阳煤集团三矿煤岩元素地球化学特征分析.docx

资源描述

阳煤集团三矿煤岩元素地球化学特征分析.docx

《阳煤集团三矿煤岩元素地球化学特征分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《阳煤集团三矿煤岩元素地球化学特征分析.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

阳煤集团三矿煤岩元素地球化学特征分析.docx

阳煤集团三矿煤岩元素地球化学特征分析

中国矿业大学

本科生课程设计

姓名：

张森学号：

21106703

学院：

应用技术学院

专业：

地质工程

课题题目：

阳煤集团三矿煤岩元素地球化学特征分析

指导教师：

王爱宽职称：

讲师

2012年3月徐州

1.选题的目的与意义

煤通常被认为是一种固体可燃有机岩，其实所有煤中都含有少量液体（主要是水，还有液态烃）和气体（煤层气）。

所以，自然界的煤是有固态，液态和气态三相物质组成的，呈分及其复杂的岩石。

通过现代分析手段已经从煤的样品和煤解析出来的气体样品中检测到86种元素。

按大多数煤中元素的平均丰度0.1%为界，分为常量元素（平均丰度>0.1%）和微量元素（平均丰度≤0.1%）两类。

组成煤中固相，气相，液相的常量元素只有12中，即：

碳、氢、氧、氮、硫、铝、硅、铁、镁、钾、钠、钙；其余74中元素属煤中的微量元素。

有些在地壳属于常量元素，而在煤里被划为微量元素；有些不是组成地壳的常量元素，却是组成煤的常量元素。

总之，在地球化学家提出的地壳元素丰度表列出的88种元素中，从煤中已检测到86中，所缺的锕和镤两种元素也有可能从煤中或煤加工产物中检测到。

值得注意的是，如果选用的分析方法适当，从任何样品中都可能检测到各种元素。

真可谓，一粒煤包含了整个地壳。

研究煤中常量元素和微量元素的意义广泛：

从煤的成因角度来看，煤中常量元素的含量和特征，即反映了聚煤环境的地质背景，有时又反映了煤层形成后所经历的各种地质作用过程，有助于阐明煤层的成因、煤化作用、区域地质历史演化等基本理论问题。

从煤的利用角度来看，煤中的元素含量直接影响煤的发热量的高低和煤的加工利用特性，也是在炼焦冶金过程中造成磨损、腐蚀、污染的主要来源。

对煤炭开采、加工、利用都会产生影响。

另外，某些微量元素还可以作为煤层对比的标志。

从环境保护的角度来看，煤中的碳，氮，硫等元素是燃烧过程排放到大气中的碳氧化合物、氮氧化合物和硫化物的主要来源。

煤中的微量元素好像微不足道，但是煤炭开采利用量大，从煤炭中释放到环境中的有害元素能够长期积累，长途运移，慢慢造成危害。

阳煤集团三矿建矿60多年，为新中国的崛起，为祖国的快速发展做出了不可磨灭的贡献。

但是经过60年开采，资源已经渐渐枯竭，周边环境也遭到了不同程度破坏。

加强对煤的研究，提高煤炭的利用率，改善周边环境已经成为迫在眉睫的任务。

所以，研究煤炭元素的地球化学特性，可以从微观层面把握煤炭的特性，深入对煤的研究，提高煤的利用率，从根本上找到煤炭利用对于环境的污染的原因并且加以控制，达到煤炭利用与环境保护的双赢，实现老矿区的可持续发展。

2.国内外研究现状及存在问题

2.1煤炭元素的研究现状

煤中的元素是对于研究煤的重要性不言而喻，在元素地球化学刚刚兴起，人们便着手对煤中的元素进行分析。

对于占煤含量>0.01%的14中常量元素的分析，起步早，研究深入。

各地区针对所属地区的具体情况，对煤中常量元素的赋存状态、地质成因、和指相意义进行了总结，并对煤中常量元素对煤利用的影响，对环境的影响做了深入研究。

20世纪60年代起，国外开始研究煤中的微量元素，探讨某些有害元素和放射性元素的赋存状态及其对环境的影响。

近20年来随着技术手段的创新和认识的提高，对于煤中微量元素的研究也来越重视和深入，许多国际会议都设有煤中微量元素地球化学及其环境影响的专题。

我国对于煤中微量元素的研究始于20世纪70年代末期，主要集中在煤的燃烧产物对环境的影响方面。

2.1.1煤中常量元素的研究

（1）煤中常量元素概述

煤中的C、H、O、N、Na、Mg、Al、Si、S、K、Ca、Ti、P和Fe等14种元素的含量一般超过0.01%，称之为常量元素。

C、H、O和N是煤有机物质的主要组成部分，而Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、P和Fe是煤中无机组成的重要部分，S既是有机物质的重要组成，也是煤中硫化物和硫酸盐矿物的重要组成。

从成因角度来看，煤中常量元素的含量和特征，既反映聚煤环境的地质背景，有时又反映煤层形成后所经历的各种地质作用过程，有助于阐明煤层的成因、煤化作用、区域地质历史演化等基本理论问题；从煤的利用角度看，煤中常量元素含量直接影响煤发热量的高低和煤的加工利用特性，也是在炼焦冶金过程中造成磨损、腐蚀、污染的主要来源。

另外,煤中C、N、S等元素是燃煤过程排放到大气中碳氧化合物、氮氧化物和硫化物的主要来源。

（2）煤中常量元素的测定方法

现在国际上通用的煤中常量元素Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、P和Fe的测试方法为X射线荧光光谱（XRF）、电离耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）和原子吸收（AAS）法。

仪器中子活化分析（INAA）也是测定常量元素中Na、K和Fe的可靠方法。

美国ASTM对用原子吸收测定Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SiO2、Al2O3、TiO2、MnO制定了标准（D3682-87）。

S用化学分析方法测定，并可以给出全硫、黄铁矿硫、硫酸盐硫和有机硫，其中有机硫是用差减法获得。

元素硫在煤中含量很低，一般认为是风化氧化的产物。

（3）煤中常量元素的赋存特点

Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、P和Fe等元素在煤中以不同的形式存在,硅酸盐、氧化物、氢氧化物、硫化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐等矿物是它们在煤中的主要载体，Mg和Ca在低煤阶煤中可以有机态形式存在。

N有时在高煤阶的含煤地层夹矸中以铵伊利石形式存在。

（见表1）

表1常量元素在煤中的主要存在形式

元素

主要存在形式

石英，粘土矿物，硅酸盐和铝硅酸盐

铝的硅酸盐，氢氧化物

硫化物，碳酸盐矿物，氢氧化物，氧化物，硫酸盐和有机态

碳酸盐和粘土矿物低煤阶煤中，可呈有机态

碳酸盐，硫酸盐，磷酸盐，硅酸盐，可呈有机态

以长石，云母，伊利石形式存在

以粘土矿物，硅酸盐，沸石，盐岩形式存在，可成有机态

以硫化物，硫酸盐，有机硫和元素硫形式存在

主要以磷灰石或者其他磷酸盐形式存在

（4）煤中常量元素的指向参数及对煤加工利用的影响

煤中常量元素也是煤灰的主要组成部分，其含量通常以氧化物的形式来表示。

按照这些元素的含量，可以计算出6项灰成分参数，分别是Fe2O3+CaO+MgO、SiO2+Al2O3、（Fe2O3+CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）、Ca/Mg、CaO/Fe2O3、SiO2/Al2O3，这些参数可以用来表示泥炭聚积时的介质条件。

以上6种参数变化很大，这取决于一系列因素，首先是成煤环境，因此这些参数常常被用作聚煤古环境的指标。

但利用煤灰成分作为地球化学指标时，应该选择后生矿化很弱的煤，如果煤的灰分很高，应该考虑该煤是否受到了后生矿物的影响,用它作为成煤环境的地球化学指标时，应剔除该煤中的后生矿物。

因此,在利用煤灰成分作为成煤环境的地球化学指标时，应特别注意综合分析。

煤中常量元素也是评价炼焦用煤和焦炭质量的重要因素。

一般而言，灰成分在焦炭中是有害组分，它的存在会使焦炭中含碳量相对减少，致使高炉中铁水温度下降，渣量增多。

煤中无机常量元素的存在，也影响了煤的液化过程及其产品的质量。

一般而言，在多数煤的液化过程中，无机常量元素是个消极的因素，可以促使催化剂中毒，或者形成一些固体沉淀物附着在反应器内，使转化率下降，增磨耗，恶化热传导，引起堵塞等。

然而，作为煤中常量元素的主要载体的矿物对煤液化转化率的影响，则有他的特殊性，有些矿物对液化具有催化作用。

2.1.2煤中微量元素的研究

（1）煤中微量元素概述

煤中平均丰度≤0.1%的元素为微量元素；几乎包括了元素周期表中的所有元素，达74种以上。

将其分为六类：

Ⅰ类：

As、B、Cd、Hg、Mo、Pb、Se；

Ⅱ类：

Cr、Cu、F、Ni、V、Zn；

Ⅲ类：

Ba、Br、Cl、Co、Ge、Li、Mn、Sr；

Ⅳ类：

Po、Ra、Rn、Th、U；

Ⅴ类：

Ag、Be、Sn、Tl；

Ⅵ类：

除上述5类外的其余微量元素。

微量元素中有些（如Sr、Ba、B等）具有成煤环境的指相意义，有些（如W、Co、Zn等）在煤的利用和转化过程中起催化剂作用，有些（如As、F、Cd等）具有毒性，在煤的开采和加工利用过程中对环境产生影响。

（2）煤中微量元素的赋存状态及研究方法

煤中微量元素的赋存状态多种多样，既可参与到煤的结构中去，也可呈吸附态或单矿物出现。

学者指出，微量元素与煤的结合形式有金属有机化合物、络合物、螯合物或吸附态4种形式。

国外学者提出煤中微量元素赋存状态模式：

呈有机化合态的微量元素主要是与煤中羧基（-COOH）、羟基（-OH）、巯基（-SH）、氨基（-NH）等结合。

微量元素在煤中的存在形式，其中有20种元素（包括碳、硫和微量元素）的聚集取决于以下因素：

被有机质和氢氧化铁吸附、直接包含在有机质成分中、与各种形态的硫有关、被粘土矿物吸附以及直接包含在粘土矿物成分中。

煤中可与有机质形成络合物的元素有：

Ge、V（正3价、正4价）、Y、Mo、Cu（正1价、正2价）、Sn（正2价、正4价）、La与Zn。

络合物的形成及其稳定性取决于元素的下列性质：

1）离子大小和离子电荷的大小（离子小，电荷大的元素能形成较稳定的络合物）；2）化合键的形成和配位数（离子配位数大的络合物稳定,且形成较多的共价键）；3）对氮与氧、硫亲和性的比较（与氮的亲和性越大,络合物越稳定）。

煤中某些微量元素还与煤化程度有关。

在煤化过程中一部分与有机质牢固结合，一部分则脱离有机质形成单独的矿物质，或者被地下水溶解而离开煤层；有些元素则可能随地下水或热液进入煤层。

从气煤到焦煤，煤中Ge、Be、Mo、Co、Ni、Cu、Zn等含量均有所下降。

煤中某些微量元素的富集还与不同的煤岩组分有关。

如Ge富集在镜质组中是普遍现象。

煤中微量元素赋存状态的研究方法很多,可分为间接方法和直接方法。

间接方法有：

浮沉实验，单组分分析，逐级化学提取，低温灰化+X射线衍射，树立统计分析等。

直接方法有：

电子微探针，扫描电镜，能谱或波谱分析，激光诱导探针分析，同步辐射X射线荧光探针，穆斯鲍尔谱等。

间接方法只能在一定程度上反映元素的共生组合和赋存状态，而直接分析中部分方法测试精度和应用范围有限，一些精密仪器的普及率和操作复杂性，也限制了它们的应用。

要全面弄清煤中微量元素的赋存状态,需要二者紧密结合。

（3）煤中微量元素的研究进展

从20世纪60年代起，国外开始研究煤中微量元素，探讨某些有害元素和放射性元素的存在状态及其对环境的影响。

近20年来又开始通过粉煤灰来研究微量元素的浓度与环境的关系，80年代以来随着分析测试技术的发展，广泛研究了煤中微量元素（包括毒性、放射性与腐蚀性元素）的分布赋存规律及其在利用过程中的转化途径。

总结了煤中伴生元素的丰度、赋存规律、测试方法及煤燃烧过程中伴生元素的迁移转化规律与回收利用途径；研究了二叠纪煤中的微量元素；深入探讨了工业用炉中飞灰与微量元素特征；研究了煤中黄铁矿中的砷与铯的微观特征；研究了煤中元素分布；总结了煤中微量元素的分布模式，研究了淋滤实验和迁移转化；在煤地球化学中对植物中元素组成、煤中伴生元素组成、现代沼泽中矿物及煤中矿物、煤的化学结构等的研究成果进行了系统的总结。

此外,还深入探讨了含煤建造的含矿性和各种地球化学障（吸附障、氧化障、还原障、硫化氢障、碳酸障和热动力地球化学障）的成矿作用与成矿类型。

20世纪90年代由于先进测试技术扫描电子显微镜+能谱、波谱分析，电子探针微区分析，高分辨透射电子显微镜+能谱分析，X射线吸收精细结构分析等的广泛使用，促进了煤中微量元素赋存状态的研究。

并且出版了大量有深度的著作。

我国对煤中微量元素的研究始于20世纪70年代末期，主要集中在煤的燃烧产物（灰渣、灰及烟尘）对环境的影响方面。

80年代，通过实验发现卤族元素（Cl、Br和I）和S、Se等在燃烧时几乎全部挥发掉，仅有0~25%留在煤灰中；少数元素如Cs、K和V则部分挥发；而绝大部分元素几乎全部被保留在煤灰中。

学者通过对若干火力发电厂的研究，提出了燃煤过程中微量元素入侵环境的动态序列模型；通过研究火力发电厂燃煤过程中元素在各产物中的分布，依分布特征将元素分为三类；通过研究我国107个煤矿中微量元素的浓度，给出了煤矿样品中微量元素的第一批系统的数据。

进入20世纪最后十年，煤中微量元素的研究得到进一步重视，先后有一大批学者取得了一些突破性进展。

提出了煤中伴生元素分布类型、聚集与扩散模式；通过对煤及其燃烧产物中微量元素的淋滤实验研究，建立了元素的淋滤强度数学模型；通过研究探明了煤中汞、砷的分布、成因类型及赋存状态。

近年通过对煤中有害微量元素进行了详尽的研究，分析了燃煤产物中某些有害微量元素入侵水环境的机制，提出了微量元素富集的5种成因类型；陆源富集型、沉积-生物作用富集型、岩浆-热液作用富集型、深大断裂富集型及地下水作用富集型。

（4）煤中微量元素的研究方向

随着现代分析测试手段和实验技术的不断更新，煤中微量元素的研究趋向于多手段和多方位。

以下诸方面发展趋势值得注意；

（1）煤中微量元素在生态环境中的迁移和环境效应。

这些微量元素对环境的影响是人们最关心的，而其迁移方式和迁移能力又受环境条件的限制。

因此,煤和煤矸石中微量元素及其中的有害元素对环境影响是今后煤中微量元素研究的重点。

（2）煤中微量元素、尤其是有害有毒元素在燃烧过程中释放与分异机理的研究，弄清煤中有毒、有害元素的赋存状态与形成机理，加强有害元素迁移富集的地质因素研究，寻找去除有毒、有害元素的有效方法，力求使燃煤对环境与人体健康所产生的危害降低到最低。

2.1.3煤岩元素研究的不足

虽然各位前辈对煤的元素的地球化学特征做了多方面的研究，但是由于我国对煤岩元素的研究起步较晚，特别是在很长一段时间不能引起足够重视，对于煤岩元素研究的领域还较窄。

对于阳煤集团三矿这样的老矿区，常年来只重如何提升产量，对于地质方面的研究较为深入，但是对本矿区煤岩元素的地球化学特征分析的研究较为薄弱。

3.研究区概况

3.1位置及交通

阳煤集团三矿位于山西省阳泉市西部，距阳泉市中心7.5km，覆盖阳泉市郊区平坦镇的14个自然村庄，井田面积40.46km2（3#煤层）、29.16km2（下部煤层）。

其地理坐标为：

东经113°23′54〞-113°30′43〞，北纬37°52′12〞-37°55′43〞。

井田范围：

北部以矿区独立坐标系纬线106500为界（人为边界）与国阳新能一矿相邻；南部以桃河洪水位线为界（自然边界）与国阳新能二矿隔河相望；西部以矿区独立坐标系经线86600为界（人为边界）与阳煤集团新景矿相邻；东部为以蒙村河为界（自然边界）与阳煤集团四矿（报废）相邻（自然边界）。

三矿交通便利。

往西有石太线沿桃河南岸横穿整个矿区直达太原，与南北同浦线接轨，往东至石家庄与京汉、石德线接轨，矿区内有专用铁路线，经简子沟编组站与石太线接轨。

井田南部有307国道和太旧高速公路，东至石家庄（112km），西至太原（119km）。

矿区四周均有公路直通各个乡镇，形成网状交通运输系统，交通条件及其便利。

3.2自然地理

3.2.1地形地貌

井田位于太行山北段西侧刘备山的南麓中低山区。

井田沟谷纵横，地形陡峭，形成了较为复杂的中低山地貌。

矿区内地势为西北高、东部及南部低，区内最高点是西部的王天垴，海拔标高为1261.1m，最低点为东南部的桃河河床，海拔标高为700m，一般相对高差200—500m。

3.2.2、河流水系

井田河流属海河流域滹沱河水系，桃河是区内最大的河流。

其发源于西部的寿阳高原的落摩寺和界石一带，由西往东流经本区南部，流域面积为490km2，全长76km。

根据阳泉市水文资料，流量平均为0.33m3/s,丰水期水量较大，一般可达到2—8m3/s。

河流流量均受季节影响，春冬季节水量小，旱季有时干涸，夏季水量较大，属于季节性河流。

其支流有：

蒙村河、马家坡及芦湖河沟。

3.3气象

本区属大陆性半干旱气候，根据阳泉市多年来的气象资料，基本情况如下：

（一）、降水量：

历年平均为590mm，最大为866.4mm（1983年），最小为590.4mm（1972年）。

降雨主要集中在七、八、九三个月，占全年总降水量的71—91%。

1961年的8月23日年降水量高达261.5mm，为本区最大降水日。

（二）、蒸发量：

全年平均1885.9mm，最大可达2381.99mm，最小为1319.1mm。

蒸发量为降水量的3—4倍，属于大陆性半干旱气候。

（三）、气温：

年平均气温10.7℃，一月份最低平均为-4℃，极端最低气温为-19.1℃，7月份最高平均气温24.3℃，极端最高气温为40.2℃。

（四）、风速流向：

风向冬春多西北风，夏多东南风，秋季多西风。

年平均风速4-17m/s，最大风速24m/s。

（五）、其它：

历年平均绝对气温湿度为8.9豪巴，最高可达23.3豪巴，最低为1豪巴。

每年的11月地面开始上冻，翌年的3月开始解冻。

冻土最大可达深度600mm。

3.4构造

三矿井田位于阳泉矿区走向北西倾向南西的大单斜构造之西部，地层倾角2—12°，平均为5°左右。

在这个大单斜面上次一级的褶皱构造比较发育，在平面上它们多呈北北东----北东向展布，以波状起伏的短轴褶皱构造为主，呈向背斜相间、斜列式、平列式组合。

在剖面上多以上部比较开阔平缓，下部比较中常或紧闭的平列褶皱为主。

但在一些局部地区也出现一些不协调的层间褶皱。

这些不同形态、不同组合的褶皱群，构成了本区构造的主体。

综合考虑褶皱、断层等组合特征及3#煤层存在局部冲刷、陷落柱比较发育等影响生产的地质因素，井田内地质构造复杂程度确定为Ⅱ类—Ⅰ类（中等偏简单类型）。

本区的褶皱除了在区域构造中桃河向斜的西段横穿本区南部的赛鱼向斜，属于本区最大的一条褶皱构造而外，还有一些次一级的规模较大的褶皱构造。

本区断层不太发育，大中型断层几乎没有，均为落差小于5m的层间小断层比较发育，最大落差4.5m。

它们均系褶皱形成中，层间滑动形成的，因此受褶皱构造所控制。

在平面上一般成群出现。

根据开采揭露，本区落差大于1.0m以上的断层共428条，它们明显具有一些规律,显示出本区断层是在褶皱形成过程中成生的，是褶皱形变的产物，受褶皱构造的控制。

它们是在几组扭裂面的基础上发育起来的，走向以北北西向最发育，北北东向的次之，北东和北西向的两组基本相等，北东东、北西西向的两组较少。

在玫瑰花图上，呈现为对称的形式。

但由于煤层围岩在物理力学性质上的差异，以及层间滑动剧烈程度的不同，导致了这些断层在垂向上分布的不均性。

3.5地层与煤层

3.5.1地层

本区位于阳泉市之西部，地势较高，切割较深，沟谷纵横，地层裸露。

根据地表出露、井下巷道和钻孔的揭露，最老的有奥陶系，最新的为第四系。

本区奥陶系地层在历次勘查中共有11个钻孔和一条井筒、一条斜巷进入此层，揭露地层有下奥陶统亮甲山组、中奥陶统下马家沟组、中奥陶统上马家沟组、中奥陶统峰峰组。

石炭系地层有中石炭统本溪组、上石炭统太原组。

二叠系地层有下二叠统山西组、上二叠统上石盒子组、上二叠统石千峰组。