第2章 煤的一般性质

第二章煤的一般性质煤的物理性质煤的化学性质煤的固态胶体性质第一节煤的宏观特征和微观特征一、煤岩学概念1、什么是煤岩学？用岩石学的观点和方法研究煤的组成和性质。2、煤岩学研究方法宏观方法－用肉眼或放大镜观察煤，根据其颜色、条痕色、光泽、硬度、断口等特征，识别煤岩类型、判断煤的性质。微观方法－用显微镜研究煤微观方法－用显微镜研究煤透射光下：薄片2×2cm，厚0.02mm。根据颜色、形态和结构识别显微煤岩组分、判断煤的性质；反射光下：光片直径2cm，厚1.5-2cm圆柱体。在普通反射光或油浸反射光下，根据颜色、形态、结构、突起、反光性等特征识别煤岩组分、判断煤的性质。光片分为煤光片和粉光片（砖光片）。二、煤的显微组分煤的显微组分(maceral,micropetrologicalunit)，是指煤在显微镜下能能够区别和辨识的基本组成成分。分为：有机显微组分：在显微镜下能观察到的煤中成煤原始植物组织转变而成的显微组分。无机显微组分：在显微镜下能观察到的无机矿物质。1、煤的有机显微组分腐植煤的有机显微组分包括：镜质组、惰质组和壳质组。在显微镜下的特征是：镜质组：透射光下呈橙红色，透明或半透明，较均一，不含或少含矿物质，见垂直裂纹。普通反射光下呈灰色，油浸反射光下呈深灰色，无突起。惰质组：透射光下呈黑色，不透明。反射光下突起高，呈白色，油浸反射光时呈亮白色。壳质组：透射光下透明到半透明，呈黄色或橙红色，轮廓清晰，外形特殊。普通反射光下大多有突起，呈深灰色，油浸反射光下－灰黑色或黑灰色。1.1镜质组（又称凝胶化组分）的成因通过凝胶化作用形成。成煤植物的组织在气流闭塞、积水较深的沼泽环境下，产生极其复杂的变化。一方面是植物组织在微生物作用下，分解、水解、化合形成新的化合物并破坏植物组织器官的细胞结构；另一方面植物组织在沼泽水的浸泡下吸水膨胀，使植物细胞结构变形、破坏乃至消失，或进一步再分解为凝胶的过程。植物组织经凝胶化作用并经煤化作用后形成凝胶化组分（镜质组）。镜质组是煤中最主要煤岩组分，含量50－80％，甚至90％。根据凝胶化程度的不同，镜质组还可细分为：结构镜质体，无结构镜质体和碎屑体。1.2、惰质组（又称丝质组）的成因惰质组是通过丝炭化作用或火焚作用形成。丝炭化作用：成煤植物的组织在积水较少、湿度不足的条件下，木质纤维组织经脱水作用和缓慢的氧化作用后，又转入缺氧的环境，进一步经煤化作用后转化为惰质化组分。丝炭化作用也可以作用于已经受不同程度凝胶化作用的组分上，但经丝炭化作用后的组分不能再发生凝胶化作用成为凝胶化组分。火焚作用：有的丝炭化组分是由于古代沼泽森林火灾后，由烧焦的炭化组织转化而来的，称为火焚丝质体。在显微镜下观察，该类丝炭化组分细胞结构完整清晰，且由于没有经受凝胶化作用，细胞壁没有发生吸水膨胀，因此，胞壁薄。煤中含量在10－20％，对煤的性质有重要影响。1.3、壳质组（又称稳定组）的成因壳质组又称稳定组，是由成煤植物中化学稳定性强的组织器官转化而来的。在泥炭化作用阶段，因化学稳定性强，没有遭受生物化学作用的破坏而保存在煤中，经煤化作用后转化为稳定组分。煤中常见的稳定组分有：孢子体、花粉体、树脂体、角质体、木栓体等。稳定组分在透射光下透明到半透明，呈现黄色到橙红色，轮廓清楚，外形特殊；在反射光下呈现深灰色，大多数有突起。稳定组分在煤中的含量不大，对煤的性质影响很小。个别情况下，有稳定组分富集的煤出现，如乐平树皮煤、抚顺烛煤。稳定组分的氢含量高，发热量高。2、煤中的矿物质——无机显微成分煤的无机显微成分主要是指粘土矿物、黄铁矿、石英、方解石等，在显微镜下可以进行区分。粘土类矿物：高岭石，伊利石，水云母，…硫化物类矿物：黄铁矿，白铁矿，…碳酸盐类矿物：方解石，菱铁矿，…氧化物类矿物：石英，…硫酸盐类矿物：石膏，…三、显微煤岩组分的反射率在反射光下，显微组分表面的反射光强度和入射光强度之比称为反射率。反射率可以在空气中即干物镜下测定，以R(%)表示；也可以在油浸物镜下测定，以Ro(%)表示。从长焰煤到无烟煤，Ro增加十几倍，而R只增加两三倍。在与煤层层面成任意交角的切面上最大反射率不变，而最小反射率则随交角不同而变化。在三种有机显微组分中，随煤化程度的变化，只有镜质组呈现较为均匀的变化，因此，一般将油浸物镜下测定的镜质组最大反射率Romax作为分析比较的指标。煤的反射率是煤岩学定量研究煤性质的重要指标，特别是在反映煤的变质程度、预测煤的黏结性，用于煤炭分类、指导煤炭加工利用等方面，具有十分重要的实用价值。四、煤的宏观特征根据颜色、光泽、硬度、裂隙和断口等，利用肉眼或放大镜可以区分的煤的基本组成单位，包括镜煤、亮煤、暗煤和丝炭。在显微镜下观察，镜煤和丝炭是单一成分，亮煤和暗煤是混合成分。1、腐植煤的煤岩类型1.1镜煤镜煤呈黑色，光泽最强，质地均匀，性脆，断口多呈贝壳状，内生裂隙特别发育。在煤层中镜煤常呈透镜状或条带状，大多厚几毫米到1～2cm，有时呈线理状夹在亮煤或暗煤中。镜煤的显微组成单一，主要是植物的木质纤维组织经凝胶化作用形成的镜质组。性质：V、H高，黏结性强，矿物质含量少1.2丝炭丝炭外观象木炭，颜色灰黑，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽。丝炭疏松多孔，性脆易碎，碎后成为纤维状或粉末状，能染指。在煤层中丝炭的数量一般不多，常呈扁平透镜体，大多厚1～2mm至几mm，有时也能形成不连续的薄层。在显微镜下观察，丝炭的显微组成也是单一的，是简单的煤岩成分，主要是植物经受火灾后的木炭转化而来的惰质组构成。性质：致密坚硬、密度大，H低、C高，V低，无黏结性，可选性差，孔隙大。1.3亮煤颜色深黑，光泽较强，仅次于镜煤，性较脆，内生裂隙发育。亮煤的均一程度不如镜煤，表面隐约可见微细纹理，内生裂隙发育程度不及镜煤。在显微镜下观察，亮煤组成比较复杂，它以镜质组为主，并含有不同数量的惰质组、壳质组和矿物质。亮煤是最常见的宏观煤岩成分，不少煤层是以亮煤为主组成的，有的整个煤层都是亮煤组成的。性质：亮煤的性质接近镜煤，但由于惰质组和矿物质的存在，质量比镜煤差。1.4暗煤光泽暗淡，一般呈灰黑色，致密，密度大，内生裂隙不发育，坚硬而具韧性，断面粗糙。暗煤也是煤层中常见的宏观煤岩成分，在煤层中，可以由暗煤为主形成较厚的分层，甚至单独成层。在显微镜下观察，暗煤组成复杂，一般镜质组较少，矿物质含量较高。性质：取决于各组分的含量，如富含壳质组分，V、H高，黏结性强；富含惰质组分，矿物含量高，密度大，V低、弱黏结。腐植煤的岩石类型与显微组分之间的关系2、煤的光泽岩石类型煤的光泽岩石类型一般按平均光泽强度把煤的光泽岩石类型依次划分为光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤四种基本类型。五、煤岩学的应用（1）煤的成因研究在显微镜下观察煤的薄片,可以确定成煤植物的种类，根据煤中保存的植物遗体(表皮,孢子,花粉)，确定成煤植物的种属。（2）煤的可选性研究煤中矿物质的种类、粒度、数量及其分布特征对煤的可选性影响极大。通过研究显微组分(包括无机显微组分)的组成与其可选性关系的研究，可以预测煤的可选性，选择合理的破碎粒度、选煤工艺和流程。（3）评价煤质、指导煤炭加工利用在煤质评价和指导煤炭加工利用时，经常出现一些仅用化学分析的方法所不能解释的现象，而需应用煤岩学的方法才能解决。结构镜质体徐州夏桥太原组16煤层透射光95×无结构镜质体－均质镜质体徐州张小楼下石盒子组1煤层透射光135×无结构镜质体－均质镜质体湖南涟邵恩口龙潭组2煤层油浸反射光270×惰质组，丝质体－微丝煤山西朔县杨涧山西组4煤层透射光55×惰质组－丝质体，“星状”结构贵州盘县龙潭组C12煤层油浸反射光270×壳质组－孢子体孢子囊徐州张小楼山西组7煤层反射荧光蓝光激发135×壳质组－角质体，渗出沥青体徐州张小楼山西组7煤层反射荧光蓝光激发230×第二节煤的物理性质一、煤的密度1.真(相对)密度TrueRelativeDensity,TRD(真密度)1.1真密度的概念：20℃时煤的质量与同体积(不包括煤的所有孔隙)水的质量之比。1.2真密度的用途：真密度是煤的主要物理性质之一，在研究煤的分子结构、确定煤化程度、制定煤的分选密度时，都会用到煤的真密度。1.3纯煤真密度的概念：在研究煤质时，为了排除煤中矿物质的影响，有时用到纯煤真密度的概念。它是指煤的有机质的真密度，用(TRD)daf表示。可从TRD和煤的灰分等进行计算，公式如下：1.4影响煤真密度的因素影响煤真密度的因素有成因类型、煤岩组成、矿物质、煤化程度等。成因类型的影响：★腐植煤的真密度一般不低于1.25g/cm3，而腐泥煤仅为1.00g/cm3左右；第二节煤的物理性质1.4影响煤真密度的因素影响煤真密度的因素有成因类型、煤岩组成、矿物质、煤化程度等。煤岩组成的影响★惰质组的密度最大，镜质组次之，壳质组最低，随煤化程度的提高这种差别减小，到无烟煤阶段趋于一致；第二节煤的物理性质1.4影响煤真密度的因素影响煤真密度的因素有成因类型、煤岩组成、矿物质、煤化程度等。矿物质的影响★矿物质的密度较煤的有机质高，因而，煤中矿物质含量高则真密度大；第二节煤的物理性质1.4影响煤真密度的因素影响煤真密度的因素有成因类型、煤岩组成、矿物质、煤化程度等。煤化程度的影响：★对煤的真密度影响最大的是煤化程度。第二节煤的物理性质煤化程度对煤的真密度的影响从低煤化度开始，随煤化程度的提高，煤的真密度缓慢减小，到碳含量为86％～89％之间的中等煤化程度时，煤的真密度最低，约为1.30g/cm3左右，此后，煤化程度再提高，煤的真密度急剧提高到1.90g/cm3左右。壳质组镜质组惰质组煤化程度对煤的真密度的影响煤真密度随煤化程度的变化是煤分子结构变化的宏观表现。从化学结构的角度看，煤的真密度反映了煤分子结构的紧密程度和化学组成的特点。其中分子结构的紧密程度是影响煤真密度的关键因素。（1）分子结构的影响（2）化学组成的影响2煤的视(相对)密度apparentrelativedensity,ARD2.1视密度的概念：20℃时煤的质量与同体积（仅包括煤粒的内部孔隙）水的质量之比。2.2视密度的用途●煤的视密度可用于计算煤的埋藏量。●计算煤的孔隙率，％TRDARDTRD孔隙度第二节煤的物理性质3.煤的堆积密度(bulkrelativedensity，BRD)3.1堆积密度的概念：煤的堆积密度是指20℃下煤的质量与同体积包括煤的内外孔隙和煤粒间的空隙）水的质量之比。用BRD表示。堆积密度的大小除了与煤的真密度有关外，主要决定于煤的粒度组成和堆积的密实度。3.2堆积密度的用途：堆积密度对煤炭生产和加工利用部门在设计矿车、煤仓、估算煤堆重量、炼焦炉炭化室和气化炉的装煤量等都有很大的实用意义。第二节煤的物理性质二、煤的机械性质机械性质的概念：煤的机械性质是指煤在机械力作用下，所表现的各种特性，如硬度、脆度、可磨性等，这些性质对煤的开采、破碎、燃烧、气化和成型等工艺过程有实用意义。1.煤的硬度●刻划硬度●显微硬度第二节煤的物理性质1.1煤的刻划硬度采用一套具有标准硬度的矿物刻划煤，得到粗略的相对硬度，称为刻划硬度，又叫莫氏硬度。标准矿物的莫氏硬度见表4－3。根据莫氏硬度的划分，煤的硬度一般为1～4。煤的硬度与煤化程度有关，中等煤化程度的焦煤，硬度较小，约为2～2.5，随着煤化程度的提高，硬度增加，无烟煤的硬度最大，约为4左右。同一煤化程度的煤，惰质组的硬度最大，稳定组最小，镜质组居中。刻划硬度的准确性较差，在科学研究上采用显微硬度的指标。1.2煤的显微硬度显微硬度属于压入硬度的一种。一般采用特殊形状（如角锥形、圆锥形等）而又非常坚硬的压入器，施加一定的压力，使压入器压入到样品表面，形成压痕，卸除压力后用显微镜测量压痕的尺寸，如用方形棱锥形金刚石压入器时，测量压痕对角线的长度，即可计算出显微硬度值：1.2煤的显微硬度222sindPH式中H－显微硬度，MPa；P－加在压入器上的负荷，N；d－压痕对角线长度，mm；－方形棱锥体两相对锥面的夹角，一般为136。P显微硬度随煤化程度的变化从褐煤开始，