馮松寶，趙梓臣，付銅洋，余 磊，車青松，劉茂錢

（1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.平頂山煤礦，河南 平頂山 467000）

平頂山煤礦位于河南省平頂山市。煤是我國(guó)重要的能源礦產(chǎn)，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。煤的物質(zhì)組成特征研究，對(duì)于煤的綜合利用有著重要的意義。眾多學(xué)者對(duì)煤的物質(zhì)組成進(jìn)行了各方面的研究，孔洪亮［1］等在遼寧北票地區(qū)進(jìn)行了煤中微量元素的研究工作；李文華［2］等對(duì)中國(guó)不同時(shí)代、不同礦區(qū)及不同類別的煤樣顯微組分含量分布特征進(jìn)行了研究；劉飛燕［3］、劉桂建［4］等對(duì)煤中元素賦存特征及如何開發(fā)利用煤中微量元素進(jìn)行了研究工作，等。基于此，本文通過(guò)對(duì)煤的顯微組分以及元素特征的研究，闡明煤的物質(zhì)組成對(duì)煤的綜合利用的重要意義。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品

樣品取自平頂山煤礦戊組和己組，采用刻槽法進(jìn)行取樣，取樣位置及樣品描述見表1。

表1 樣品描述

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 平頂山煤礦煤的顯微組分測(cè)定方法

將所取煤樣用粉碎機(jī)粉碎成粉狀，將煤粉過(guò)篩（200目），取過(guò)篩后煤粉裝在樣品袋中以備制作煤光片。打開鑲嵌機(jī)電源進(jìn)行預(yù)熱，打開電熱爐電源調(diào)至6檔進(jìn)行預(yù)熱，取煤粉與鑲嵌粉按2∶1的比例放于坩堝中，用鋼絲攪拌混合均勻，用坩堝鉗夾住坩堝，置于電熱爐上進(jìn)行加熱，邊加熱邊攪拌，使其受熱均勻，直至呈現(xiàn)油光、粘稠狀，迅速倒入鑲嵌機(jī)中進(jìn)行固定成樣，等待2～3min后將樣品取出即得煤磚。

利用預(yù)磨機(jī)對(duì)煤磚表面進(jìn)行打磨，先在粗砂紙上進(jìn)行打磨，采用十字交叉法進(jìn)行打磨，直至表面無(wú)明顯劃痕，在光下照射只有一個(gè)反射面；然后在細(xì)砂紙上同樣利用十字交叉法進(jìn)行打磨，至無(wú)劃痕和只存在一個(gè)反射面即可。

將打磨后的煤磚利用拋光機(jī)對(duì)其表面進(jìn)行拋光。一手持煤樣，一手持燒杯，便加水，邊拋光，打磨后觀察表面是否存在劃痕，（若無(wú)，可進(jìn)行下一步；若有，則重復(fù)預(yù)磨機(jī)步驟），然后，一手持煤樣，一手持膠頭滴管，便滴拋光劑，邊對(duì)煤樣進(jìn)行拋光，滴兩滴管拋光劑即可，最后沖去煤磚表面的拋光劑，用吹風(fēng)機(jī)干燥即可，制得煤光片。

打開全自動(dòng)煤巖系統(tǒng)，設(shè)置煤顯微組分測(cè)定所要求的各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)，將通過(guò)預(yù)處理制得的煤光片表面滴油放置于顯微鏡油鏡下，在顯微鏡下將視野內(nèi)的煤顯微組分通過(guò)細(xì)準(zhǔn)焦螺旋調(diào)至清晰，根據(jù)煤顯微組分圖鑒，對(duì)視野中十字絲交點(diǎn)所對(duì)準(zhǔn)的煤中所含顯微組分進(jìn)行確定，對(duì)每一類煤巖組分進(jìn)行分別計(jì)數(shù)，總計(jì)數(shù)點(diǎn)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不得低于500點(diǎn)。

1.2.2 平頂山煤礦煤的元素測(cè)定方法

通過(guò)預(yù)處理流程中鑲嵌機(jī)工序制得煤磚分別標(biāo)號(hào)備用。打開手持XRF元素分析儀，調(diào)節(jié)到需要測(cè)試的性質(zhì)，取標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行儀器標(biāo)準(zhǔn)化操作，在儀器顯示標(biāo)準(zhǔn)化完成后，按照待測(cè)樣品編號(hào)進(jìn)行測(cè)量。將手持XRF元素分析儀槍頭對(duì)準(zhǔn)樣品，按下測(cè)量開關(guān)，保持對(duì)準(zhǔn)姿勢(shì)1～2min后將各元素含量記錄下來(lái)。所有的實(shí)驗(yàn)在安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心完成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 平頂山煤礦煤的顯微組分含量測(cè)定結(jié)果

根據(jù)煤巖學(xué)圖鑒，我們對(duì)鏡下觀測(cè)到的煤中顯微組分進(jìn)行識(shí)別、分類和計(jì)數(shù)。在鏡下觀測(cè)到顯微組分（如圖1、圖2中畫圈部分）。由計(jì)數(shù)結(jié)果得到平頂山煤礦煤中顯微組分含量測(cè)定結(jié)果如表2。

圖1 惰質(zhì)體

圖2 結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體

表2 平頂山煤礦煤的顯微組分含量

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：鏡質(zhì)組平均含量約72.97%，半鏡質(zhì)組平均含量約4.58%，惰質(zhì)組平均含量約13.62%，殼質(zhì)組平均含量約3.56%，礦物組平均含量約5.27%。這表示平頂山煤礦煤的主要成分為鏡質(zhì)組，是平頂山煤中主要的生烴成分，惰質(zhì)組含量也較多，從文獻(xiàn)［6］研究中我們知道，惰質(zhì)組成分在鏡質(zhì)組生成烴過(guò)程中起到了促進(jìn)作用，有利于煤成烴的演化。

2.2 平頂山煤礦煤的元素含量測(cè)定結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室中利用便攜式手持XRF元素分析儀對(duì)所取煤樣制得煤磚進(jìn)行元素含量測(cè)量實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析如下表3。

表3 常量元素?cái)?shù)理分析結(jié)果

變異系數(shù)（CV），也可稱離散系數(shù)，是用來(lái)反映樣本總體中各單位標(biāo)志值的差異程度（或離散程度）的指標(biāo)，是反映數(shù)據(jù)分布狀況的指標(biāo)之一，能揭示總體中各單位標(biāo)志值的離散程度以及集中趨勢(shì)。變異系數(shù)越小，數(shù)據(jù)差距越小，越集中。由表四可知，五個(gè)主要元素的變異系數(shù)均大于1，這表明它們均為強(qiáng)變異程度。其中，Ca元素變異系數(shù)最大（為5.65），這表示在同批次樣品中，Ca元素的變化波動(dòng)最為強(qiáng)烈。

3 討論

3.1 顯微組分特征

煤顯微組分的研究對(duì)于煤的利用、推斷成煤的物質(zhì)來(lái)源、成煤環(huán)境等都有著重要的意義。前人采用用不同的方法對(duì)煤顯微組分進(jìn)行了研究：在對(duì)煤進(jìn)行顯微組分分離富集后，對(duì)各顯微組分進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)，由輕質(zhì)碳?xì)浠衔顲1～C4的逸出曲線可得知，鏡質(zhì)組輕質(zhì)烷烴類氣體的逸出強(qiáng)度較相應(yīng)的惰質(zhì)組大［5］；J.H.Wang在對(duì)煤顯微組分進(jìn)行熱解研究中發(fā)現(xiàn)熱解的氣體產(chǎn)物主要是H2，CO，CO2，CH4，以及其他種類的烴類氣體，在熱解過(guò)程中，鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組之間有著明顯的促進(jìn)作用［6］；對(duì)煤顯微組分進(jìn)行傅立葉變換紅外光譜原位分析，結(jié)果表明由殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組到惰質(zhì)組，其生油潛力較小，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組生成氣態(tài)烴潛力較大［7］；將煤中各顯微組分單體分離出來(lái)、并富集，然后分別以單體進(jìn)行生烴模擬實(shí)驗(yàn)，最后選定化學(xué)動(dòng)力模型標(biāo)定各顯微組分單體生烴參數(shù)［8］；煤中顯微組分不會(huì)是單一存在的，一般都是由幾種不同類型的顯微組分按不同的比例混合而成，這就意味著，組成煤的各顯微組分生烴貢獻(xiàn)的疊合決定著煤的生烴模式及潛力［9］。

前人對(duì)煤顯微組分的研究多是從定性方面進(jìn)行的，很少通過(guò)定量的分析方法來(lái)研究。在煤顯微組分在生烴過(guò)程中，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組較先生烴［10］，鏡質(zhì)組與殼質(zhì)組同時(shí)是生烴潛力較大的顯微組分［7］。以樹脂體和孢子體為主的殼質(zhì)組較多生成液態(tài)烴類，以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主的鏡質(zhì)體則有利于生成氣態(tài)烴類［11］。對(duì)平頂山煤礦煤的顯微組分含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可得知，平頂山煤礦煤中鏡質(zhì)組含量約在72.97%，惰質(zhì)組含量約在13.62%，殼質(zhì)組含量約在3.56%。這組數(shù)據(jù)表明平頂山煤礦煤的生成氣態(tài)烴的能力較強(qiáng)。

3.2 元素分析及成烴意義

煤炭資源是我國(guó)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展過(guò)程中所需要的主要能源礦產(chǎn)，隨著煤炭資源的使用，其在利用過(guò)程中排放到空氣中的污染物在逐年增長(zhǎng)。因此，對(duì)煤中元素在煤燃燒過(guò)程中的轉(zhuǎn)化及遷移對(duì)環(huán)境和人類身體健康的影響研究逐漸引起人們的重視。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和研究環(huán)境的影響，我國(guó)對(duì)煤中元素的研究較世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，隨著先進(jìn)的分析儀器和方法的引入，我國(guó)在煤地球化學(xué)方面的研究才迅速發(fā)展起來(lái)。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過(guò)0.01%，這些元素稱為常量元素，其他含量低于0.01%的元素一般稱為微量元素。代世峰［12］在對(duì)煤中常量元素的研究意義中提出某些常量元素的存在（如鈣鹽、堿金屬等）對(duì)煉焦能起到催化助熔的作用。研究煤中微量元素的含量及賦存意義廣泛：對(duì)不同深度采取的煤樣進(jìn)行微量元素含量的測(cè)定，可作為煤層對(duì)比的標(biāo)志［13］；研究煤燃燒加工過(guò)程中，微量元素在煤及其產(chǎn)物中的變遷規(guī)律，尋找減少污染、控制污染，實(shí)現(xiàn)綠色煤利用的方法［14］；從煤中提取某些超過(guò)工業(yè)品位的微量元素進(jìn)行工業(yè)性利用等。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文從煤中元素對(duì)于提高煤炭資源的綜合利用效率，對(duì)煤生成烴的影響方面進(jìn)行了思考。Ti、Fe、S、K、Ca等是煤中的常量元素，是煤中無(wú)機(jī)組成的重要組成部分。Fe主要存在于硫化物礦物中，以黃鐵礦為主；Ca主要以碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽和有機(jī)狀態(tài)存在于煤中。作為煤中無(wú)機(jī)元素的主要載體的礦物對(duì)煤的液化轉(zhuǎn)化率有著特殊的影響。在低硫煤液化時(shí)，加入黃鐵礦會(huì)提高轉(zhuǎn)化率，提高收油率［12］。平頂山煤元素測(cè)定結(jié)果表明，在平頂山煤中，F(xiàn)e、S元素含量較高，對(duì)煤生成烴過(guò)程可能起到催化作用，提高煤生烴的轉(zhuǎn)化率。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)平頂山煤礦煤的顯微組分含量及煤的元素含量分析得出如下結(jié)論：

（1）平頂山煤礦煤中鏡質(zhì)組含量最高，約在72.97%，半鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組含量最低，均小于百分之五，惰質(zhì)組含量約13.62%。由各顯微組分熱解生烴實(shí)驗(yàn)知，平頂山煤具有較高的生成氣態(tài)烴的潛力。

（2）平頂山煤礦煤的元素中Ti、Fe、S、K、Ca等含量較高，其中又以Fe、S元素較為突出，F(xiàn)e元素平均含量約為1977ppm，S元素平均含量約為4828ppm，這兩種元素在煤中可能以黃鐵礦的形式存在，對(duì)煤生烴過(guò)程可能起到催化作用，有利于提高煤生烴的轉(zhuǎn)化率。

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