含量分布特征

结合南桐矿5号煤层中14种微量元素的实验数据（表3）, 可以得出煤层剖面上微量元素的含量特征。Co、Ni、W、Sc4种元素含量相对来说低于煤层顶底板中元素含量, 而As、Tl元素在煤分层8以及顶板中的含量相对来说高于其他的煤分层以及煤层底板中的含量。

表3 南桐矿5号煤样品微量元素测试结果分析（10-6）

通过对比南桐矿5号煤和美国煤、中国煤以及贵州煤中相同元素的含量差别可以总结出如下结论：

软交换主要是通过将呼叫控制价功能与媒体网关分离开来，实现对电话交换网与IP电话有效沟通的交换技术，结合软交换技术的应用可以通过合理使用分组数据网的信息传送能力，促进呼叫控制功能、业务功能以及媒体承载功能的分离。从广义上讲，软交换泛指一种特殊的体系结构，涉及到边缘接入层、核心交换层、网络控制层和业务管理层几个方面，是下一代交换组网构成元素中较为重要的组成部分，在实际应用方面可以促进新老网络实现融合发展。将软交换作为核心构建下一代交换组网的层次结构。

（1）煤中Se、Li、Be、W、Th、Sc6种元素含量高于美国煤、中国煤以及贵州煤中这些元素的平均含量, 尤其以元素Se的富集特征最为显著, 富集系数高达467.45, 属于煤中极其富集元素;Li的富集系数为6.25, 属于煤中富集元素。

（2）As元素在5号煤中的含量低于美国煤中的平均含量却高于中国煤和贵州煤中的平均含量。As富集系数为9.17,属煤中富集元素。

（3）Co、Mo、Ni这3种元素的平均含量高于美国煤和中国煤中的含量却低于贵州煤中的平均含量。其中Co、Ni富集系数不大, 不富集, 而Mo的富集系数为9.89, 属煤中富集元素。

（4）Pb、Sb、Bi、Tl这4种元素在5号煤层中的平均含量全部低于美国煤、中国煤和贵州煤中的平均含量。其中Sb富集系数为5.23, 属煤中富集元素。

3 讨论

结合煤中常量元素与微量元素以及工业分析指标的相关性系数（表4）, 利用煤中微量元素的分布规律以及煤中矿物的化学组成特征, 再结合数理统计方法分析并且推测5号煤中14种微量元素的赋存状态。

表4 微量元素与工业分析指标及常量元素相关性系数

Be：刘东娜、赵峰华等在研究大同煤田时发现Be主要以有机结合态赋存, 主要赋存于惰质组中[11]。Be在5号煤层中含量相对较高, 其含量值与灰分以及其他常量元素呈负相关关系, Be在5号煤中的赋存状态以有机结合态为主。

Li：通常情况下Li元素与Al元素有较大的相关性, 并且Li主要以硅酸盐的形式存在于自然界中。在5号煤的研究中, Li元素含量与灰分具有正相关关系, 与Al元素有较强的相关性, 相关系数为0.859, 与Si元素的相关系数也达到0.724。同时研究发现Li元素在5号煤层分层中的含量远远低于煤层底板中的含量, 并且Li在煤层剖面上的分布特征表明Li在煤层中的赋存状态主要为铝硅酸盐矿物形式。

Co：以往研究认为Co有亲硫和亲铁性。而刘东娜、赵峰华等在研究大同煤田时得出Co以有机结合态赋存的结论。这表明Co的赋存状态多样。通过对5号煤层研究发现Co与灰分呈现正相关关系, 相关系数达到0.961, 同时Co还与其他常量元素都呈现出正相关关系。研究还发现Co在5号煤分层中的含量小于煤层顶底板的含量, 由此得出5号煤层中Co赋存状态以碳酸盐形式为主。

As：既是两性元素, 又是亲铜元素, 通常情况下更倾向与硫形成化合物。赵峰华研究贵州高砷煤时总结出As与有机硫具有正相关关系, 然而As在有机显微组分中却以非晶体的形式存在, 并且可以形成砷酸盐或亚砷酸盐。Yudovich and Ketris认为As可能有黄铁矿、砷化物和有机物3种主要赋存形态[12]。Belkin等在研究中发现As可以以7种不同的形式赋存于煤层中。在南桐煤矿5号煤中As元素含量比较高, 与灰分的相关性系数为0.574, 与常量元素Fe的相关性系数为0.788。研究还发现在5号煤中As在剖面上的含量与黄铁矿的含量有关, 黄铁矿含量高则As元素含量高, 说明5号煤中As元素以黄铁矿形式存在。

Se：据以前相关研究记载Se既可以以有机态形式赋存于煤中, 也可以无机态形式赋存于煤中。南桐煤矿5号煤中Se元素与灰分呈负相关关系, 与常量元素除Fe以外均呈负相关, 尤其与St,d的相关性系数较大。由此可以判断Se元素在5号煤中主要以有机结合态赋存, 部分以黄铁矿形式赋存。

Mo：通常认为Mo在煤中以硫化物形式赋存, 但是研究发现5号煤中Mo元素与灰分呈现负相关关系, 与Fe的相关系数也为负值并且与St,d的相关系数相对比较小, 据此推断5号煤中Mo在煤中的赋存状态为有机结合态。

Ni：通常认为Ni以无机态、有机态以及水溶态等形式赋存于煤中。研究得出5号煤样品中Ni元素与水分以及灰分呈现出正相关关系。推测Ni可能主要以碳酸盐形式赋存。

Sb：目前认为Sb在煤中以有机态或无机态赋存形式, 一般容易富集在挥发分和灰分中,是重要有害大气污染物之一。5号煤中Sb与灰分呈现出负相关关系,而与其他元素的相关性相对较小。可以认为在5号煤中主要以有机结合态赋存于煤中。

W：5号煤样品中W元素与水分、灰分以及常量元素全部呈现出正相关关系。其中与Al和Si的相关系数分别为0.901和0.903, 据此推测W在煤中的赋存状态主要为铝硅酸盐吸附态, 部分以碳酸盐矿物形式存在。

Tl：通常认为Tl一般以无机态形式赋存, 具有亲硫性。在5号煤样中的含量远低于地壳含量, 其与灰分呈正相关, 与Fe的相关系数为0.713, 分层中的含量与黄铁矿在剖面上含量分布相似。因此可推测5号煤中Tl主要以硫化铁形式存在。

Pb：陈建等在研究中得出Pb主要以铝硅酸盐吸附态形式赋存[14]。5号煤中Pb与灰分呈正相关, 并与S和Fe的相关系数分别为0.704和0.751。据此推断5号煤中Pb在煤中的赋存状态以硫化铁形式为主, 部分为铝硅酸盐形式。

Bi：5号煤中Bi元素与灰分呈现负相关关系, 与其他常量元素也具有负相关关系。因此可以推断Bi元素在5号煤中赋存状态主要为有机结合态, 部分以铝硅酸盐矿物形式赋存。

Th：在表生状态下容易水解, 属于亲石元素。Th与灰分呈正相关,与Al和Si元素的相关性较大。因此可以推断该元素以铝硅酸盐形式在5号煤中赋存。

Sc：在5号煤中Sc属于局部富集元素, 并且一般在煤层顶底板中富集。其在5号煤中与灰分呈正相关, 与Mg、K、Fe正相关系数很大, 故Sc应主要赋存于碳酸盐矿物中。

4 结论

（1）煤中Se、Li、Be、W、Th、Sc6种元素含量高于美国煤、中国煤以及贵州煤中这些元素的平均含量, 尤其以元素Se的富集特征最为显著, 富集系数高达467.45, 属于煤中极其富集元素;Li的富集系数为6.25, 属于煤中富集元素；As元素在5号煤中的平均含量高于贵州煤和中国煤中平均含量, 低于美国煤中平均含量, As富集系数为9.17,属煤中富集元素；Co、Mo、Ni等3种元素在5号煤中平均含量高于中国煤和美国煤, 低于贵州煤中平均含量, 其中Co、Ni富集系数不大, 不富集, 而Mo的富集系数为9.89, 属煤中富集元素；Pb、Sb、Bi、Tl等4种元素在5号煤中平均含量均低于贵州煤、中国煤和美国煤中的平均含量, 其中Sb富集系数为5.23, 属煤中富集元素。

（2）5号煤中Li、W、Th、Sc、As、Co、Ni、Pb、Tl不具有机亲和性, 而Be、Mo具有相对较强的有机亲和性, Se、Sb、Bi只具有一般有机亲和性。

（3）5号煤中Be、Mo、Se、Sb、Bi主要以有机结合态赋存；Li、W、Pb、Th等主要以铝硅酸盐形式赋存；As、Tl等主要以硫化铁形式赋存；Sc、Co和Ni主要以碳酸盐形式赋存。