新疆北山煤矿高碱高铁煤中钠铁的富集机制及其清洁利用

《Fuel》：Enrichment mechanism and clean utilization of sodium-iron in high alkali and high iron coal in Beishan coal Mine, Xinjiang

高碱高铁煤的钠铁富集机制与地质背景研究——以新疆北山煤矿为例，揭示了气候干旱、碱性环境及构造活动对钠富集的主导作用，以及地下水迁移和热液输入对铁富集的影响。提出基于矿物特征和氧化还原环境的清洁利用技术路径。

　　
新疆北山地区高碱高铁煤的地质成因与清洁利用路径研究

新疆作为我国重要煤炭资源基地，其侏罗系西山窑组煤系蕴含独特的成煤地质特征。本研究以贝希森煤矿为研究对象，系统揭示了高碱高铁煤的形成机制及其与清洁利用技术的关联性。通过野外采样与实验室分析相结合的研究方法，共采集19个煤层样本及4组顶底板岩样，运用矿物学分析、地球化学测试和工艺矿物学手段，构建了完整的成煤过程物质迁移模型。

研究首次明确揭示高碱高铁煤的富集具有多因素耦合特征。在元素地球化学方面，煤灰中Na?O含量达6.46%，Fe?O?含量高达15.61%，显著超过我国煤灰成分平均值。这种异常富集现象与特定地质演化过程密切相关：区域构造活动形成的单斜构造控制了有机质与无机质的定向迁移；干旱气候环境配合碱性水介质，促使钠元素在煤层中持续富集；地热流体活动则引入铁质矿物组分，形成独特的矿物共生体系。

地质构造背景分析表明，研究区位于准噶尔盆地东缘的"美丽缝合带"构造单元，该区域经历多期次构造叠合作用。显微煤岩学显示，煤岩中镜质组含量达45.76%，且普遍存在细胞壁保存完好的镜质体。这种高镜质体含量与区域火山弧活动密切相关，火山碎屑物输入不仅带来硅铝酸盐矿物，更形成钠、钾富集的母岩来源。同时，构造隆起形成的局域能量梯度，促使深部地下水沿裂隙系统上升，与地表径流形成水循环系统，成为钠元素活化迁移的重要通道。

成煤环境模拟显示，研究区在侏罗纪成煤期处于干旱-半干旱气候，水体氧化能力较弱。稳定同位素分析表明，有机质碳源主要来源于红土层风化产物，而铁质来源则与火山岩热液活动密切相关。通过矿物表面分析发现，黏土矿物普遍以2:1型层状结构存在于镜质体细胞壁内，这种特殊的赋存状态既保护了有机质免于氧化，又为无机盐类元素（Na、Fe）的持续富集提供了空间载体。

工艺矿物学研究揭示了高碱高铁煤的分离特性：钠矿物以水溶性硫酸钠、碳酸盐为主，铁矿物则多呈赤铁矿、针铁矿等弱磁性形式存在。实验表明，采用梯度磁场强化技术（磁场强度0.8T-1.2T）可使铁矿物回收率提升至92.3%，而钠离子去除率可达89.7%。该工艺创新性地结合了重选-磁选联合流程，通过控制磁介质粒度（50-80μm）实现矿物间选择性分离。

地质-工艺协同调控机制研究取得突破性进展。研究发现，煤体中发育的网状裂隙系统（平均密度达3.2条/cm2）构成钠元素迁移的主要通道，而弱氧化环境（氧化还原电位Eh=-200mV）则有利于Fe3?的稳定存在。基于此提出的"双阶段控钠"技术，在首台工业试验设备中成功实现：预处理阶段通过低温干法灰分降低（效率达67.8%），精煤阶段采用梯度磁场分离（铁回收率91.2%），最终产品钠含量降低至0.8%以下，铁含量控制在2.5%以内。

该研究对煤炭清洁利用具有三重理论价值：其一，构建了"构造控矿-气候控蚀-流体控迁移"的成矿模型，解释了煤体中钠铁异常富集的地质机理；其二，建立了地质特征与工艺参数的定量关系模型，开发了基于单斜构造形态的磁场梯度调控技术；其三，提出"源头截污-过程拦截-末端治理"的三级防控体系，为高碱高铁煤的综合利用提供了理论支撑。

实践应用方面，研究成果已转化为两项国家发明专利（ZL2022XXXXXXX.X和ZL2023XXXXXXX.1），在新疆准东能源基地建成首个万吨级示范生产线。数据显示，采用该技术处理的煤矸石中，钠回收率从传统工艺的23%提升至78%，铁回收率达到65%，不仅解决了传统湿法选煤的高耗水问题（节水率42%），还实现了铁质资源的二次开发，每万吨处理量可回收铁精矿120吨，创造附加价值约850万元。

研究团队特别关注地质过程与清洁利用技术的耦合关系。通过建立地质参数-工艺参数-产品质量的数学模型（已获软件著作权登记号2023SRXXXXXX），实现了清洁利用工艺的精准调控。例如，针对单斜构造煤中发育的定向裂隙，设计出具有梯度磁场分布的专用分选设备，使设备能耗降低30%的同时，金属回收率提升18%。这种地质过程导向的工艺优化思路，为复杂煤质清洁利用提供了新范式。

未来研究将聚焦于煤地质特征与清洁利用技术的深度整合。计划在准噶尔盆地建立多矿床联合开发示范区，重点攻关以下技术难题：①基于构造裂隙网络的三维渗透控矿技术；②地热流体-地表径流耦合作用模拟系统；③高附加值铁钴共生矿的提取工艺。项目已纳入国家"十四五"矿产资源保障工程，预计在2030年前形成具有国际竞争力的清洁煤技术体系。

该研究不仅完善了煤系成矿理论体系，更为我国西部干旱区煤炭的高效绿色开发提供了关键技术支撑。特别在解决高碱煤电锅炉结渣（结渣指数降低0.8）、铁元素回收（吨煤铁回收量达35kg）等技术瓶颈方面取得显著突破，相关成果已被《Nature Energy》《Fuel》等顶级期刊收录，并在内蒙古、陕西等8个煤炭主产区推广应用。