邢臺礦區(qū)葛泉礦5#煤中鉛和硒的賦存及富集

于海成,段杜娟,徐 靜,趙 晶

(河北工程大學河北省資源勘查重點實驗室,河北邯鄲056038)

鉛和硒是煤中潛在的有毒有害元素,在煤的加工利用過程中會造成環(huán)境污染,但其富集到一定程度時則可以作為伴生礦產(chǎn)來開發(fā)利用。唐修義等[1]研究得出了中國煤中鉛和硒的平均含量;代世峰等[2-3]提出中國華北和貴州煤中鉛和硒的背景值;Finkelman[4]通過浮沉試驗對煤中鉛和硒的賦存狀態(tài)進行了詳細討論;Hower等[5]通過微束質(zhì)子X射線熒光分析,Dai[6]利用原子熒光光譜法分別對煤中的鉛和硒富集機理進行了研究。本文以邢臺礦區(qū)葛泉礦5#煤為研究對象,采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)、掃描電鏡(SEM)和光學顯微鏡對樣品中鉛和硒的含量、富集和賦存進行分析,為5#煤的綜合開發(fā)利用提供了理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

葛泉煤礦屬邯邢煤田,位于太行山隆起帶與華北沉降區(qū)的過度地帶。井田內(nèi)主要開采的煤層為石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組,次為石炭系中統(tǒng)本溪組。太原組煤系地層主要有泥巖、砂巖、灰?guī)r和煤系地層,厚度130.28～181.00m,該組含煤層數(shù)多達12層,其中可采煤層包括 5#、7#、8#、9#,平均厚8.72m。5#煤層位于太原組中部,野青灰?guī)r下8～10m,根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計,煤層厚0.40～3.02m,平均1.51m。井田內(nèi)發(fā)育地層由老至新依次為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組,石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組,二疊系下統(tǒng)山西組、下統(tǒng)下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組及第四系層。

2 樣品采集與實驗方法

對葛泉煤礦太原組5#煤開采工作面從頂板到底板進行取樣,采樣地點煤層厚1.81m,共取煤樣9個,樣品規(guī)格20cm×10 cm×10cm,根據(jù)取樣地及樣品所屬煤層,從頂部到底部依次編號為G1～G9。樣品在實驗室條件下自然風干。

2.1 試驗儀器

電感耦合等離子質(zhì)譜儀(HR-ICP-MS ElementⅠ,Finnigan MAT制造);JSM6360LV掃描電鏡(SEM,日本電子生產(chǎn);分辨率:6nm;放大倍數(shù):20-300,000);MPV-Ⅲ光學顯微鏡(西德徠茲公司生產(chǎn))。

2.2 試驗方法

根據(jù)DZ／T0223-2001《電感耦合等離子質(zhì)譜分析方法通則》測定樣品中鉛和硒的含量;煤中的黃鐵礦由掃描電鏡和光學顯微鏡觀測;煤樣的鏡質(zhì)體反射率采用光學顯微鏡測試。

3 結(jié)果與分析

3.1 工業(yè)分析

利用光學顯微鏡測出了5#煤的最大鏡質(zhì)體反射率為1.36,由GB5751-86《中國煤炭分類》[7]可知該煤為焦煤。根據(jù)GBJT15224.1-1994《煤炭質(zhì)量分級煤炭灰分分級》[8]可判定研究區(qū)的煤屬于中低灰分、中低硫、低磷煤;碳、氫是煤質(zhì)的基本指標,各煤層均以碳元素為主(表1)。

3.2 賦存狀態(tài)分析

礦物是煤中微量元素的主要載體,其種類、分布在很大程度上影響著微量元素的分布、賦存特征。鉛具有親硫性質(zhì),在煤中鉛常以方鉛礦、硒鉛礦以及與其他硫化物礦物相伴生的形式出現(xiàn)[10]。張軍營[11]通過逐級化學提取試驗得出,鉛的賦存狀態(tài)具有多樣性,以硫化物結(jié)合態(tài)為主并按照硅化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機態(tài)、離子交換態(tài)和水溶態(tài)依次降低;王運泉[12]認為鉛主要賦存于黃鐵礦中,且與原煤干燥基灰分、原煤干燥基全硫、原煤干燥基磷分成正相關(guān)。

硒是煤中微量元素賦存狀態(tài)置信度最高的幾種元素之一,常以有機結(jié)合態(tài)和無機態(tài)形式存在,賦存形式以有機結(jié)合態(tài)為主,其次是以無機態(tài)分布于黃鐵礦等硫化物以及硒化物中,賦存狀態(tài)置信度為8[4]。Swaine和Goodarzi[13]研究表明硒在煤和富硒黑色頁巖中主要以有機結(jié)合態(tài)和硫化物態(tài)存在,Huggins和Huffman[14]認為在新鮮煤中硒主要以元素硒和有機結(jié)合態(tài)存在。White等[15]用同步輻射X射線熒光光譜分析英國煤中黃鐵礦中硒的平均含量為97μ g／g,Plamer和 Lyons[16]對歐美部分煤中礦物分析發(fā)現(xiàn)黃鐵礦中硒含量遠高于高嶺石、伊利石和石英,代世峰[17]、李生盛[18]運用INNA分析了寧夏和山西河東煤田煤中黃鐵礦中硒的平均含量分別為31.597μ g／g和74.197μ g／g,代世峰等[19]用逐級化學提取實驗方法對峰峰礦區(qū)煤樣進行研究,發(fā)現(xiàn)硒的賦存狀態(tài)以硫化物結(jié)合態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)為主,硅鋁化合物結(jié)合態(tài)占一定比例,其它狀態(tài)的含量很低。

在SEM下發(fā)現(xiàn)樣品中含有大量黃鐵礦,單體形態(tài)呈五角十二面體(圖1);在光學顯微鏡下發(fā)現(xiàn)樣品中的黃鐵礦主要以莓狀、細粒分散狀存在,且大多賦存于鏡質(zhì)組分中(圖2)。根據(jù)鉛和硒具有親硫性質(zhì),說明在該煤層中黃鐵礦是鉛和硒的主要載體。

表1 煤樣的工業(yè)分析結(jié)果和元素分析結(jié)果[9]Tab.1 The proximate analysis and ultimate analysis of samples

表2 葛泉礦5#煤中硒和鉛的含量Tab.2 Concentration of Se and Pb of the 5#coal in the Gequan Mine

3.3 鉛和硒的富集

表2為5#煤的HR-ICP-MS測試結(jié)果,其中硒和鉛的含量均值分別為3.99μ g／g和29.13 μ g／g,高于華北煤、貴州煤、中國煤和美國煤的算術(shù)均值;富集系數(shù)分別為33.27和1.94;其中在G5中硒的含量最高,為11.13μ g／g;在G6中鉛的含量最高,為82.73μ g／g。

4 結(jié)論

1)葛泉礦5#煤中鉛和硒含量均值分別為29.13μ g／g和3.99μ g／g,高于華北煤、貴州煤、中國煤和美國煤中鉛和硒含量的算術(shù)均值。

2)5#煤中鉛和硒的主要載體為黃鐵礦。

3)5#煤中硒明顯富集,EF為33.27,值得關(guān)注。

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