定量判定煙煤風化變質程度及時間技術研究

梁開慧，程啟國，劉克輝，范國光，曾令鵬

（廣東韶鋼松山股份有限公司，廣東 韶關 512123）

煙煤特指干燥無灰基揮發分大于10%的煤類，煉焦煤是煙煤中主要類別。煤的氧化按溫度不同可分為低溫氧化和高溫氧化，低溫氧化又可細分為兩類：第一類是常溫到100℃左右，在空氣中放置的煤與空氣中的氧結合，形成表面煤氧絡合物，并進一步發生氧化分解和變質。第二類則是在100~300℃，在空氣中放置的煤樣與氧結合生成可溶于堿的復雜的再生腐植酸，第二類情況下常伴隨有第一類氧化，因此氧化程度更深。第一類氧化是煤在室溫下暴露在空氣中堆存過程中發生的，故又稱為風化，與煤質的管理使用息息相關，本文研究所涉及的就是煙煤常規堆存過程中遇到的風化。

風化氧化對煤的性質有重大的影響，在空氣中放置的煤受到外界因素的綜合影響時，其物理性質、化學性質及工藝性質都會發生改變，這種變化的最根本的原因就是煤的有機質和礦物質被氧化。

煙煤主要形成于三億年前的石炭紀時代，深埋于地表之下隔絕空氣，一旦被開采出來后暴露于空氣中，就伴隨著風化氧導致質量不斷下降的過程，隨著時間延長風化程度加深，煙煤的內在質量劣化程度逐漸加重。在商貿及煤質應用上，均需要掌握煙煤受風化氧化質量劣化的程度，具體包括兩個維度：一是鑒定出煤質暴露在大氣中風化時間，二是標定出煤質因風化氧化而劣化變質的程度。標定煤質因風化氧化而劣化變質程度的研究得到廣泛開展，應用的技術指標有煤的揮發分、黏結性指標、煤的部分元素分析指標、煤巖顯微組分鏡質組的變化等。但對鑒定煤質受到風化時間的研究，尚未見諸公開研究，本文填補這方面技術研究空白。

1 鑒別煤質風化氧化及風化程度的現有技術及存在的局限性

1.1 鑒別煤質被風化變質劣化以及劣化程度的現有技術指標

1）煤的揮發分。研究證明煉焦煤揮發分隨風化程度會發生變化。

2）煤的鏡質組平均最大反射率。研究證明煤的鏡組平均最大反射率隨風化程度也會發生相應變化。

3）煤的黏結性指標。主要是G值（黏結指數）和Y值（膠質層最大厚度，單位是mm）。研究證明煉焦煤的黏結性隨風化程度增加會不斷下降。

4）通過煤的元素分析，分析氧含量的增減。隨風化程度的加深，煤的有機物中氧含量會有所上升。

1.2 鑒別煤質風化程度的現有技術及局限性

1.2.1 煤的揮發分

圖1是對包括氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤等主要煉焦煤種的10種煤，經過長達10月的風化氧化，每間隔一個月取樣分析干燥無灰基揮發分數據的變化趨勢。

圖1 不同煤種揮發份隨風化變化趨勢

由圖1可知，高揮發分、低煤化度的煙煤揮發分受風化影響的變化趨勢是逐漸下降，主要有印尼氣煤、山西肥煤、1/3焦煤等。混合1號焦煤也呈現下降的變化趨勢，但下降幅度微??；中等煤化度煙煤揮發分基本不受風化的影響，代表性煤種有PLV焦煤、1號焦煤；高煤化度煙煤揮發分逐漸上升，代表性煤種有瘦煤、LV2號焦煤。

概括來說，煙煤揮發分受風化氧化影響的變化規律，一是變化幅度不大；二是不同煤種的變化趨勢不同，有些上升，有些下降。

1.2.2 煤的鏡質組平均最大反射率

圖2是對包括氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤等主要煉焦煤種的十種煤，經過長達10月的風化氧化，每間隔一個月取樣做鏡質平均最大反射率（Rmax）數據得到的變化趨勢。

圖2 不同煤鏡質最大組反射率隨風化變化趨勢

由圖2可知，低煤化度煙煤鏡質組反射率受風化影響的變化趨勢是逐漸由低到高，典型的煤種有山西肥煤、1/3焦煤、LV焦煤；中等煤化度煙煤變化趨勢不明顯或基本保持穩定不變，典型的煤種有PLV焦煤、1號焦煤、2號焦煤等；高煤化度煙煤變化趨勢呈現逐漸下降，典型的煤種有瘦煤、峰景焦煤等。

分析上述研究結論，受風化氧化影響后兩個指標間仍符合這個關系。

概括來說，煙煤鏡質組平均最大反射率受風化氧化影響的變化規律，一是變化幅度不大；二是不同煤種的變化趨勢不同，有些上升，有些下降。

1.2.3 煤的黏結性能G、Y值

圖3、圖4分別是4種焦煤性質煙煤的黏結指數G值和膠質層厚度Y值歷時10個月風化氧化過程中，隨時間的變化趨勢。

由圖3、圖4可知，不同品種的煙煤黏結性受風化影響的變化趨勢差異也較大，雖然總的趨勢是由高向低變化，但有些品種下降幅度較大，有些品種下降趨勢非常平緩，當風化時間不長（如3個月內）時不能明確判斷是否被風化氧化。

圖3 煉焦煤G值隨氧化變化趨勢圖

圖4 煉焦煤Y值隨氧化變化趨勢圖

通過煤的元素分析，分析氧含量的增減。煤中氧的測定方法主要有直接測定和間接計算兩種。兩種方法都非常復雜耗時，且精度均不高。煙煤氧含量理論上雖然是隨風化時間延長而上升，但受到分復雜耗時和析樣品代表性誤差等影響，不能起到明確判斷風化氧化程度的效果。

綜上所述，鑒定煤質風化氧化的現有技術指標存在著變化趨勢不一致、變化幅度小、檢測復雜耗時以及測定結果誤差較大等弱點，需要研究發現能簡易明確判定煤質風化程度的更佳的技術方案或指標。

2 精確判定煙煤風化變質程度技術研究過程

2.1 精確判定煙煤風化變質程度技術基本要求

所謂精確判定煙煤風化變質程度應滿足以下兩個要點：

1）用來鑒別煤質是否被風化氧化的指標在發生風化氧化較短的時間內就會產生顯著變化，趨勢明顯且不同種煤的煙煤有一致的變化趨勢；二是不但能定性，還能定量判斷是否受到風化變質影響以及風化的時間。

2）選定的技術指標適應性廣，在鑒定煤質風化氧化時能覆蓋所有煉焦煤。

2.2 精確判定煙煤風化變質程度技術方案

本文提供一種能定量判定煉焦煤風化氧化變質，以及風化氧化變質程度（時間）的方法：利用煉焦煤“基氏最大流動度”輔以“煤巖顯微海光片”觀察兩類指標，就能對煙煤中所有煉焦用煤進行判定。

2.2.1 基氏流動度鑒定煙煤風化氧化方法

2.2.1.1 基氏流動度簡釋

流動度是煤的塑性表征指標之一，能夠同時反映煤受熱產生膠質體的數量和黏度。基氏流動度由德國人吉澤勒于1934年首次提出的，以固定力矩在煤受熱形成的膠質體中轉動的最大轉速來表示。另有變力矩測定方法戴維斯塑性儀法和波拉本達塑譜儀法：其測定原理是插入煤中的攪拌器以固定速度轉動，用攪拌器所受扭力隨溫度的變化來表示膠質體的流動度的變化。

2.2.1.2 基氏流動度鑒定煙煤風化氧化程度過程的研究

長期研究煙煤基氏流動度中發現，所有具備流動性黏結性的煙煤，其基氏流動受風化氧化的影響后的變化趨勢均呈現下降，且變化幅度對比煤質的其他指標顯著較大。

表1是四種煉焦用煙煤基氏最大流動度隨風化氧化時間不斷下降的統計。其中三種焦煤是進口焦煤，山西焦煤是國產焦煤。

表1 焦煤基氏最大流動隨風化時間不斷下降統計表

對進口A焦煤、進口B焦煤、山西焦煤基氏最大流動度隨風化時間變化進行曲線擬合見圖5、圖6、圖7。

由圖5、圖6、圖7可知，最大流動度典型值大于100 dd/min的煉焦用煙煤，最大流動度隨風化時間變化可以擬合成一元二次拋物線函數（拋物線左半部分），擬合優度R2達到0.91以上。若選用對數函數擬合時，R2也能達到0.89以上。典型的函數關系式如下：

圖5 進口A焦煤最大流動度隨風化時間變化圖

圖6 山西焦煤最大流動度隨風化時間變化圖

圖7 進口B焦煤最大流動度隨風化時間變化圖

式中：m、n是常數項，與不同煤種有關；r是測定煤種的基氏最大流動度典型值。

2.2.1.3 基氏流動度鑒定煙煤風化氧化程度的方法

首先要測定獲得未受風化變質影響的各煉焦煤基氏最大流動度，做為此煤未受風化影響時的典型值，或稱基準值。表1中，各煤種1月測定的基氏流動度就是未受到風化氧化的基準基氏流動度。

其次測定需要鑒定是否風化及風化程度的煙煤基氏流動度，若其最大流動度典型值大于100 dd/min，當測量值減小的幅度為25%~50%時，可判定此煤已經受到風化影響，影響時間接近1個月；當最大流動度測量值減小幅度為50%~67%時，可判定此煤受到風化變質時間接近2個月；當最大流動度測量值減小幅度為60%~75%時，可判定此煤受到風化變質時間接近3個月。

當煉焦煤風化氧化時間在四個月以上時，最大流動度測量值減小幅度超過80%，此后隨堆放時間再延長其衰減速度大幅下降，或者說下降幅度變平緩，如風化時間在5至10月，最大流動度測量值減小幅度合計小于10%。

由圖5至圖7可知，煙煤風化時間超過3個月后，其風化氧化變質速度變得相對緩慢，基氏流動度進入相對“穩定期”。

通常情況下，煉焦煤開采出來后，露天堆放時間不會超過半年。由圖5至圖7可知，煉焦煙煤風化變質最快的時間是前3至4個月，此后變質速度急劇下降，變得非常緩慢。所以，確定煤質已經被風化變質，以及鑒別出1至4個月內風化時間是非常必要而足夠的。

2.2.2 基氏最大流動度小于100 dd/min時判定煙煤風化氧化的方法

當煉焦用煙煤基氏最大流動度小于100 dd/min時，研究發現存在著基氏流動度隨風化進程很快衰減到零或受到測量誤差影響導致判定不準確。本研究提供一個輔助方法，即制作需判定的煉焦煤顯微光片，通過在偏光顯微鏡油浸物鏡下，觀察鏡質組判定煤質是否被風化氧化變質，原理如下。

剛開采出來的煉焦煤，顯微鏡下觀察到的鏡質組無裂紋和氧化腐蝕形成的黑點、孔洞。風化變質一個月以上的煉焦煤，顯微鏡下觀察到的鏡質組表面會出現較多較寬的裂紋和氧化腐蝕形成的黑點。

鏡質組顯微觀察結合基氏最大流動度更能準確地判定最大流動度典型值大于100 dd/min的煉焦煤是否已經風化變質和風化時間；對于基氏流動度典型值小于100 dd/min的煉焦煤，風化時間超過1個月時，最大流動度一般會測不出來，此時更需要用鏡質組顯微觀察法進行是否風化判定，詳見圖8、圖9。

圖8 未顯風微化鏡變質質組煉 焦煤

圖9 風化變質的煉焦煤顯微鏡質組

3 研究結論及應用

1）當最大流動度不小于100 dd/min時，通過測定煙煤最大流動度數值，可判定煤質是否受到風化氧化變質，以及風化的時間（月份）。

2）利用煙煤鏡質組顯微觀察法，通過觀察鏡質組是否出現較多較寬的裂紋和氧化腐蝕形成的黑點，可用于輔助判定煉焦煤是否受到風化變種的影響。特別是對于最大流動度小于100 dd/min的煉焦煤，當測不出流動度時（即流動度測定值為零），用此指標判定其是否風化變質更重要。

3）判斷煙煤受到風化變質的時間方法：設某個煉焦煤基氏最大流動度典型值是R（DDPM）（R>100 DDPM）,實測值為M（DDPM），通過計算基氏最大流動度的變化率，可如下判斷其風化變質時間：25≤P≤50時，判斷風化氧化時間達到1個月；50≤P≤67時，判斷風化氧化時間達到2個月；60≤P≤75時，判斷風化氧化時間達到3個月；P≥80時，判斷風化氧化時間已經超過4個月。

4）當煉焦煤基氏最大流動度不小于100時，最大流動度與風化變質時間（月分）存在相關性較強的函數關系。

5）鏡質組顯微觀察結合基氏最大流動度更能準確地判定最大流動度典型值大于100 dd/min的煉焦煤是否已經風化變質和風化時間?；狭鲃佣鹊湫椭敌∮?00 dd/min的煉焦煤，風化時間超過1個月時，最大流動度一般會測不出來，此時更需要用鏡質組顯微觀察法進行是否風化判定。當顯微鏡下觀察到的鏡質組表面會出現較多較寬的裂紋和氧化腐蝕形成的黑點，可以判定其已經受到風化氧化一個月或以上的時間。