準(zhǔn)東地區(qū)煤中鈉元素富集的控制因素

雍曉艱，王 剛

（1.新疆維吾爾自治區(qū)煤炭綜合勘查院，新疆烏魯木齊830000；2.新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開(kāi)發(fā)中心，新疆烏魯木齊830000）

根據(jù)準(zhǔn)東煤田各礦區(qū)總體規(guī)劃確定的煤炭轉(zhuǎn)化利用方向，2014年6月～2015年12月，作者作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一完成了新疆中央返還兩權(quán)價(jià)款資金《新疆煤炭資源分質(zhì)利用技術(shù)研究》項(xiàng)目，針對(duì)準(zhǔn)東煤田煤炭資源的煤質(zhì)特性，尤其是煤中鈉的賦存狀態(tài)及煤灰特性開(kāi)展研究，選取代表性樣品進(jìn)行提質(zhì)、熱解、氣化等轉(zhuǎn)化試驗(yàn)研究，提出新疆準(zhǔn)東煤田主要煤層的煤質(zhì)特征，分析煤炭轉(zhuǎn)化應(yīng)用中可能存在的問(wèn)題并提出相應(yīng)對(duì)策，為新疆準(zhǔn)東煤田煤炭資源的潔凈、高效利用提供地質(zhì)依據(jù)。

1 概況

新疆準(zhǔn)東煤田位于準(zhǔn)格爾盆地的東部，北界山體為北西走向的克拉麥里山，南界山脈為東西向的東天山的博格達(dá)山，二者在木壘縣城東北部胡喬克處交匯，西界由克拉麥里山西端的滴水泉沿216國(guó)道向南至吉木薩爾城西的三臺(tái)鎮(zhèn)，與準(zhǔn)噶爾盆地中心相接；整體呈東窄西寬的三角形。行政區(qū)劃大部屬昌吉回族自治州吉木薩爾縣、奇臺(tái)縣和木壘哈薩克自治縣管轄。西北角屬阿勒泰地區(qū)富蘊(yùn)縣管轄。東西長(zhǎng)約226km，南北西邊界處最寬處為126km，面積約7596km2。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組、下統(tǒng)八道灣組。西山窯組含煤1～16層，煤層總厚0.8～65.11m，可采3～15層，可采厚度33.38～57.11m，煤種為31號(hào)不粘煤，少量41號(hào)長(zhǎng)焰煤；八道灣組含煤1～4層，煤層厚度0.5～7.72m，可采1～3層，可采厚度0.8～6.2m，煤種為41號(hào)長(zhǎng)焰煤。查明及預(yù)測(cè)總資源量約2215×108t。準(zhǔn)東煤田自西向東劃分為五彩灣礦區(qū)、大井礦區(qū)、將軍廟礦區(qū)、西黑山礦區(qū)和老君廟礦區(qū)，各個(gè)礦區(qū)面積及資源量見(jiàn)表1。

表1 礦區(qū)面積及資源量

2 鈉從表土到煤層的分布規(guī)律

準(zhǔn)東煤田西山窯組煤層頂板以砂巖為主，局部位置有泥巖。準(zhǔn)東煤田各礦煤層頂板、上覆巖層及表土中鈉含量如表2所示。煤層頂板及上覆表土層中鈉含量較高并且波動(dòng)較大。利用SEM-EDX檢測(cè)煤中的夾矸發(fā)現(xiàn)為鈉長(zhǎng)石型含鈉礦物（如圖1所示）。由圖1可知，鈉從地表到煤層中含量顯著降低。

3 準(zhǔn)東煤中鈉富集控制因素

地下水化學(xué)成分主要受補(bǔ)給來(lái)源的化學(xué)成分、含水層及其巖石成分以及地下水的徑流條件影響。準(zhǔn)東地區(qū)地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水及地表水。準(zhǔn)東煤田第四紀(jì)表土層蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，水分以垂直交替（只是排出水分、不排鹽分）為主，地表水的礦化度高。

表2 本次采樣煤層頂板、上覆巖層及表土中鈉含量

圖1 準(zhǔn)東煤頂板中的含鈉礦物

地表水可通過(guò)巖石風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙、巖石孔隙等途徑順層滲入到地下，補(bǔ)給地下水。地下水與地表水之間存在弱的水力聯(lián)接。地下水流動(dòng)過(guò)程中，會(huì)與巖石發(fā)生離子交換，含水層巖石中鉀、鈉的鹵化物、硫酸鹽和碳酸鹽等容易被地下水溶解帶走，其次是鈣、鎂的鹵化物，硫酸鹽和碳酸鹽。準(zhǔn)東煤田上覆巖層巖石多為鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石，為地下水提供豐富的物質(zhì)來(lái)源。含水層巖石經(jīng)歷風(fēng)化作用和溶濾作用后，可溶性的鈉離子進(jìn)入地下水中。逐級(jí)化學(xué)提取試驗(yàn)中，煤層頂板巖石中鈉以礦物鈉為主，表明頂板巖石已經(jīng)風(fēng)化分解，可溶鈉隨高礦化度的地下水進(jìn)入煤層。此外侏羅紀(jì)煤層上覆地層的透水性和富水性都較弱，裂隙不甚發(fā)育，地下水徑流不暢，地下水交替滯緩，為巖石與地下水的陽(yáng)離子交換作用提供充足的時(shí)間。

地下水在徑流過(guò)程中不斷蒸發(fā)失水，地下水中物質(zhì)濃度增加，礦化度增大，溶解度小的鹽類會(huì)相繼沉積析出，引起水化學(xué)成分的改變。HCO3-首先沉淀析出，地下水變?yōu)榱蛩猁}型水；如果再進(jìn)一步濃縮，SO42-發(fā)生沉積，變?yōu)楦叩V化度的氯化物型水。因而地下水在垂向上呈HCO3--SO42--Cl-的沉積順序。準(zhǔn)東表土中發(fā)現(xiàn)硫酸鈉晶體以及南露天礦煤層中發(fā)現(xiàn)硬石膏（CaSO4·2H2O）即為地下水中的鹽類沉積析出的結(jié)果。

準(zhǔn)東煤田侏羅紀(jì)中統(tǒng)西山窯組由砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖、煤層組成，巖石富水性及透水性弱，為裂隙孔隙弱含水層。上覆地層中侏羅系中—上統(tǒng)石樹(shù)溝群、白堊系下統(tǒng)吐谷魯群及新生界第三系上新統(tǒng)獨(dú)山子組均為裂隙孔隙弱含水層，而第四系上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)洪沖積、更新統(tǒng)西域組砂礫石層為透水不含水層。此外在局部地區(qū)還存在燒變巖裂隙含水層。煤層缺少隔水層，導(dǎo)致高礦化度地下水進(jìn)入煤層。準(zhǔn)東煤田各含（隔）水層（段）地下水的化學(xué)類型及礦化度如表3所示。按照相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試準(zhǔn)東煤田侏羅紀(jì)西山窯組煤層地下水中主要離子濃度如表4所示。地下水中陽(yáng)離子中鈉離子占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，陰離子主要以氯離子和硫酸根為主，地下水中溶解性總固體含量較高。

準(zhǔn)東煤的變質(zhì)程度低，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，是良好的含水層（表5），高礦化度的地下水與煤有機(jī)質(zhì)結(jié)合，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用，鈉以離子交換態(tài)與有機(jī)質(zhì)結(jié)合及溶解在孔隙中。

表3 準(zhǔn)東煤田各含（隔）水層（段）地下水的化學(xué)類型及礦化度

表4 準(zhǔn)東地區(qū)地下水中主要離子濃度

4 結(jié)論

通過(guò)研究分析認(rèn)為，以砂巖為主的準(zhǔn)東煤田西山窯組煤層頂板、上覆巖層及表土中鈉含量較高并且波動(dòng)較大，利用SEM-EDX檢測(cè)煤中的夾矸發(fā)現(xiàn)為鈉長(zhǎng)石型含鈉礦物，鈉從地表到煤層中含量顯著降低。準(zhǔn)東煤田侏羅紀(jì)煤層為內(nèi)陸湖泊相成煤，成煤期及后期均為未受到海水的影響，煤形成時(shí)期鈉含量極低。后期鹽漬化的地表水對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給，將鈉離子、氯離子和硫酸根離子帶入；地下水交替緩慢導(dǎo)致地下水礦化度高，水化學(xué)類型為高礦化度的Cl型水，離子與煤體穩(wěn)定接觸。準(zhǔn)東煤變質(zhì)程度低，塊體煤樣的孔隙率高、吸水性強(qiáng)，將地下水中的水溶態(tài)鈉富集在煤中，以離子交換態(tài)與有機(jī)質(zhì)結(jié)合及溶解在孔隙中，致使煤中鈉含量增高。

表5 準(zhǔn)東煤的孔隙率及吸水率

[1]李瑞明，雍曉艱，白向飛，丁華，李賽歌.新疆準(zhǔn)東煤田煤炭資源分質(zhì)利用技術(shù)研究[R].新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局,煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,2015：144-253.

[2]周繼兵,彭一江,高占華,易賢銀.新疆準(zhǔn)東煤田東部南礦區(qū)勘查總結(jié)報(bào)告[R].新疆昌吉英格瑪煤電投資有限責(zé)任公司,新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì),2008：81-160.

[3]周繼兵，高占華，賈姣茹.新疆準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)礦區(qū)勘查總結(jié)報(bào)告[R].新疆阜康能源開(kāi)發(fā)有限公司,新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì),2008：56-95.

[4]周繼兵，雷國(guó)明，易賢銀，王曉徽.新疆準(zhǔn)東煤田將軍廟礦區(qū)勘查總結(jié)報(bào)告[R].新疆潞安能源有限責(zé)任公司，新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，2009：155-231.

[5]周繼兵，阮傳明，葛棟鋒，王智慧.新疆準(zhǔn)東煤田西部礦區(qū)勘查總結(jié)報(bào)告[R].新疆神華礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，2007：89-158.