平顶山煤矿煤的物质组成特征研究

2015-05-08冯松宝赵梓臣付铜洋车青松刘茂钱

河北省科学院学报 2015年2期

冯松宝，赵梓臣，付铜洋，余磊，车青松，刘茂钱

（1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州 234000；2.合肥工业大学资源与环境学院，安徽合肥 230009；3.平顶山煤矿，河南平顶山 467000）

平顶山煤矿位于河南省平顶山市。煤是我国重要的能源矿产，是我国经济社会发展的重要战略资源。煤的物质组成特征研究，对于煤的综合利用有着重要的意义。众多学者对煤的物质组成进行了各方面的研究，孔洪亮［1］等在辽宁北票地区进行了煤中微量元素的研究工作；李文华［2］等对中国不同时代、不同矿区及不同类别的煤样显微组分含量分布特征进行了研究；刘飞燕［3］、刘桂建［4］等对煤中元素赋存特征及如何开发利用煤中微量元素进行了研究工作，等。基于此，本文通过对煤的显微组分以及元素特征的研究，阐明煤的物质组成对煤的综合利用的重要意义。

1 样品与实验方法

1.1 样品

样品取自平顶山煤矿戊组和己组，采用刻槽法进行取样，取样位置及样品描述见表1。

表1 样品描述

1.2 实验方法

1.2.1 平顶山煤矿煤的显微组分测定方法

将所取煤样用粉碎机粉碎成粉状，将煤粉过筛（200目），取过筛后煤粉装在样品袋中以备制作煤光片。打开镶嵌机电源进行预热，打开电热炉电源调至6档进行预热，取煤粉与镶嵌粉按2∶1的比例放于坩埚中，用钢丝搅拌混合均匀，用坩埚钳夹住坩埚，置于电热炉上进行加热，边加热边搅拌，使其受热均匀，直至呈现油光、粘稠状，迅速倒入镶嵌机中进行固定成样，等待2～3min后将样品取出即得煤砖。

利用预磨机对煤砖表面进行打磨，先在粗砂纸上进行打磨，采用十字交叉法进行打磨，直至表面无明显划痕，在光下照射只有一个反射面；然后在细砂纸上同样利用十字交叉法进行打磨，至无划痕和只存在一个反射面即可。

将打磨后的煤砖利用抛光机对其表面进行抛光。一手持煤样，一手持烧杯，便加水，边抛光，打磨后观察表面是否存在划痕，（若无，可进行下一步；若有，则重复预磨机步骤），然后，一手持煤样，一手持胶头滴管，便滴抛光剂，边对煤样进行抛光，滴两滴管抛光剂即可，最后冲去煤砖表面的抛光剂，用吹风机干燥即可，制得煤光片。

打开全自动煤岩系统，设置煤显微组分测定所要求的各项系统参数，将通过预处理制得的煤光片表面滴油放置于显微镜油镜下，在显微镜下将视野内的煤显微组分通过细准焦螺旋调至清晰，根据煤显微组分图鉴，对视野中十字丝交点所对准的煤中所含显微组分进行确定，对每一类煤岩组分进行分别计数，总计数点按国家标准不得低于500点。

1.2.2 平顶山煤矿煤的元素测定方法

通过预处理流程中镶嵌机工序制得煤砖分别标号备用。打开手持XRF元素分析仪，调节到需要测试的性质，取标准样进行仪器标准化操作，在仪器显示标准化完成后，按照待测样品编号进行测量。将手持XRF元素分析仪枪头对准样品，按下测量开关，保持对准姿势1～2min后将各元素含量记录下来。所有的实验在安徽省煤矿勘探工程技术研究中心完成。

2 实验结果

2.1 平顶山煤矿煤的显微组分含量测定结果

根据煤岩学图鉴，我们对镜下观测到的煤中显微组分进行识别、分类和计数。在镜下观测到显微组分（如图1、图2中画圈部分）。由计数结果得到平顶山煤矿煤中显微组分含量测定结果如表2。

图1 惰质体

图2 结构镜质体

表2 平顶山煤矿煤的显微组分含量

对数据进行分析可知：镜质组平均含量约72.97%，半镜质组平均含量约4.58%，惰质组平均含量约13.62%，壳质组平均含量约3.56%，矿物组平均含量约5.27%。这表示平顶山煤矿煤的主要成分为镜质组，是平顶山煤中主要的生烃成分，惰质组含量也较多，从文献［6］研究中我们知道，惰质组成分在镜质组生成烃过程中起到了促进作用，有利于煤成烃的演化。

2.2 平顶山煤矿煤的元素含量测定结果

在实验室中利用便携式手持XRF元素分析仪对所取煤样制得煤砖进行元素含量测量实验，所得数据经数理统计分析如下表3。

表3 常量元素数理分析结果

变异系数（CV），也可称离散系数，是用来反映样本总体中各单位标志值的差异程度（或离散程度）的指标，是反映数据分布状况的指标之一，能揭示总体中各单位标志值的离散程度以及集中趋势。变异系数越小，数据差距越小，越集中。由表四可知，五个主要元素的变异系数均大于1，这表明它们均为强变异程度。其中，Ca元素变异系数最大（为5.65），这表示在同批次样品中，Ca元素的变化波动最为强烈。

3 讨论

3.1 显微组分特征

煤显微组分的研究对于煤的利用、推断成煤的物质来源、成煤环境等都有着重要的意义。前人采用用不同的方法对煤显微组分进行了研究：在对煤进行显微组分分离富集后，对各显微组分进行热解实验，由轻质碳氢化合物C1～C4的逸出曲线可得知，镜质组轻质烷烃类气体的逸出强度较相应的惰质组大［5］；J.H.Wang在对煤显微组分进行热解研究中发现热解的气体产物主要是H2，CO，CO2，CH4，以及其他种类的烃类气体，在热解过程中，镜质组与惰质组之间有着明显的促进作用［6］；对煤显微组分进行傅立叶变换红外光谱原位分析，结果表明由壳质组、镜质组到惰质组，其生油潜力较小，镜质组和惰质组生成气态烃潜力较大［7］；将煤中各显微组分单体分离出来、并富集，然后分别以单体进行生烃模拟实验，最后选定化学动力模型标定各显微组分单体生烃参数［8］；煤中显微组分不会是单一存在的，一般都是由几种不同类型的显微组分按不同的比例混合而成，这就意味着，组成煤的各显微组分生烃贡献的叠合决定着煤的生烃模式及潜力［9］。

前人对煤显微组分的研究多是从定性方面进行的，很少通过定量的分析方法来研究。在煤显微组分在生烃过程中，镜质组和壳质组较先生烃［10］，镜质组与壳质组同时是生烃潜力较大的显微组分［7］。以树脂体和孢子体为主的壳质组较多生成液态烃类，以基质镜质体为主的镜质体则有利于生成气态烃类［11］。对平顶山煤矿煤的显微组分含量测定实验结果进行分析可得知，平顶山煤矿煤中镜质组含量约在72.97%，惰质组含量约在13.62%，壳质组含量约在3.56%。这组数据表明平顶山煤矿煤的生成气态烃的能力较强。

3.2 元素分析及成烃意义

煤炭资源是我国当前社会发展过程中所需要的主要能源矿产，随着煤炭资源的使用，其在利用过程中排放到空气中的污染物在逐年增长。因此，对煤中元素在煤燃烧过程中的转化及迁移对环境和人类身体健康的影响研究逐渐引起人们的重视。由于实验设备和研究环境的影响，我国对煤中元素的研究较世界上经济发达国家起步较晚，随着先进的分析仪器和方法的引入，我国在煤地球化学方面的研究才迅速发展起来。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过0.01%，这些元素称为常量元素，其他含量低于0.01%的元素一般称为微量元素。代世峰［12］在对煤中常量元素的研究意义中提出某些常量元素的存在（如钙盐、碱金属等）对炼焦能起到催化助熔的作用。研究煤中微量元素的含量及赋存意义广泛：对不同深度采取的煤样进行微量元素含量的测定，可作为煤层对比的标志［13］；研究煤燃烧加工过程中，微量元素在煤及其产物中的变迁规律，寻找减少污染、控制污染，实现绿色煤利用的方法［14］；从煤中提取某些超过工业品位的微量元素进行工业性利用等。

在前人研究的基础上，本文从煤中元素对于提高煤炭资源的综合利用效率，对煤生成烃的影响方面进行了思考。Ti、Fe、S、K、Ca等是煤中的常量元素，是煤中无机组成的重要组成部分。Fe主要存在于硫化物矿物中，以黄铁矿为主；Ca主要以碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐和有机状态存在于煤中。作为煤中无机元素的主要载体的矿物对煤的液化转化率有着特殊的影响。在低硫煤液化时，加入黄铁矿会提高转化率，提高收油率［12］。平顶山煤元素测定结果表明，在平顶山煤中，Fe、S元素含量较高，对煤生成烃过程可能起到催化作用，提高煤生烃的转化率。