李浩浩

（山西省節(jié)能中心有限公司，山西 太原 030045）

0 引言

煤炭應(yīng)用于燃燒、氣化和液化等過程以及制造冶金焦炭的碳化。煤及其衍生產(chǎn)品也用作其他材料的前體和化學(xué)品生產(chǎn)。有兩個特征會影響煤炭的使用：其成分和等級；反過來，煤炭成分由兩個基本獨(dú)立的因素表示類型和等級[1]。煤炭是一種非均質(zhì)材料，對煤炭類型的評價可以從宏觀和微觀兩個不同的層面進(jìn)行，兩者都是煤炭巖石學(xué)的一部分。根據(jù)煤的變質(zhì)作用，它涉及從泥炭到煙煤再到無煙煤和偏無煙煤到石墨的物理和化學(xué)轉(zhuǎn)化。煤炭等級是一段時間內(nèi)作用的熱量和壓力的產(chǎn)物，其特征是水分和揮發(fā)性官能團(tuán)逐漸減少，因此煤的碳含量增加。另一方面，煤礦開采，尤其是地下礦山，經(jīng)常遇到多種地質(zhì)限制，其中大塊堅(jiān)硬的頂板和瓦斯是最嚴(yán)重的威脅，易導(dǎo)致頂板塌陷、礦井爆炸和瓦斯污染等災(zāi)難性影響[2]。因此，為了提高井下煤礦的安全，在詳細(xì)勘探過程中識別上述約束是非常必要的。煤田的可開采煤層通常與豐富的煤層氣含量有關(guān)，這提高了它們的經(jīng)濟(jì)重要性，但氣體含量以及穩(wěn)定砂巖頂板的存在同時在開采過程中引發(fā)了挑戰(zhàn)。煤層氣還對環(huán)境造成危害，導(dǎo)致溫室效應(yīng)。因此，本文通過實(shí)驗(yàn)室灰、燃燒灰和燃煤沉積物的熱化學(xué)分析和利用高壓電脈沖技術(shù)對煤層中含水率和滲透率進(jìn)行分析，助于獲取煤層儲量、頂板特性和氣體含量相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，以了解具有經(jīng)濟(jì)重要性的煤田的煤炭儲量的地質(zhì)和工作環(huán)境。

1 煤層的基本情況

6 個主要煤層的儲量分布和化學(xué)性質(zhì)基本一致，這些煤層由優(yōu)質(zhì)儲量組成，熱值高、有機(jī)物含量高、雜質(zhì)含量低，具有較低空化度的穩(wěn)定頂板覆蓋，其形式為具有中等彈性和強(qiáng)度的厚硬中粒砂巖層。除南部的斷層外，煤層構(gòu)造剖面穩(wěn)定，沒有任何突然間斷。一些較高等級的煤層也含有潛在的煤層氣含量。

2 實(shí)驗(yàn)室灰、燃燒灰和燃煤沉積物的熱力學(xué)分析

煤中的礦物雜質(zhì)形成灰分，一部分飛灰在粉煤燃燒爐中形成沉積物。了解煤中的礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為粉煤灰和沉積物的形成，并幫助工業(yè)工程師更好地處理與灰燼相關(guān)的問題。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程序測試通過熱機(jī)械分析（TMA）測量的灰熔融性已被廣泛用于比較和預(yù)測各種煤的結(jié)渣潛力[3]。目前的研究旨在了解TMA 分析對煤燃燒沉積物的物理、化學(xué)和形態(tài)特性的敏感性。在研究燃燒殘留物，包括在815 ℃的實(shí)驗(yàn)室烘箱中制備的灰燼，在中試規(guī)模爐中收集的飛灰和從一種煤炭產(chǎn)生的公用爐中收集的沉積物用于TMA 分析。

煤的最終用途主要取決于礦物的組成、分布、出現(xiàn)方式及其與有機(jī)物的結(jié)合。因此，充分了解礦物、微量元素及其引燃行為對于后續(xù)煤炭在各個方面的利用是不可避免的。在這里，闡述了兩種高灰分非焦煤（AH和BL）的比較表征和燃燒研究，干基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為42.42%、45%，總熱值分別為15.15、14.08 MJ/kg。兩種煤都富含鏡質(zhì)體，具有中度的褐煤，且惰質(zhì)體的體積百分比相對低于鏡質(zhì)體。這兩種煤都富含鋁硅酸鹽礦物，F(xiàn)e 和Ti 氧化物的含量適中。它們具有離散晶界的結(jié)晶形式，這使得它們易于選礦。兩種煤的結(jié)渣和結(jié)垢潛力低、二氧化硅含量高、堿酸比低等分餾特性表明，這兩種煤在火力發(fā)電廠中的連續(xù)利用是可行的。BL 煤的峰值溫度和燃盡溫度比AH 煤低。BL 樣品的揮發(fā)性物質(zhì)也相對較多。兩種煤都具有較高的灰熔融溫度，但BL 煤灰由高比例的難熔礦物組成，例如SiO2高硅比和低堿酸比，表明這兩種煤在火力發(fā)電廠中的連續(xù)利用是可行的。兩種煤都具有較高的灰熔融溫度，但BL 煤灰由高比例的難熔礦物組成，例如SiO2、Al2O3和TiO2。因此，BL 煤具有更好的易點(diǎn)火性，其燃燒特性有望比AH 煤改善。

使用自動掃描電子顯微鏡逐個顆粒地表征飛灰，然后使用主成分分析（PCA）分析粒子數(shù)據(jù)，以發(fā)現(xiàn)20種不同飛灰的粒子化學(xué)成分之間的相互關(guān)系。在20種飛灰中觀察到一致的趨勢。每個粒子分為四大類，化學(xué)成分有限。這四組在所調(diào)查的不同飛灰中的占比不同。用這些飛灰制成的混凝土混合物測量了抗壓強(qiáng)度和表面電阻率，這四組與混凝土的性能相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)是開發(fā)基于單個顆粒組成的更一般的飛灰分類的重要一步，這有助于優(yōu)化混合物設(shè)計(jì)，并通過提高工業(yè)副廢物使用的有效性而有利于形成可持續(xù)混凝土。

通過不同的研磨性能獲得不同鐵含量的灰樣品，通過將灰與石英、高嶺石和鋁土礦混合制備不同硅和氧化鋁含量的灰樣品。結(jié)果表明，煤灰的TMA 測量值對鐵含量非常敏感，可用于指示燃煤鍋爐中與鐵相關(guān)的結(jié)渣問題。對于灰燼沉積物，其均質(zhì)/非均質(zhì)性質(zhì)和灰燼化學(xué)等物理特性都會影響TMA 測量[4]。通過將灰與石英、高嶺石和鋁土礦混合來制備具有不同硅和氧化鋁含量的灰樣品。結(jié)果表明，煤灰的TMA 測量值對鐵含量非常敏感，可用于指示燃煤鍋爐中與鐵相關(guān)的結(jié)渣問題。對于灰燼沉積物，其均質(zhì)/非均質(zhì)性質(zhì)和灰燼化學(xué)等物理特性都會影響TMA 測量。通過灰與石英、高嶺石和鋁土礦混合來制備具有不同硅和氧化鋁含量的灰樣品。煤灰的TMA 測量值對鐵含量非常敏感，可用于指示燃煤鍋爐中與鐵相關(guān)的結(jié)渣問題。對于灰燼沉積物，其均質(zhì)/非均質(zhì)性質(zhì)和灰燼化學(xué)等物理特性都會影響TMA 測量。

3 含水率及滲透性分析

本研究對不同水分含量煤樣的擊穿電壓進(jìn)行了測試，建立了平均擊穿場強(qiáng)與煙煤樣品水分含量之間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。結(jié)合掃描電子顯微鏡和核磁共振，研究了孔隙結(jié)構(gòu)的變化，以更好地了解不同煤層含水率的孔隙結(jié)構(gòu)演化特征。此外，采用傅里葉變換紅外光譜得到不同水分含量煙煤樣品經(jīng)高壓電脈沖后化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明，在高壓電脈沖作用下，煤體內(nèi)形成了許多中孔和大孔，中孔和大孔之間的連通性很好。煤體含水率越高，電脈沖擊穿過程中形成的孔隙和裂縫就越多。1%、1.5%、2%含水率煤樣電脈沖擊穿后總孔隙率明顯高于0%、0.5%含水率煤樣。因此，高含水率有利于提高煤體的透氣性。光譜分析表明，在不同含水量煤樣的分解過程中，等離子體通道表面發(fā)生氧化。此外，煤中水分含量的增加有利于產(chǎn)生更多的含氧官能團(tuán)，這將有利于甲烷的解吸。

煤中孔隙系統(tǒng)具有高度非均質(zhì)性，是煤層氣的主要賦存空間和輸送通道。電脈沖壓裂已被認(rèn)為是改善煤物理性質(zhì)以更好地生產(chǎn)煤層氣的有效方法。這是通過首先分析吸附不同陽離子煤的擊穿場響應(yīng)過程，然后使用分水嶺法確定孔隙和表面粗糙度的動態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)的。隨著陽離子價數(shù)的增加，粘附力的不均勻分布被量化。化驗(yàn)結(jié)果表明，中高檔煤對陽離子的吸附能力表現(xiàn)為Fe3+＞Ca2+＞K+，這是由于隨著離子化合價的增加水合離子半徑減小。當(dāng)電場作用于煤樣的兩端時，煤中的等離子體通道產(chǎn)生巨大的能量，導(dǎo)致孔隙裂縫和喉道溫度升高。受電脈沖壓裂影響，孔隙率從4.1%增加到27.4%，反映了煤層高度從右偏正態(tài)分布到左偏正態(tài)分布的變化。

4 結(jié)語

通過煤層取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室灰、燃燒灰和燃煤沉積物的熱力學(xué)分析，可以有效獲取煤中的礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為粉煤灰和沉積物的形成過程，并幫助工業(yè)工程師更好地處理與灰燼相關(guān)的問題，有效的儲層增產(chǎn)是提高煤層氣采收率的關(guān)鍵。超聲波處理為傳統(tǒng)的水力壓裂從煤層抽氣提供了一種新的替代方法，更好地理解超聲對煤結(jié)構(gòu)的影響以及通過煤的氣體解吸和傳輸行為對于勢場實(shí)施至關(guān)重要。這些結(jié)果可以對煤炭質(zhì)量的檢測和瓦斯抽采和煤層氣生產(chǎn)過程中的瓦斯輸送產(chǎn)生積極影響。