燕子山礦山西組富孢子煤顯微組分特征及其解離特性研究

朱超，杜美利，楊瑞，楊敏，朱晨浩，劉雷

(西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710054)

煤中的有機顯微組分決定煤的加工利用價值，具有不同含量的顯微組分的煤能決定不同的工藝性質(zhì)[1-2]。因此分離和富集含有不同特性的煤巖組分就具有重要意義[3-5]，這為煤炭的進一步深加工提供了重要依據(jù)。目前煤巖顯微組分的分離主要分為化學(xué)方法和物理方法。其中由于化學(xué)方法對煤巖顯微組分具有較大破壞，所以一般采用物理法對煤巖進行分離和富集。物理法主要包括手選、篩選、重力選、浮選、電磁選等方法[6-12]。龍江等利用浮選法對新疆煤煤巖組分分離富集的研究[13]；趙偉等研究AlCl3在煤巖組分浮選中的作用[14]；Dyrkacz等在重液離心的基礎(chǔ)上開發(fā)了等密度梯度離心分離技術(shù)(DGC)[15]。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

樣品原料以燕子山山西組4#304盤區(qū)8401工作面煤樣作為實驗對象，其工業(yè)分析和元素分析見表1，其中灰分為31.35%，揮發(fā)分28.77%，屬于富灰中高揮發(fā)分煤。

表1 煤的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of sample

注：質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

Leica DM4500P偏光顯微鏡；TDL-40B離心機。

1.2 煤巖組分解離特性實驗

實驗方案見圖1，利用鄂式破碎機將實驗煤樣破碎至10 mm以下，在通過棒磨機將破碎煤樣粉碎至-0.5，-0.25，-0.125，-0.074 mm，然后根據(jù)國標(biāo)《煤巖分析樣品制備方法》(GB/T 16773—2008)進行煤巖光片的制備，將制備好的煤巖光片進行粗磨、細(xì)磨及拋光后，參照國標(biāo)《煤的顯微組分和礦物質(zhì)測定方法》(GB/T 8899—2013)進行煤巖光片的測定，在偏光顯微鏡的油鏡下測量其各顯微組分含量，利用反射白光入射，通過顯微鏡下組分差異，進行組分判定。同時利用數(shù)點統(tǒng)計法，測定煤巖顯微組分含量，并統(tǒng)計計算其解離度，確定其最佳解離度。

圖1 不同破碎粒度樣品解離規(guī)律實驗流程Fig.1 Test procedure of liberation characteristicunder different crushing degree

1.3 原煤浮沉實驗

浮沉實驗之前利用浮沉離心分離技術(shù)，實現(xiàn)煤巖組分的定量分析。取40 g煤樣，粒度>120目，分成均勻4份，將樣品裝入離心機的4槽離心試管中做等密度梯度離心實驗，其密度液的濃度依次從小到大為1.10，1.13，1.16，1.19，1.22，1.25，1.28，1.31，1.34，1.37，1.40，1.43 g/cm3，以密度為橫坐標(biāo)，相應(yīng)密度區(qū)間內(nèi)煤樣質(zhì)量為縱坐標(biāo)，繪出密度圖，找出兩個切點，確定殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的密度級范圍。參照國標(biāo)《煤炭浮沉試驗方法》(GB/T 478—2008)，根據(jù)其密度分布配制不同濃度ZnCl2溶液對不同粒度級的煤樣進行離心浮沉實驗，依次從小到大加入重液分離獲得產(chǎn)品，對產(chǎn)品進行過濾、熱水洗滌、烘干，最后稱量收集。將分離后的產(chǎn)品制備成煤巖光片，統(tǒng)計其不同顯微組分含量。為后續(xù)分離殼質(zhì)組提供參考依據(jù)。

1.4 殼質(zhì)組中孢粉的分離

孢粉是殼質(zhì)組中的主要亞顯微組分，根據(jù)《孢粉分析鑒定》(SY/T 5915—2000)進行孢粉的分離和富集。根據(jù)浮沉實驗可知，選擇富集殼質(zhì)組煤樣，利用密度為1.25，1.23，1.20，1.18，1.16，1.14，1.12，1.10 g/cm3的密度液，通過轉(zhuǎn)速為2 500 r/min的離心機進行分離，在離心機分離后靜置2 h，在顯微鏡下通過逐點計數(shù)統(tǒng)計孢粉的含量，確定出孢粉含量的主要密度級。

2 結(jié)果和討論

2.1 煤巖顯微組分的解離特性

2.1.1 原煤顯微組分特征 燕子山煤的煤巖顯微組分分析結(jié)果見表2，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知鏡質(zhì)組平均最大反射率為0.74，屬于低階煤，煤中主要以基質(zhì)鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體、孢子體組成，其中鏡質(zhì)組含量最高，其中殼質(zhì)組含量占10.49%。原煤中部分顯微組分特征見圖2。

表2 燕子山山西組煤顯微組分定量統(tǒng)計Table 2 Quantitative statistical results of marceral of Shanxi formatiom of Yanzishan %

注：R°鏡質(zhì)體隨機反射率；V1均質(zhì)鏡質(zhì)體；V2基質(zhì)鏡質(zhì)體；SF 半絲質(zhì)體；F 絲質(zhì)體；Sp 孢子體；Sub 木栓質(zhì)體；Cu 角質(zhì)體；M 礦物質(zhì)。

圖2 不同煤巖顯微組分特征Fig.2 Marceral characteristic of different coal rocks

圖2a是熒光下的大孢子體，大孢子體形態(tài)上呈現(xiàn)扁平體，折曲處出現(xiàn)鈍圓形，粒徑>150 μm；圖2b是熒光下眾多小孢子體組成的小孢子群，其尺寸大小30～80 μm；圖2c是原煤中含量最高的鏡質(zhì)組，在反射光下多呈現(xiàn)為灰色，無突起；圖2d是熒光下的孢子體和角質(zhì)體，角質(zhì)體主要呈現(xiàn)細(xì)長條帶狀，外緣較為光滑，多呈斷片平行層理分布。由圖2可知，富孢子煤中主要顯微組分的特征和尺寸大小，可為富孢子煤的后期分離富集提供依據(jù)。

2.1.2 煤巖組分分布規(guī)律 表3是不同破碎粒級煤巖顯微組分產(chǎn)物產(chǎn)率和各自組分的單體和連生體含量，其中單體解離度的計算方法如下：

表3 不同破碎程度煤巖組成Table 3 Maceral composition under different crushing degree

由表3中不同破碎粒度煤巖的鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組的組分含量可知，0.5～0.2 mm粒級中殼質(zhì)組為8.46%，惰質(zhì)組為34.59%，鏡質(zhì)組為56.63%，然而到<0.074 mm中殼質(zhì)組為19.65%，惰質(zhì)組為53.92%，鏡質(zhì)組為26.43%。通過上述數(shù)據(jù)可以看出，在細(xì)粒度中惰質(zhì)組含量和殼質(zhì)組含量增加，而鏡質(zhì)組含量減少。這就說明惰質(zhì)組和殼質(zhì)組質(zhì)軟、易碎，而鏡質(zhì)組質(zhì)脆、不易粉碎，這與前人對于低變質(zhì)煤的解離規(guī)律研究一致。

2.1.3 單體煤巖組分分布規(guī)律 為探究不同破碎粒度煤樣的單體煤巖解離規(guī)律，按照表2的煤巖解離規(guī)律做出單體煤巖組分解離度隨產(chǎn)品粒度變化的分布規(guī)律。圖3是煤樣隨煤巖破碎粒度變化的單體解離規(guī)律變化。

圖3 不同破碎程度下煤樣的單體解離度與產(chǎn)品粒級的關(guān)系Fig.3 Relationship between free fractional degree of maceraland sample size under different crushing degree

由圖3可知，隨著破碎程度的增加，其鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組的單體解離度逐漸增大，當(dāng)破碎粒度為0.5～0.2 mm時，鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組的解離度分別為46.72%，38.17%和51.77%，到破碎至<0.074 mm，其解離度分別變?yōu)?6.27%，90.14%和85.88%；這說明在<0.074 mm時，其鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組均已獲得高效的解離；通過圖像比較可知殼質(zhì)組破碎粒度為0.125～0.074 mm和<0.074 mm時，其殼質(zhì)組的解離度僅由82.28%提高到85.88%，因此殼質(zhì)組的解離主要集中于>0.074 mm 破碎粒級中。同時基于在實際生產(chǎn)中細(xì)粒級分離難度較大，因此其殼質(zhì)組的最佳解離粒度集中在0.125～0.074 mm。

2.2 原煤浮沉實驗

2.2.1 不同破碎粒級煤樣浮沉實驗 通過利用浮沉離心技術(shù)所測數(shù)據(jù)制成燕子山密度分布圖，確定了不同顯微組分的密度界限，其中殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組的密度界限為1.25 g/cm3，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的密度界限為1.37 g/cm3，同時由相關(guān)文獻可知，密度高于1.45 g/cm3樣品主要為無機礦物質(zhì)組成，因此不予考慮。

圖4 燕子山煤密度分布圖Fig.4 Density distribution of Yanzishan coal

根據(jù)圖4的密度分布圖，進行不同破碎粒度煤樣的浮沉實驗，其結(jié)果見表4。

由表4可知，當(dāng)粒度為0.5～0.2 mm時，密度級<1.25 g/cm3的含量為7.92%，1.25～1.37 g/cm3的含量為50.04%，1.37～1.45 g/cm3的含量為22.68%；而在粒度為<0.074 mm時，密度級<1.25 g/cm3的含量為11.06%，1.25～1.37 g/cm3的含量為36.67%，1.37～1.45 g/cm3的含量為46.51%。根據(jù)表4可知，隨著破碎粒級的增大，殼質(zhì)組和惰質(zhì)組的含量均增加；而隨著破碎粒度的增大，鏡質(zhì)組的含量降低。

表4 不同破碎程度煤樣的浮沉結(jié)果Table 4 Float-sink results of coal samples under different crushing degree

2.2.2 不同破碎粒度煤樣浮沉顯微組分 表5為不同破碎程度下煤樣不同顯微組分含量隨其密度的變化關(guān)系。

表5 不同破碎粒度煤樣浮沉煤巖分析Table 5 Petrographic analysis of coal samples under different crushing degree

由表5可知，當(dāng)在4種特定破碎粒度下，鏡質(zhì)組含量隨著密度的增大先增加后減少、惰質(zhì)組含量逐漸增大、殼質(zhì)組含量逐漸減??；當(dāng)以<1.25 g/cm3密度級產(chǎn)品中的殼質(zhì)組含量作為研究對象，隨著破碎程度的逐漸增加，破碎煤樣粒度由0.5～0.2 mm降低至<0.074 mm時，產(chǎn)品的殼質(zhì)組含量逐漸增加，所以說明經(jīng)過破碎作用，殼質(zhì)組單體數(shù)量逐漸增加，煤巖顯微組分解離效果增加；當(dāng)破碎程度增加至某一粒級后，破碎程度的繼續(xù)加深對產(chǎn)品含量的影響很小，如<0.125 mm的破碎煤樣的<1.25 g/cm3密度級產(chǎn)品的殼質(zhì)組含量為89.93%；而對<0.074 mm的破碎煤樣的<1.25 g/cm3密度級產(chǎn)品的殼質(zhì)組含量僅為90.19%；因此，從實際生產(chǎn)的能耗角度考慮，煤巖顯微組分的最優(yōu)解離粒度為0.125～0.074 mm。

2.3 孢粉的富集

在解離度實驗和浮沉實驗中已對殼質(zhì)組中的孢粉做了初步了解，然而由于其余組分的影響，孢粉的研究還不夠全面。利用富集后的殼質(zhì)組來進一步研究孢粉。圖5a是孢粉在顯微鏡下的透射圖，圖5b是孢粉在顯微鏡下的熒光圖。

a.孢子體透射光

b.孢子體熒光圖5 孢粉分離富集圖Fig.5 Images of sporopollen seperation and enrichment

在殼質(zhì)組的分離富集實驗中，將分離密度從小到大依次增加，通過撒片法在顯微鏡下的觀察，發(fā)現(xiàn)孢粉主要集中于密度級1.16～1.18 g/cm3之間，其富集產(chǎn)率達到90%以上。在密度級低于1.12 g/cm3時含量較少。圖6是孢粉分離富集的密度圖。

圖6 孢粉含量變化圖Fig.6 Content variation chart of sporopollen

3 結(jié)論

(1)隨著煤巖破碎粒度的增加，燕子山富孢子煤惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量增加，而鏡質(zhì)組含量減少。

(2)通過浮沉實驗可知，燕子山礦煤巖組分中的殼質(zhì)組其最優(yōu)分選條件是將煤樣破碎到0.125～0.074 mm時，分選密度在<1.25 g/cm3時，可獲得殼質(zhì)組含量為89.93%。

(3)燕子山煤孢粉主要集中于1.16～1.18 g/cm3，其富集產(chǎn)率高達90%以上。