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探究镓、锗、铊等稀散元素在离柳矿区煤中的赋存状态

2020-06-05 1054 上传者：管理员

摘要：2016—2017年，山西省第三地质工程勘察院承担实施了河东煤田煤炭中共伴生矿产资源调查与评价项目。根据该项目在河东煤田离柳矿区29座生产煤矿井下采样对稀散元素分析结果，文章就离柳矿区主要可采煤层及煤层夹矸、顶底板中共伴生镓、锗、铊等稀散元素分布富集特征，稀散元素在煤中赋存状态进行了分析，以期为同行提供借鉴。

关键词：
共伴生
煤炭
矿物学
离柳矿区
稀散元素
赋存状态
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1、引言

山西省煤炭资源丰富，含煤面积6.18万平方公里，占全省国土面积近40%，探明煤炭资源储量2911.37亿t（截止到2012年）。2016—2017年，（原）山西省国土资源厅通过公开招投标方式实施了山西省“六大煤田”煤炭中共伴生矿产资源调查与评价项目。山西省第三地质工程勘察院中标承担河东煤田煤炭中共伴生矿产资源调查评价。

2、离柳矿区煤炭中稀散元素分布特征

项目实施中对河东煤田离柳矿区29座生产煤矿进行井下系统采样，共采取煤层、夹矸及顶底板样品158件。样品采用电感耦合等离子质谱（ICP-MS）方法进行“三稀元素”化验分析，煤层样同时进行水分、灰分、挥发分、全硫、煤灰成分等煤质分析及显微煤岩鉴定。

本次将离柳矿区北部兴县区的8号煤层对比为西部柳林区5号煤层，统一编号为5(8）号煤层；将离柳矿区北部兴县区的13号煤层、东部离石区的10号煤层、西部柳林区8号煤层，统一编号为8(10、13）号煤层进行共伴生稀散元素评价。

根据分析结果，4号煤层中镓含量在5.75-18.90mg/kg之间，平均14.03mg/kg；夹矸中镓含量在32.24-57.50mg/kg之间，平均48.58mg/kg，夹矸中镓含量达煤中共伴生镓工业品位30mg/kg以上；煤层顶底板泥岩中镓含量在27.57-37.34mg/kg之间。煤中锗含量在0.43-2.30mg/kg之间，平均0.97mg/kg；夹矸中锗含量在0.21-1.63mg/kg之间，平均0.82mg/kg；顶底板泥岩中锗含量在0.35-0.81mg/kg之间。煤中铊含量在0.02-1.31mg/kg之间，平均0.23mg/kg；夹矸中铊含量在0.11-1.25mg/kg之间，平均0.68mg/kg；顶底板泥岩中铊含量在0.18-1.18mg/kg之间。

5(8）号煤层中镓含量在8.49-25.25mg/kg之间，平均16.38mg/kg；夹矸中镓含量在22.00-61.03mg/kg之间，平均36.09mg/kg，大部分夹矸中镓含量达煤中共伴生镓工业品位30mg/kg以上；煤层顶底板泥岩、砂质泥岩中镓含量在42.01-53.27mg/kg之间。煤中锗含量在0.18-1.32mg/kg之间，平均0.64mg/kg；夹矸中锗含量在0.10-1.70mg/kg之间，平均0.69mg/kg；顶底板中锗含量在0.04-0.84mg/kg之间。煤中铊含量在0.06-0.86mg/kg之间，平均0.25mg/kg；夹矸中铊含量在0.11-1.15mg/kg之间，平均0.44mg/kg；顶底板中铊含量在0.41-0.82mg/kg之间。

8(10、13）号煤层中镓含量在7.05-16.29mg/kg之间，平均11.26mg/kg；煤层夹矸中镓含量在12.58-36.18mg/kg之间，平均22.73mg/kg。煤中锗含量在0.25-1.00mg/kg之间，平均0.48mg/kg；夹矸中锗含量在0.22-1.42mg/kg之间，平均0.64mg/kg。煤中铊含量在0.02-1.31mg/kg之间，平均0.21mg/kg；夹矸中铊含量在0.04-0.82mg/kg之间，平均0.25mg/kg（见表1、表2、表3）。

根据测试结果，离柳矿区煤层夹矸、顶底板中镓、铊平均含量高于煤层中平均含量，锗在煤层及煤层夹矸中含量相差不大。从垂向上看，埋藏较浅的山西组4、5(8）号煤层及夹矸中镓、锗平均含量均高于埋藏较深的太原组8(10、13）号煤层，山西组煤中铊平均含量与太原组相近。

表1离柳矿区煤层中稀散元素分析结果统计表

表2离柳矿区煤层夹矸中稀散元素分析结果统计表

表3离柳矿区煤层顶底板中稀散元素分析结果统计表

3、煤中稀散元素富集特征

根据代世峰等提出煤中微量元素含量水平的指标，富集系数（CC,ConcentrationCoefficient）=煤中微量元素含量/世界煤中微量元素含量，将煤中微量元素含量水平分为六级（见表4）。

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（见表5），此数据样品数量多（最多的有3386个样品），代表性强，成为研究煤中微量元素的基础。

通过与中国煤中微量元素均值相比得出的富集系数（CC）分析，可以看出：离柳矿区山西组4号煤中Ga(2.14）轻度富集，Ge(0.35）、Tl(0.49）亏损。5(8）号煤中Ga(2.50）轻度富集，Ge(0.23）亏损，Tl处于正常范围。太原组8(10、13）号煤中Ge(0.17）、Tl(0.45）亏损，Ga处于正常范围。

表4煤中元素含量水平分级指标

表5Dai等统计中国煤中微量元素平均含量表

4、赋存状态分析

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，在煤中呈无机态赋存的可能性就越大；与煤岩有机显微组分之间正相关关系越大，呈有机态赋存的可能性就越大。

4.1煤中镓

通过煤中镓与基础煤质的相关性分析，离柳矿区煤中镓与灰分、挥发分呈中度正相关；从采集样品的镓含量分布特征来看，镓在煤层夹矸中含量高于煤中含量。综合以上特征可以看出，煤中镓主要赋存在黏土矿物中，也有一部分可能赋存在有机质中。赋存层位主要为煤层顶底板、夹矸，以及与顶底板及夹矸接触的煤层中。

4.2煤中锗

一般认为，在同一构造单元内，成煤年代越老，煤级越高的煤，其锗含量越低。我国大型、特大型含锗煤矿床一般为煤化程度较浅的褐煤。锗易富集在侧链与官能团发育的有序度低的低煤级煤中，煤中以吸附态赋存的锗既可被有机质吸附，也可被黏土矿物吸附。在硫化物和硅酸盐矿物中有可能检测到极少量的锗。

通过煤中锗与基础煤质的相关性分析，发现河东煤田煤中锗与各基础煤质间的相关性均较低或无相关性。从采集样品的锗含量分布特征来看，锗在煤层夹矸及煤中含量相差不大。综合以上特征可以看出，离柳矿区煤中锗的赋存比较分散，可能主要赋存在黏土矿物中，也有一部分可能赋存在有机质中。赋存层位主要为煤层顶底板、夹矸以及煤层中。从垂向上看，山西组煤及夹矸中的锗平均含量均高于太原组。

4.3煤中铊

关于煤中铊赋存状态的研究较少，已有少量数据表明铊主要与黄铁矿共生。Finkelman(1981）曾利用离子探针在美国UpperFreeport煤层中的铁硫化物颗粒中发现含有约850mg/kg的铊。浮沉试验等间接方法也表明铊主要以无机态为主。如1998年杨光荣通过浮沉试验研究表明，煤中铊主要与黄铁矿有关。

通过煤中铊与基础煤质的相关性分析可知：离柳矿区煤中铊与全硫呈高度正相关，与Fe2O3呈中度正相关。可见煤中铊主要与黄铁矿、铁硫化物共生。从采集样品的铊含量分布特征来看，铊在煤层顶底板、夹矸中含量大于煤中含量。从垂向上看，山西组煤中的铊平均含量与太原组相近。

5、结论

通过在河东煤田离柳矿区29座煤矿井下采样，对煤、夹矸及顶底板中共伴生稀散元素进行分析，并与中国煤中微量元素均值相比较可知，河东煤田离柳矿区山西组4号煤中Ga轻度富集，Ge、Tl亏损；5(8）号煤中Ga轻度富集，Ge亏损，Tl处于正常范围；太原组8(10、13）号煤中Ge、Tl亏损，Ga处于正常范围。煤层夹矸中镓、铊平均含量均高于煤层中平均含量，锗在煤层及煤层夹矸中含量基本相当。4号、5(8）号煤层夹矸及顶底板中镓含量大部分达煤中共伴生镓工业品位30mg/kg以上。

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