山西省石炭-二疊紀(jì)主采煤層中氟元素的含量與分布特征

孫富民

(1.山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，太原 030001； 2.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030001)

0 引言

在煤所含微量元素中，氟是豐度較高的少數(shù)幾種元素之一，也是對環(huán)境影響較大的元素之一[1-6]。煤在燃燒時(shí)，其中的氟化物將發(fā)生分解，大部分以HF、SiF4等氣態(tài)污染物形式排入大氣，不僅嚴(yán)重腐蝕鍋爐和煙氣凈化設(shè)備，而且造成大氣氟污染和生態(tài)環(huán)境的破壞[3-4,7-8]。燃煤氟排放是人為大氣氟污染的主要來源，因其環(huán)境敏感性，1990年美國《潔凈空氣補(bǔ)充法案》將煤中氟列入189種“有害大氣污染物”；1996年我國將氟化物列入11種大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測有害污染物(GB3095-1996)，并于1997年將其列為大氣污染物綜合排放控制對象(GB16297-1997)。地氟病是一種在世界范圍內(nèi)廣泛流行的生物地球化學(xué)性疾病，燃煤污染型地方性氟中毒在我國也分布較廣，其中山西運(yùn)城、遼寧鞍山、內(nèi)蒙古包頭、安徽阜陽、宿縣等地區(qū)的煤-氟污染甚為嚴(yán)重[9-15]。由此可見，燃煤造成的氟排放對環(huán)境和人類健康危害巨大，而煤中氟的含量與分布特征研究，可以為控制氟排放提供依據(jù)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 中國煤中氟含量與分布特征

華北石炭-二疊紀(jì)煤是我國的主要?jiǎng)恿τ妹海恳话銥?50～200)×10-6，平均含氟量100×10-6[16]；侏羅紀(jì)煤的含氟量為(20～50)×10-6[16]；華南晚二疊世煤中氟的算術(shù)均值為206.77×10-6?？梢娢覈^大多數(shù)煤中氟含量是比較低的，但是在一些特殊的地質(zhì)背景下可富集于一些特定的煤層中[17-19]。中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤中氟含量分級》(MT/T 966-2005)中將氟含量大于200×10-6的煤稱為高氟煤。

關(guān)于煤中氟的分布規(guī)律，研究普遍認(rèn)為我國各地區(qū)煤中氟的含量差異很大。魯百合[20]研究了紅陽煤田東北聚煤區(qū)和合山煤田華南聚煤區(qū)煤中的含氟量，認(rèn)為總的趨勢是華南聚煤區(qū)氟含量高于華北、東北聚煤區(qū)；劉建忠等[21]認(rèn)為我國煤中氟含量變化較大，近似服從對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律。雒昆利等[16]認(rèn)為我國煤的含氟量與煤的形成時(shí)代、形成環(huán)境、所處大地構(gòu)造位置及后期多期巖漿活動的時(shí)代、物源等密切相關(guān)?？傮w而言，研究者們分別從區(qū)域差異、煤種、大地構(gòu)造和地殼活動等不同角度探討了我國煤中氟的含量及其分布特征，但是目前的研究尚存在一些問題：研究區(qū)域大多局限于某個(gè)礦區(qū)或聚煤區(qū)，缺乏對我國不同地區(qū)煤的含氟量、煤中氟的分布規(guī)律的系統(tǒng)研究。

2 山西省石炭-二疊紀(jì)煤中氟含量與分布特征

本次山西省石炭-二疊紀(jì)主采煤層煤中氟數(shù)據(jù)來源主要為以往鉆孔測試數(shù)據(jù)，其次為煤礦井下采樣測試數(shù)據(jù)，氟的測試方法為離子選擇性電極法。經(jīng)系統(tǒng)整理與分析后，共形成太原組有效數(shù)據(jù)點(diǎn)1 120個(gè)、山西組971個(gè)。太原組、山西組主采煤層煤中氟含量統(tǒng)計(jì)見表1、圖1。

表1 太原組、山西組主采煤層煤中氟含量統(tǒng)計(jì)表

圖1 六大煤田太原、山西組主采煤層煤中氟含量折線圖Figure 1 Line chart of main mineable coal seam fluorine content in Taiyuan and Shanxi formations of six major coalfields

由圖1可以看出，整體上太原組主采煤層煤中氟平均含量高于山西組(寧武煤田除外)，且太原組整體趨勢變化較大，山西組較為平緩。具體特征分述如下：

2.1 山西省太原組主采煤層中氟含量與分布特征

太原組主采煤層煤中氟含量范圍為(0～1 165)×10-6，均值為176×10-6。其中，大同煤田煤中氟含量范圍為(20～647)×10-6，均值為206×10-6，平面分布整體呈中部向東部、西部增高的趨勢，在東部和西部邊緣形成高氟煤區(qū)域；河?xùn)|煤田煤中氟含量在(24～708)×10-6之間，均值為180×10-6，煤田內(nèi)大部區(qū)域氟含量在(80～130)×10-6，屬低氟煤范圍，但在煤田北部保德地區(qū)，中部柳林地區(qū)，南部吉縣、鄉(xiāng)寧地區(qū)均有高氟煤區(qū)域零星分布；寧武煤田煤中氟含量范圍為(4～748)×10-6，均值為136×10-6，煤田內(nèi)大部區(qū)域氟含量在(130～200)×10-6，屬中氟煤范圍，但在煤田北部朔州、寧武地區(qū)，南部靜樂地區(qū)有高氟煤區(qū)域分布；西山煤田煤中氟含量范圍為(59～523)×10-6，均值為153×10-6，平面分布整體呈由煤田東南向西、北逐漸增高的趨勢，在煤田中北部、西南邊緣部分地區(qū)形成高氟煤區(qū)域；霍西煤田煤中氟含量范圍為(2～1 165)×10-6，均值為199×10-6，平面分布整體由中部向北部、南部逐漸增高，中部大部地區(qū)屬中氟煤區(qū)域，在南部襄汾縣、北部介休地區(qū)形成高氟煤區(qū)域；沁水煤田煤中氟含量范圍為(0～836)×10-6，均值為179×10-6，平面分布整體呈邊緣高，中間低，煤田中部均為低、中氟煤，在煤田邊緣形成多處高氟煤區(qū)域。參見表1，圖2。

綜上所述，山西省太原組主采煤層煤中氟含量在(0～1 165)×10-6之間，均值為176×10-6。六大煤田中，大同煤田氟含量均值最高為206×10-6，寧武煤田最低為136×10-6。六大煤田中均有部分高氟煤區(qū)域分布。

2.2 山西組主采煤層煤中氟含量分布特征

山西組主采煤層煤中氟含量范圍為(0.8～1 443)×10-6，均值為155×10-6。其中，大同煤田煤中氟含量范圍為(35～766)×10-6，均值為196×10-6，整體上從東南部往西北部呈逐漸增高的趨勢，煤田大部區(qū)域?qū)俚头海谧笤频貐^(qū)形成高氟煤區(qū)域； 河?xùn)|煤田煤中氟含量在(13～478)×10-6之間，均值為162×10-6，煤田內(nèi)大部分區(qū)域?yàn)榈头?，在煤田北部保德地區(qū)，中部柳林地區(qū)， 南部吉縣、鄉(xiāng)寧

圖2 太原組主采煤層煤中氟含量等值線分級圖Figure 2 Isoline ranking of fluorine content in Taiyuan Formation main mineable coal seams

地區(qū)均有高氟煤區(qū)域零星分布； 寧武煤田煤中氟含量范圍為(2～1 130)×10-6，均值為155×10-6，該煤田大部分區(qū)域?yàn)橹蟹?，僅在朔州、嵐縣地區(qū)為低氟煤，而寧武縣、靜樂縣的部分區(qū)域則為高氟煤；西山煤田煤中氟含量范圍為(8～512)×10-6，均值為131×10-6，該煤田整體分布為中間高、邊緣低，邊緣大部地區(qū)為中氟煤，煤田中心馬蘭、邢家社南部地區(qū)分布兩個(gè)較大范圍的高氟煤區(qū)域；霍西煤田煤中氟含量范圍為(4～508)×10-6，均值為170×10-6，煤田整體由北向南逐漸增高，北部多為中氟煤，南為高氟煤，高氟煤區(qū)域主要集中在襄汾、翼城、臨汾市地區(qū)；沁水煤田煤中氟含量范圍為(0.8～1 443)×10-6，均值為154×10-6，平面分布整體呈邊緣高，中間低，煤田中部為低、中氟煤，在煤田邊緣形成多處高氟煤區(qū)域。參見表1、圖3。

綜上所述，山西省山西組主采煤層煤中氟含量在(0.8～1 443)×10-6之間，均值155×10-6。六大煤田中，大同煤田最高為196×10-6，西山煤田最低為131×10-6。六大煤田中均有部分高氟煤區(qū)域分布。

圖3 山西組主采煤層煤中氟含量等值線分級圖Figure 3 Isoline ranking of fluorine content in Shanxi Formation main mineable coal seams

3 結(jié)論

(1)通過系統(tǒng)的收集勘探鉆孔資料及對煤礦樣品測試分析，得出了山西省六大煤田石炭-二疊紀(jì)主采煤層中氟的含量及其分布規(guī)律：總體來看，山西省石炭-二疊紀(jì)煤中氟的平均含量處于中低水平，但各煤田中均有部分高氟煤區(qū)域存在。

(2)從山西組和太原組主采煤層煤中氟的平均含量對比來看，太原組略高于山西組，太原組高氟煤的分布區(qū)域也較山西組多，范圍也較大。

(3)山西省石炭-二疊紀(jì)太原組煤中高氟區(qū)主要分布于河?xùn)|煤田北部、霍西煤田北部和南部、沁水煤田邊緣等區(qū)域；山西組煤中高氟區(qū)主要分布于寧武煤田中部、霍西煤田中南部、沁水煤田邊緣等區(qū)域。在今后的煤炭資源開發(fā)利用過程中應(yīng)重視這些區(qū)域煤中氟的排放對生態(tài)環(huán)境、人類健康的影響，開展高氟煤區(qū)域的調(diào)查與研究工作，以降低資源開發(fā)利用對環(huán)境的潛在威脅。