贵州正安春雷煤矿煤的地球化学特征分析_杨林健.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-16 第一作者简介 杨林健 （1984-） ， 男 （汉族） ， 贵州遵义人， 工程师， 现从事煤炭地质勘查工作。 贵州正安春雷煤矿煤的地球化学特征分析 杨林健*， 聂坤 （贵州省地质矿产勘查开发局一○六地质大队， 贵州 遵义 563000） 摘要 可采煤层元素地球化学研究表明， 春雷煤矿CaO富集与含煤岩系主要岩性为碳酸盐岩密切 相关， Fe2O3富集与煤层中含一定数量的黄铁矿现象相一致， 其它氧化物与黔西煤层比较为正常丰度 或略微亏损， Al2O3/TiO2比值和K2O/Al2O3比值反映含煤岩系沉积过程有长英质岩石成分参与。微 量元素及稀土元素特征表明， 矿区成煤环境为一局限盆地， 沉积物质来源于中酸性岩石风化产物。 底煤具有显著不同的稀土配分模式， 可能受同期火山作用影响， 应当引起研究重视。 关键词 贵州； 正安； 吴家坪组； 煤； 地球化学 中图分类号 P594 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0173-05 1概述 研究区大地构造位于上扬子地块黔北隆起区凤冈 南北向隔槽式褶皱变形区。含煤地层为晚二叠世吴家 坪组。本次对春雷煤矿进行系统取样分析， 通过对地 球化学数据进行归纳和总结， 对异常富集元素的分布 特征和富集机理进行探讨。发现煤中微量元素和稀土 元素均有大量元素呈富集。 2含煤岩系地质特征 研究区内含煤地层为上二叠统吴家坪组， 岩性为 深灰、 灰、 灰黑色中厚层至厚层状含燧石条带细晶灰 岩、 含生物碎屑灰岩， 含泥质灰岩， 夹中厚层粘土岩、 含 黄铁矿粘土岩、 粉砂质粘土岩、 含炭质粘土岩、 铝土质 粘土岩和煤层 （线） 。厚度 80.33～92.89m， 平均厚度 86.65m。 3煤层常量元素特征 3.1常量元素丰度 煤中常量元素的含量与组合特征， 常能反映聚煤 环境和成煤后煤层经历的各种地质作用 ［1］。该矿煤中 常量元素主要为Al2O3、 Fe2O3和CaO （含量超过3） ， 其次为 MgO 和 K2O。通过与中国煤均值对比，CaO （CC2.71） 高于全国煤平均值， 为轻度富集， Al2O3、 Fe2O3、 K2O 、 MgO和TiO2为正常值。Na2O （CC0.15） 和P2O5（CC0.26） 明显低于中国煤均值， 具有不同程 度的亏损。与黔西晚二叠煤均值相比， 煤中Fe2O3（R 2.02） 高于黔西晚二叠煤均值， 为轻度富集。Al2O3、 CaO、 MgO和P2O5含量为正常水平。K2O （R0.45） 和 Na2O （R0.11） 低于黔西晚二叠煤均值， 具有不同程度 的亏损。常量元素丰度特征与含煤岩系岩性主要为碳 酸盐岩相吻合。 3.2常量元素赋存状态 前人研究认为， 煤中Al主要来源于陆源碎屑的供 给 ［2］。Al 2O3和K2O在煤层中的垂向变化趋势一致； 根 据常量元素之间的相关性分析， 煤中Al和K、 Na、 Ti与 灰分之间都有着高度的相关性， 相关系数大于0.9， 推 测其与Al共同赋存在粘土矿物中。Fe与S具有极强 的相关性 （rFe， S0.99） ， 表明 Fe 主要以黄铁矿形式存 在。CaO整体含量较高， 与方解石含量分布曲线一致， 指明Ca主要赋存于方解石中。TiO2含量较低， Ti与 Al、 K和Na具有极强的正相关关系， 推测Ti可能主要 存在于粘土矿物中。 4煤中微量元素特征 4.1微量元素丰度 与世界煤中微量元素平均值相比， 该矿煤中微量 元素多数具有富集现象， 其中高度富集的有Zn、 Se、 Zr、 Nb、 Cd、 Hf （表1， 图1） 。与中国煤中微量元素平均值 相比， 大多数元素呈轻度富集， 高度富集和富集的元素 较少 有Zr、 Cd、 Zn、 Se、 Nb。 4.2微量元素赋存状态 微量元素与灰分产率和Al相关性程度较高的元素 具有高度吻合性。表明其主要赋存于粘土矿物中。 173 2020年第10期西部探矿工程 SEM-EDS面扫分析指示， Rb与Al和Si具有相似的分 布趋势 （图2） ， 指示Rb也主要赋存于高岭石中。与Fe 相关性程度较高的元素有Sc、 V、 Cr、 Mn、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 As、 Se、 Y、 Zr、 Mo、 Cd、 Sb、 Hf、 Pb和U等， 指示这些 元素可能主要赋存于硫化物中。Pb、 Mo、 Cu和As与 Fe和S具有相似的分布趋势， 指示这些元素赋存于黄 铁矿中。 5稀土元素特征 5.1稀土元素丰度 本次将样品中各稀土元素含量与世界煤及中国煤 进行了对比， 结果表明 样品中各稀土元素含量 （表2） 除Eu含量与中国煤均值接近外， 其余元素均高于中国 煤均值和世界煤均值， 稀土元素相对富集。尤其在底 部煤分层中稀土元素高度富集。 5.2稀土元素地球化学参数 稀土元素地球化学参数可反映稀土元素的特征， 前人研究认为 ［6-8］在基性岩石中∑REY较低， 酸性岩中 ∑REY较高； 砂岩和页岩中∑REY较高， 碳酸盐岩中∑ REY较低。斜长岩中为正铕异常， 花岗岩中为负铕异 常。δCe 常是用来判断海相沉积环境的一个重要参 微量 元素 Li Be B Sc V Cr Mn Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Rb Sr 春雷 平均值 51 11 3 7 36 23 65 4 25 24 368 20 7 13 15 2 125 中国煤 均值 32 2.1 53 4.4 35 15 116 7.1 14 18 41 6.6 2.8 3.8 2.5 9.3 140 世界煤 均值 12 1.6 52 3.9 25 16 85 5.1 13 16 23 5.8 2.2 8.3 1.3 14.0 110 CC中 1.6 5.0 0.1 1.6 1.0 1.6 0.6 t 0.6 1.8 1.3 9.0 3.1 2.5 3.3 5.8 0.2 0.9 CC世 4.2 6.6 0.1 1.9 1.5 1.5 0.8 0.8 1.9 1.5 16.0 3.5 3.2 1.5 11.2 0.2 1.1 微量元素 Y Zr Nb Mo Cd Sn Sb Cs Ba Hf Ta W Tl Pb Bi Th U 春雷 平均值 76 987 77 7 18 5 3 dl 6 17 1 dl dl 42 dl 9 7 中国 煤均值 18.0 90 9.4 3.1 0.25 2.1 0.84 1.1 159 3.7 0.62 1.1 0.47 15.0 0.79 5.8 2.4 世界煤 均值 8.4 36 3.7 2.2 0.22 1.1 0.92 1.0 150 1.2 0.28 1.1 0.63 7.8 0.97 3.3 2.4 CC中 4.2 11.0 8.2 2.3 70.0 2.1 3.3 0.2 0.0 4.5 0.8 0 0 2.8 0 1.5 2.7 CC世 9.0 27.4 20.8 3.3 79.5 4.1 3.0 0.3 0.0 14.0 1.8 0 0 5.4 0 2.6 2.7 注 dl， 低于检测线。 表1春雷煤矿煤中微量元素含量 （10-6） 与中国和世界煤中微量元素比富集指数 图1春雷煤矿煤中微量元素富集程度 174 2020年第10期西部探矿工程 数， Ce在海水中停留时间是最短的， 海水中Ce成强烈亏损。所以海洋环境中的沉积物通常表现出明显的负 图2SEM-EDS元素面扫 （样品CL4-6） 表2春雷煤矿煤样品稀土元素含量 （10-6） 样品编号 CL4-1 CL4-2 CL4-4 CL4-6 平均值 中国煤均值 世界煤均值 CC中 CC世 La 7.67 50.00 97.26 193.29 87.06 22.50 11.00 3.87 7.91 Ce 18.94 107.09 214.39 489.36 207.45 46.70 23.00 4.44 9.02 Pr 2.23 10.95 21.54 43.95 19.67 6.42 3.50 3.06 5.62 Nd 8.39 37.80 78.50 160.85 71.39 22.30 12.00 3.20 5.95 Sm 2.37 8.31 16.07 37.94 16.17 4.07 2.00 3.97 8.09 Eu 0.00 0.00 1.04 2.71 0.94 0.84 0.47 1.12 1.99 Gd 2.22 7.12 12.98 37.47 14.95 4.65 2.70 3.21 5.54 Tb 0.00 1.06 1.77 6.06 2.22 0.62 0.32 3.58 6.95 Dy 2.77 6.06 8.91 38.52 14.07 3.74 2.10 3.76 6.70 Ho 0.00 1.08 1.67 7.74 2.62 0.96 0.54 2.73 4.86 Er 1.82 3.49 5.51 26.35 9.29 1.79 0.93 5.19 9.99 Tm 0.00 0.00 0.89 4.21 1.28 0.64 0.31 1.99 4.11 Yb 1.89 3.35 5.70 27.62 9.64 2.08 1.00 4.63 9.64 Lu 0.00 0.00 0.86 4.20 1.27 0.38 0.20 3.33 6.33 Y 14 27 47 216 76 18.0 8.4 4.2 9.0 175 2020年第10期西部探矿工程 春 雷 煤 矿 中 ∑ REY62.1～1296.7μg/g， 平 均 值 550.0μg/g， 与世界煤的平均值相比， 富集系数为7.8， 具 有明显富集特征。与中国煤的平均值相比， 富集系数 为3.9， 呈轻度富集。LREY39.6～928.1μg/g， 平均值 402.7μg/g； HREY22.7～368.2μg/g， 平均值131.3μg/g； LREY/HREY1.7～5.0， 平均值 3.4； （La/Yb）N0.30～ 1.76， 平均值0.95； （La/Sm）N0.49～1.07， 平均值0.76； （Gd/Yb）N0.68～1.48， 平均值 1.10， 中和重稀土元素 （MREY、 HREY） 相对富集。煤中Eu含量极低， δEu 0.29～0.34， 表现出铕整体处于负异常值。δCe0.92～ 1.21之间， 平均值1.05， 处于正异常。由以上信息可推 测其沉积环境为一局限盆地沉积， 稀土元素来源于陆 源的中酸性源岩。 5.3稀土元素分布模式 经过对所采煤样品进行UCC标准化计算， 做出了 稀土元素的分布模式图 （图3） 。 图3春雷煤矿稀土元素分布模式图 从图3中得出该矿煤中稀土元素分布具有以下特 征 ①所有样品都表现出明显的正铈异常、 负铕异常； ②除顶部煤样 （CL4-1） 的稀土元素处于正常含量外， 其余样品均有不同程度的富集， 且由下至上富集程度 逐渐降低， 底部煤样 （CL4-6） 具有稀土元素高度富集 的特征； ③样品中底部 （CL4-6） 稀土元素分布模式与 其余样品有明显区别， 说明底部煤分层的稀土物源与 其他样品的物源有所不同。 5.4稀土元素来源与赋存 春雷煤矿煤中稀土元素与灰分之间相关性较低 （表4） ； 与常量元素P之间具有高度的正相关关系， 与 Mg、 Fe和S之间呈显著的正相关关系， 推测煤中稀土 主要以有机态存在； 与微量元素Zr也具有高度的正相 关关系， 指示锆石可能控制着部分稀土的分布或稀土 和Zr 赋存于同一载体。 以前普遍认为贵州地区煤中碎屑物主要来源于康 滇古陆， 由峨眉山玄武岩风化组成。本次研究发现， 春 雷煤矿的煤及夹矸中Eu均表现出强烈的负异常， 指示 了为中酸性源岩组分。表明其煤中碎屑物来源除峨眉 山玄武岩外， 还有其他物质来源补充。 6结论 （1） 微量元素在底部煤分层中出现大量元素富集 现象， 其中高度富集的有Zn、 Se、 Zr、 Nb 、 Cd和 Hf， 有 表3春雷煤矿不同类型稀土元素地球化学参数均值 参数 春雷煤均值 ∑REY 550.0 LREY 402.7 HREY 131.3 L/H 3.4 （La/Yb）N 0.95 （La/Sm）N 0.84 （Gd/Yb）N 1.10 δEu 0.16 δCe 1.05 铈异常。本次通过对∑REY、（La/Yb）N、 δEu和δCe （表3） 等参数进行分析。 表4煤样中稀土元素∑REY与灰分产率及伴生元素相关性系数 相关系数 春雷煤矿 Aad 0.32 Al 0.26 Ca -0.13 Fe 0.69 K 0.21 Mg 0.61 Na -0.02 Ti 0.18 P 0.90 S 0.61 Zr 0.85 Th 0.17 少部分元素出现亏损。高度富集的微量元素中除Nb 外， 其余元素均是典型的亲硫元素， 主要与硫化物形态 存在。通过对微量元素相关性分析认为， 微量元素中 与灰分产率相关性和与Al的相关性高度吻合， 表明该 类与其具有良好相关性的元素主要赋存于粘土矿物 中。与Ca、 Fe、 P具有显著相关性的元素中， 多数存在 重叠， 分析认为该煤层中微量元素除来源于陆远碎屑 物外， 还存在其他物质来源。 （2） 稀土元素含量除 Eu 含量与中国煤均值接近 外， 其余元素均高于中国煤均值和世界煤均值， 稀土元 素相对富集。尤其在底部煤分层中稀土元素高度富 集， 虽然富集程度未能达到工业品位， 但换算在煤灰中 则能达到工业品位。中和重稀土元素相对富集， 具有 （下转第180页） 176 2020年第10期西部探矿工程 其他对比项目基本相同， 因此选用方案3先上部后下部 的开挖方案更为合理。 参考文献 [1]彭念.原位扩建隧道围岩力学响应机理研究[D].重庆大学， 2010. 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The results show that among the three excavation schemes, the excavation scheme with the upper part first and the lower part later has smaller deation than the other schemes, and the deation control effect is better; moreover, the bending moment and axial force of the temporary support of the tunnel are also smaller than those of the other schemes, so the excavation scheme with the upper part first and the lower part later is more reasonable. Key words Tunnel excavation；numerical simulation；scheme comparison 表4各施工方案变形及内力对比表 项目 竖向位移 水平位移 临时支撑内力 塑性区 拱顶沉降 仰拱隆起 最大开挖线处 临时支撑弯矩 临时支撑轴力 方案1 最不利 基本相同 最不利 最大 最大 差异不大， 均在要求范围内 方案2 中间值 基本相同 基本相同 中间值 方案3 最优 最小 （上接第176页） 明显的负Eu异常和正Ce异常， 认为其沉积环境为一 局限盆地沉积， 稀土元素来源于陆源的中酸性源岩。 其分布模式除底部煤分层有变化外， 其余样品较为一 致， 说明底部煤分层的稀土物源与其他样品的物源有 所不同。 参考文献 [1]陈儒庆，曹长春，阮贵华.广西煤的常量元素地球化学特征[J]. 中国煤炭地质，1997240-44. [2]王运泉，王隆国.煤及其燃烧产物中微量元素分布及其赋存 特征[M].华南理工大学出版社，1998. [3]徐彬彬，何明德.贵州煤田地质[M].徐州中国矿业大学出版 社，2003. [4]李宝庆.黔西上二叠统龙潭组煤的矿物学及地球化学特征 研究[D].中国地质大学， 2015. 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