溫利剛，賈木欣，王 清，應(yīng) 平，趙建軍

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.礦冶過程自動控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100160；3.礦冶過程自動控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100160)

0 引言

我國是世界上產(chǎn)煤和燃煤大國，煤占能源結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位。煤的主要成分是有機(jī)質(zhì)，任一種類的煤都含有或多或少的無機(jī)物成分[1-2]。煤中的無機(jī)成分對煤的性質(zhì)有很大的影響，如煤中的硫化物在燃燒過程中會以硫氧化物等形式釋放出來，污染大氣以至形成酸雨，對環(huán)境造成極大的影響[3-4]。同時(shí)，煤作為一種具有還原障和吸附障性能的有機(jī)巖和礦產(chǎn)，在特定的地質(zhì)條件下，可以富集鋰、鈧、鈦、釩、鎵、鍺、硒、鈮、鉭、鈾、稀土元素、貴金屬等戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，甚至形成礦床，資源綜合利用價(jià)值極大[5-10]。近年來，隨著煤炭的大量消耗和煤炭資源綜合高效利用的迫切需求，煤的物質(zhì)組成及主要礦物解離特征越來越受到人們的關(guān)注。

近年來，基于掃描電鏡和能譜儀的礦物自動定量檢測技術(shù)如QEMSCAN(Quantitative Evaluation of Minerals by Scanning Electronic Microscopy，掃描電鏡礦物定量評價(jià)系統(tǒng))[11-13]、MLA(Mineral Liberation Analyser，礦物解離分析儀)[14-15]、AMICS(Automated Mineral Identification and Characterization System，礦物表征自動定量分析系統(tǒng))[16-18]等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于稀有、稀土、稀散、金、銀、鉑族、銅、鐵、鉛、鋅、鎢、錫、鉍、鉬、冶金渣等多種難處理樣品和復(fù)雜巖體的礦物的自動識別與測量。但由于煤的特殊性和研究方法的局限性，煤的礦物組成、解離特征、嵌布粒度等工藝礦物學(xué)參數(shù)的定量化研究一直難以有效解決，基于掃描電鏡和能譜儀的礦物自動分析技術(shù)應(yīng)用于煤的工藝礦物學(xué)研究仍鮮有報(bào)道。

北京礦冶科技集團(tuán)有限公司(原北京礦冶研究總院)礦冶過程自動控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在礦物自動化定量分析技術(shù)領(lǐng)域也取得較大突破，成功研制了國內(nèi)首個(gè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝礦物學(xué)自動分析儀(BGRIMM Process Mineralogy Analyzer，簡稱BPMA)，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[19-25]。同時(shí)，針對煤炭樣品的特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)研發(fā)了一套新的分析測量模式，建立了一套新的針對煤中礦物自動識別與測量技術(shù)[26]?；诖?，本文以某原煤粉碎樣品為研究對象，采用BPMA技術(shù)研究煤中的礦物組成及含量、主要礦物的嵌布特征、礦物解離度、連生程度、嵌布粒度等工藝礦物學(xué)特征，從而為煤的工藝礦物學(xué)研究提供技術(shù)與理論借鑒。

1 礦物自動分析技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

礦物學(xué)研究的每一個(gè)階段都以新技術(shù)和新理論的引導(dǎo)為標(biāo)志，工藝礦物學(xué)的研究更是如此，沒有先進(jìn)的基礎(chǔ)理論指導(dǎo)和先進(jìn)的測試手段作后盾，工藝礦物學(xué)研究難以得到突破[27]?；趻呙桦婄R和能譜儀的礦物自動定量檢測技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，是工藝礦物學(xué)研究領(lǐng)域所取得的最大成就[28-29]。這些系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅使礦物組成與含量、礦物解離度、連生程度、礦物嵌布粒度等的測定實(shí)現(xiàn)了自動化，同時(shí)也使測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重現(xiàn)性得到了極大的提高。

20世紀(jì)70年代，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO)成功研制出一種自動鑒定礦石中礦物的技術(shù)，該技術(shù)由X射線能譜確定礦物的成分，由背散射電子(BSE)圖像區(qū)分物相，這便是掃描電鏡礦物定量評價(jià)系統(tǒng)(Quantitative Evaluation of Minerals by Scanning Electronic Microscopy, 簡稱QEMSCAN)[11-13]。

20世紀(jì)90年代，輕元素X射線檢測儀被引入礦物鑒定中，澳大利亞昆士蘭大學(xué)Julius Kruttschnitt礦物研究中心(Julius Kruttschnitt Mineral Research Center, JKMRC)顧鷹博士團(tuán)隊(duì)在充分利用背散射電子像區(qū)分礦物相的基礎(chǔ)上成功研制了礦物解離度分析儀(Mineral Liberation Analyzer，簡稱MLA)專業(yè)軟件[14-15]。MLA技術(shù)充分利用了掃描電鏡和能譜儀自身的功能，優(yōu)化了掃描電鏡的工作距離，從而得到更加清晰的背散射電子圖像，這為充分利用背散射電子圖像區(qū)分礦物相提供了基礎(chǔ)。

礦物表征自動定量分析系統(tǒng)(Automated Mineral Identification and Characterization System，簡稱AMICS)是繼QEMSCAN和MLA之后新一代的礦物自動分析系統(tǒng)，其工作原理與MLA基本一致，該系統(tǒng)優(yōu)化了能譜布點(diǎn)的方式及其數(shù)量，分析速度和測試精確度均有較大提高，并且采用了全新的圖形處理技術(shù)，在MLA的基礎(chǔ)上有較大的改進(jìn)[16-18]。

隨著礦物自動定量分析系統(tǒng)的相繼出現(xiàn)，人們把應(yīng)用這樣系統(tǒng)開展的工藝礦物學(xué)研究稱為“定量礦物學(xué)”(Quantitative Mineralogy)和“自動礦物學(xué)”(Automated Mineralogy)[30-34]。

隨著礦業(yè)的發(fā)展和“貧、細(xì)、雜”難選礦石的增加，工藝礦物學(xué)研究正從定性研究向定量研究、從傳統(tǒng)人工測試向智能自動化測試、從粗糙研究向精細(xì)研究、從為礦石選冶服務(wù)向?yàn)榈V山開發(fā)的整個(gè)生產(chǎn)流程服務(wù)、從易選礦向低品位復(fù)雜難處理礦轉(zhuǎn)變?？梢灶A(yù)見，基于掃描電鏡和能譜儀的工藝礦物學(xué)參數(shù)自動測定技術(shù)必將成為以后工藝礦物學(xué)研究的重要手段，充分利用這一技術(shù)優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)流程的全流程考察和流程優(yōu)化，建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測選礦指標(biāo)，為礦產(chǎn)資源高效利用和實(shí)現(xiàn)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論與技術(shù)支撐。在未來的一段時(shí)間內(nèi)，國內(nèi)外工藝礦物學(xué)研究機(jī)構(gòu)都將會不斷試圖開發(fā)適合本國礦產(chǎn)資源的工藝礦物學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)。

2 BPMA技術(shù)的基本原理

BPMA技術(shù)是北京礦冶科技集團(tuán)有限公司(原北京礦冶研究總院)礦冶過程自動控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合多年選礦、冶金和工藝礦物學(xué)研究成果自主研發(fā)的國內(nèi)首個(gè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝礦物學(xué)自動分析儀(BGRIMM Process Mineralogy Analyzer，簡稱BPMA)，是一種快速、準(zhǔn)確、自動獲取礦物組成及含量、礦物解離度、粒度分布、元素賦存狀態(tài)等礦物參數(shù)的前沿技術(shù)和有效手段[20-25]。該系統(tǒng)的成功研制，填補(bǔ)了國內(nèi)在礦物自動定量分析技術(shù)領(lǐng)域的空白，為提高我國礦產(chǎn)資源綜合利用水平和智能高端選冶技術(shù)及裝備領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

BPMA由一臺掃描電子顯微鏡(SEM)、一臺或多臺X射線能譜儀(EDS)及一套工藝礦物學(xué)自動測試軟件(BPMA)組成(圖1)。BPMA軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它可以控制掃描電子顯微鏡和能譜儀自動運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)樣品自動位移，完成樣品礦物自動分析測試，并實(shí)現(xiàn)礦物組成及含量、粒度、解離度、連生程度、元素賦存狀態(tài)等工藝礦物學(xué)參數(shù)的自動、快速測試[19-21]。

圖1 工藝礦物學(xué)自動分析儀(圖片拍攝于北京科技大學(xué))Figure 1 BGRIMM Process Mineralogy Analyzer

BPMA是一種通過BPMA軟件控制掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜儀(EDS)來自動快速識別礦物種類并計(jì)算礦物參數(shù)的技術(shù)。其測量原理是通過BPMA軟件控制掃描電子顯微鏡，獲得指定位置的背散射電子(BSE)圖像，采用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)精確識別并準(zhǔn)確切割點(diǎn)粘連顆粒與線粘連顆粒，并利用能反映物相的成分差別特征的BSE圖像的灰度值來確定顆粒中礦物相的邊界以實(shí)現(xiàn)礦物相的精準(zhǔn)提取，確定能譜儀點(diǎn)分析位置；然后分別通過掃描電鏡和能譜儀的API函數(shù)自動采集指定位置的能譜實(shí)測譜線數(shù)據(jù)；并通過實(shí)測礦物能譜譜線與理論礦物能譜數(shù)據(jù)庫或用戶自定義的礦物譜線庫進(jìn)行匹配以識別礦物，快速對數(shù)以百萬計(jì)的能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確識別以實(shí)現(xiàn)礦物自動識別；最終結(jié)合現(xiàn)代圖像分析技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動擬合計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，整合分析測量得到的信息，計(jì)算出樣品的礦物組成與含量、礦物解離度、礦物連生程度、礦石顆粒粒度、礦物粒度、嵌布程度、元素賦存狀態(tài)、礦物品位回收率、元素品位回收率等礦物參數(shù)。

3 BPMA技術(shù)在煤中的應(yīng)用

3.1 BPMA針對煤炭樣品的分析模式

包括QEMSCAN、MLA、AMICS、BPMA等在內(nèi)的一系列基于掃描電鏡和能譜儀的礦物參數(shù)自動定量分析系統(tǒng)均是自動控制掃描電子顯微鏡和能譜儀在高真空狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)測量，因此需要樣品表面導(dǎo)電，對于非金屬樣品，需先對樣品的表面進(jìn)行噴鍍碳導(dǎo)電膜等導(dǎo)電處理以增加樣品導(dǎo)電性，這樣采集的礦物能譜譜線數(shù)據(jù)必然會有C峰的干擾。對于常規(guī)的樣品，在進(jìn)行能譜譜線數(shù)據(jù)采集或匹配識別礦物的時(shí)候，可以進(jìn)行去C峰處理，不考慮C峰對礦物匹配的影響，這基本上可以滿足對絕大多數(shù)礦物的準(zhǔn)確匹配識別；但對于煤炭樣品，樣品中存在大量的炭質(zhì)組分，再加上樣品的噴碳處理，將會導(dǎo)致除炭質(zhì)之外的其它實(shí)際不含碳元素的礦物相的譜線中混入C峰，尤其是那些面積較小且包裹于炭質(zhì)內(nèi)的其它礦物相，因此，必須考慮C峰對炭質(zhì)組分匹配的影響，同時(shí)也必須兼顧煤中除炭質(zhì)之外的其它礦物的匹配識別。針對上述情況，經(jīng)過反復(fù)的測試試驗(yàn)，最終確定了下述針對煤炭樣品的測量算法，保證了計(jì)算精度的同時(shí)，提高了計(jì)算效率，使BPMA的適用范圍得到有效擴(kuò)充。

BPMA針對煤炭樣品的分析模式的基本思路是：由于樣品中存在大量的炭質(zhì)組分，在進(jìn)行礦物相的能譜匹配的時(shí)候，先判斷該相是否為炭質(zhì)組分，如果不是炭質(zhì)(即為其它含碳或者不含碳的礦物相)，再進(jìn)行常規(guī)的分析計(jì)算[35]。

通過大量數(shù)據(jù)總結(jié)和驗(yàn)證，最終確定了閾值Kc，作為評判該礦物相是否為炭質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)：

kc=ec/etotal

(1)

公式(1)中，ec為能譜譜線中C峰計(jì)數(shù)，etotal為整個(gè)譜線的總計(jì)數(shù)。

如果某礦物相譜線kc>Kc，則該相為炭質(zhì)，否則為其它礦物相。

依據(jù)上述思路，BPMA針對煤炭樣品，采取了單獨(dú)的分析模式，流程圖如圖2所示。首先通過自動測量獲取礦物相能譜譜線數(shù)據(jù)，然后計(jì)算閾值kc，判斷該相是否為炭質(zhì)組分：如果是炭質(zhì)組分則直接判定為炭質(zhì)，匹配結(jié)束；如果不是炭質(zhì)組分，則進(jìn)行常規(guī)的譜線匹配。

3.2 實(shí)驗(yàn)條件

BPMA測試在北京礦冶科技集團(tuán)有限公司礦冶過程自動控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

圖2 BPMA針對煤炭樣品的能譜匹配流程Figure 2 Energy spectrum matching process for coal samples by BPMA

首先將某0～2.0mm混合粒級的原煤粉碎試樣磨制成粉煤光片，經(jīng)表面噴碳以增加樣品導(dǎo)電性之后，直接對粉煤光片進(jìn)行BPMA分析測試。本次研究所采用的BPMA礦物自動分析系統(tǒng)由一臺TESCAN VEGA 3 XMU掃描電子顯微鏡(SEM)、一臺Thermo Scientific NORAN System 7 第七代60平方毫米X射線能譜儀(EDS)和一套工藝礦物學(xué)參數(shù)自動測量軟件(BPMA 1.0)組成。實(shí)驗(yàn)條件：加速電壓20kV，工作距離15mm，高真空模式。BPMA針對該原煤粉碎試樣的礦物相分解與礦物匹配識別效果見圖3。

a,d-背散射電子圖像; b,e-礦物相分解圖; c,f-BPMA礦物識別結(jié)果圖；C-炭質(zhì); Cal-方解石; Py-黃鐵礦; Ill-伊利石圖3 BPMA針對原煤粉碎試樣的相分解與礦物識別效果Figure 3 Raw coal crushed sample facies decomposition and mineral identification effect BSE images, segmented images and minerals classified images by BPMA

完成BPMA自動測試之后，利用BPMA軟件驅(qū)動掃描電鏡到指定位置，通過SEM-EDS顯微結(jié)構(gòu)原位分析技術(shù)分析主要礦物微觀形貌和化學(xué)組成特征。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.3.1 礦物組成及含量

本文利用BPMA礦物自動測試技術(shù)準(zhǔn)確地測定了某原煤粉碎試樣中所含的礦物組成及含量，分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明，試樣中除了炭質(zhì)組分(97.44%)，還有少量的方解石(0.78%)、伊利石(0.47%)、高嶺石(0.35%)、黃鐵礦(0.41%)、石英(0.17%)、正長石(0.10%)、磁黃鐵礦(0.07%)、綠泥石(0.02%)、磁鐵礦(0.01%)，微量的剛玉、磷灰石等礦物。此外，在該原煤試樣中還發(fā)現(xiàn)了微量的輝銀礦、自然銀等銀礦物。

3.3.2 主要礦物的嵌布特征

本文利用BPMA技術(shù)在該原煤粉碎試樣中識別和鑒定出的主要物相有炭質(zhì)組分和少量的方解石、伊利石、高嶺石、黃鐵礦、石英、磁鐵礦及微量的輝銀礦等。利用BPMA軟件驅(qū)動掃描電鏡到這些礦物所在的位置，結(jié)合掃描電鏡-能譜儀(SEM-EDS)技術(shù)，分析其微觀形貌特征和化學(xué)組成。

3.3.2.1 炭質(zhì)

炭質(zhì)是原煤試樣中含量最多的礦物相，其礦物量約為97.44%。X射線能譜儀(EDS)分析顯示，樣品中炭質(zhì)主要由C組成，含少量的Ca、S、Na、Mg、Al等，部分顆粒還有Ti、Fe等組分的混入，其平均化學(xué)元素組成為C 97.33%、Na 0.14%、Mg 0.11%、Al 0.27%、Si 0.01%、S 0.61%、Ca 1.26%、Ti 0.24%和Fe 0.03%等。

樣品中炭質(zhì)顆粒大小不一，平均粒徑約0.378mm，小于0.010mm的顆粒約占0.33%，0.074mm以上的顆粒占92.89%，主要呈粗粒嵌布。炭質(zhì)的單體解離度較低，單體含量約13%，大部分炭質(zhì)顆粒中包裹有方解石、高嶺石、伊利石、石英、黃鐵礦等礦物相(圖4)。說明該原煤樣品在該磨碎細(xì)度下，不含其它雜質(zhì)礦物的炭質(zhì)顆粒較少，大部分炭質(zhì)顆粒內(nèi)部都包裹有微細(xì)粒的礦物顆粒，但這些雜質(zhì)礦物占顆?？偭康谋戎夭淮螅?0%以內(nèi)。

表1 原煤試樣的礦物組成BPMA測定結(jié)果Table 1 Quantitative mineral composition of raw coal samples by BPMA

a,b,c-網(wǎng)脈狀、不規(guī)則狀的方解石包裹在炭質(zhì)顆粒中; d-微細(xì)粒不規(guī)則粒狀高嶺石、石英、綠泥石等礦物顆粒分布在炭質(zhì)顆粒中;e-脈狀 伊利石分布于炭質(zhì)顆粒中; f-脈狀、不規(guī)則狀伊利石分布于炭質(zhì)顆粒中; g-微細(xì)粒脈狀伊利石、高嶺石分布于炭質(zhì)顆粒中;h-不規(guī)則網(wǎng)脈 狀黃鐵礦集合體分布于炭質(zhì)顆粒中; i-黃鐵礦、方解石顆粒; j,k-不含或含少量其它礦物的炭質(zhì)顆粒. 顆粒中的白色條帶代表裂隙圖4 原煤試樣中主要礦物顆粒圖像Figure 4 Raw coal sample main mineral particle images by BPMA

3.3.2.2 方解石

方解石是該原煤樣品中主要礦物之一，其礦物量約為0.78%。X射線能譜儀(EDS)分析顯示，其主要由C、O、Ca等組成，含少量Mg、Mn、Fe等組分，平均化學(xué)元素組成為C 11.02%、O 45.85%、Ca 41.09%、Fe 1.51%、Mn 0.22%、Mg 0.31%等。

樣品中的方解石主要以網(wǎng)脈狀、不規(guī)則狀的半自形-它形的不規(guī)則粒狀產(chǎn)出(圖4a，4b，4c)，主要包裹在炭質(zhì)顆粒中。其平均粒徑約0.052mm，小于0.010mm的顆粒約占11.79%，0.074mm以上的顆粒占24.95%，主要呈中-細(xì)粒嵌布。單體解離度很小，單體含量只有約3%，主要集中在0～20%的貧連生體中，約占總量的67%。

3.3.2.3 高嶺石

高嶺石亦稱“高嶺土”“瓷土”，其分子式為Al2Si2O5(OH)4，是一種含水的鋁硅酸鹽。高嶺石是該原煤樣品中主要雜質(zhì)礦物之一，其礦物量約為0.35%。X射線能譜儀(EDS)分析顯示，樣品中的高嶺石主要由O、Al、Si等組成，含少量的Fe、Ca、Mg等元素，其平均化學(xué)元素組成為O 51.81%、Al 22.63%、Si 23.79%、Fe 1.54%、Ca 0.16%、Mg 0.07%等。

樣品中的高嶺石主要呈不規(guī)則粒狀條、帶狀產(chǎn)出(圖4d)，少量為脈狀(圖4g)，主要分布在炭質(zhì)顆粒中。其平均粒徑0.072mm，小于0.010mm的顆粒占19.82%，大于0.074mm的高嶺石粒有約38.24%，呈中-細(xì)嵌布。單體解離度很小，其單體含量只有約5%，主要集中在0-20%的貧連生體中，約占總量的56%。

3.3.2.4 伊利石

伊利石“黏土”礦物是該原煤樣品中主要的硅酸鹽礦物之一，礦物量約為0.47%。X射線能譜儀(EDS)分析顯示，該礦物主要由Si、Al、O、K等組成，含微量Mg、Ca、Ti、Fe等組分的混入，其平均化學(xué)元素組成為O 47.62%、Si 30.87%、Al 16.43%、K 2.34%、Mg 0.79%、Ca 0.12%、Ti 0.71%、Fe 1.14%等。

樣品中的伊利石多呈網(wǎng)脈狀、不規(guī)則狀嵌布(圖4e，4f，4g)，部分呈細(xì)小鱗片狀產(chǎn)出，平均粒徑0.087mm，小于0.010mm的顆粒占8.89%，0.074mm以上的礦物顆粒占44.81%，主要呈中粒偏細(xì)嵌布。單體解離度較小，其單體含量約為17.30%，但是如果加上90%和80%以上的富連生體，其解離度分別為78.94%和85.05%，解離度較高。

3.3.2.5 石英

石英也是原煤樣品中主要礦物之一，礦物量約為0.17%。X射線能譜儀(EDS)分析顯示，其化學(xué)組成簡單，主要由Si、O組成，平均化學(xué)元素組成為O 52.82%、Si 47.19%。樣品中的石英多呈不規(guī)則粒狀嵌布(圖4d)。平均粒徑0.017 6mm，小于0.010mm的石英顆粒占48.22%，沒有0.074mm以上的顆粒，呈細(xì)粒嵌布。

3.3.2.6 黃鐵礦

黃鐵礦是該原煤樣品中含量最多的金屬硫化物，其礦物量為0.41%。X射線能譜儀(EDS)分析顯示，其化學(xué)組成簡單，主要由Fe、S組成，其平均化學(xué)元素組成為Fe 48.59%、S 51.41%。樣品中的黃鐵礦主要呈膠狀、網(wǎng)脈狀集合體(圖4h，4i)，平均粒徑約0.148mm，小于0.010mm的黃鐵礦顆粒占15.07%左右，大于0.208mm的有約53.68%，粒度分布不集中，呈中粒和細(xì)粒兩個(gè)粒級嵌布。

3.3.2.7 磁鐵礦

本次測量在該原煤樣品中識別出少量的鐵氧化物礦物(磁鐵礦)，其礦物量為0.01%。X射線能譜儀(EDS)分析顯示，其主要由Fe、O組成，含少量的Al、Si等組分的混入，平均化學(xué)元素組成為Fe 70.23%、O 29.38%、Al 0.30%、Si 0.10%。

3.3.2.8 輝銀礦

本次測量在該原煤樣品中發(fā)現(xiàn)微量的輝銀礦(圖5a，5b)。X射線能譜儀(EDS)分析顯示，其主要由Ag、S組成，平均化學(xué)元素組成為Ag 86.46%、S 13.54%。此外，本次研究在該原煤樣品中還發(fā)現(xiàn)微量自然銀(圖5c)。

圖5 原煤試樣中的輝銀礦與自然銀BSE圖像Figure 5 BSE images of argentite and natural silver in raw coal samples

3.3.3 主要礦物解離度與連生程度

礦物解離度研究，是礦石工藝礦物學(xué)性質(zhì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，礦物解離程度的好壞，直接影響著選礦技術(shù)指標(biāo)。有用礦物(目標(biāo)礦物)單體解離度達(dá)到一定程度時(shí)，才能夠獲得有效的分離和富集。礦石經(jīng)過破碎、磨礦等處理之后，根據(jù)粉碎后顆粒的組成特點(diǎn)，可以劃分為單體(顆粒)和連生體(顆粒)2種基本形態(tài)。礦石的組成礦物在破碎、磨礦等外力作用下演變?yōu)閱误w的過程，稱之為礦物解離，某種礦物解離為單體的程度就稱之為該礦物的單體解離度，即某礦物的單體含量與該礦物在樣品中的總量(單體含量與連生體含量之和)之比[36]。

本文利用BPMA技術(shù)測定了試樣中炭質(zhì)、方解石、高嶺石、伊利石“黏土”礦物、石英和黃鐵礦等主要礦物的解離度和連生程度,分析結(jié)果見表2和表3。雖然樣品中礦物大多沒有很好解離，解離度統(tǒng)計(jì)似乎沒有意義，但通過解離度和礦物連生程度分析可以看出樣品中目標(biāo)礦物之間，以及目標(biāo)礦物和其它礦物的連生關(guān)系。

表2為樣品中主要礦物解離度分析列表。該表將目標(biāo)礦物在每一個(gè)顆粒中的含量按11個(gè)級別統(tǒng)計(jì)，例如某個(gè)顆粒中黃鐵礦含量為35%，會被統(tǒng)計(jì)在黃鐵礦“30

表2 原煤試樣中主要礦物解離度分析Table 2 Disaggregation degree of main minerals in raw coal samples by BPMA

表3是主要礦物連生程度統(tǒng)計(jì)表，該表統(tǒng)計(jì)了炭質(zhì)、方解石、高嶺石、伊利石“黏土”礦物、石英和黃鐵礦等主要礦物的單體含量及其分別與炭質(zhì)、與高嶺石、與方解石、與伊利石“黏土”礦物、與石英、與黃鐵礦、與磁黃鐵礦、磁鐵礦、與其它礦物的礦物連生體的含量。

礦物解離度與連生程度分析結(jié)果顯示，該原煤樣品中炭質(zhì)的單體解離度為12.81%。如果加上其含量在90%和80%以上的富連生體，其解離度分別為96.59%和99.67%。連生狀態(tài)的炭質(zhì)，主要是和方解石、石英、高嶺石、伊利石、黃鐵礦等連生，和方解石連生的含量為24.89%，和石英連生的含量為20.11%，和高嶺石連生的含量為12.35%，和伊利石連生的含量為10.75%，和黃鐵礦連生的含量為13.82%。

方解石的單體解離度為3.44%。如果加上其含量在90%和80%以上的富連生體，其解離度分別為12.54%和20.99%,解離度不高。連生狀態(tài)的方解

表3 原煤試樣中主要礦物連生程度統(tǒng)計(jì)表Table 3 Interlocking parameters of main minerals in raw coal samples by BPMA

石，主要是和炭質(zhì)連生，少部分和伊利石、黃鐵礦等連生，和炭質(zhì)連生的含量為94.19%，和伊利石、黃鐵礦連生的含量分別為1.27%和1.07%。

高嶺石的單體解離度為4.57%。如果加上其含量在90%以上的富連生體，其解離度為35.56%，解離度不高。連生狀態(tài)的高嶺石，主要是和炭質(zhì)連生，少部分與方解石、石英等礦物連生，和炭質(zhì)連生的含量為77.09%，和方解石、石英連生的含量分別為13.07%和4.05%，和伊利石連生的含量約為0.86%。

伊利石“黏土”礦物的單體解離度為17.30%。如果加上其含量在90%和80%以上的富連生體，其解離度分別為78.94%和85.05%，解離度較高。連生狀態(tài)的伊利石，主要是和炭質(zhì)連生，少量和方解石、黃鐵礦等礦物連生，和炭質(zhì)連生的含量為67.67%，和方解石、黃鐵礦連生的含量分別為5.50%和4.44%，和高嶺石連生的含量約為1.35%，和石英連生的含量為0.56%。

石英的單體解離度為11.50%。如果加上其含量在90%和80%以上的富連生體，其解離度分別為15.52%和18.03%，解離度很低。連生狀態(tài)的石英，主要是和炭質(zhì)連生，少量和伊利石等礦物連生，和炭質(zhì)連生的含量為86.86%，和伊利石連生的含量為1.53%，和高嶺石連生的含量約為0.05%。

黃鐵礦的單體解離度為2.94%。如果加上其含量在90%和80%以上的富連生體，其解離度分別為6.90%和8.42%，解離度非常低。連生狀態(tài)的黃鐵礦，主要是和炭質(zhì)、方解石以及磁黃鐵礦、磁鐵礦等金屬礦物等礦物連生，和炭質(zhì)連生的含量為76.03%，和方解石連生的含量為10.12%，和磁黃鐵礦、磁鐵礦等金屬礦物連生的含量約為10.77%。

3.3.4 嵌布粒度分析

礦物的顆粒和粒度，在礦石工藝礦物學(xué)研究中占有突出的地位，礦物嵌布粒度的大小直接影響選礦方法和工藝流程的選擇，通過對礦物嵌布粒度的分析，可以預(yù)測一定磨礦細(xì)度下可能達(dá)到的單體解離，并由此確定有用礦物實(shí)現(xiàn)解離所需要的最佳磨礦細(xì)度[37]。

本文利用BPMA技術(shù)測定了試樣顆粒粒度和主要礦物粒度分布特征，分析結(jié)果見表4和表5。與以往的拉線法等傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法不同，本文礦物粒徑用BPMA中的“Clamp 橢圓短徑”參數(shù)法統(tǒng)計(jì)。BPMA中的“Clamp 橢圓短徑”參數(shù)法是用兩條平行的直線旋轉(zhuǎn)不同的角度去夾一個(gè)礦物顆粒，從而得到該顆粒的最大徑長(最大夾長)，再根據(jù)該礦物顆粒最大夾長和面積計(jì)算出對應(yīng)的橢圓短徑。

表4是試樣顆粒粒度統(tǒng)計(jì)表,該表統(tǒng)計(jì)了試樣顆粒(每個(gè)顆粒不論由一個(gè)礦物或幾個(gè)礦物組成)的粒度分布情況。結(jié)果顯示，該原煤樣品中大于0.074mm的顆粒的含量為92.87%；小于0.010mm的顆粒的含量為0.30%，主要呈粗粒嵌布。

表4 原煤試樣的顆粒粒度統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistics of dissemination grain size of mineral particles in raw coal samples by BPMA

表5是試樣主要礦物粒度統(tǒng)計(jì)表，該表統(tǒng)計(jì)了試樣中炭質(zhì)、高嶺石、伊利石、方解石、石英和黃鐵礦等主要礦物的粒度分布情況。結(jié)果顯示，該原煤樣品中炭質(zhì)、黃鐵礦、伊利石、高嶺石、方解石、石英大于0.074mm的礦物含量分別為92.89%、53.68%、44.81%、38.24%、24.95%和0.00%；小于0.010mm的礦物含量分別為0.33%、15.07%、8.89%、19.82%、11.79%和48.22%。可以看出，炭質(zhì)主要呈粗粒嵌布，黃鐵礦主要呈中粗粒和細(xì)粒兩端元粒級嵌布，高嶺石、方解石主要呈中-細(xì)粒嵌布，伊利石主要呈中粒偏細(xì)嵌布，石英主要呈細(xì)粒嵌布。

表5 原煤試樣中主要礦物粒度統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistics of dissemination grain size of main minerals in raw coal samples by BPMA

4 結(jié)論

(1)BPMA技術(shù)作為國內(nèi)首個(gè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝礦物學(xué)自動分析技術(shù)，是一種礦物自動定量檢測的前沿技術(shù)與有效手段，可以快速、準(zhǔn)確測定原煤試樣的礦物組成及含量、礦物解離特征、連生程度、嵌布粒度等工藝礦物學(xué)參數(shù)。

(2)該原煤試樣中除了炭質(zhì)組分以外，還存在少量的方解石、高嶺石、伊利石、黃鐵礦、石英、正長石、磁黃鐵礦、綠泥石、磁鐵礦，微量的剛玉、磷灰石、輝銀礦、自然銀等礦物。試樣中不含雜質(zhì)礦物的炭質(zhì)顆粒較少，大部分炭質(zhì)顆粒內(nèi)部都包裹有微細(xì)粒的方解石、高嶺石、伊利石、石英、黃鐵礦等其它礦物。

(3)本文將BPMA技術(shù)應(yīng)用于原煤的工藝礦物學(xué)參數(shù)的自動定量研究，為煤的工藝礦物學(xué)信息提取提供了一套操作簡單、結(jié)果可靠的分析方法，填補(bǔ)了該方面研究的不足，從而為煤的精細(xì)加工與資源利用提供技術(shù)與理論借鑒。