曹慶一，楊 柳，錢雅慧，胡銀姐

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

煤炭在全球能源中占據(jù)主導(dǎo)地位，對于推動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?！禕P世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》報(bào)告顯示，2020年世界煤炭產(chǎn)量為159.61億t，中國、美國、印度、澳大利亞、印度尼西亞、俄羅斯、南非是全球主要煤炭生產(chǎn)國，年生產(chǎn)量超過144.94億t，其中，中國煤炭產(chǎn)量居全球之首，占世界總產(chǎn)量的50%(圖1)[1]。近幾十年來，隨著煤炭的大規(guī)模生產(chǎn)和消費(fèi)，由此引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題引起了全球關(guān)注。煤中有害微量元素及其潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是人們重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。本文總結(jié)了煤中有害微量元素的主要研究進(jìn)展，可為煤炭地質(zhì)、地球化學(xué)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的相關(guān)研究提供參考。

圖1 2010—2020年全球煤炭生產(chǎn)量

1 煤中有害微量元素的研究內(nèi)容與趨勢

基于VOSviewer可視化文獻(xiàn)計(jì)量分析軟件，獲取國內(nèi)外煤中有害微量元素研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(圖2和圖3)，以分析該領(lǐng)域的研究內(nèi)容和發(fā)展方向。采用Web of Science文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫作為分析數(shù)據(jù)來源時(shí)，檢索方式采用“TS(Topic)=coal AND TS=(harmful trace element OR toxic element OR hazardous element)”，文獻(xiàn)時(shí)間跨度為1971—2022年，共計(jì)入1 000條有效記錄。采用中國知網(wǎng)(CNKI)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫作為分析數(shù)據(jù)來源時(shí)，檢索方式采用“主題=煤AND主題=有害微量元素”檢索，時(shí)間跨度為1984—2022年，共計(jì)入122條有效記錄。該網(wǎng)絡(luò)圖的具體含義表現(xiàn)為：節(jié)點(diǎn)和連接線代表關(guān)鍵詞之間的連接程度，節(jié)點(diǎn)的面積越大，代表關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻率越高，連接線越短，代表關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系越緊密，節(jié)點(diǎn)分布越密集，代表研究密度越高。

國內(nèi)外關(guān)于煤中有害微量元素的研究內(nèi)容基本類似，主要聚類于：①煤中有害微量元素的含量與分布；②煤中有害微量元素的賦存狀態(tài)和存在形態(tài)等；③煤中有害微量元素的環(huán)境效應(yīng)，包括煤炭洗選與清潔利用、煤中有害微量元素的遷移轉(zhuǎn)化、環(huán)境污染與健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等。從時(shí)間尺度來看，近年來煤中有害微量元素的環(huán)境效應(yīng)研究是國際上重要的研究趨勢(圖2和圖3)。

圖2 基于Web of Science的可視化研究網(wǎng)絡(luò)

圖3 基于CNKI的可視化研究網(wǎng)絡(luò)

2 煤中有害微量元素的研究進(jìn)展

2.1 煤中有害微量元素的分類

目前，用現(xiàn)代技術(shù)從煤樣品、燃煤產(chǎn)物和煤層氣樣品中可以檢測到86種元素，而地殼中可供統(tǒng)計(jì)的元素共88種[2]。因研究對象和目的不同，煤中常量元素和微量元素的區(qū)分判斷也存在差別。在所研究的客體(地質(zhì)體、巖石、礦物)中的含量低到可以近似地用稀溶液定律描述其行為，這樣的元素可稱為微量元素[3]。就煤炭而言，含量小于1%的元素被定義為微量元素[4-6]。其中，具有毒性、致癌性、腐蝕性、放射性及其他對人體或環(huán)境產(chǎn)生潛在危害的元素被稱為有害微量元素[5]。1980年以來，美國國家資源委員會[7]、美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)[4]、FINKELMAN[8]、趙峰華[9]、SWAINE[10]等機(jī)構(gòu)或?qū)W者根據(jù)元素含量和危害程度對煤中有害微量元素進(jìn)行歸納和分類(表1)。本文參考FINKELMAN[8]對煤中有害微量元素的范圍約定，對煤中25種有害微量元素(Ag、As、B、Ba、Be、Cd、Cl、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、Mo、Ni、P、Pb、Sb、Se、Sn、Th、Tl、U、V、Zn)進(jìn)行分析。

表1 煤中有害微量元素分類

2.2 煤中有害微量元素的檢測方法

隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展，針對元素含量定量分析的儀器檢出限不斷降低，現(xiàn)有的分析測試技術(shù)可以滿足對煤中所有微量元素的定量分析。目前，檢測煤中微量元素濃度含量的常用儀器分析方法主要有：電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)、中子活化分析(NAA)、X射線熒光分析(XRF)、原子吸收光譜分析(AAS)、分光光度法(SP)、原子熒光光譜(AFS)等。此外，離子色譜(IC)、離子選擇電極法(ISE)、二次離子質(zhì)譜(SIMS)等方法也在煤中微量元素分析方面有所應(yīng)用(表2)。

表2 煤中有害微量元素常見檢測方法及其適用性

2.3 煤中有害微量元素的含量分布

分析煤中有害微量元素的濃度對于評估煤炭利用過程中有害元素向環(huán)境的排放、對生態(tài)環(huán)境和人類健康的影響以及地球化學(xué)基礎(chǔ)研究都具有重要意義。關(guān)于我國煤中有害元素豐度和分布規(guī)律的研究已有諸多報(bào)道，從空間上來看，絕大多數(shù)研究范圍是基于小空間尺度，如某一煤層、礦區(qū)或煤田、局部地區(qū)等。從研究地區(qū)來看，對于我國西南地區(qū)的研究最為豐富，如DAI等[13]研究了四川華鎣山煤田晚二疊世煤中鋯、鈮、硒、鉿、稀土元素和釔的含量分布；DAI等[14]對云南硯山煤礦超高硫煤(總硫含量10.12%～11.30%)進(jìn)行分析時(shí)指出，由于受到海底噴流熱液的影響，煤中B(268 μg/g)、F(841 μg/g)、V(567 μg/g)、Cr(329 μg/g)、Ni(73.9 μg/g)等元素顯著富集；WANG等[15]對云南馬河礦區(qū)晚二疊世煤進(jìn)行分析時(shí)指出，由于受峨眉山玄武巖、硅質(zhì)巖、硅質(zhì)火山灰和熱液作用等因素的影響，當(dāng)?shù)孛褐蠸c(4.38 μg/g)、V(105.00 μg/g)、Cr(45.70 μg/g)、Co(19.00 μg/g)、Ni(29.80 μg/g)、Cu(70.40 μg/g)、Ga(14.90 μg/g)、Sn(4.75 μg/g)含量較高；ZHUANG等[16]對貴州六盤水煤礦進(jìn)行分析時(shí)指出，微量元素在煤層和煤中的濃度變化較小，Mn、V、Cu、Li、Zr、Nb、Hf、Ta、Tl、Tn、U普遍富集；YANG[17]對貴州西南部普安煤田晚二疊世煤中微量元素的濃度進(jìn)行了分析，2號煤中As(36.90 μg/g)、Cd(10.20 μg/g)、Cr(167.30 μg/g)、Cu(365.40 μg/g)、Hg(2.82 μg/g)、Mo(92.60 μg/g)、Ni(82.60 μg/g)、Pb(184.60 μg/g)、Se(6.23 μg/g)、Zn(242.30 μg/g)、U(132.70 μg/g)等元素顯著富集，低溫?zé)嵋汉完懺此樾嘉镔|(zhì)煤中微量元素富集的主要因素。此外許多學(xué)者得出了一致的結(jié)論，指出我國西南地區(qū)晚二疊世和晚三疊世煤中有害微量元素較為富集[18-20]。物源區(qū)母巖的性質(zhì)、生物沉積作用、熱液作用、深層斷裂以及地下水作用被認(rèn)為是煤中微量元素富集的重要原因[21-23]，其中，DAI等[22]將我國煤中微量元素的富集成因類型分為五類，分別為源巖控制型、海洋環(huán)境控制型、熱液控制型(包括巖漿、低溫?zé)嵋汉秃５讎娏骺刂菩?、地下水控制型和火山灰控制型。

FINKELMAN[24]、袁曉鷹等[25]報(bào)道了美國、澳大利亞和俄羅斯煤炭中有害微量元素的濃度；SWAINE[26]統(tǒng)計(jì)了全球多數(shù)煤中微量元素的濃度范圍；YUDOVICH等[27]評估了煤中微量元素含量的世界平均值，與美國、俄羅斯和澳大利亞等國煤中有害微量元素的平均濃度相比，我國煤中有害微量元素的平均濃度總體上相當(dāng)(表3)。以世界煤炭平均含量為參照，我國煤中Co、Mo、Pb、Sn、Th、U、V、Zn的平均濃度較高，是世界平均水平的1.5倍以上[28]；而As、B、Ba、Cr、Ni和Tl的平均濃度相對較低，這與上地殼和深層土壤(>1 m)中對應(yīng)微量元素的濃度變化規(guī)律呈現(xiàn)相同的趨勢，表明煤、巖石和深層土壤中微量元素的豐度分布同步受到元素在巖石圈的地球化學(xué)循環(huán)的影響[29]。就我國而言，從全國尺度上報(bào)道我國煤中有害微量元素空間分布規(guī)律的研究相對較少。1985年至今，一些學(xué)者從不同角度分析我國煤中有害微量元素的分布情況，如不同成煤期、不同煤變質(zhì)程度、不同地質(zhì)構(gòu)造、不同聚煤區(qū)等[21,30-34]，并指出我國煤中有害微量元素含量總體呈現(xiàn)出由北到南逐漸遞增的分布特征。此外，隨著地理空間可視化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析模式的局限性被突破。ArcGIS技術(shù)被應(yīng)用于繪制我國含煤區(qū)范圍內(nèi)有害微量元素含量的空間分布圖，為了解我國煤中有害微量元素含量的空間分布格局提供了直觀有效的參考[29]?；贑AO等[29]的報(bào)道，以往人們對煤中微量元素含量“南高北低”的理解并不準(zhǔn)確?？傮w來看，煤中有害微量元素含量的空間分布極不均勻，有害微量元素普遍富集的地區(qū)主要分布在我國南部地區(qū)，尤其是我國西南地區(qū)(貴州省、云南省、四川省、廣西壯族自治區(qū))，但北方地區(qū)的局部區(qū)域也可能存在異常富集的情況。例如，位于內(nèi)蒙古東部的烏蘭圖嘎煤礦，煤層中的Ge、As、W、Hg含量比全球煤炭濃度高一到兩個(gè)數(shù)量級，Sb、U、Cs、Be含量比全球煤炭濃度高一個(gè)數(shù)量級[35]。

表3 我國煤中有害微量元素含量及對比

2.4 煤中有害微量元素的賦存研究

目前受微量元素檢測和分析技術(shù)的限制，要精確分析微量元素在煤中的具體化學(xué)形態(tài)實(shí)際上還很困難，因此更為普遍的研究集中在賦存狀態(tài)上。同時(shí)，關(guān)于煤中微量元素賦存狀態(tài)的研究方法也較為有限，常見的方法包括浮沉實(shí)驗(yàn)、逐級化學(xué)提取、微區(qū)測試、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析等(表4)。其中，數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法是一種通過分析煤中微量元素含量與煤中組分的關(guān)系來判別微量元素賦存狀態(tài)的方法，包括相關(guān)性分析、聚類分析、因子分析等[40-41]。數(shù)統(tǒng)方法對于推斷煤中微量元素的賦存方式具有重要幫助，但分析結(jié)果的可靠度往往與數(shù)據(jù)量有關(guān)，樣本數(shù)量應(yīng)足夠大，獲得的結(jié)果才具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由于大量樣本數(shù)據(jù)的集中分析往往很難實(shí)現(xiàn)，因此利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法開展煤中有害微量元素賦存狀態(tài)的研究受到了制約。

表4 煤中有害微量元素賦存狀態(tài)的常見研究方法及其特點(diǎn)

基于文獻(xiàn)調(diào)研，本文總結(jié)了部分學(xué)者對煤中有害微量元素賦存狀態(tài)的研究結(jié)論(表5)。一些學(xué)者認(rèn)為煤中Ag主要以硫化銀的形式存在[26]，也可能與Se化物結(jié)合[42]；As、Se、Hg、Tl等元素的主要載體是黃鐵礦[43-51]；B主要存在三種賦存模式，包括有機(jī)結(jié)合態(tài)、黏土礦物結(jié)合態(tài)和存在于電氣石的晶格內(nèi)[52]；Ba主要分布在黏土礦物中，可能以重晶石(BaSO4)、毒重石(BaCO3)和纖磷鈣鋁石形式存在[47,53]；Be的有機(jī)親和性高，一般認(rèn)為以有機(jī)結(jié)合態(tài)存在，也有學(xué)者認(rèn)為主要與黏土礦物(方解石、硅酸鹽、貝桑石、石膏)結(jié)合[47,54-55]；F主要與黏土礦物結(jié)合[47,56]；P主要存在于磷酸鹽礦物中[4,47]；V主要以無機(jī)形式與伊利石結(jié)合，但也有一定量(20%～30%)與有機(jī)物結(jié)合[45]；Cr、Co、Ni、Cu、Cd、Pb、Mo、Sb、Zn與硫化物密切相關(guān)[4,47,53,57-59]；Mn主要存在于碳酸鹽中，尤其是菱鐵礦和鐵橄欖石[60]；Cl的無機(jī)態(tài)存在形式主要包括無機(jī)離子、水合離子、無機(jī)鹽(如NaCl、KCl)和含氯復(fù)雜礦物(如羥基磷灰石、方鈉石、磷灰石等)，其有機(jī)態(tài)存在形式主要包括有機(jī)離子交換態(tài)、有機(jī)共價(jià)結(jié)合態(tài)、有機(jī)氯化物(如官能團(tuán)含氯結(jié)構(gòu))和有機(jī)離子配合物(如季胺基團(tuán)、堿金屬羧基配合物)[61]；Sn可能以錫石態(tài)、硫化物態(tài)、鈮鉭硅酸鹽態(tài)和有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)存在[62]；U主要以有機(jī)態(tài)存在，也有可能與黃鐵礦和硅酸鹽結(jié)合[47,63-64]。

表5 煤中有害微量元素賦存狀態(tài)分析結(jié)果

2.5 煤中有害微量元素的脫除效率

不同學(xué)者對煤炭分選過程中有害微量元素的脫除效果得出了統(tǒng)一的結(jié)論，即煤中多數(shù)有害微量元素含量與礦物質(zhì)總量存在相關(guān)性，常規(guī)的物理分選對其有良好的脫除效果[65-67](表6)。唐躍剛等[68]對開灤礦區(qū)煤的洗選過程進(jìn)行分析時(shí)指出，精煤中超過11.6%的有害微量元素被脫除，其中Tl(88.2%)和Ni(57.0%)的脫除率最高，Mo的脫除率最低(11.6%)；中煤中Co和Tl的脫除效果明顯，但Se和Tl表現(xiàn)出富集，其他元素?zé)o明顯脫除或富集表現(xiàn)；尾煤中，除Tl(脫除率5.9%)外，其他有害微量元素均有不同程度的富集，其中As、Th、Be的富集程度最高；煤泥中，所有有害微量元素的富集程度均高于原煤。張博[69]以大河邊礦原煤為分析對象指出，一般物理分選中可以脫除50%以上的As、Ba、Co、Cr、Hg、Mn、Sb和Cu，其中Cu的平均脫除率最高，約為75.4%；Cd、P、Pb、Se、Th、U、V、Zn的脫除率變化較大，不同分選工藝脫除率有所不同。秦勇等[65]對太原煤分選過程研究表明，As、Sb、Se、Co、Sb、Mo、Pb等元素有良好脫除效果，但Br元素在精煤進(jìn)一步富集，不易被脫除。煤中有害微量元素的脫除效果與其賦存狀態(tài)和存在形態(tài)密切相關(guān)。因此，實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用、提升有害元素脫除效率仍需對煤中有害微量元素的賦存機(jī)制進(jìn)行深入研究。

表6 煤中有害元素的脫除率

2.6 煤中有害微量元素的環(huán)境效應(yīng)

2.6.1 煤中有害微量元素與空氣

化石燃料燃燒，尤其是煤炭，是大氣中有害微量元素的首要人為排放源。1990年美國《清潔空氣法修正案》(1990 Clean Air Act Amendments)將11種元素(包括Sb、As、Cr、Pb、Cd、Hg、Ni、Se、Be、Mn和Co)列為主要有毒空氣污染物，其中Hg、As、Se、Cd、Cr和Pb被列為優(yōu)先元素。根據(jù)煤燃燒過程中的分配行為，Hg和F通常被歸類為極易揮發(fā)元素[71-72]。對于Hg來說，無論是燃燒(含氧條件)還是無氧條件下，當(dāng)溫度超過750 ℃時(shí)，煤中的汞都將逃逸，底灰中殘余Hg含量幾乎為0[51]。Mn、Co、V、U主要集中在底灰和飛灰中，幾乎不揮發(fā)，通?？梢酝ㄟ^傳統(tǒng)的顆?？刂葡到y(tǒng)去除。As、Cd、Pb、Sb和Se等元素更多地集中在細(xì)粒顆上(≤10 μm)，這些顆?？赡軙念w?？刂葡到y(tǒng)中逸出；Cr和Ni表現(xiàn)出介于前兩類之間的分配行為[73-76]。中國燃煤電廠超低排放改造后，Hg、As、Pb、Cd和Cr的平均氣體排放濃度約為0.46±0.14 μg/m3、0.02±0.01 μg/m3、0.23±0.12 μg/m3、0.03±0.01 μg/m3和1.35±1.25 μg/m3，比改造前降低2.5～100倍。粉煤灰和石膏中的微量元素在燃煤殘余物中的分布占主導(dǎo)地位。飛灰和石膏中的重金屬主要以氧化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)存在，易于淋出的含量(水溶態(tài)、酸溶態(tài))占比較小[77-78]。

2.6.2 煤中有害微量元素與礦井水環(huán)境

2.6.3 煤中有害微量元素與土壤污染

煤中有害微量元素對土壤的污染形式可分為直接污染和間接污染兩種類型。其中，直接污染主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

1)地下煤火作用導(dǎo)致有害微量元素通過地下裂隙在地表土壤富集。地下煤火是由于煤炭自燃而產(chǎn)生的一種特殊自然災(zāi)害，在中國、印度、印度尼西亞、澳大利亞等國家普遍存在[89]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前在我國境內(nèi)正在燃燒的煤田火區(qū)有56處，主要分布在新疆、寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、陜西、山西7個(gè)省(區(qū))，地下煤火分布面積達(dá)720 km2，直接燒失煤炭資源儲量約2 000萬t/a，破壞煤炭資源儲量約2億t/a，有害氣體排放量達(dá)105.69萬t/a，占我國有害氣體排放總量的10%以上[90-91]。煤火區(qū)地表土壤中Hg含量尤為富集，具有極強(qiáng)的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，As、F、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn等有害物質(zhì)也具有較高的富集濃度[92-93]。

2)由于煤矸石地表堆積對土壤造成污染。煤矸石作為煤礦開采和選煤廠作業(yè)中的附帶產(chǎn)物，對環(huán)境造成很大的危害，包括土地占用、土壤污染、煤矸石自燃等問題。每生產(chǎn)1 t煤就會產(chǎn)出0.15 t的煤矸石，目前我國有超過1 500座矸石山，占地面積約20余萬畝(1)1畝=666.67 m2。，累計(jì)堆放量超60億t，形成累計(jì)堆放量以5億～8億t/a的速率逐年增加[94]。一些學(xué)者通過淋濾或靜態(tài)浸泡試驗(yàn)指出，溶液pH值、溫度、浸出時(shí)間、樣品質(zhì)量、煤矸石粒徑、固液比等因素對煤矸石中有害物質(zhì)的溶出效果產(chǎn)生影響[95-97]。

間接污染主要是由于煤炭利用過程中一些揮發(fā)性有害微量元素?zé)o法被完全捕捉凈化，逃逸到空氣中后又在大氣干濕沉降作用下在土壤中匯集。一般，燃煤電廠、煤化工等場地周邊土壤中Cd、Hg、As、Pd等元素較為富集[98-99]。工業(yè)燃煤對重金屬污染具有空間效應(yīng)，其影響順序?yàn)楦m>表土>深層土[100]。

2.7 礦產(chǎn)能源數(shù)據(jù)庫的發(fā)展

能源數(shù)據(jù)庫建設(shè)是加強(qiáng)能源管理，實(shí)現(xiàn)能源管理現(xiàn)代化、決策科學(xué)化的重要組成部分，是一項(xiàng)十分重要的基礎(chǔ)性工作[101]。20世紀(jì)70年代，美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)開始建設(shè)全球礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)庫，其中，較為著名的是煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[102]，用于收集儲存煤質(zhì)信息數(shù)據(jù)，并為用戶提供查閱和下載服務(wù)。1984年，國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)首次提出了“全球一張地球化學(xué)圖”的概念，1988年聯(lián)合國教科文組織國際地質(zhì)對比計(jì)劃(IGCP)批準(zhǔn)實(shí)施了International Geochemical Mapping項(xiàng)目，致力于建立全球地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫[103]。1994年，加拿大地質(zhì)調(diào)查局于建成了“火山巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫”[104]。近年來，一些地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫已在互聯(lián)網(wǎng)上對外公布，如美國西北部火山巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫、海底巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫、地球科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)庫及巖石、礦物和熔體包裹體的化學(xué)同位素和礦物學(xué)綜合數(shù)據(jù)庫等。其中，哥倫比亞大學(xué)建立的EarthChem(Geochemical Databases for the Earth)數(shù)據(jù)庫是近年來最具代表性的地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含全巖數(shù)據(jù)和礦物數(shù)據(jù)等近60多萬條數(shù)據(jù)，支持用戶查詢、分析、圖解等功能[105]。日本海洋科技中心建立了GANSEKI海床巖石數(shù)據(jù)庫(Geochemistry and Archives of Ocean Floor Rocks on Networks for Solid Earth Knowledge Integration)，用于儲存巖樣基礎(chǔ)屬性、標(biāo)本照片、測試數(shù)據(jù)等信息，是數(shù)據(jù)最為齊備的深海巖樣數(shù)據(jù)庫[106]。英國倫斯勒理工學(xué)院開發(fā)的MetPetDBA(a Database for Metamorphic Geochemistry)數(shù)據(jù)庫，主要用于儲存變質(zhì)巖巖性數(shù)據(jù)[107]。

我國礦產(chǎn)能源數(shù)據(jù)庫的研究始于20世紀(jì)80年代，最早的是中國煤炭資源數(shù)據(jù)庫[108]。20世紀(jì)90年代，各種數(shù)據(jù)庫不斷涌現(xiàn)，如螢石礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)庫、地?zé)豳Y源數(shù)據(jù)庫、中國能源數(shù)據(jù)庫、煤種資源數(shù)據(jù)庫等[109-112]。張瑞新等[113]將VB與GIS相結(jié)合，開發(fā)了霍林河南露天礦煤質(zhì)管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計(jì)繪圖等功能。劉橋喜等[114]建立基于ODBC的煤礦地測C/S管理信息系統(tǒng)和地質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，系統(tǒng)包括基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)地質(zhì)數(shù)據(jù)和地質(zhì)圖形等，實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)操作功能。曹代勇等[115]構(gòu)建了中國煤炭特性數(shù)據(jù)庫，為煤炭資源科學(xué)研究搭建了基礎(chǔ)平臺。毛先成等[116]建成的綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用B/S架構(gòu)，運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對地質(zhì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問與更新，根據(jù)地質(zhì)工作需要實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的備份和恢復(fù)，并基于角色訪問控制思想進(jìn)行用戶權(quán)限管理。張小桐等[117]建立的煤炭資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，采用C/S和B/S集成開發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)了GIS制圖數(shù)據(jù)與建庫一體化，提高了礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)的管理與分析能力。YANG等[118]利用B/S三層結(jié)構(gòu)、Oracle數(shù)據(jù)庫、AJAX技術(shù)和WebGIS技術(shù)，建立了第一個(gè)旨在管理中國煤中微量元素的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(Trace Elements in Coal of China Database Management System)，該工作為實(shí)現(xiàn)我國煤中有害微量元素的數(shù)據(jù)信息集成提供了平臺，并為開展相關(guān)研究提供了支持。

建立和豐富煤中有害微量元素?cái)?shù)據(jù)庫具有重要的社會價(jià)值和科研價(jià)值。一方面，在當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，各行各業(yè)都在逐步形成自我體系內(nèi)的大數(shù)據(jù)，并充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)所帶來的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)庫的建立可以減少數(shù)據(jù)的冗余度、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理、推進(jìn)數(shù)據(jù)共享。另一方面，煤中有害微量元素作為煤質(zhì)的重要參考指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)集成，可以推進(jìn)煤炭資源和煤炭環(huán)境大數(shù)據(jù)的形成，為煤炭地質(zhì)及環(huán)境保護(hù)等科學(xué)研究發(fā)揮效益。

3 展 望

目前，針對煤中有害微量元素的研究已經(jīng)形成較為清晰的研究體系，并取得了許多進(jìn)展。綜合上述國內(nèi)外研究情況，筆者以為未來仍需在以下幾方面繼續(xù)開展工作。

1)煤中有害微量元素的賦存狀態(tài)和具體化學(xué)形態(tài)有待深入解析。加強(qiáng)煤中微量元素賦存狀態(tài)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論研究價(jià)值，如為煤炭凈化處理工藝的改進(jìn)提供支持，從源頭提升有害元素的脫除率。此外，煤中有害元素的毒性及遷移轉(zhuǎn)化性質(zhì)，不僅受控于其含量，還取決于其具體的存在形式?！熬唧w化學(xué)形態(tài)”是要比“賦存狀態(tài)”更深層次的研究方向。受限于研究方法和研究手段的不足，目前對于煤中微量元素的賦存研究尚不能明確其具體的化學(xué)存在形式，這導(dǎo)致了無法為水-煤作用、煤炭風(fēng)化、煤矸石淋濾等過程中微量元素向其他環(huán)境介質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化提供機(jī)理層面的解釋。

2)持續(xù)煤中有害微量元素的環(huán)境效應(yīng)研究。中國煤中有害微量元素富集區(qū)產(chǎn)生的煤源疾病，如氟中毒、砷中毒等問題已被人們所熟知。在當(dāng)今強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的時(shí)代背景下，煤中微量元素造成的潛在生態(tài)與健康問題是未來重要的研究方向之一，具體可包括宏觀尺度下煤中有害微量元素濃度的空間分布、大氣中有害微量元素濃度分布及擴(kuò)散機(jī)制、燃煤電廠有害元素捕捉凈化技術(shù)、煤礦礦井水中有害微量元素的富集機(jī)制及安全利用評估等。

3)煤中有害微量元素?cái)?shù)據(jù)管理有待加強(qiáng)。大數(shù)據(jù)方法是新時(shí)代下科學(xué)方法論的一個(gè)重要補(bǔ)充。隨著“大數(shù)據(jù)”的快速發(fā)展，許多國際組織和政府機(jī)構(gòu)都在加快構(gòu)建能源環(huán)境領(lǐng)域的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。除有利于環(huán)境管控和決策外，能源環(huán)境領(lǐng)域的數(shù)據(jù)集成對科學(xué)研究同樣具有重要意義。未來，持續(xù)建立和豐富煤中有害微量元素?cái)?shù)據(jù)庫是十分必要的，將為這一領(lǐng)域數(shù)據(jù)管理和分析提供有效的支持。