平頂山煤礦煤的物質組成特征研究

馮松寶，趙梓臣，付銅洋，余 磊，車青松，劉茂錢

（1.宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000；2.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境學院，安徽 合肥 230009；3.平頂山煤礦，河南 平頂山 467000）

平頂山煤礦位于河南省平頂山市。煤是我國重要的能源礦產，是我國經濟社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。煤的物質組成特征研究，對于煤的綜合利用有著重要的意義。眾多學者對煤的物質組成進行了各方面的研究，孔洪亮［1］等在遼寧北票地區(qū)進行了煤中微量元素的研究工作；李文華［2］等對中國不同時代、不同礦區(qū)及不同類別的煤樣顯微組分含量分布特征進行了研究；劉飛燕［3］、劉桂建［4］等對煤中元素賦存特征及如何開發(fā)利用煤中微量元素進行了研究工作，等?；诖?，本文通過對煤的顯微組分以及元素特征的研究，闡明煤的物質組成對煤的綜合利用的重要意義。

1 樣品與實驗方法

1.1 樣品

樣品取自平頂山煤礦戊組和己組，采用刻槽法進行取樣，取樣位置及樣品描述見表1。

表1 樣品描述

1.2 實驗方法

1.2.1 平頂山煤礦煤的顯微組分測定方法

將所取煤樣用粉碎機粉碎成粉狀，將煤粉過篩（200目），取過篩后煤粉裝在樣品袋中以備制作煤光片。打開鑲嵌機電源進行預熱，打開電熱爐電源調至6檔進行預熱，取煤粉與鑲嵌粉按2∶1的比例放于坩堝中，用鋼絲攪拌混合均勻，用坩堝鉗夾住坩堝，置于電熱爐上進行加熱，邊加熱邊攪拌，使其受熱均勻，直至呈現油光、粘稠狀，迅速倒入鑲嵌機中進行固定成樣，等待2～3min后將樣品取出即得煤磚。

利用預磨機對煤磚表面進行打磨，先在粗砂紙上進行打磨，采用十字交叉法進行打磨，直至表面無明顯劃痕，在光下照射只有一個反射面；然后在細砂紙上同樣利用十字交叉法進行打磨，至無劃痕和只存在一個反射面即可。

將打磨后的煤磚利用拋光機對其表面進行拋光。一手持煤樣，一手持燒杯，便加水，邊拋光，打磨后觀察表面是否存在劃痕，（若無，可進行下一步；若有，則重復預磨機步驟），然后，一手持煤樣，一手持膠頭滴管，便滴拋光劑，邊對煤樣進行拋光，滴兩滴管拋光劑即可，最后沖去煤磚表面的拋光劑，用吹風機干燥即可，制得煤光片。

打開全自動煤巖系統(tǒng)，設置煤顯微組分測定所要求的各項系統(tǒng)參數，將通過預處理制得的煤光片表面滴油放置于顯微鏡油鏡下，在顯微鏡下將視野內的煤顯微組分通過細準焦螺旋調至清晰，根據煤顯微組分圖鑒，對視野中十字絲交點所對準的煤中所含顯微組分進行確定，對每一類煤巖組分進行分別計數，總計數點按國家標準不得低于500點。

1.2.2 平頂山煤礦煤的元素測定方法

通過預處理流程中鑲嵌機工序制得煤磚分別標號備用。打開手持XRF元素分析儀，調節(jié)到需要測試的性質，取標準樣進行儀器標準化操作，在儀器顯示標準化完成后，按照待測樣品編號進行測量。將手持XRF元素分析儀槍頭對準樣品，按下測量開關，保持對準姿勢1～2min后將各元素含量記錄下來。所有的實驗在安徽省煤礦勘探工程技術研究中心完成。

2 實驗結果

2.1 平頂山煤礦煤的顯微組分含量測定結果

根據煤巖學圖鑒，我們對鏡下觀測到的煤中顯微組分進行識別、分類和計數。在鏡下觀測到顯微組分（如圖1、圖2中畫圈部分）。由計數結果得到平頂山煤礦煤中顯微組分含量測定結果如表2。

圖1 惰質體

圖2 結構鏡質體

表2 平頂山煤礦煤的顯微組分含量

對數據進行分析可知：鏡質組平均含量約72.97%，半鏡質組平均含量約4.58%，惰質組平均含量約13.62%，殼質組平均含量約3.56%，礦物組平均含量約5.27%。這表示平頂山煤礦煤的主要成分為鏡質組，是平頂山煤中主要的生烴成分，惰質組含量也較多，從文獻［6］研究中我們知道，惰質組成分在鏡質組生成烴過程中起到了促進作用，有利于煤成烴的演化。

2.2 平頂山煤礦煤的元素含量測定結果

在實驗室中利用便攜式手持XRF元素分析儀對所取煤樣制得煤磚進行元素含量測量實驗，所得數據經數理統(tǒng)計分析如下表3。

表3 常量元素數理分析結果

變異系數（CV），也可稱離散系數，是用來反映樣本總體中各單位標志值的差異程度（或離散程度）的指標，是反映數據分布狀況的指標之一，能揭示總體中各單位標志值的離散程度以及集中趨勢。變異系數越小，數據差距越小，越集中。由表四可知，五個主要元素的變異系數均大于1，這表明它們均為強變異程度。其中，Ca元素變異系數最大（為5.65），這表示在同批次樣品中，Ca元素的變化波動最為強烈。

3 討論

3.1 顯微組分特征

煤顯微組分的研究對于煤的利用、推斷成煤的物質來源、成煤環(huán)境等都有著重要的意義。前人采用用不同的方法對煤顯微組分進行了研究：在對煤進行顯微組分分離富集后，對各顯微組分進行熱解實驗，由輕質碳氫化合物C1～C4的逸出曲線可得知，鏡質組輕質烷烴類氣體的逸出強度較相應的惰質組大［5］；J.H.Wang在對煤顯微組分進行熱解研究中發(fā)現熱解的氣體產物主要是H2，CO，CO2，CH4，以及其他種類的烴類氣體，在熱解過程中，鏡質組與惰質組之間有著明顯的促進作用［6］；對煤顯微組分進行傅立葉變換紅外光譜原位分析，結果表明由殼質組、鏡質組到惰質組，其生油潛力較小，鏡質組和惰質組生成氣態(tài)烴潛力較大［7］；將煤中各顯微組分單體分離出來、并富集，然后分別以單體進行生烴模擬實驗，最后選定化學動力模型標定各顯微組分單體生烴參數［8］；煤中顯微組分不會是單一存在的，一般都是由幾種不同類型的顯微組分按不同的比例混合而成，這就意味著，組成煤的各顯微組分生烴貢獻的疊合決定著煤的生烴模式及潛力［9］。

前人對煤顯微組分的研究多是從定性方面進行的，很少通過定量的分析方法來研究。在煤顯微組分在生烴過程中，鏡質組和殼質組較先生烴［10］，鏡質組與殼質組同時是生烴潛力較大的顯微組分［7］。以樹脂體和孢子體為主的殼質組較多生成液態(tài)烴類，以基質鏡質體為主的鏡質體則有利于生成氣態(tài)烴類［11］。對平頂山煤礦煤的顯微組分含量測定實驗結果進行分析可得知，平頂山煤礦煤中鏡質組含量約在72.97%，惰質組含量約在13.62%，殼質組含量約在3.56%。這組數據表明平頂山煤礦煤的生成氣態(tài)烴的能力較強。

3.2 元素分析及成烴意義

煤炭資源是我國當前社會發(fā)展過程中所需要的主要能源礦產，隨著煤炭資源的使用，其在利用過程中排放到空氣中的污染物在逐年增長。因此，對煤中元素在煤燃燒過程中的轉化及遷移對環(huán)境和人類身體健康的影響研究逐漸引起人們的重視。由于實驗設備和研究環(huán)境的影響，我國對煤中元素的研究較世界上經濟發(fā)達國家起步較晚，隨著先進的分析儀器和方法的引入，我國在煤地球化學方面的研究才迅速發(fā)展起來。煤中的C、H、O、N、Na、S、Mg、Si、K、Ca、Al、Ti、P和Fe等元素的含量一般超過0.01%，這些元素稱為常量元素，其他含量低于0.01%的元素一般稱為微量元素。代世峰［12］在對煤中常量元素的研究意義中提出某些常量元素的存在（如鈣鹽、堿金屬等）對煉焦能起到催化助熔的作用。研究煤中微量元素的含量及賦存意義廣泛：對不同深度采取的煤樣進行微量元素含量的測定，可作為煤層對比的標志［13］；研究煤燃燒加工過程中，微量元素在煤及其產物中的變遷規(guī)律，尋找減少污染、控制污染，實現綠色煤利用的方法［14］；從煤中提取某些超過工業(yè)品位的微量元素進行工業(yè)性利用等。

在前人研究的基礎上，本文從煤中元素對于提高煤炭資源的綜合利用效率，對煤生成烴的影響方面進行了思考。Ti、Fe、S、K、Ca等是煤中的常量元素，是煤中無機組成的重要組成部分。Fe主要存在于硫化物礦物中，以黃鐵礦為主；Ca主要以碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽和有機狀態(tài)存在于煤中。作為煤中無機元素的主要載體的礦物對煤的液化轉化率有著特殊的影響。在低硫煤液化時，加入黃鐵礦會提高轉化率，提高收油率［12］。平頂山煤元素測定結果表明，在平頂山煤中，Fe、S元素含量較高，對煤生成烴過程可能起到催化作用，提高煤生烴的轉化率。

4 結論

通過對平頂山煤礦煤的顯微組分含量及煤的元素含量分析得出如下結論：

（1）平頂山煤礦煤中鏡質組含量最高，約在72.97%，半鏡質組和殼質組含量最低，均小于百分之五，惰質組含量約13.62%。由各顯微組分熱解生烴實驗知，平頂山煤具有較高的生成氣態(tài)烴的潛力。

（2）平頂山煤礦煤的元素中Ti、Fe、S、K、Ca等含量較高，其中又以Fe、S元素較為突出，Fe元素平均含量約為1977ppm，S元素平均含量約為4828ppm，這兩種元素在煤中可能以黃鐵礦的形式存在，對煤生烴過程可能起到催化作用，有利于提高煤生烴的轉化率。

［1］ 孔洪亮，曾榮樹，莊新國，等.遼寧北票地區(qū)煤中微量元素研究［J］.現代地質，2001，15（4）：415－420.

［2］ 李文華，陳亞飛，陳文敏，等.中國主要礦區(qū)煤的顯微組分分布特征［J］.煤炭科學技術，2000，28（9）：31－35.

［3］ 劉飛燕，朱志敏，沈冰.我國煤中微量元素的賦存及開發(fā)利用［J］.保護與利用，2006，22（5）：467－468.

［4］ 劉桂建，彭子成，王桂梁，等.煤中微量元素研究進展［J］.地球科學進展，2002，17（1）：53－62.

［5］ 王傳格.煤顯微組分結構特征及其與熱解行為的關系［J］.煤炭轉化，2011，34（3）：11－16.

［6］ J.H.Wang，L.P.Chang.Pyrolysis Characteristics of Maceral Concentrates from Shendong Coal in Western China［J］.Energy Source，2014，36（18）.

［7］ 余曉露，李志明，白帆.衰減全反射—顯微傅立葉變換紅外光譜原位分析煤有機顯微組分［J］.石油實驗地質，2012，34（6）：664－670.

［8］ 盧雙舫，王子文，黃第藩.煤巖顯微組分成烴動力學［J］.中國科學（B輯），1995，25（1）：101－107.

［9］ 倪春華，江興歌.顯微組分生烴研究進展［J］.石油天然氣學報，2009，31（5）：216－218.

［10］ 劉全有，金之鈞，王毅，等.煤及顯微組分在超高溫開放體系實驗中動力學參數確立與天然氣形成過程預測［J］.地學前緣，2009，16（1）：167－172.

［11］ 錢門輝，蔣啟貴，鄭倫舉.西湖凹陷煤系烴源巖顯微組分組成特征及地質意義［J］.石油實驗地質，2012，34（2）：182－185.

［12］ 代世峰，任德貽，唐躍剛.煤中常量元素的賦存特征與研究意義［J］.煤田地質與勘探，2005，33（2）：1－5.

［13］ 唐修義，黃文輝.煤中微量元素及其研究意義［J］.中國煤田地質，2002，7：1－4.

［14］ 陳祖興，劉心中，翁仁貴.煤中微量元素研究進展［J］.能源與環(huán)境，2005，5：4－6.