某煤礦煤巖組分的結(jié)構(gòu)特征及其差異分析

杜 冉

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司，河北 邯鄲 056015）

0 引言

對(duì)原煤煤巖組分、煤體性質(zhì)進(jìn)行研究，對(duì)煤田合理規(guī)劃開采與后續(xù)原煤的合理加工利用有著重要意義。本文通過選取某礦原煤煤樣進(jìn)行細(xì)觀、宏觀上的煤巖組分顯微結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)進(jìn)行后續(xù)光譜結(jié)構(gòu)處理及系統(tǒng)性的煤巖、煤質(zhì)研究，為該礦煤的合理開發(fā)利用提供了科學(xué)數(shù)據(jù)支撐與借鑒。

1 煤巖組分結(jié)構(gòu)特征分析

1.1 細(xì)觀及宏觀尺度下煤巖組分顯微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

借助LeitzMPV-Ⅲ型號(hào)顯微光度計(jì)對(duì)該礦煤巖組分進(jìn)行顯微定量觀測(cè)及反射率測(cè)定，所得該礦顯微煤巖組分如表1 所示，煤巖反射率如表2 所示。從表1、表2 中可以看出，該礦煤層性質(zhì)以惰性組、鏡質(zhì)組為主要成分，殼質(zhì)組僅占煤總質(zhì)量的3.5%，無(wú)機(jī)礦物質(zhì)占比達(dá)3.93%；同時(shí)鏡質(zhì)組鏡質(zhì)體的反射率為0.48%，存在眾多微充填胞腔，表明煤層吸附性較強(qiáng)。完成上述操作后，又對(duì)該煤進(jìn)行了熒光分析，對(duì)煤巖組分細(xì)觀結(jié)構(gòu)下的熒光譜參數(shù)進(jìn)行分析，并按照所得數(shù)據(jù)繪制出該煤各細(xì)觀組分的熒光光譜圖，具體如圖1 所示。

圖1 煤體各細(xì)觀組分的熒光光譜圖

表1 煤巖組分顯微結(jié)構(gòu)分析

表2 煤巖組分反射率測(cè)定

在煤巖組分細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，在無(wú)風(fēng)環(huán)境中對(duì)煤樣進(jìn)行了宏觀尺度上的煤巖組分手選富集作業(yè)，得出鏡煤、亮煤、暗煤、絲炭四類宏觀尺度上的煤巖組分。選用MPV-Ⅲ顯微鏡光度計(jì)對(duì)宏觀尺度上的煤巖組分顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量區(qū)分，具體結(jié)果如表3 所示。

表3 宏觀尺度下的煤巖組分顯微煤巖結(jié)構(gòu)分析

從表3 宏觀尺度下的煤巖組分顯微煤巖結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可以看出，該煤鏡煤類型與絲炭類型下，鏡質(zhì)組與惰性組質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到了95.33%與93.15%，可以看出手選富集所得煤巖單組分的純度是很高的，因此這種手段可以用于對(duì)煤巖組分性質(zhì)的研究當(dāng)中。

1.2 煤的溶劑抽提及族組分構(gòu)成分析

選用重蒸處理后的上述宏觀尺度下的四類煤結(jié)構(gòu)組分進(jìn)行索氏抽提，抽提時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為140 h，然后利用等對(duì)抽提物進(jìn)行柱層析，隨后通過乙醇、二氯甲烷或苯作為展示劑進(jìn)行族組分的分離操作，從而得到如表4 所示的溶劑抽提結(jié)果及族組分構(gòu)成[1]。從表4 中可以看出，鏡煤與亮煤抽提率相對(duì)較高，其中鏡煤烷烴、瀝青含量較高，說明該類型煤適用于液化、氣化處理，可用作液態(tài)、氣態(tài)燃料的制備；而暗煤與絲炭?jī)烧叩某樘崧氏鄬?duì)較低，其中絲炭的芳香烴含量達(dá)到21.41%，數(shù)值最高，說明絲炭的芳構(gòu)化程度較高，可用作碳素材料的原料。通過對(duì)四類組分煤體進(jìn)行溶劑抽提及族組分構(gòu)成分析，可依據(jù)煤體組分上存在的差異，合理進(jìn)行用途劃分，從而發(fā)揮出各族組分的適宜價(jià)值[2]。

表4 煤溶劑抽提結(jié)果與族組分構(gòu)成統(tǒng)計(jì)

1.3 煤與抽提殘煤的元素構(gòu)成分析

對(duì)煤巖組分及抽提殘煤進(jìn)行元素分析，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，該煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分w（Vdaf）為32%～42%，因此可以確定該煤屬于高揮發(fā)分煙煤，黏結(jié)性較差；鏡煤水分、揮發(fā)分及氫氧含量相比其他族組分含量較高，絲炭灰分、碳含量相對(duì)其他族組分含量較高[3]。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過抽提作用下的殘煤中，揮發(fā)分與氫含量要相對(duì)未處理煤巖組分相對(duì)較低，因此得出經(jīng)抽提處理后小分子烴類的含量將有所減少。

2 煤的FTIR 分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)

分析原煤與抽提殘煤的FTIR 光譜圖，具體如圖2 所示，其中左側(cè)為原煤FTIR 光譜圖，右側(cè)為抽提處理后殘煤FTIR 光譜圖[4]。從光譜圖曲線特征來(lái)看，未抽提處理煤樣與殘煤的紅外光譜特征基本相似，僅在某些吸收峰值上的吸收強(qiáng)度存在差異，同時(shí)后續(xù)對(duì)吸收峰歸屬與吸收特征進(jìn)行解析處理，對(duì)吸收峰面積進(jìn)行了定量計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，鏡煤在3 750～3 100 cm-1、2 880～2 800 cm-1、1 580～1 400 cm-1等處時(shí)吸收峰的強(qiáng)度較大，由于這幾處富含較多烷基側(cè)鏈及陽(yáng)離子型官能團(tuán)，例如-NH2、-NH 等；同時(shí)絲炭在3 100～3 000 cm-1、1 950～1 850 cm-1、1 800～1 700 cm-1、900～650 cm-1等處時(shí)吸收峰的強(qiáng)度較大，這幾處出現(xiàn)峰值的原因?yàn)榻z炭的芳構(gòu)化程度較高，同時(shí)分子中含較多含氧官能團(tuán)。同時(shí)分析光譜圖曲線特征還可發(fā)現(xiàn)，溶劑抽提殘煤的芳構(gòu)化程度相對(duì)原煤煤樣略有提高。

圖2 煤與抽提殘煤FTIR 光譜圖示意

3 結(jié)論

1）該原煤中惰性組質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了41.23%，屬高惰性組分煤，尤其是其中含量較大的火焚絲質(zhì)體及半充填、微充填胞腔，是該礦原煤的一個(gè)重要煤巖組分特性，這些孔隙的存在對(duì)煤吸附性有著重要影響。

2）鏡煤水分、揮發(fā)分、氫氧含量相對(duì)其他族組分含量較高，絲炭碳含量與灰分含量相對(duì)其他族組分含量較高；同時(shí)鏡煤的抽提率較高的原因可以確定為其組分中烷烴、瀝青含量相對(duì)較高，絲炭抽提率較低的原因?yàn)榉紵N含量相對(duì)較高。

3）通過FTIR 光譜圖分析，并進(jìn)行峰值計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)鏡煤中含數(shù)量較多的烷基側(cè)鏈以及各類陽(yáng)離子基團(tuán)，而在絲炭中含量較多的是含氧官能團(tuán)；雖然在鏡煤中氧含量較高，但其含氧官能團(tuán)數(shù)量卻很少，絲炭中官能團(tuán)數(shù)量較高，但總體氧含量卻很少，這也是兩者在結(jié)構(gòu)上存在的顯著差異。

4）通過分析煤礦原煤及抽提殘煤煤巖組分結(jié)構(gòu)特征及差異，可以更好地掌握各類型煤體的特性，同時(shí)結(jié)合相關(guān)特性開展工業(yè)化應(yīng)用，例如鏡煤適用于液化、氣化處理，可用作液態(tài)、氣態(tài)燃料的制備，而絲炭的芳構(gòu)化程度較高，可作為制作碳素材料的原料。