太原西山煤田煤系鋰鎵賦存特征及工業(yè)前景

劉漢斌，馬志斌，郭彥霞，程芳琴

(1.山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所,山西 太原 030006;2.山西省煤炭地質(zhì)局,山西 太原 030006)

0 引 言

太原西山煤田位于華北板塊中部呂梁山東麓太原西山地區(qū)，是全國重要的煤炭生產(chǎn)基地，南北長75 km，東西長約30 km，總面積1 885 km2，由西山礦區(qū)、古交礦區(qū)、清交礦區(qū)組成，其中邢家社井田、馬蘭井田位于古交礦區(qū)，杜兒坪井田位于西山礦區(qū)。全煤田含可采煤層20層，主采煤層為山西組的2號煤和太原組8號煤。煤中鋰、鎵作為煤系地層中一種重要的共伴生礦產(chǎn)，近年受到了眾多學(xué)者的重視[1-6]。煤系地層的鋰、鎵等稀散元素主要賦存于煤層及煤層夾矸中，煤系鋰、鎵的開發(fā)和利用不僅可增加國家稀散元素戰(zhàn)略儲量，還可延長煤炭的產(chǎn)業(yè)鏈，提高煤炭的附加值，實現(xiàn)煤炭、煤矸石的清潔高效利用。西山煤田作為國家重要的煤炭生產(chǎn)基地，煤炭產(chǎn)量巨大，同時也產(chǎn)生大量的煤矸石。因此理清西山煤田煤田煤炭地層鋰和鎵的賦存特征和分布規(guī)律具有重要的工業(yè)意義和經(jīng)濟價值。

西山煤田煤系鋰、鎵的研究始于20世紀80年代。衛(wèi)宏等[7]分析了西山煤田煤層中鎵元素的賦存特征以及鎵含量與氧化鋁、宏觀煤巖類型的關(guān)系，初步確定了鎵的邊界工業(yè)品位范圍。劉新花等[8]根據(jù)勘查資料，分析了西山煤田古交礦區(qū)煤中鎵的分布狀況和影響因素，認為煤中鎵主要賦存于黏土礦物中，鎵含量與灰分、硫分以及煤層厚度有關(guān)。孫蓓蕾等[9]、蒲偉等[10]分析了西山煤田馬蘭礦8號煤及其夾矸、2號煤夾矸的微量與稀土元素地球化學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)夾矸中鋰鎵含量顯著大于煤層中。楊亞麗等[11]分析了杜兒坪井田煤層中夾矸的地球化學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)杜兒坪礦2、3、8號煤層夾矸中鋰、鎵都超過了工業(yè)品位。秦勇等[12]基于煤樣測試數(shù)據(jù)，報道了西山煤田古交礦區(qū)煤中鎵的資源儲量，認為西山煤田煤中鎵主要存在于古交礦區(qū)山西組地層中。隨著煤炭綜合勘查、綜合開發(fā)利用理念的提出以及鋰鎵分析提取技術(shù)的進步和對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的重視，如何提高煤炭的附加值，實現(xiàn)煤炭清潔高效開發(fā)利用，消納已有煤矸石，建設(shè)綠色礦山已成為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的共識，從煤田的角度全面系統(tǒng)準確評價煤中鋰鎵賦存特征和工業(yè)前景尤為必要。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于全煤田的角度，分析了西山煤田煤系地層鋰鎵分布特征和決定因素，討論了煤和煤矸石鋰、鎵含量和Al2O3、高嶺石、粒度的關(guān)系，并且基于目前的研究數(shù)據(jù)計算和分析了西山煤田煤系鋰鎵的內(nèi)蘊資源量和工業(yè)前景。

1 分布特征

1.1 煤中鋰

鋰被認為是“21世紀的能源金屬”、“金屬味精”、“新能源金屬”，廣泛應(yīng)用于原子反應(yīng)堆、新能源電池等領(lǐng)域，是現(xiàn)代高新科技的支撐，鋰資源具有重大的戰(zhàn)略意義[13]。煤中鋰自20世紀30年代發(fā)現(xiàn)以來，國內(nèi)學(xué)者對不同地區(qū)、不同成煤時代煤中的鋰含量和賦存特征進行了研究[14-21]，孫玉壯等[15-17]在內(nèi)蒙古準格爾煤田和山西寧武煤田平朔礦區(qū)煤系地層中發(fā)現(xiàn)了煤中鋰的超常富集。西山煤田煤中鋰的分析測試數(shù)據(jù)見表1。

表1西山煤田煤中鋰含量與分布
Table1LithiumcontentanddistributionincoalofXishancoalfield

分布區(qū)域含量/(μg·g-1)山西組太原組數(shù)據(jù)來源古交馬蘭291.60(2號煤夾矸)92.20(8號煤)493.00(8號煤夾矸)文獻[9]文獻[10]西山杜兒坪109.00(2號煤夾矸)283.00(3號煤夾矸)138.00(8號煤夾矸)文獻[11]

從表1看出，西山煤田馬蘭礦主采煤層8號煤的鋰含量顯著高于全國煤中鋰的平均值(28.94 μg/g)[22]，但小于寧武煤田4、9、11號主采煤層煤中的鋰含量[16-20]，與霍州煤田生輝礦9、10、11號煤層鋰含量相當[6]。

西山煤田煤層夾矸的鋰含量礦區(qū)差異性較大，在109.00～493.00 μg/g，但均大于煤層的鋰含量。寧武煤田安太堡礦太原組9號煤夾矸鋰含量130.63 μg/g，是9號煤鋰含量的2.21倍[23];沁水煤田晉城礦區(qū)太原組15號煤夾矸鋰含量233.50 μg/g，是晉城礦區(qū)15號煤層鋰含量的1.24倍[24];準格爾煤田串草圪旦礦4號夾矸鋰含量為84.7 μg/g，是4號煤鋰含量的1.17倍[23];馬蘭礦8號煤夾矸的鋰含量達到煤層鋰含量的5倍。已有研究表明，煤中鋰的富集主要與煤中黏土礦物含量有關(guān)[14-21,24]，西山煤田夾矸中鋰含量明顯大于煤層，可能與夾矸中黏土礦物含量遠大于煤中有關(guān)。馬蘭2號煤夾矸的高嶺石含量為75.60%～84.70[10]，平均80.65%。

綜上，西山煤田煤中鋰含量高于與全國煤中鋰的平均值，但小于山西其他地區(qū)和煤中鋰的最低工業(yè)品位。煤層夾矸中鋰含量高于煤層，超過建議的煤中鋰最低回收指標[20]。

1.2 煤中鎵

鎵是一種重要戰(zhàn)略金屬，被稱為“電子工業(yè)的脊梁”[25],也是煤中稀有金屬元素分布最為廣泛的[3]。代世峰等[26]發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古準格爾超大型鎵礦床，王文峰等[27]分析了準格爾煤田煤中鎵的分布賦存與富集成因，孫玉壯等[17]、李昌盛等[28]分析了寧武煤田和河?xùn)|煤田煤中鎵的分布特征和工業(yè)前景。

西山煤田已有煤中鎵含量與分布見表2，可以看出，西山煤田煤中鎵的平均含量為12.20～25.00 μg/g，大于山西煤中鎵的平均值(13.68 μg/g)[29]，但小于鎵的最低工業(yè)品位(30 μg/g)[22]。山西組煤、太原組煤中鎵的平均含量分別為22.03、13.15 μg/g，山西組煤中鎵含量是太原組的1.68倍。煤中鎵含量一般不大于20 μg/g，平均5～10 μg/g[30]，我國C-P煤中鎵的平均含量為17.90 μg/g[29]。煤中鎵的高含量在我國含煤地層較普遍，在內(nèi)蒙古和山西北部廣泛存在，是常見的煤中共伴生稀有稀散元素之一[5]。山西大同煤田魏家溝礦區(qū)山西組2號煤[6]，寧武煤田平朔礦區(qū)山西組4號煤、太原組11號煤[17]，沁水煤田陽泉坪頭礦區(qū)太原組9號煤[6]，鎵含量均大于30 μg/g。西山煤田山西組煤中鎵平均含量為22.03 μg/g，太原組煤中鎵的平均含量為14.08 μg/g，均小于煤中鎵的最低工業(yè)品位。

與煤相比，西山煤田煤層夾矸中鎵含量普遍較高，在37.0～63.75 μg/g，平均44.83 μg/g，明顯大于煤層的鎵含量，也超過煤中鎵的工業(yè)指標。已有研究表明，煤層夾矸的鎵含量大于煤層較普遍，如寧武煤田安太堡礦9號煤夾矸鎵含量22.22 μg/g，是9號煤鎵含量的1.23倍[23];準格爾煤田串草圪旦礦4號煤夾矸鎵含量為42.17 μg/g，是4號煤鎵含量的1.57倍[23];西山煤田馬蘭礦8號煤夾矸鎵含量是煤層的3.58倍。煤層夾矸鋰、鎵含量大于煤層，可能與夾矸的灰分大于煤層有關(guān)。

表2西山煤田煤中鎵含量與分布
Table2GalliumcontentanddistributionincoalofXishancoalfield

分布區(qū)域含量/(μg·g-1)山西組太原組數(shù)據(jù)來源古交邢家社20.02(02號煤)25.00(03號煤)18.90(2號煤)24.20(4號煤)12.60(6號煤)14.90(7號煤)12.90(8號煤)12.20(9號煤)文獻[8]古交馬蘭40.38(2煤夾矸)17.82(8號煤)63.75(8號煤夾矸)文獻[9]文獻[10]西山杜兒坪43.00(2煤夾矸)40.00(3煤夾矸)37.00(8煤夾矸)文獻[11]

綜上，西山煤田煤中鎵含量高于山西煤，但小于煤中鎵的最低工業(yè)品位。煤層夾矸的鎵含量明顯高于煤層，超過建議的煤中鎵最低工業(yè)品位[22]。垂向上，山西組煤的鎵含量高于太原組，此特征與河?xùn)|煤田已有研究結(jié)果一致[28]，說明沉積環(huán)境是煤中鎵含量的主控因素[26-28]。

2 鋰、鎵賦存規(guī)律

2.1 與煤中Al2O3的關(guān)系

煤中鋰主要存在于鋁硅酸鹽中[21]，煤中鎵主要以類質(zhì)同相取代Al存在[29]，鋰、鎵含量與Al2O3含量有關(guān)[5,7]，Al2O3含量高的地區(qū)，鋰、鎵元素的富集程度也較高[21,27]。根據(jù)煤中Al2O3含量的計算公式(煤中Al2O3含量=煤中灰分×灰分中Al2O3含量)[8-10]，計算得到西山煤田古交礦區(qū)煤中Al2O3含量與煤中鎵含量的關(guān)系(圖1)和馬蘭礦區(qū)8號煤層和夾矸中Al2O3的含量與鋰含量的關(guān)系(圖2)。可以看出，煤與夾矸中鋰、鎵含量跟煤中Al2O3含量呈正相關(guān)關(guān)系。

圖1 西山煤田古交礦區(qū)煤中鎵含量與Al2O3含量關(guān)系Fig.1 Relationship between gallium content and Al2O3 content in coal of Gujiao mining area in Xishan coalfield

圖2 西山煤田馬蘭礦區(qū)煤層和夾矸中鋰含量與Al2O3含量關(guān)系Fig.2 Relationship between lithium content and Al2O3 content in coal and partings in Malan mining area,Xishan coalfield

2.2 與高嶺石的關(guān)系

煤中鋰、鎵含量與高嶺石、勃姆石、伊利石等黏土土礦物有關(guān)[15-21,24-27,31-33]，煤中鎵含量主要與高嶺石、勃姆石有關(guān)[19,21,26-27]，煤中鋰含量主要氨伊利石有關(guān)[24]。西山煤田夾矸的礦物組成以高嶺石、石英為主[9-11]。根據(jù)研究數(shù)據(jù)[10]得到西山煤田馬蘭礦區(qū)2號煤夾矸中鋰、鎵含量與高嶺石含量的關(guān)系(圖3)?？梢钥闯?，夾矸中鎵含量與高嶺石含量呈正相關(guān)關(guān)系，鋰含量與高嶺石含量相關(guān)關(guān)系不明顯。

圖3 西山煤田夾矸中高嶺石含量與鎵、鋰含量的關(guān)系Fig.3 Relationship between gallium and lithium content and kaolinite content in partings in Xishan coalfield

2.3 與粒度的關(guān)系

不同粒徑黏土礦物對微量元素的吸附不同，礦物種類也有區(qū)別。根據(jù)研究數(shù)據(jù)[10]得到西山煤田馬蘭礦區(qū)2號煤不同粒徑夾矸中鎵、鋰的含量(圖4)?？梢钥闯觯褐袖?、鎵均富集于>2 μm的夾矸中，其中鋰富集于50～60 μm粒徑的夾矸中，鎵在>2 μm的粒徑中分布不明顯。

圖4 西山煤田不同粒級夾矸中鋰、鎵含量Fig.4 Lithium and gallium content of different size fractions gangue in Xishan coalfield

由于煤中黏土礦物中各礦物的硬度差異，高嶺石的晶形較大，無法研磨，因此導(dǎo)致高嶺石均賦存于粗顆粒中，而在<2 μm的細顆粒中含量較少，因此煤中鋰、鎵較多賦存于粗顆粒夾矸中，而在細顆粒夾矸中含量較少。

3 內(nèi)蘊資源量估算與工業(yè)前景分析

3.1 內(nèi)蘊資源量估算

秦勇等[12]估算西山煤田古交礦區(qū)煤中鎵資源總量為6.84萬t，其中貧礦4.58萬t，富礦2.26萬t。楊亞麗等[11]估算杜兒坪礦區(qū)煤層夾矸中鎵預(yù)計資源量達1 000多t，鋰預(yù)計資源量可達2 760～7 165 t。西山煤田馬蘭礦區(qū)煤炭的可采儲量 60 272萬t[9]，按矸石排放量相當于煤炭產(chǎn)量的12%計算[34]，煤矸石儲量約為7 233萬t。根據(jù)表1，馬蘭礦區(qū)煤層夾矸中鋰含量為291.6～493 μg/g，鎵含量為40.38～63.75 μg/g，估算出西山煤田馬蘭礦區(qū)煤層夾矸中鋰、鎵內(nèi)蘊資源量分別為2.11萬～3.57萬t和0.29萬～0.46萬t，西山煤田煤系鋰、鎵內(nèi)蘊資源量分別為2.39萬t和7.10萬t(表3)。

表3西山煤田煤系鋰、鎵內(nèi)蘊資源量
Table3LithiumandgalliumestimatedresourcereservesincoalinXishancoalfield

分布區(qū)域內(nèi)蘊資源量/萬t煤中鎵夾矸中鎵夾矸中鋰古交礦區(qū)6.84——馬蘭礦區(qū)—0.29～0.462.11～3.57杜兒坪礦區(qū)—0.100.28～0.72合計7.23～7.102.39～4.29

3.2 邊界品位與最低工業(yè)品位

邊界品位又稱為邊際品位，是區(qū)分礦與非礦的最低標準[35]。最低工業(yè)品位又稱最低工業(yè)可采品位或最低平均可采品位，是指在現(xiàn)行經(jīng)濟技術(shù)條件下，工業(yè)上能夠盈利的最低品位[35]。秦勇等[12]認為煤中鎵的邊界品位為30 μg/g，最低工業(yè)品位為50 μg/g，粉煤灰中鎵的邊界品位為110 μg/g,最低工業(yè)品位160 μg/g?；诿簩雍穸?、煤的灰分等，代世峰等[3]認為具有開發(fā)價值的煤中鎵含量至少應(yīng)為50 μg/g，同時煤灰分中Al2O3含量應(yīng)大于50%。孫玉壯等[22]認為煤中鋰的回收利用指標為120 μg/g。但截至目前，關(guān)于煤矸石中鋰、鎵邊界品位和工業(yè)品位尚無建議標準。

馬蘭礦區(qū)8號煤夾矸灰分含量平均為64.86%，Al2O3含量為28.68%，8號煤灰分為17.92%，Al2O3含量為38.48%，2號煤夾矸燒失量為26.61%，Al2O3含量為9.79%。杜兒坪礦區(qū)2、3、8號煤夾矸中Al2O3含量為26.14%～46.50%，平均26.20%。古交邢家社礦區(qū)山西組煤的平均灰分為26.70%，Al2O3含量為34.10%，太原組的平均灰分為20.09%，Al2O3含量為25.63%。依據(jù)《稀有金屬礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0203—2002)，伴生氧化鋰(Li2O)的綜合回收參考性工業(yè)指標為≥0.2%(Li2O)計算，煤矸石中鋰的最低回收指標為933 μg/g，綜合考慮煤矸灰分和燒失量，建議煤矸石中鋰的最低回收指標應(yīng)為600 μg/g。參考粉煤灰中鎵的邊界品位，同時考慮煤矸石的灰分和燒失量，確定夾矸中鎵的邊界品位為70 μg/g，最低工業(yè)品位為104 μg/g。考慮不同礦區(qū)灰分差異較大，確定馬蘭礦區(qū)煤中鋰的回收指標為167 μg/g，邢家社礦區(qū)煤中鋰的回收指標為187 μg/g。

3.3 工業(yè)前景分析

馬蘭礦區(qū)8號煤鋰含量為92.29 μg/g，夾矸中鋰含量為109.00～493.00 μg/g，均小于西山煤田煤和煤矸石中鋰的最低回收指標，即在目前技術(shù)條件下，西山煤田煤中鋰不具有工業(yè)開發(fā)價值。煤中鎵的含量為12.20～25.00 μg/g，小于煤中鎵30 μg/g的邊界品位，但邢家社礦區(qū)山西組03號煤層接近鎵的邊界品位。夾矸中鎵的含量為37.00～63.75 μg/g，總體小于夾矸中鎵的70 μg/g邊界品位，但馬蘭礦區(qū)8號煤夾矸接近夾矸中鎵的邊界品位?？傮w來看，西山煤田煤系鋰、鎵儲量巨大，但在目前經(jīng)濟技術(shù)條件下，煤系鋰不具有工業(yè)開發(fā)價值，古交邢家社礦區(qū)山西組下部煤層和馬蘭礦區(qū)8號煤夾矸中鎵接近煤和夾矸中鎵的邊界品位，具有潛在的工業(yè)價值。

4 結(jié) 論

1)太原西山煤田煤中鋰含量高于與全國煤，煤中鎵的含量大于山西煤。煤層夾矸中鋰、鎵含量明顯高于煤層，但小于夾矸中鋰鎵的邊界品位。垂向上，山西組煤的鋰、鎵含量高于太原組，但夾矸中此特征不明顯。

2)西山煤田煤中鋰、鎵和煤中Al2O3含量呈正相關(guān)關(guān)系，且較多地賦存于粗顆粒夾矸中，而在細顆粒夾矸中含量較少。

3)煤中鎵和高嶺石含量呈正相關(guān)關(guān)系，但煤中鋰含量和高嶺石關(guān)系不明顯。

4)西山煤田煤系地層鋰、鎵的內(nèi)蘊資源量為分別為2.39萬t和7.10萬t，但在目前經(jīng)濟技術(shù)條件下，鋰不具有工業(yè)開發(fā)價值，古交邢家社礦區(qū)山西組下部煤層和馬蘭礦區(qū)8號煤夾矸中鎵接近煤和夾矸中鎵的邊界品位，具有潛在的工業(yè)價值。