某煤矿煤岩组分的结构特征及其差异分析

杜 冉

（河钢集团邯钢公司，河北 邯郸 056015）

0 引言

对原煤煤岩组分、煤体性质进行研究，对煤田合理规划开采与后续原煤的合理加工利用有着重要意义。本文通过选取某矿原煤煤样进行细观、宏观上的煤岩组分显微结构分析，同时进行后续光谱结构处理及系统性的煤岩、煤质研究，为该矿煤的合理开发利用提供了科学数据支撑与借鉴。

1 煤岩组分结构特征分析

1.1 细观及宏观尺度下煤岩组分显微结构结构分析

借助LeitzMPV-Ⅲ型号显微光度计对该矿煤岩组分进行显微定量观测及反射率测定，所得该矿显微煤岩组分如表1 所示，煤岩反射率如表2 所示。从表1、表2 中可以看出，该矿煤层性质以惰性组、镜质组为主要成分，壳质组仅占煤总质量的3.5%，无机矿物质占比达3.93%；同时镜质组镜质体的反射率为0.48%，存在众多微充填胞腔，表明煤层吸附性较强。完成上述操作后，又对该煤进行了荧光分析，对煤岩组分细观结构下的荧光谱参数进行分析，并按照所得数据绘制出该煤各细观组分的荧光光谱图，具体如图1 所示。

图1 煤体各细观组分的荧光光谱图

表1 煤岩组分显微结构分析

表2 煤岩组分反射率测定

在煤岩组分细观结构研究的基础上，在无风环境中对煤样进行了宏观尺度上的煤岩组分手选富集作业，得出镜煤、亮煤、暗煤、丝炭四类宏观尺度上的煤岩组分。选用MPV-Ⅲ显微镜光度计对宏观尺度上的煤岩组分显微结构进行定量区分，具体结果如表3 所示。

表3 宏观尺度下的煤岩组分显微煤岩结构分析

从表3 宏观尺度下的煤岩组分显微煤岩结构统计数据中可以看出，该煤镜煤类型与丝炭类型下，镜质组与惰性组质量分数分别达到了95.33%与93.15%，可以看出手选富集所得煤岩单组分的纯度是很高的，因此这种手段可以用于对煤岩组分性质的研究当中。

1.2 煤的溶剂抽提及族组分构成分析

选用重蒸处理后的上述宏观尺度下的四类煤结构组分进行索氏抽提，抽提时长设定为140 h，然后利用等对抽提物进行柱层析，随后通过乙醇、二氯甲烷或苯作为展示剂进行族组分的分离操作，从而得到如表4 所示的溶剂抽提结果及族组分构成[1]。从表4 中可以看出，镜煤与亮煤抽提率相对较高，其中镜煤烷烃、沥青含量较高，说明该类型煤适用于液化、气化处理，可用作液态、气态燃料的制备；而暗煤与丝炭两者的抽提率相对较低，其中丝炭的芳香烃含量达到21.41%，数值最高，说明丝炭的芳构化程度较高，可用作碳素材料的原料。通过对四类组分煤体进行溶剂抽提及族组分构成分析，可依据煤体组分上存在的差异，合理进行用途划分，从而发挥出各族组分的适宜价值[2]。

表4 煤溶剂抽提结果与族组分构成统计

1.3 煤与抽提残煤的元素构成分析

对煤岩组分及抽提残煤进行元素分析，从统计数据来看，该煤干燥无灰基挥发分w（Vdaf）为32%～42%，因此可以确定该煤属于高挥发分烟煤，黏结性较差；镜煤水分、挥发分及氢氧含量相比其他族组分含量较高，丝炭灰分、碳含量相对其他族组分含量较高[3]。通过对比发现，经过抽提作用下的残煤中，挥发分与氢含量要相对未处理煤岩组分相对较低，因此得出经抽提处理后小分子烃类的含量将有所减少。

2 煤的FTIR 分析与结构参数

分析原煤与抽提残煤的FTIR 光谱图，具体如图2 所示，其中左侧为原煤FTIR 光谱图，右侧为抽提处理后残煤FTIR 光谱图[4]。从光谱图曲线特征来看，未抽提处理煤样与残煤的红外光谱特征基本相似，仅在某些吸收峰值上的吸收强度存在差异，同时后续对吸收峰归属与吸收特征进行解析处理，对吸收峰面积进行了定量计算。从计算结果来看，镜煤在3 750～3 100 cm-1、2 880～2 800 cm-1、1 580～1 400 cm-1等处时吸收峰的强度较大，由于这几处富含较多烷基侧链及阳离子型官能团，例如-NH2、-NH 等；同时丝炭在3 100～3 000 cm-1、1 950～1 850 cm-1、1 800～1 700 cm-1、900～650 cm-1等处时吸收峰的强度较大，这几处出现峰值的原因为丝炭的芳构化程度较高，同时分子中含较多含氧官能团。同时分析光谱图曲线特征还可发现，溶剂抽提残煤的芳构化程度相对原煤煤样略有提高。

图2 煤与抽提残煤FTIR 光谱图示意

3 结论

1）该原煤中惰性组质量分数达到了41.23%，属高惰性组分煤，尤其是其中含量较大的火焚丝质体及半充填、微充填胞腔，是该矿原煤的一个重要煤岩组分特性，这些孔隙的存在对煤吸附性有着重要影响。

2）镜煤水分、挥发分、氢氧含量相对其他族组分含量较高，丝炭碳含量与灰分含量相对其他族组分含量较高；同时镜煤的抽提率较高的原因可以确定为其组分中烷烃、沥青含量相对较高，丝炭抽提率较低的原因为芳烃含量相对较高。

3）通过FTIR 光谱图分析，并进行峰值计算，可以发现镜煤中含数量较多的烷基侧链以及各类阳离子基团，而在丝炭中含量较多的是含氧官能团；虽然在镜煤中氧含量较高，但其含氧官能团数量却很少，丝炭中官能团数量较高，但总体氧含量却很少，这也是两者在结构上存在的显著差异。

4）通过分析煤矿原煤及抽提残煤煤岩组分结构特征及差异，可以更好地掌握各类型煤体的特性，同时结合相关特性开展工业化应用，例如镜煤适用于液化、气化处理，可用作液态、气态燃料的制备，而丝炭的芳构化程度较高，可作为制作碳素材料的原料。