太原西山煤田煤系锂镓赋存特征及工业前景

刘汉斌，马志斌，郭彦霞，程芳琴

(1.山西大学 资源与环境工程研究所,山西 太原 030006;2.山西省煤炭地质局,山西 太原 030006)

0 引 言

太原西山煤田位于华北板块中部吕梁山东麓太原西山地区，是全国重要的煤炭生产基地，南北长75 km，东西长约30 km，总面积1 885 km2，由西山矿区、古交矿区、清交矿区组成，其中邢家社井田、马兰井田位于古交矿区，杜儿坪井田位于西山矿区。全煤田含可采煤层20层，主采煤层为山西组的2号煤和太原组8号煤。煤中锂、镓作为煤系地层中一种重要的共伴生矿产，近年受到了众多学者的重视[1-6]。煤系地层的锂、镓等稀散元素主要赋存于煤层及煤层夹矸中，煤系锂、镓的开发和利用不仅可增加国家稀散元素战略储量，还可延长煤炭的产业链，提高煤炭的附加值，实现煤炭、煤矸石的清洁高效利用。西山煤田作为国家重要的煤炭生产基地，煤炭产量巨大，同时也产生大量的煤矸石。因此理清西山煤田煤田煤炭地层锂和镓的赋存特征和分布规律具有重要的工业意义和经济价值。

西山煤田煤系锂、镓的研究始于20世纪80年代。卫宏等[7]分析了西山煤田煤层中镓元素的赋存特征以及镓含量与氧化铝、宏观煤岩类型的关系，初步确定了镓的边界工业品位范围。刘新花等[8]根据勘查资料，分析了西山煤田古交矿区煤中镓的分布状况和影响因素，认为煤中镓主要赋存于黏土矿物中，镓含量与灰分、硫分以及煤层厚度有关。孙蓓蕾等[9]、蒲伟等[10]分析了西山煤田马兰矿8号煤及其夹矸、2号煤夹矸的微量与稀土元素地球化学特征，发现夹矸中锂镓含量显著大于煤层中。杨亚丽等[11]分析了杜儿坪井田煤层中夹矸的地球化学特征，发现杜儿坪矿2、3、8号煤层夹矸中锂、镓都超过了工业品位。秦勇等[12]基于煤样测试数据，报道了西山煤田古交矿区煤中镓的资源储量，认为西山煤田煤中镓主要存在于古交矿区山西组地层中。随着煤炭综合勘查、综合开发利用理念的提出以及锂镓分析提取技术的进步和对矿区生态环境的重视，如何提高煤炭的附加值，实现煤炭清洁高效开发利用，消纳已有煤矸石，建设绿色矿山已成为矿区生态环境治理的共识，从煤田的角度全面系统准确评价煤中锂镓赋存特征和工业前景尤为必要。

本文在前人研究的基础上，基于全煤田的角度，分析了西山煤田煤系地层锂镓分布特征和决定因素，讨论了煤和煤矸石锂、镓含量和Al2O3、高岭石、粒度的关系，并且基于目前的研究数据计算和分析了西山煤田煤系锂镓的内蕴资源量和工业前景。

1 分布特征

1.1 煤中锂

锂被认为是“21世纪的能源金属”、“金属味精”、“新能源金属”，广泛应用于原子反应堆、新能源电池等领域，是现代高新科技的支撑，锂资源具有重大的战略意义[13]。煤中锂自20世纪30年代发现以来，国内学者对不同地区、不同成煤时代煤中的锂含量和赋存特征进行了研究[14-21]，孙玉壮等[15-17]在内蒙古准格尔煤田和山西宁武煤田平朔矿区煤系地层中发现了煤中锂的超常富集。西山煤田煤中锂的分析测试数据见表1。

表1西山煤田煤中锂含量与分布
Table1LithiumcontentanddistributionincoalofXishancoalfield

分布区域含量/(μg·g-1)山西组太原组数据来源古交马兰291.60(2号煤夹矸)92.20(8号煤)493.00(8号煤夹矸)文献[9]文献[10]西山杜儿坪109.00(2号煤夹矸)283.00(3号煤夹矸)138.00(8号煤夹矸)文献[11]

从表1看出，西山煤田马兰矿主采煤层8号煤的锂含量显著高于全国煤中锂的平均值(28.94 μg/g)[22]，但小于宁武煤田4、9、11号主采煤层煤中的锂含量[16-20]，与霍州煤田生辉矿9、10、11号煤层锂含量相当[6]。

西山煤田煤层夹矸的锂含量矿区差异性较大，在109.00～493.00 μg/g，但均大于煤层的锂含量。宁武煤田安太堡矿太原组9号煤夹矸锂含量130.63 μg/g，是9号煤锂含量的2.21倍[23];沁水煤田晋城矿区太原组15号煤夹矸锂含量233.50 μg/g，是晋城矿区15号煤层锂含量的1.24倍[24];准格尔煤田串草圪旦矿4号夹矸锂含量为84.7 μg/g，是4号煤锂含量的1.17倍[23];马兰矿8号煤夹矸的锂含量达到煤层锂含量的5倍。已有研究表明，煤中锂的富集主要与煤中黏土矿物含量有关[14-21,24]，西山煤田夹矸中锂含量明显大于煤层，可能与夹矸中黏土矿物含量远大于煤中有关。马兰2号煤夹矸的高岭石含量为75.60%～84.70[10]，平均80.65%。

综上，西山煤田煤中锂含量高于与全国煤中锂的平均值，但小于山西其他地区和煤中锂的最低工业品位。煤层夹矸中锂含量高于煤层，超过建议的煤中锂最低回收指标[20]。

1.2 煤中镓

镓是一种重要战略金属，被称为“电子工业的脊梁”[25],也是煤中稀有金属元素分布最为广泛的[3]。代世峰等[26]发现内蒙古准格尔超大型镓矿床，王文峰等[27]分析了准格尔煤田煤中镓的分布赋存与富集成因，孙玉壮等[17]、李昌盛等[28]分析了宁武煤田和河东煤田煤中镓的分布特征和工业前景。

西山煤田已有煤中镓含量与分布见表2，可以看出，西山煤田煤中镓的平均含量为12.20～25.00 μg/g，大于山西煤中镓的平均值(13.68 μg/g)[29]，但小于镓的最低工业品位(30 μg/g)[22]。山西组煤、太原组煤中镓的平均含量分别为22.03、13.15 μg/g，山西组煤中镓含量是太原组的1.68倍。煤中镓含量一般不大于20 μg/g，平均5～10 μg/g[30]，我国C-P煤中镓的平均含量为17.90 μg/g[29]。煤中镓的高含量在我国含煤地层较普遍，在内蒙古和山西北部广泛存在，是常见的煤中共伴生稀有稀散元素之一[5]。山西大同煤田魏家沟矿区山西组2号煤[6]，宁武煤田平朔矿区山西组4号煤、太原组11号煤[17]，沁水煤田阳泉坪头矿区太原组9号煤[6]，镓含量均大于30 μg/g。西山煤田山西组煤中镓平均含量为22.03 μg/g，太原组煤中镓的平均含量为14.08 μg/g，均小于煤中镓的最低工业品位。

与煤相比，西山煤田煤层夹矸中镓含量普遍较高，在37.0～63.75 μg/g，平均44.83 μg/g，明显大于煤层的镓含量，也超过煤中镓的工业指标。已有研究表明，煤层夹矸的镓含量大于煤层较普遍，如宁武煤田安太堡矿9号煤夹矸镓含量22.22 μg/g，是9号煤镓含量的1.23倍[23];准格尔煤田串草圪旦矿4号煤夹矸镓含量为42.17 μg/g，是4号煤镓含量的1.57倍[23];西山煤田马兰矿8号煤夹矸镓含量是煤层的3.58倍。煤层夹矸锂、镓含量大于煤层，可能与夹矸的灰分大于煤层有关。

表2西山煤田煤中镓含量与分布
Table2GalliumcontentanddistributionincoalofXishancoalfield

分布区域含量/(μg·g-1)山西组太原组数据来源古交邢家社20.02(02号煤)25.00(03号煤)18.90(2号煤)24.20(4号煤)12.60(6号煤)14.90(7号煤)12.90(8号煤)12.20(9号煤)文献[8]古交马兰40.38(2煤夹矸)17.82(8号煤)63.75(8号煤夹矸)文献[9]文献[10]西山杜儿坪43.00(2煤夹矸)40.00(3煤夹矸)37.00(8煤夹矸)文献[11]

综上，西山煤田煤中镓含量高于山西煤，但小于煤中镓的最低工业品位。煤层夹矸的镓含量明显高于煤层，超过建议的煤中镓最低工业品位[22]。垂向上，山西组煤的镓含量高于太原组，此特征与河东煤田已有研究结果一致[28]，说明沉积环境是煤中镓含量的主控因素[26-28]。

2 锂、镓赋存规律

2.1 与煤中Al2O3的关系

煤中锂主要存在于铝硅酸盐中[21]，煤中镓主要以类质同相取代Al存在[29]，锂、镓含量与Al2O3含量有关[5,7]，Al2O3含量高的地区，锂、镓元素的富集程度也较高[21,27]。根据煤中Al2O3含量的计算公式(煤中Al2O3含量=煤中灰分×灰分中Al2O3含量)[8-10]，计算得到西山煤田古交矿区煤中Al2O3含量与煤中镓含量的关系(图1)和马兰矿区8号煤层和夹矸中Al2O3的含量与锂含量的关系(图2)。可以看出，煤与夹矸中锂、镓含量跟煤中Al2O3含量呈正相关关系。

图1 西山煤田古交矿区煤中镓含量与Al2O3含量关系Fig.1 Relationship between gallium content and Al2O3 content in coal of Gujiao mining area in Xishan coalfield

图2 西山煤田马兰矿区煤层和夹矸中锂含量与Al2O3含量关系Fig.2 Relationship between lithium content and Al2O3 content in coal and partings in Malan mining area,Xishan coalfield

2.2 与高岭石的关系

煤中锂、镓含量与高岭石、勃姆石、伊利石等黏土土矿物有关[15-21,24-27,31-33]，煤中镓含量主要与高岭石、勃姆石有关[19,21,26-27]，煤中锂含量主要氨伊利石有关[24]。西山煤田夹矸的矿物组成以高岭石、石英为主[9-11]。根据研究数据[10]得到西山煤田马兰矿区2号煤夹矸中锂、镓含量与高岭石含量的关系(图3)。可以看出，夹矸中镓含量与高岭石含量呈正相关关系，锂含量与高岭石含量相关关系不明显。

图3 西山煤田夹矸中高岭石含量与镓、锂含量的关系Fig.3 Relationship between gallium and lithium content and kaolinite content in partings in Xishan coalfield

2.3 与粒度的关系

不同粒径黏土矿物对微量元素的吸附不同，矿物种类也有区别。根据研究数据[10]得到西山煤田马兰矿区2号煤不同粒径夹矸中镓、锂的含量(图4)。可以看出，煤中锂、镓均富集于>2 μm的夹矸中，其中锂富集于50～60 μm粒径的夹矸中，镓在>2 μm的粒径中分布不明显。

图4 西山煤田不同粒级夹矸中锂、镓含量Fig.4 Lithium and gallium content of different size fractions gangue in Xishan coalfield

由于煤中黏土矿物中各矿物的硬度差异，高岭石的晶形较大，无法研磨，因此导致高岭石均赋存于粗颗粒中，而在<2 μm的细颗粒中含量较少，因此煤中锂、镓较多赋存于粗颗粒夹矸中，而在细颗粒夹矸中含量较少。

3 内蕴资源量估算与工业前景分析

3.1 内蕴资源量估算

秦勇等[12]估算西山煤田古交矿区煤中镓资源总量为6.84万t，其中贫矿4.58万t，富矿2.26万t。杨亚丽等[11]估算杜儿坪矿区煤层夹矸中镓预计资源量达1 000多t，锂预计资源量可达2 760～7 165 t。西山煤田马兰矿区煤炭的可采储量 60 272万t[9]，按矸石排放量相当于煤炭产量的12%计算[34]，煤矸石储量约为7 233万t。根据表1，马兰矿区煤层夹矸中锂含量为291.6～493 μg/g，镓含量为40.38～63.75 μg/g，估算出西山煤田马兰矿区煤层夹矸中锂、镓内蕴资源量分别为2.11万～3.57万t和0.29万～0.46万t，西山煤田煤系锂、镓内蕴资源量分别为2.39万t和7.10万t(表3)。

表3西山煤田煤系锂、镓内蕴资源量
Table3LithiumandgalliumestimatedresourcereservesincoalinXishancoalfield

分布区域内蕴资源量/万t煤中镓夹矸中镓夹矸中锂古交矿区6.84——马兰矿区—0.29～0.462.11～3.57杜儿坪矿区—0.100.28～0.72合计7.23～7.102.39～4.29

3.2 边界品位与最低工业品位

边界品位又称为边际品位，是区分矿与非矿的最低标准[35]。最低工业品位又称最低工业可采品位或最低平均可采品位，是指在现行经济技术条件下，工业上能够盈利的最低品位[35]。秦勇等[12]认为煤中镓的边界品位为30 μg/g，最低工业品位为50 μg/g，粉煤灰中镓的边界品位为110 μg/g,最低工业品位160 μg/g。基于煤层厚度、煤的灰分等，代世峰等[3]认为具有开发价值的煤中镓含量至少应为50 μg/g，同时煤灰分中Al2O3含量应大于50%。孙玉壮等[22]认为煤中锂的回收利用指标为120 μg/g。但截至目前，关于煤矸石中锂、镓边界品位和工业品位尚无建议标准。

马兰矿区8号煤夹矸灰分含量平均为64.86%，Al2O3含量为28.68%，8号煤灰分为17.92%，Al2O3含量为38.48%，2号煤夹矸烧失量为26.61%，Al2O3含量为9.79%。杜儿坪矿区2、3、8号煤夹矸中Al2O3含量为26.14%～46.50%，平均26.20%。古交邢家社矿区山西组煤的平均灰分为26.70%，Al2O3含量为34.10%，太原组的平均灰分为20.09%，Al2O3含量为25.63%。依据《稀有金属矿产地质勘查规范》(DZ/T 0203—2002)，伴生氧化锂(Li2O)的综合回收参考性工业指标为≥0.2%(Li2O)计算，煤矸石中锂的最低回收指标为933 μg/g，综合考虑煤矸灰分和烧失量，建议煤矸石中锂的最低回收指标应为600 μg/g。参考粉煤灰中镓的边界品位，同时考虑煤矸石的灰分和烧失量，确定夹矸中镓的边界品位为70 μg/g，最低工业品位为104 μg/g。考虑不同矿区灰分差异较大，确定马兰矿区煤中锂的回收指标为167 μg/g，邢家社矿区煤中锂的回收指标为187 μg/g。

3.3 工业前景分析

马兰矿区8号煤锂含量为92.29 μg/g，夹矸中锂含量为109.00～493.00 μg/g，均小于西山煤田煤和煤矸石中锂的最低回收指标，即在目前技术条件下，西山煤田煤中锂不具有工业开发价值。煤中镓的含量为12.20～25.00 μg/g，小于煤中镓30 μg/g的边界品位，但邢家社矿区山西组03号煤层接近镓的边界品位。夹矸中镓的含量为37.00～63.75 μg/g，总体小于夹矸中镓的70 μg/g边界品位，但马兰矿区8号煤夹矸接近夹矸中镓的边界品位。总体来看，西山煤田煤系锂、镓储量巨大，但在目前经济技术条件下，煤系锂不具有工业开发价值，古交邢家社矿区山西组下部煤层和马兰矿区8号煤夹矸中镓接近煤和夹矸中镓的边界品位，具有潜在的工业价值。

4 结 论

1)太原西山煤田煤中锂含量高于与全国煤，煤中镓的含量大于山西煤。煤层夹矸中锂、镓含量明显高于煤层，但小于夹矸中锂镓的边界品位。垂向上，山西组煤的锂、镓含量高于太原组，但夹矸中此特征不明显。

2)西山煤田煤中锂、镓和煤中Al2O3含量呈正相关关系，且较多地赋存于粗颗粒夹矸中，而在细颗粒夹矸中含量较少。

3)煤中镓和高岭石含量呈正相关关系，但煤中锂含量和高岭石关系不明显。

4)西山煤田煤系地层锂、镓的内蕴资源量为分别为2.39万t和7.10万t，但在目前经济技术条件下，锂不具有工业开发价值，古交邢家社矿区山西组下部煤层和马兰矿区8号煤夹矸中镓接近煤和夹矸中镓的边界品位，具有潜在的工业价值。