如何在知名期刊上发表论文

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《煤炭学报》是由中国煤炭学会主办，北大核心期刊、综合影响因子2.125。煤炭学报主要刊载与煤炭科学技术相关的基础理论和重大工程研究的理论成果，为传播煤炭科学技术起到了重要的作用。

《煤炭学报》在包括10名中国科学院、中国工程院院士的编委会领导下，每年都制定了明确的报道重点，使刊物能紧紧围绕煤炭重大科技攻关项目发表相关的基础理论论文。本刊发表的论文反映了煤炭科学技术的最新研究成果，起到了促进煤炭科学技术交流和发展的龙头作用，为繁荣煤炭科学技术事业作出了重要贡献。

摘 要 煤中常量、微量元素和矿物的富集往往是多种地质因素共同作用的结果。运用低温灰化、X射线衍射分析、带能谱仪的扫描电子显微镜、逐级化学提取、电离耦合等离子体质谱等方法对云南砚山晚二叠世煤的矿物学和地球化学特征进行了研究，提出了煤中微量元素和矿物富集的同沉积火山灰与海底喷流复合模式(或成因类型)。研究发现，砚山矿区M9煤层硫分含量很高(St，d=10.65%)，属于超高有机硫煤(So，d=9.51%)。矿物组成主要有β-石英副像、透长石、钠长石、白云母、伊利石、黄铁矿以及少量的高岭石、斜长石、钙镁黄长石、金红石和片钠铝石。煤中高度富集的微量元素F(841μg/g)，V(567μg/g)，Cr(329μg/g)，Ni(74μg/g)，Mo(204μg/g)和U(153μg/g)。该煤中的矿物质主要有3个来源:①高温石英、透长石、白云母和伊利石等是泥炭聚积期间酸性火山灰降落到泥炭沼泽后的产物②钠长石和片钠铝石以及以上超常富集的微量元素是在泥炭聚积期间，基性-超基性海底喷流侵入到闭塞缺氧的泥炭沼泽中所致③稀土元素，Nb，Y，Zr和TiO2等亲石元素来源于盆地南部的越北古陆。除了物源供给以外，砚山矿区煤的矿物学和地球化学异常是同沉积酸性火山灰和基性-超基性海底喷流共同作用的结果。

任德贻煤岩学和煤地球化学论文选辑

煤中常量和微量元素以及矿物是煤形成和演化地质历史过程的产物，Ren等人［1］和任德贻等人［2］总结了煤中微量元素富集的成因机理，并提出了5种富集模式，即陆源富集型、沉积的生物作用富集型、岩浆热液作用富集型、深大断裂-热液作用富集型和地下水作用富集型。含煤地层中的火山灰蚀变黏土岩夹矸(Tonstein)对研究区域地质历史演化和煤层对比等方面具有重要作用［3，4］。对中国西南地区晚二叠世煤中发育的Tonstein的研究表明［4～6］，晚二叠世早期的火山喷发以碱性火山灰为主，晚二叠世中晚期以酸性为主。煤中的Tonstein可能会对煤的地球化学特征产生重要影响［7］。影响西南地区晚二叠世煤中微量金属元素富集的因素很多，但低温热液是主控因素［8，9］。赋存在煤中的同沉积火山灰(分布在煤中有机质中的火山灰，不包括Tonstein)有较少报道［7］，而海底喷流对煤中矿物和元素富集的影响尚未见诸报道。本文对云南砚山局限碳酸盐台地型煤层的矿物学和地球化学进行了研究，提出了煤中矿物和微量元素富集的同沉积火山灰与海底喷流复合模式。该文提出的煤中微量元素和矿物的富集模式，可以为新型金属矿床的寻找提供借鉴。

一、地质背景

砚山矿区位于云南省东南部(图1)，其含煤地层为上二叠统吴家坪组(P2w)和长兴组(P2ch)［10］，该区M9煤层是典型的局限碳酸盐台地型煤层。M9煤层位于上二叠统吴家坪组的中部，厚度为1.91m，其顶板为富含生物碎屑的隐晶灰岩，底板为炭质泥岩或含炭泥灰岩。含煤沉积的主要物源来自盆地南部的越北古陆(图1)。

图1 砚山矿区位置图和晚二叠世古地理图

二、研究方法

共采集砚山干河M9煤层全层刻槽样品3个，编号分别为YS-1，YS-2和YG。同时，自上而下共采分层刻槽样品3个，编号分别是Y-3-1，Y-3-2和Y-3-3，这3个分层的厚度分别为0.70，0.67和0.54m。

运用光学显微镜、带能谱仪的扫描电子显微镜、低温灰化和X射线衍射仪对矿物的种类、存在状态进行了研究。利用显微镜光度计对煤中显微组分的形态和镜质组反射率进行了测定。运用X射线荧光光谱仪对煤中常量元素的含量进行了测定，F和Hg分别运用离子选择性电极和冷原子吸收光谱法进行了测定，Cl采用艾士卡混合剂熔样-硫氰酸钾滴定法测定B利用电离耦合等离子体原子发射光谱测定其他微量元素采用电离耦合等离子体质谱进行了测定。

三、结果与讨论

1.煤化学特征

云南砚山晚二叠世M9煤属于中灰(27.51%)、高硫(10.65%)的高煤化程度的烟煤(贫煤)。由于M9煤层中有机硫含量高达9.51%，又称之为超高有机硫煤(表1)。这种超高有机硫煤在自然界中非常罕见。在中国，此类型煤仅在贵州贵定(So，d=8.57%)和广西合山(So，d=3.42%～6.46%)有报道［11，12］。

表1 云南砚山晚二叠世M9煤的工业分析、全硫和形态硫测试结果 单位:%

注:6个样品均值.M—水分A—灰分V—挥发分St—全硫Ss—硫酸盐硫Sp—硫化物硫So—有机硫ad—分析基d—干燥基daf—干燥无灰基。

2.煤中矿物的种类、赋存特征和成因

煤中常见的矿物一般有黏土矿物、硫化物矿物、石英和方解石［13］。利用低温灰化+X射线衍射分析、光学显微镜和带能谱仪的扫描电子显微镜观察后发现，砚山M9煤层中的矿物组合较为异常，主要矿物有透长石、β-石英副像、白云母、伊利石、钠长石、黄铁矿，还有少量的片钠铝石、斜长石、钙镁黄长石、锐钛矿和金红石。

黄铁矿:主要呈浸染状或莓球状分布在基质镜质体中，其粒径较小，大部分小于20μm。煤中黄铁矿的赋存形态表明，它属于海水影响下的产物。泥炭聚积期间，海水中的硫酸根离子被硫酸盐还原菌还原成硫化氢后与沼泽中的Fe离子反应而形成［14］。

β-石英副像:主要呈细小的、晶型较好的颗粒分布在基质镜质体中，其绝大部分颗粒小于10μm，横切面近六边形(图2(a))，有的有熔蚀现象、柱面不发育。从其形态特征可以推断属于高温成因。

透长石:粒径较小，绝大部分小于10μm，有的晶形保存较好(图2(b)，(c))，有的发生了熔蚀，被熔蚀的透长石有时仅保留模糊的外形，有的透长石熔蚀现象较为严重，仅留有残缺不全的边缘，内部被钠长石所替代或片钠铝石(NaAl(OH)2CO3)所充填(图2(c))。

白云母:呈长条状分布在基质镜质体中。

钠长石:晶形较透长石完整(图2(d))，简单双晶发育，部分钠长石发生了熔蚀现象(图2(c))，有的钠长石充填在被熔蚀了的透长石内部。

伊利石:呈不规则团块状、长条状、絮凝状(图2(e))或浸染状分布在煤的基质镜质体中。

此外，M9煤层中还有少量的斜长石、金红石、钙镁黄长石和高岭石等矿物分布在基质镜质体中。

虽然煤系地层中酸性火山灰蚀变黏土岩夹矸中的高温石英非常普遍［3，15］，但在煤中和有机质紧密联系的高温成因的石英却鲜有报道。砚山M9煤层中高温成因的石英其外形仍然依β石英成副像(图2(a))。β石英和透长石是高温相的产物。该煤中高温石英-透长石-白云母矿物组合是泥炭聚积期间酸性火山灰降落到沼泽中的产物。由于这些矿物的粒径很小，并且均匀地分布在煤的有机质中，推测当时的火山口距沼泽较远，并且降落到沼泽中的火山灰的数量较少，尚不足以形成所谓的火山灰蚀变黏土岩夹矸(Tonstein)。在M9煤层中尚未发现Tonstein层，砚山矿区位于与Zhou等人［4］所圈定的西南地区Tonstein的分布范围之外，而在此范围内，晚二叠世火山活动较为强烈，在煤层中形成多层的Tonstein。

图2 M9煤中的矿物赋存特征

陆源碎屑供给和后生作用等均可在煤中形成伊利石［13］。但M9煤层中的伊利石并非陆源碎屑成因，也不是后期热液作用的产物。降落到M9煤层的沼泽中的酸性火山灰玻璃质在泥炭聚积期间和成岩作用早期蚀变形成高岭石，随着成岩作用的增强和在偏碱性的介质环境条件下，大部分高岭石转变为伊利石，有些伊利石还保留着火山灰絮凝状的结构特征(图2(e))。Burger等人［5］、周义平和任友谅［6］的研究表明，在云南东部和贵州西部上二叠统煤系地层的Tonstein中黏土矿物(高岭石-伊利石)的组成比例与煤的变质程度密切相关，在烟煤阶段，高岭石占优势，到无烟煤阶段，绝大部分高岭石蚀变为伊利石。砚山M9煤中火山灰性质和西南地区的火山喷发物的特征相吻合，即在晚二叠世中晚期以酸性为主。

煤中的长石和白云母一般被认为是陆源碎屑成因的矿物［13，16］。但砚山M9煤层中的长石并非陆源碎屑成因。M9煤中的钠长石与火山成因的透长石、高温石英亦不是同期成因的产物。钠长石有时充填在被熔蚀的透长石内部，是在透长石发生溶蚀后形成的，其形成时间晚于透长石，表明钠长石是从热液中自生的。因此，可以推断在泥炭聚积期间，火山灰降落到泥炭沼泽并且经过了一定的蚀变作用后，又有基性-超基性的海底喷流形成的热液进入到泥炭沼泽中，形成了钠长石和少量的片钠铝石和斜长石等矿物。片钠铝石在煤中尚未见诸报道［13，17，18］，是一种水热成因的矿物［19～21］。片钠铝石记录了深部幔源-浅部壳源之间的物质转移，是流体运移后留下的产物，并且形成于富钠离子的碱性流体介质条件［21，22］，该矿物的存在进一步证明了海底喷流侵入到了泥炭沼泽。

片钠铝石和钠长石的赋存状态排除了这两种矿物属于后生热液的可能性:①M9煤中的后生裂隙极不发育，尚未发现充填于后生裂隙的长石和片钠铝石②钠长石在煤层中顺层理分布(图2(f))，显示出同沉积的特征，而非后生热液成因③该煤中的矿物组成的平面分布的差异性极不明显，钠长石在该煤层中普遍存在，在研究者1988年采集的样品和2006年采集的样品中均富集钠长石等矿物(样品采集间隔18a)而后生热液成因的矿物往往在煤层中具有局部富集的特征，含量分异明显。

3.煤中常量和微量元素的丰度、赋存状态和成因

表2列出了砚山M9煤中常量元素和微量元素的含量及其与中国大部分煤、世界大部分煤的对比。从中可以看出，砚山干河M9煤中的元素有如下特征:与中国大部分煤和世界大部分煤中微量元素的均值相比，砚山煤中F(841μg/g)，V(567μg/g)，Cr(329μg/g)，Ni(74μg/g)，Mo(204μg/g)和U(153μg/g)等微量元素的含量超常富集(表2)。该煤中V，Cr，Mo和U的均值分别是中国常见煤的16.2倍、21.4倍、63.9倍和63.5倍。

虽然陆源碎屑供给通常是煤中微量元素的一个重要来源，砚山M9煤中的稀土元素，Nb，Y，Zr和TiO2等亲石元素反映了越北古陆物源物质组成特征。越北古陆是加里东褶皱带泸江带，以酸性岩体为主［25，26］。但砚山煤中高含量的V，Ni，Cr，Mo和U是不能用陆源供给所能解释的。与超基性和基性岩相比，酸性岩中的V，Ni，Mo，Cr等元素均较低，U的含量虽然较高，但其含量也仅为3.5μg/g［27］，不足以提供煤中如此高含量的U。

这些高含量的元素也不是上面所叙述的酸性火山灰降落到泥炭沼泽形成的，酸性火山灰并不富集这些元素，何况降落到泥炭沼泽中的酸性火山灰的量比较少。

尚无证据表明这些元素是地外来源。这些元素(包括S在内)也不是正常海水能够提供的，海水中的硫酸盐浓度是一定的，并且泥炭聚积是在一种滞留的、受限的局限碳酸盐台地，影响泥炭沼泽的新鲜海水并不能得到及时的补充。

表2 砚山M9煤层元素的含量及其与中国大部分煤、世界大部分煤的对比

砚山M9煤层中富集的元素及其元素的组合特征类似于中国南方早寒武纪的黑色页岩(包括石煤)，然而砚山煤中元素比黑色页岩中的赋存形式和来源复杂得多，既有火山的、陆源碎屑的、生物的、海水的，还有海底喷流的。砚山煤的地球化学异常可能是在泥炭聚积期间，海底喷流携带的金属元素V，Ni，Mo，U，Cr以及S和F等沿深大断裂搬运沉积至泥炭沼泽的结果。海底喷流从镁铁质-超镁铁质岩中淬取了V，Ni，Cu和Mo，并可能与下伏的富U的岩浆层提供的物质混合在一起，搬运沉积到局限碳酸盐台地的泥炭沼泽中，缺氧的环境和沼泽中丰富的有机质(高等植物和低等生物菌藻类)为元素的长时间活化和富集提供了条件。鲍学昭等人［28］研究表明，海底喷流作用可带来大量的U元素。

虽然低等生物对有机硫和一些金属元素富集有贡献，但M9煤中如此高含量的硫和金属元素也不是硫细菌所能够提供的。该煤层的干酪根δ13C‰(PDB)值为－22.8‰～－23.7‰，N的含量并不高(0.67%～0.69%)，具有腐殖煤的特征，因此成煤植物的主体还是高等植物。但是，菌藻类在其生长和死亡后降解过程中，可在元素富集、改变环境pH和Eh值、改变水体中元素平衡系统和元素沉淀等方面对煤中有机硫和金属元素的富集发挥重要作用。

在微量元素的组合方面，以有机态结合的V/(V+Ni)=0.88，缺氧环境中有机质的V/(V+Ni)>0.5，而氧化条件下<0.4［29］。从砚山M9煤的U/Th关系(图3)中可以看出，投点均落入U/Th=1～100区域，另外，U/Th比值很高(8.9～35.2)，说明泥炭聚积时受到热液影响较为强烈［30，31］。用Th-U的关系式Ua=UTotal–Th/3(其中Ua为自生U)可以说明缺氧条件［32］，M9煤的Ua为107～176μg/g，而M7煤的Ua仅为17μg/g，表明M9煤的泥炭聚积时显著缺氧。

将砚山M9煤层中的Zn，Ni和Co元素含量投入Cronan的Zn-Ni-Co三元图中(图4)，这些点均落入热水沉积区，显示了热水沉积的特征［33］。

图3 砚山M9煤层的U/Th关系图

图4 砚山M9煤层的Zn-Ni-Co图解

关于硫的来源和赋存状态，由于现行的有机硫含量的确定方法(GB/T214－1996，GB/T215－2003和ASTMD3177/4239和D2492－2)是用全硫减硫化物硫和硫酸盐硫所获得的，这些方法尚不能证明这些硫就是有机的。砚山M9煤中的赋存状态值得深入研究。这些高含量的硫可能是海底热泉带入到封闭的沼泽中，并且均匀地分布在煤的有机质中，而被认为是所谓的“有机硫”。

综上所述，云南砚山M9煤层的矿物组成和一些元素的超常富集是同沉积火山灰与海底喷流共同作用的结果，该煤层矿物质的富集成因是一种新的复合富集模式。至于贵州贵定和广西合山晚二叠世煤是否受到同沉积酸性火山灰的影响还需进一步研究。

在煤中微量元素的利用方面，由于该煤中的V，Cr和U含量很高，它们在煤的燃烧产物(如飞灰)中可能进一步富集，如果能对这些元素进行提取，可以实现煤炭经济的良性循环发展，也为新类型的金属矿床研发提供借鉴。

四、结论

云南砚山M9煤是局限碳酸盐台地基础上形成的煤层，属于超高“有机硫”煤。该煤中矿物的种类和组合特征(β-石英副像、透长石、钠长石、白云母、伊利石、斜长石、钙镁黄长石、片钠铝石)和超常富集微量元素(F，V，Cr，Ni，Mo和U)是同沉积酸性火山灰和海底喷流共同作用的结果。该煤层中的微量元素和矿物的富集成因机制是一种新的富集模式(或成因类型)。

参 考 文 献

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( 本文由代世峰、任德贻、周义平、Chen-Lin Chou、王西勃、赵蕾、朱兴伟合著，原载《科学通报》，2008 年第 53 卷第 24 期)

———一个值得重视的问题

摘 要 煤是一种具有高度还原障和吸附障性能的有机岩和矿产，在特定的地质条件下，可以富集一些有益金属元素，并达到成矿的规模。综合国内外一些研究资料，论述了煤和含煤岩系中有益金属铌、镓、铼、钪的丰度、赋存状态、地质成因以及利用的可能性。煤中稀有金属元素富集或成矿的研究，是煤地球化学和矿床地球化学重要内容之一，值得进一步加强。

任德贻煤岩学和煤地球化学论文选辑

煤的微量元素组成中有一些珍贵的有益元素，有的已富集成相当规模的共伴生矿床，日益受到重视。例如，在哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和新疆伊犁、吐-哈等侏罗纪含煤盆地中，都发现了煤层顶板砂岩层及部分煤层中共生的大型铀矿床，其中有的已形成生产能力。又如，在云南临沧、内蒙古乌兰图嘎矿区和俄罗斯滨海边区所发现的中、新生代大型褐煤—锗矿床，这些矿床的主要特征见于众多文献［1～8］。

近年在煤中又陆续发现了高度富集的镓、铌、铼、钪等稀有金属元素以及稀土元素和银、金、铂族元素等贵金属元素。这些高含量的煤中微量元素，不少都是潜在的重要战略矿产资源，或者是经济上可回收利用的煤加工的副产品。加强对其勘查，深入研究其赋存状态和富集规律，有利于充分、合理利用煤炭资源及共伴生的矿产资源，发展循环经济。

本文综合文献及已知信息，仅就铌、镓、铼、钪等元素，简述如下。

一、铌(Nb)

铌是一种抗蚀性强的高熔点的稀有金属，其合金超耐热、超轻，可用作导弹、火箭和航空航天发动机的重要材料，也是重要的超导材料，是世界上需求量较多的稀有金属。地壳中铌的克拉克值为21μg/g，据Ketris和Yudovich［9］，全球煤中铌的平均含量为3.7μg/g。俄罗斯学者Середин建议当煤中铌含量≥300μg/g时，可作为伴生有用矿产评价［6］。

煤中铌的异常可能是同生的，主要是与风化壳共生的煤往往富含铌，在表生带条件下，铌可与有机酸结合，如在含黄腐酸的溶液中有含铌矿物粉末，在4、5个月中可使溶液含铌达1mg/L即高出自然水中的几百倍。

其次，当煤层中有酸性火山碎屑蚀变的tonstein时，亦会与其相邻的煤中铌富集，Hower等报导美国肯塔基州东部FireClay煤层的tonstein夹矸层上下分层的煤中铌含量异常高，分别达到55～88μg/g和76～150μg/g［10］。

煤中铌的异常亦可能是受含金属热液的影响，Seredin报道［11］，俄罗斯远东地区一个地堑型始新世褐煤，由于受富含铌的碳酸型热液的改造，使煤中铌含量达60μg/g。

世界上一些煤中富含铌，俄罗斯库兹涅茨煤田二叠纪煤中铌含量可达30～50μg/g，而煤灰中达180～360μg/g，米努辛斯克石炭—二叠纪煤田伊塞克斯煤产地30号煤层中铌含量为90μg/g，而煤灰中铌含量为580μg/g。波兰日塔夫煤田两层厚达90m和22m的中新世褐煤中富集铌，其煤灰中铌含量超过200μg/g［6，12，13］。

广西合山上二叠统煤中铌含量均值为50μg/g，其中柳花岭矿4下煤层1.1m厚的上分层煤中含铌126μg/g，换算成煤灰中含铌689μg/g［14］。据Dai等，贵州织金煤田上二叠统34号煤层铌含量的均值为64μg/g，大方煤田上二叠统3号煤层铌含量为80μg/g［15～17］。

Spears和Zheng［18］对英国主要煤田煤的分析表明，伊利石是煤中铌的主要载体。刘大锰等［19］对山西安太堡矿的分析，也得出了相似的结论。俄罗斯库兹涅茨煤田煤中铌主要富集在烧绿石和钽铁矿中。Palmer等［20］用六步逐级化学提取方法证实，所研究煤中66%的铌为有机态。Querol等［21］对土耳其Beypazary新近纪含硫褐煤的研究表明，煤中以有机态铌为主。由此可见，不同煤中，铌的赋存状态各不相同，因地而异。

代世峰等［22］、周义平［23］报道了中国西南地区受碱性火山灰影响的煤和碱性火山灰蚀变黏土岩夹矸(Tonstein)中高度富集Nb。碱性Tonstein不仅可以作为等时标志层，而且可以根据含煤岩系中碱性Tonstein的层数、厚度的空间分布规律，有可能寻找到古火山口的位置，对于与碱性火山岩建造有关的稀有元素找矿具有重要的意义。

二、镓(Ga)

镓是典型分散元素，是用于光纤通讯设备、电脑和彩电显示的材料。镓的克拉克值为16μg/g［24］。在自然界难以形成独立的镓矿床，而主要从铝土矿及闪锌矿矿床开采中综合回收。全球煤中的镓含量为5.8μg/g，而煤灰中镓含量的均值为33μg/g［9］。我国煤中镓含量的均值为6.5μg/g［7］。

世界上有些煤田煤中镓含量比较高，一些煤的煤灰中镓含量高达几百μg/g，因此，富镓煤的燃烧副产品具有提取镓的潜力。根据全国矿产储量委员会1987年的规定，各类含镓矿床中镓的工业利用标准:铝土矿矿石镓为20μg/g，而煤为30μg/g。

周义平和任友谅［25］的研究表明，西南地区上二叠统的煤灰中镓含量可达63.7～401.5μg/g，主要呈有机态，在<1.3g/cm3密度级的煤样的灰分中较为富集。贵州紫云轿顶山上二叠统煤中镓含量均值为375μg/g。贵州织金龙潭组底部34号煤含镓100μg/g。重庆松藻煤田11号煤层煤中镓含量为32μg/g［22］。此外，浙江长兴上二叠统若干煤，宁夏石炭井、石嘴山矿区晚古生代中镓含量亦超过30μg/g。

内蒙古准格尔煤田黑岱沟巨厚煤层6号煤是煤中镓富集的一个典型实例［26，27］。该煤层中Ga的含量均值为44.6μg/g，有的分层可达76μg/g，微区分析表明，镓的主要载体是煤中的勃姆石，部分分布在有机质中［26，27］。不仅如此，该煤中亦超常富集Al，导致该煤层的燃煤产物高度富集Al2O3，Al2O3在粉煤灰中的含量超过50%，因此，黑岱沟6号煤层是一个与煤共(伴)生的镓—铝矿床。在黑岱沟南部和北部的哈尔乌素和官板乌素煤中镓虽然富集，但尚未达到工业品位。随着近年来煤炭产量的增加，黑岱沟富镓和铝的煤炭资源量逐年递减，应引起相关部门的高度重视，以保护这块稀有的煤炭资源。另外，燃烧该区6号煤层的电厂所排放的粉煤灰经过常年的累积，形成了富Al和Ga的人工矿床，该人工矿床中Al和Ga的分布规律、赋存形态和迁移特征值得进一步深入研究。

俄罗斯米努辛斯克煤田切尔诺戈尔煤产地“两俄尺”煤层煤中含镓30μg/g，煤灰中含镓375μg/g俄罗斯远东地区拉科夫斯克煤产地中新世含锗煤中含镓30～65μg/g，煤灰中含镓100～300μg/g。美国肯塔基州西北部石炭纪煤层“阿莫斯”的低灰煤中，煤灰中含镓140～500μg/g［28］。

Affolter(1998)研究表明，美国肯塔基州某大型电厂，原料煤灰分含镓70μg/g，炉渣含镓<22μg/g，粗粒飞灰中为67μg/g，镓相对富集在细粒飞灰中，其含量为110μg/g。Mar-don和Hower［29］研究表明，美国肯塔基州东南部燃煤电厂的各级产物中，原料煤煤灰含镓61μg/g，灰渣中为26μg/g，而电除尘器所获的飞灰中镓为169μg/g，相当富集。据方正和Gesser［30］，取自加拿大、以色列和中国的煤烟尘镓的含量达100μg/g以上。

由此可见，燃煤副产品，主要是细粒飞灰，已成为世界上从矿产中综合回收镓的第三种主要来源。

三、铼(Re)

铼是具有超耐热性的稀有金属，是新一代航空航天发动机的材料，属战略性矿产资源，也是高效催化剂和制造新医疗器械的材料。铼是极度分散的元素，地壳中铼的克拉克值仅为0.6ng/g［24］。作为伴生金属利用时，要求矿产中铼的含量不低于2ng/g。哈萨克斯坦热兹卡兹干含铜砂岩型铜矿床中，铼局部达到工业品位。俄罗斯Середин［6］建议，当煤中含铼超过1μg/g时，可作为有益的伴生铼矿产资源予以评价。

根据Клер和Неханова1981年报告，乌兹别克斯坦安格连侏罗纪煤中含铼0.2～4μg/g，铼源自盆地周围母岩。据Валиев等(1993)研究，塔吉克斯坦纳扎尔-阿依洛克侏罗纪煤产地无烟煤中，低灰煤(Ad=3.2%)含铼2.1μg/g，而灰分较高的煤(Ad=17.9%)含铼3.3μg/g，这表明该地煤中既有有机态铼又有矿物态铼。

西班牙北部埃布罗盆地碳酸盐岩系中的褐煤含铼9μg/g，这种“褐煤”富含沥青质，灰分很高，其特性接近油页岩。

淋滤型铀—煤矿床的煤中往往富集铼。哈萨克斯坦下伊犁铀—煤矿床4m厚煤层的还原带上部的富铀矿带，铼含量均值为9.5μg/g煤层的过渡带下部铼含量均值为4.2μg/g。煤作为还原障能使溶液中高铼酸盐还原并富集。

根据Юровский1968年的报告，顿涅茨煤田南普利沃尔尼扬矿长焰煤的精煤(Ad=8%)含铼4μg/g。

用高分辨ICP-MS方法测定煤中铼的含量，在我国大多数样品中未检测出铼，但在河北开滦、山东济宁、山西晋城个别煤矿太原组煤中，贵州兴仁上二叠统个别煤层中以及江西安源上三叠统个别煤样中，测出铼含量为0.106～0.39μg/g，这些值虽低于伴生矿产评价所需的值，但已高出铼的克拉克值百余倍到几百倍，相对富集，值得今后进一步关注。新疆早、中侏罗世的淋滤型铀-煤矿床煤中的铼应引起重视。

四、钪(Sc)

钪是一种超耐热制造轻质合金的稀有金属，价格昂贵，目前主要从提炼钨、钛、铀等金属的废渣(钪含量为80～100μg/g)中提取，出率相当低。Середин提出，当煤灰中钪的含量超过100μg/g时，可作为有益的燃煤副产品予以评价［6］。据Ketris和Yudovich的报道，全球煤中钪含量均值为3.9μg/g，而且煤灰中钪含量均值为23μg/g［9］。

近年研究表明，有些煤产地煤灰中钪含量相当高。俄罗斯库兹涅茨煤田的切尔尼戈夫露天矿、卡尔坦露天矿和南吉尔盖依矿的个别煤层煤灰中含钪100～200μg/g［31］。Юровский对煤进行重液分离后发现库兹涅茨煤田切尔诺戈尔煤产地低密度的精煤中含钪量400μg/g，因此在选煤阶段可提取富集钪的精煤。俄罗斯米努辛斯克煤田一些煤层的煤灰中含钪95～175μg/g，在低密度级的煤中钪含量达到400μg/g。俄罗斯坎斯克—阿钦斯克侏罗纪煤田别廖佐夫煤产地1号煤层的上分层煤含钪230μg/g，其灰中钪含量则达870μg/g［32］。

美国肯塔基州西北部阿莫斯煤层很薄(<0.5m)，在其底部8.2cm厚的分层中，煤灰中钪含量达560μg/g［28］。

广西合山上二叠统煤田中钪含量均值较高，为42.2μg/g，而在其溯河矿4号煤层中部煤灰的钪含量达221μg/g［14］。

煤中其他含量异常高的元素并有可能回收的副产品还有V、Sb、Cs、Mo、W、Be、Ta、REEs、Zr、Hf等。

煤中共伴生有益矿产资源的勘查与评价很有意义。在煤炭资源勘查中如缺失此项工作，很难弥补。在从事此项工作时，需要注意以下事项。

(1)优选最佳的有益元素测试方法，以确保测试成果的可靠性。

(2)由于煤中共伴生有益元素往往富集在煤层的局部层位和特定的空间，因此要注意合理布置采样点，以掌握其富集成矿的规律。

(3)煤中有益金属元素的利用最佳途径是从粉煤灰中进行提取。因此，研究有益元素在煤炭燃烧及其他加工利用过程中的习性，及有益元素在煤副产品中的富集程度及其回收的可能性是非常重要的。

(4)煤中共伴生有益矿产往往是多金属的，除有益元素外，往往又有潜在有害元素，因此，必须进行全面的技术经济和环境评估，以保障开发中尽量减少潜在有害元素的对环境和人体健康的影响。

参 考 文 献

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Potential Coexisting and Associated Mineral Resources in Coal and Coal-bearing Strata———An Issue Should Pay Close Attention to

Ren Deyi，Dai Shifeng

( Key State Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，CUMT ( Beijing) ，Beijing 100083

School of Earth Science and Surveying and Mapping Engineering，CUMT ( Beijing) ，Beijing 100083)

Abstract: Coal is a kind of organolite and mineral deposit with high reducing barrier and absorbing barrier performances，under specific geological conditions，it can enrich some useful metal elements and amount to the ore-forming scale. Integrated some literatures both home and abroad，w e have discussed abundance，hosting state，geologic genesis and possibility of utiliza- tion of useful metals such as niobium，gallium，rhenium and scandium in coal and coal-bearing strata. The research of rare metal elements enrichment or ore-forming is one of major subjects in coal geochemistry and ore deposit geochemistry，and thus w orthw hile to be further strength- ened.

Key words: coalcoal-bearing stratarare metalcoexisting and associated ore deposits

( 本文由任德贻、代世峰合著，原载《中国煤炭地质》，2009 年第 21 卷第 10 期)

刊名： 煤炭技术

Coal Technology

主办： 黑龙江科技学院哈尔滨煤矿机械研究所

周期： 月刊

出版地：黑龙江省哈尔滨市

语种： 中文

开本： 大16开

ISSN： 1008-8725

CN： 23-1393/TD

邮发代号： 14-252

历史沿革：

现用刊名：煤炭技术

曾用刊名：国外煤炭

创刊时间：1982

该刊被以下数据库收录：

CA 化学文摘(美)(2009)

Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)

核心期刊：

中文核心期刊(2008)

中文核心期刊(1992)

期刊荣誉：

Caj-cd规范获奖期刊

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杨焦生 王一兵 王宪花 陈艳鹏 王 勃

( 中石油廊坊分院 河北廊坊 065007)

摘 要: 长期导流能力评价实验可以反映油气藏条件下裂缝真实的导流能力，为压裂设计和施工提供可靠参考。运用 FCES －100 长期裂缝导流仪，测试了不同条件下煤岩水力裂缝的长期导流能力，并分析了嵌入、煤粉、胍胶液残渣及复杂裂缝等因素对导流能力的影响。测试结果表明，煤岩强度低，嵌入伤害严重，在较低的闭合应力 ( 15 MPa) 下就表现明显的伤害，而砂岩当闭合压力大于 25 MPa 时，嵌入伤害才比较明显煤粉为疏水性，易聚集堵塞裂缝，大大降低导流能力。为克服嵌入和煤粉的伤害，施工中可采取增加铺砂浓度、加大支撑剂粒径、加入分散剂悬浮煤粉等方法。胍胶压裂液由于破胶难，残渣对裂缝渗透率伤害高达70% ～80%，可使导流能力下降30% ～50%，应加强对超低温破胶技术的研究裂缝形态对导流能力也有很大的影响，复杂裂缝与单一裂缝相比，等效导流能力降低。研究成果对煤层压裂材料优选、现场施工控制及压后产能评价具有积极的指导意义。

关键词: 长期导流能力 煤粉 支撑剂 裂缝形态 压裂液残渣

基金项目: 国家 973 课题 “提高煤层气开采效率的储层改造基础研究”( 2009CB219607) 资助。

作者简介: 杨焦生，男，工程师，中国石油勘探开发研究院廊坊分院工作，从事煤层气开发及增产措施研究。地址: 河北省廊坊市万庄石油分院 44#信箱煤层气所，邮编: 065007电话: 13513014216。E mail: yangjiaosheng@ 126. com

Experimental Study and Influence Factors Analysis on Long- term Conductivity of Hydraulic Fractures in Coal Seams

YANG Jiaosheng WANG Yibing WANG Xianhua CHEN Yanpeng WANG Bo

( Langfang Branch，Research Institute of Petroleum Exploration and Development， PetroChina，Langfang 065007，China)

Abstract: The long-term conductivity of hydraulic fractures under different situation in medium-and high-rank coal bed are tested by using FCES-100 fracture long-term flow conductometer. The influence of proppant embed- ment，coal powder，guar gum residue and complex fractures to conductivity are also analyzed. Experiment results show that proppant embedment can cause seriously damage to conductivity for low-intensity of coalbed. Under low closure stress ( <15 MPa) ，the damage in coal seam displays obviously，however，for sand only when closure stress was higher than 25 MPa，the damage can be observed. Moreover，coal powder is hydrophobic and is in- clined to gather to chink fracture，decreasing conductivity sharply. Increasing the sand concentration，enlarging the proppant diameter and adding dispersant into the fracturing fluid appropriately can decrease the damage caused by proppant embedment and coal powder. According to test results，for gelout's difficulty，mass guar gum residue in hydraulic fracture can reduce permeability by 70-80% ，and conductivity decrease by 30-50% . So it is necessa- ry to strengthen the research on gelout technology under ultra-low temperature. Fracture morphology also plays an important role on the conductivity. Related to single fractures，complex fractures’equivalent conductivity is lower usually. This paper’ s outcomes are beneficial to fracturing materials optimization，field treatment controlling and productivity evaluation post fracturing.

Keywords: long-term conductivitycoal powderproppantfracture morphologyguar gum residue

煤储层渗透率很低，一般都小于1mD，压裂裂缝导流能力对压后产气效果影响很大，是实现压后高产的基础。与常规砂岩地层相比，煤储层埋藏浅、弹性模量低、强度低、天然割理及裂缝发育(琚宜文等，2005申卫兵等，2000)，压裂过程中多形成复杂裂缝，支撑剂嵌入严重，产生大量煤粉堵塞裂缝，裂缝长期导流能力变化具有自身特点(邹雨时等，2011郭建春等，2008王春鹏等，2006)，其评价方法和内容不能简单照搬砂岩地层中裂缝导流能力的评价，而应该具有特殊性。本文针对这些问题采用实验室长期导流能力评价方法，系统研究了煤岩压裂裂缝导流能力的影响因素及其作用机理，并形成了一套适合煤储层的裂缝导流能力评价方法。

1 实验原理和设备

实验使用的是美国Core.Lab公司生产的FCES.100裂缝导流仪，使用API标准导流室，并严格按照API的程序操作，实验原理主要是达西定律，支撑剂导流能力计算公式可以表达为下面形式:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:kWf为充填裂缝导流能力，dc·cmQ为裂缝内流量，cm3/minμ为流体粘度，mPa·sΔp为测试段两端的压力差，atm。

因此，实验中只需测得压差及流量即可求得支撑剂的导流能力。图1为API支撑剂导流室解剖图，可以模拟地层条件，对不同类型支撑剂进行短期或长期导流能力评价。

2 实验条件和煤样制备

为了真实地反映支撑剂在地下裂缝的实际情况，模拟温度取40℃，选用长期导流能力测试，每个测试压力点都测量50小时，闭合压力分别为10，15，20，25和30MPa。支撑剂选用现在普遍采用的石英砂(兰州砂)，选择20/40目和10/20目两种进行试验。实验中的流体选择为2%KCl水溶液和胍胶液，流体速度2～5ml/min。实验使用晋城(高煤阶)和韩城(中煤阶)两地的天然煤岩，实验试件的尺寸为长17.7cm，宽3.8cm，厚1～2cm，端部成半圆形(图2)。

3 实验方法

在导流室中夹持煤片模拟煤层裂缝，将实验流体以稳定的流速通过两片煤板之间的支撑剂填充层，逐渐增大闭合压力得到裂缝导流能力随闭合压力变化的曲线。通过改变煤岩类型、煤粉浓度、铺砂浓度、胍胶液浓度和用量、支撑剂粒径及组合、裂缝形态等实验条件得出不同闭合压力与导流能力的关系曲线，然后将不同的曲线进行比较分析，评价不同因素对煤岩裂缝导流能力的影响。

图1 API支撑剂导流室解剖图

图2 不同煤阶煤岩板

4 实验结果与分析

4.1 支撑剂嵌入及煤粉对导流能力的影响

(1)支撑剂嵌入影响

实验选用20/40目兰州砂，铺砂浓度分别为5kg/m2和10kg/m2，用钢板、砂岩和煤岩板(高、中煤阶两种)分别进行实验，实验结果见图3，4。

图3 钢板、砂岩、煤岩导流能力对比图(铺砂浓度5kg/m2)

图4 钢板与煤岩导流能力对比图(铺砂浓度10kg/m2)

可以看出，使用钢板(无嵌入)测得的导流能力明显大于使用煤岩测得的导流能力，说明支撑剂在煤岩中的嵌入伤害程度很大。实验证实煤层嵌入比砂岩严重，在闭合压力大于10～15MPa时，导流能力就急剧降低，而砂岩闭合压力大于20～25MPa时才下降较快。

由于中煤阶煤岩的强度更低，同样条件下，中煤阶嵌入伤害更严重，中煤阶明显嵌入时的闭合压力比高煤阶更低，嵌入程度约为高煤阶的1.5倍，造成导流能力下降幅度更大。嵌入伤害越严重，裂缝壁面嵌入部分产生的煤粉碎屑越多，对支撑裂缝内的流体流动阻碍更大，使得导流能力进一步下降。

(2)煤粉产出对导流能力的影响

实验选用20/40目石英砂，采用10kg/m2铺砂浓度，分别混入2%和5%的煤粉(100目)，采用高阶煤煤岩片进行实验，实验结果见图5。

由图5可以看出，煤粉对裂缝导流能力伤害很大，随着闭合压力的增大，煤粉浓度的增高，导流能力迅速下降。闭合压力10～30MPa，2%煤粉可以使导流能力下降10%～35%，5%煤粉可使导流下降20%～60%。煤粉是疏水性的，不易分散于水或水基压裂液，从而极易聚集起来阻塞裂缝孔隙喉道，随着时间的延长，煤粉微粒不断运移，可以使得堵塞更为严重。如在压裂液中加入润湿剂和分散剂则能使煤粉由疏水性转为亲水性，有助于分散与悬浮煤粉于压裂液中，阻止煤粉的聚集，有利于煤粉的返排。如图6显示，加入两种不同分散剂FSJ01，FSJ02后裂缝导流能力有所改善。

图5 不同煤粉浓度下导流能力对比图

图6 加入分散剂对导流能力的影响结果(铺砂浓度5kg/m2)

4.2 支撑剂粒径对导流能力的影响

实验应用晋城高阶煤岩，选择10/20目和20/40目两种粒径支撑剂按照不同比例(1∶1，1∶2，1∶3)混合，测试其导流能力变化，铺砂浓度为10kg/m2。

由图7可以看出，当闭合压力低于20MPa时，单一粒径10/20目的石英砂的导流能力比20/40目的大30～50%，且大粒径支撑剂所占比例越大，其导流能力也越大。而当闭合压力高于20MPa时，各比例组合导流能力相差不大。因此，压裂施工过程中，考虑造缝和携砂效果，前期应用较小粒径支撑剂(20/40目)，低排量施工，可较好支撑多裂缝的支缝系统，使裂缝延伸更长后期尾追较大粒径支撑剂(10/20目)提高近井地带的导流能力。

图7 不同粒径支撑剂组合导流能力对比图

4.3 铺砂浓度对导流能力的影响

实验选用20/40目兰州砂，分别选取5kg/m2和10kg/m2两种铺砂浓度进行实验，实验结果见图8。

图8 不同煤岩、不同铺砂浓度导流能力对比图

由图8可知，无论何种煤阶煤岩，提高支撑剂的铺砂浓度导流能力都有明显的提高，铺砂浓度从5kg/m2提高到10kg/m2，支撑剂的导流能力可以提高50%～100%。而低铺砂浓度下一旦发生嵌入现象，其影响要比高铺砂浓度大。闭合压力越大，铺砂浓度越低，地层岩石越软，嵌入越严重。因此，较软的中阶煤层中为了降低嵌入和煤粉对导流能力的伤害，施工过程中应该增大砂比，提高填充裂缝的铺砂浓度显得更为必要。因此为了提高支撑裂缝的导流能力可在施工条件许可的条件内适当增加支撑剂的铺砂浓度。

4.4 压裂液残渣对导流能力的影响

煤层温度低，胍胶压裂液破胶难，造成残渣吸附在煤基质或堵赛支撑剂孔隙，导致基质、裂缝内渗透率下降，导流能力减小，因此这一部分主要考察压裂残渣对支撑剂导流能力的影响。在这里选用20/40目石英砂，10kg/m2铺砂浓度，煤样为晋城高煤阶，分别做了不加压裂液、加入浓度0.4%的150ml胍胶液、加入浓度0.5%的150ml胍胶液和浓度0.5%的100ml胍胶液情况下的导流能力测试，评价胍胶压裂液导流能力的伤害，并进行对比分析，如图9。

图9 压裂液残渣伤害综合对比图

压裂液残渣的伤害，导致了支撑剂导流能力明显的降低，不同的闭合压力下及伤害程度平均在30%以上。相同闭合压力下，同一样品注入瓜胶压裂液越多，浓度越高，导流能力伤害越大，0.5%的瓜胶液比相同量的0.4%瓜胶压裂液导流能力下降10%以上，0.5%的150ml胍胶量比0.5%的100ml量导流能力降低20%。

因此煤层压裂液体系在选用冻胶时，需要充分研究其在煤层低温条件下的高效破胶技术，同时也可以尝试加入化学物质来降解、氧化冻胶残渣，减少残渣对水力裂缝的堵塞，从而达到增加裂缝渗透性，提高单井产量的目的。

4.5 复杂裂缝对导流能力的影响

为了描述煤层水力压裂中形成的“T”形、“I”形等复杂裂缝对导流能力的影响，本次实验中模拟研究多条裂缝(两条)导流能力的变化情况。实验选用20/40目兰州砂，将一定量的石英砂平均分成两份，分别充填于两条相邻裂缝内(铺砂浓度5kg/m2)，测试其综合导流能力，并与单一支撑裂缝(铺砂量与两条裂缝相同，铺砂浓度10kg/m2)的导流能力进行对比，如图10所示。

图11实验结果显示，等量的支撑剂，多条(两条)裂缝的导流能力小于单一裂缝的导流能力，平均可以降低14.6%。主要是由于裂缝条数的增多，造成支撑剂较为分散，铺砂浓度降低，增加支撑剂嵌入和煤粉堵塞另一方面，缝间流体流动发生转向，产生附加渗流阻力，压裂后的煤岩裂缝形态和表面极其不规则，这种渗流阻力会更大，致使导流能力进一步降低。由于煤岩强度差异，裂缝形态对中阶煤岩的导流能力影响程度更大，闭合压力为20MPa时，中煤阶煤岩导流能力降低17.6%，高煤阶煤岩降低12.8%。

图10 复杂支撑裂缝(浓度5kg/m2)和单一支撑裂缝(浓度10kg/m2)示意图

图11 不同裂缝形态下的导流能力对比图

5 结论

(1)煤岩强度低，支撑剂嵌入造成的导流能力伤害非常严重(伤害率50%以上)。煤层嵌入比砂岩严重，在闭合压力大于10～15MPa时，导流能力就急剧降低，而砂岩闭合压力大于20～25MPa时导流能力明显下降。中煤阶嵌入伤害更严重，中煤阶明显嵌入时的闭合压力比高煤阶更低，嵌入程度约为高煤阶的1.5倍，

(2)闭合压力10～30MPa，2%的煤粉可以使导流能力下降13.1%～34.9%，5%煤粉可下降19.7%～53.2%，在压裂液中加入分散剂可以使煤粉不易聚集，有利于返排，降低伤害。

(3)提高支撑剂的铺砂浓度和增大支撑剂的粒径可以明显提高裂缝的导流能力，地层闭合压力增大时应相应增加铺砂浓度，在软煤层中显得尤为必要。

(4)压裂液残渣伤害对支撑剂导流能力有很大影响，由于压裂液残渣的伤害，导致了支撑剂导流能力下降了30%左右，而降低压裂液的用量或减小压裂液的胍胶浓度都可以减小残渣伤害的影响，提高支撑剂的导流能力。

(5)同等量的支撑剂，复杂裂缝的导流能力小于单一裂缝的导流能力。与高阶煤岩相比，裂缝形态对中阶煤岩的导流能力影响程度更大。闭合压力为20MPa时，中煤阶煤岩导流能力降低17.6%，高煤阶煤岩降低12.8%。

参考文献

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