白 向 飛

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤巖學能夠在焦化工業(yè)中得到廣泛應用，主要由于只有依據(jù)鏡質體反射率指標才能直觀地鑒別混煤[1-2]，但實際上煤巖學對于煤質管理能夠發(fā)揮更大的作用[3-11]。從煤巖學研究角度可解釋很多煤質現(xiàn)象，包括一些特殊的煤質問題如其中有特定組分富集或煤層經(jīng)歷某種特殊的變質過程等。依據(jù)煉焦煤性質對其分類可促進煉焦煤資源的合理利用，而煤巖學方法在焦化工業(yè)中常用于監(jiān)控原料煤質量。因此，煤巖學方法和理念是煤分類的基礎。

以下探討煉焦煤的性質和分類，包括如何應用煤巖學方法更客觀地評價煉焦煤，以及簡介煤巖學及其近年來所取得的成果，主要分以下5個方面進行闡述:煤巖學基本概念、煉焦煤應用中常見的煤質問題、煉焦煤的分類及其意義、煤巖學在煉焦煤評價中的應用以及煤巖測試技術進展。

1 煤巖學基本概念

日常生產(chǎn)中常用的煤質指標，比如揮發(fā)分、黏結指數(shù)、膠質層指數(shù)等均屬于規(guī)范性指標。與其它煤質指標相比，煤巖學方法的主要特色在于將煤作為1種巖石來看待，利用顯微鏡來觀測其中的組分，進而分析其性質。通常的3種組分分別是煤中的鏡質體、惰質體和殼質體，其化學和工藝性質差異很顯著，其含量對煤質的影響很大。焦化生產(chǎn)中常用的2個煤巖學指標為鏡質體反射率和煤巖組分含量。單一煤層煤的鏡質體反射率分布測試結果只有1個峰，而混合煤的鏡質體反射率分布可包含多個峰或1個復雜的寬峰。正因為煤巖學方法有此功能，才逐步廣泛應用于焦化工業(yè)中用以監(jiān)控原料煤質量，特別是針對混煤鑒定與判別。

(1)鏡質組顯微組分。對于合理利用煉焦煤，煤巖組分與鏡質體反射率分布圖同等重要。鏡質組顯微組分是大多數(shù)煤中最主要的組分。測試反射率以判別混煤，主要對鏡質組顯微組分進行測試。有些企業(yè)要求活惰比指標，其中的“活”主要指鏡質體。鏡質組顯微組分在顯微鏡下呈不同程度的灰色，表面也較平整。

(2)惰質組顯微組分。煤中惰質組顯微組分的鏡下主要特征是反射率高且變化不規(guī)律，所謂活惰比中的“惰”即主要指該種組分。測試反射率時要避開惰質組顯微組分，否則會導致測值偏高、標準差增大，從而易將一些單種煤誤判為混煤。

(3)殼質組顯微組分。煤中的殼質組主要是由植物的樹皮、花粉、樹脂等變化而來，鑒定特征比較明顯，容易識別。一些煉焦煤焦油收率高、產(chǎn)氣多，主要與殼質體有關。

(4)煤中主要礦物。除了上述3種顯微組分，煤中還含有一定量的礦物，主要包括黏土礦物、石英、黃鐵礦等。不同地區(qū)的煤由于礦物成分差異大，因此煤灰成分差異顯著，一些煉焦煤中堿金屬含量對焦炭質量破壞較大，而堿金屬的主要載體為黏土礦物。

(5)成煤作用階段劃分。煤由古代植物形成，最終的歸宿理論上要轉變?yōu)槭Ｈ魏我粋€煤種均是從植物殘骸轉變?yōu)槌瑹o煙煤乃至石墨過程中的一個中間產(chǎn)物。評價煤的性質，離不開其成因。利用煤巖學方法評價煤，主要從其變質程度及其顯微組分出發(fā)。

2 煉焦煤中常見的煤質評價問題

焦化生產(chǎn)的主要控制因素為原料煤質量，在實際生產(chǎn)中遇到的煤質問題很多，在此重點涉及以下3種較為常見的煤質現(xiàn)象:①按照國家標準屬于同一類煤，但工藝性質差異比較顯著的問題；②某些煤的焦炭反應后強度會明顯偏低；③目前大多數(shù)焦化廠配備了煤巖設備，但需處理如何利用鏡質體反射率測試結果來判別煤類的問題。

煉焦煤煤質及應用常見案例:同一煤類性質差異明顯的問題，在焦煤和1/3焦煤中出現(xiàn)相對較多，詳見表1、表2。

表1 同一煤類(1/3JM)性質差異明顯的問題示例Table 1 Examples of differences between coals form the same class (1 / 3JM)

表2 同一煤類(JM)性質差異明顯的問題示例Table 2 Examples of differences between coals form the same class (JM)

從表1中可見，不同的1/3焦煤其膠質層指數(shù)和吉氏流動度的差異比較明顯。實際生產(chǎn)中，有些1/3焦煤可在一定程度上替代肥煤，有些和氣煤性質接近。不同焦煤的焦炭熱強度差異顯著，山西地區(qū)部分焦煤的焦炭反應后強度可達70%以上，但有些來自侏羅紀時代的焦煤，反應后強度僅約20%。以上現(xiàn)象難以從煤炭分類相關標準解釋清楚，究其原因是與煤化程度、煤巖組成、成煤環(huán)境和變質經(jīng)歷等煤巖學問題有關。

3 煉焦煤的分類及其意義

3.1 中國煤炭分類簡介

目前在中國有3個關于煤炭分類的國家標準，分別是《中國煤炭分類》《中國煤層煤分類》和《中國煤炭編碼系統(tǒng)》。該3個分類標準的性質不同，應用的廣泛程度也不同。其中《中國煤炭分類》該分類標準屬于技術分類的范疇。在國外，蘇聯(lián)、德國、英國等均有類似的分類標準，比如在德國、波蘭、蘇聯(lián)煤炭分類中均有中國煤炭分類中“氣煤”、“肥煤”等類似術語名稱?！吨袊簩用悍诸悺窞榻咏诳茖W成因分類的方案，與國際標準ISO 11760性質一致，將煤作為原生地質巖體而按照其自然屬性進行分類，目的是使得不同國家和地區(qū)對煤炭資源進行初步評價的結果相互之間更具有可比性。其所采用的自然屬性指標主要是煤巖學指標?！吨袊禾烤幋a系統(tǒng)》出臺的背景，主要與當時國際上煤炭編碼工作興起有關，歐洲和澳大利亞先后提出了煤炭編碼系統(tǒng)。編碼的優(yōu)勢在于以關鍵煤質指標直接確定編碼，避免了煤類名稱帶來的主觀性問題。缺點在于需要解碼，對于不太熟悉煤質的人員來說，幾乎很難應用。實際上，編碼標準均未在國內(nèi)或國際切實推行。

3.2 GB/T 5751標準及其意義

該標準在我國煤炭資源勘探、儲量管理、煤炭加工和利用等各方面均發(fā)揮了巨大的作用，也是國際上所有煤炭分類中推廣最為普及的1個分類方案。標準中煉焦煤主要根據(jù)揮發(fā)分、黏結指數(shù)、膠質層指數(shù)和奧亞膨脹度4個指標進行分類。按照該標準，從1/2中黏煤到貧瘦煤的8個煤種屬于常規(guī)煉焦用煤。由于分類采用的指標較少，按照該分類會出現(xiàn)同一類煤的工藝性質(流動度、反應性等)有差別的現(xiàn)象，但可通過比較國際上其他煤分類方案的應用效果，來客觀分析煤分類存在的問題。

(1)國際煤分類。ISO 11760是1個接近于科學—成因分類的方案，其主要目的在于描述煤的基本類型和進行國際間資源對比。分類指標與中國煤炭分類完全不同，其主要采用2個成因指標、1個品位指標進行分類。其中品位指標為灰分，而成因指標即為煤巖學指標，也從另一個側面反映了煤巖學指標對于認識煤炭的重要性。按照該分類方案，鏡質體反射率、鏡質體含量、灰分產(chǎn)率接近的煤即可被認為是同一類煤。若樣品的鏡質體反射率為1.51%、鏡質體含量為62.5%、灰分為10.51%，按照ISO 11760分類，其分類結果為“中階煤A，較高鏡質體含量、中等灰分”，但黏結指數(shù)、膠質層、膨脹度、流動度等在此均未能清晰。若單純以煉焦應用為目的，該標準不如中國分類更為直接。

(2)中國煤分類與美國煤分類比較。美國煤分類中的煙煤，基本上相當于中國的煉焦煤。中國的分類方案中引入了黏結指數(shù)、膠質層指數(shù)、奧亞膨脹度等黏結性指標，但美國煤分類中對黏結性的分類采用“黏結”或“不黏結”此類定性的描述。中國的煉焦煤分類共為8類，每個煤類還有很多次一級的編碼，但美國煤分類簡單劃分為中、高、低揮發(fā)分煙煤。按照美國煤分類，同一類煤的工藝性質也會有顯著差異。

(3)中國煤分類與澳大利亞煤分類比較。澳大利亞煤分類國家標準是1個編碼標準，采用鏡質體反射率、發(fā)熱量、膨脹度、灰分、硫分等對煤進行編碼，而編碼類標準實際上從未被有效推廣。無論澳大利亞還是澳洲煤的主要出口國日本、印度等，市場上應用最廣泛的是AME公司提出的相應“標準”，即硬焦煤、半硬焦煤、半軟焦煤1套術語。該“標準”中將流動度、焦炭反應性和鏡質體反射率作為分類指標，應用效果方面存在以下問題：首先是反射率和流動度的范圍明顯很寬，反射率(Rmax)在0.95%～1.7%，基本涵蓋了中國煤炭分類中從1/3焦煤到瘦煤的范圍。其次是焦炭反應后強度指標的應用，雖該指標對于選擇煉焦煤比較有利，但此指標用于煤分類，首要問題是選用何種試驗焦爐煉制的焦炭來對比。針對同樣的煤，不同爐型得到的焦炭熱強度差異很大。若需很大的試驗焦爐，其實已失去作為分類指標的意義。所以，該指標實際上更多供生產(chǎn)上直接評價商品煤質量之用，難以形成社會普遍采納的統(tǒng)一標準。關于硬焦煤、半硬焦煤、半軟焦煤與中國煤類的大致對應關系，若不嚴格考慮焦炭反應后強度，硬焦煤主要對應于中國分類中的焦煤和部分肥煤，而半硬焦煤或半軟焦煤的范圍均較寬，與中國煤炭分類存在同樣的問題。

3.3 不同層面煤炭分類標準的定位與應用

(1)相對而言，與美國、澳洲煤分類相比，中國的煉焦煤分類實際上已很細，劃分的煤類數(shù)量已稍顯過多。

(2)國際煤炭分類以及中、美、澳等國的分類，在國家標準層面上的分類方案均較寬泛。主要因為此層面的分類方案更注重煤炭資源的可比性，提供1個煤炭資源性質對比的總綱性文件，分類方案需簡便易行因而分類指標不可能太多。

(3)企業(yè)層面需要的“分類”，主要注重煤種之間的相互可替代性，分類指標越多則越易控制煤質。此為有的企業(yè)明知其煤類大致所屬但仍需在黏結指數(shù)、膠質層指數(shù)之外建立煤巖分析、流動度、焦炭反應性、試驗焦爐等裝置的主要原因。

(4)焦化生產(chǎn)中大多數(shù)煤質問題應是對煤質的認識和表征問題而不是分類問題。煤炭分類國家標準除了直接服務用煤企業(yè)生產(chǎn)，還要考慮資源勘探、儲量管理、礦區(qū)開發(fā)規(guī)劃等方面，不應過細。

3.4 煤炭分類的發(fā)展

目前的煤炭分類國家標準并非完美。中國目前的分類方案國標，實際上是1970年代的產(chǎn)物，2009版本更多側重于格式上的修訂，除了規(guī)定混煤不能分類之外，無其它實質性內(nèi)容方面的改動。在當時的各國標準中，實際上都以揮發(fā)分來表征煤化程度。但在后期，無論是美國、澳大利亞還是蘇聯(lián)，均引入了煤巖學指標，使得煤炭分類更加科學。因此，未來中國煤炭分類的修訂，應主要關注煤巖指標的引用，以進一步促進煉焦煤資源的合理利用。

另外，早期的煤炭分類大多屬區(qū)域性，比如蘇聯(lián)、中國都有過特定煤田的煤分類。其實該種煤分類方案有其價值，同一個煤田煤的成煤地質背景類似，在達到相同煤化程度時性質更加接近，相互間可比性更好一些，更有利于直接指導企業(yè)生產(chǎn)。

4 煤巖學在煉焦煤評價中的應用

由上可知，無論是煤炭分類還是其他看起來很特殊的煤質現(xiàn)象，很多與煤巖學有關。促使煤巖學在中國焦化領域得到普及的主要原因是混煤問題，即為市場不規(guī)范的原因而非科學配煤技術。此應是中國和歐美、日本等國家焦化行業(yè)應用煤巖學最大的不同。以下從鏡質體反射率與煤類之間關系、鏡質體反射率標準差的應用、煤巖組成與“活惰比”的應用、煉焦煤工藝性質之間內(nèi)在關系以及煉焦煤特殊性質的煤巖學分析5個方面探討煤巖學在認識煤質方面的作用。

(1)利用鏡質體反射率判別煤類。自從煤巖方法普及以來，采用鏡質體反射率測試以鑒別混煤，已成為多數(shù)焦化企業(yè)通行的作法。但鏡質體反射率與煤類之間關系屬于“一對多”的統(tǒng)計關系，因而嚴格意義上不能僅依靠鏡質體反射率指標判別煤類，正如不能僅憑揮發(fā)分來判別煤類一樣[12]。

(2)利用反射率標準差判別混煤。利用反射率標準差判別混煤是目前最慣常的作法。GB/T 15591描述了最常見的幾種混煤鏡質體反射率直方圖形態(tài)，并規(guī)定了以標準差0.1作為判別混煤的分界。但事實上，標準差受煤本身的變化復雜程度和測試精度的影響。如果誤把惰質體或殼質體作為鏡質體去測試反射率，會導致標準差偏高；僅去挑選煤中最典型的鏡質體去測試，會使得標準差偏低；測試過程隨機誤差控制不好，會使得標準差偏高。因此，根據(jù)標準差判別混煤，首先要保證測試精度，即準確選有代表性的測點，同時控制設備帶來的各種誤差。

(3)活惰比的應用?；疃璞戎笜溯^為簡單，只需測試煤巖組分含量即可計算得到。最佳惰性組分實際上一直是個假說，不同煤種中最佳的活惰比不一致。所以，對于同一煤樣的活惰比多少算合適其實沒有定論。若煤巖組分測試不準確，生搬硬套“活惰比”概念還可能誤導生產(chǎn)。

(4)不同成煤時代煉焦煤的黏結性變化規(guī)律。對于煉焦煤各種工藝指標之間的相關性已有很多論述，如黏結指數(shù)、膠質層指數(shù)等隨煤化程度的變化總體上呈拋物線型變化。黏結指數(shù)的最大值，一般出現(xiàn)在鏡質體反射率1.1%左右，而流動度的最大值一般出現(xiàn)在鏡質體反射率0.9%～1.0%左右。另外，若按照成煤時代來統(tǒng)計，相同變質程度下侏羅紀煤的黏結性和結焦性指標總體上要低一些。因此，沒有煤巖學方法和指標的參與，工藝指標之間性質研究更多是“相關性”研究；有了煤巖學指標的參與，有助于分析其內(nèi)在因果關系。

(5)煉焦煤特殊性質的煤巖學分析。以推斷焦炭反應性偏高而反應后強度偏低的原因為例，主要包括以下5種:①鏡質體反射率偏低，即煤種比較年輕。如氣肥煤和反射率0.9%以下的1/3焦煤，雖黏結指數(shù)、流動度等都較高，但反應活性高，焦炭熱強度低；②成煤時代。侏羅紀的煤在相近變質程度下普遍比石炭二疊紀煤活性高、焦炭強度低，此與其成煤環(huán)境有關，也與其煤灰堿金屬含量相關；③煤層埋藏淺或暴露時間長，例如一些煉焦煤老礦區(qū)，隨著開采時間延長其煤質(尤其焦炭熱強度)總體變差。④比較豐富的裂隙結構。比如有些煉焦煤中CaO含量偏高，間接證明其中裂隙發(fā)育以及與地下水等進行物質交換多，導致煤質變化；⑤其他未深入追蹤研究的成煤作用問題或開采加工問題。比如洗選介質的混入等，有些情況下明顯導致煤質變差。

煉焦煤的合理評價，除了常規(guī)的煤化學理論外，實際上不可避免地涉及到成煤作用知識。掌握煤化程度、煤巖組成、其他成煤作用因素，可更好地認識煉焦煤及利用煉焦煤。

5 煤巖測試技術進展

以上簡要介紹煤巖學及其在煤炭分類和煤質研究中的用途。煤巖學方法在焦化行業(yè)最普遍的應用在于監(jiān)測原料煤的混煤情況。同時，由于專業(yè)人員的缺乏，整個行業(yè)對煤巖自動測試的需求較旺盛。

基于光度法的煤巖自動測試系統(tǒng)的最大問題實際上是準確度不能令人滿意。其準確度不高的最主要原因是“盲測”，即將1項本來需要專業(yè)操作人員細心操作才能做好的工作交由機器自動完成，但對其過程中各種影響因素無從嚴格控制與審核，很多其他組分被作為鏡質體來測試，必然導致標準差增大，分布變寬；若人為限制測試對象，又會導致只測試特別典型的鏡質體，使標準差比實際偏低。

要解決煤巖自動測試的準確度問題，確保測試對象準確且有代表性是最關鍵的要素。煤科院煤巖團隊歷經(jīng)將近10年的時間研發(fā)了煤巖圖像分析系統(tǒng)[13-17]，實現(xiàn)了自動測試過程可追溯、結果易審核的目標，可保證測試對象的準確性和代表性，進而確保測試結果的準確性。同時，借助圖像分析工具可直觀展現(xiàn)導致煤質異常的煤巖學現(xiàn)象，便于煤巖測試結果更好地服務于生產(chǎn)。因此，圖像分析法是未來煤巖測試技術的發(fā)展方向。

(1)BRICC-M煤巖圖像分析系統(tǒng)。為確保圖像質量，自主研發(fā)了適用于煤和焦炭的三維自動平臺和圖像采集系統(tǒng)，開發(fā)了核心的圖像分析軟件，包括如何自動識別測試對象、自動完成所有測試過程以及保存、鏈接各種原始信息。在圖像分析條件下，識別的準確度及出現(xiàn)的問題可以很容易被審核，進而得到改進。此為圖像分析法能夠取得成功的最主要因素。

(2)煤巖圖像分析系統(tǒng)關鍵技術。由圖像分析法和目前采用的光度計法對比可知，兩者在顯微鏡配置方面完全一樣，不同之處在于采用顯微數(shù)碼攝像頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光度計。測試原理方面，兩者均采用已知反射率的標準物質并通過建立工作曲線來得到未知樣品的反射率。在同一臺顯微鏡上同時安裝顯微數(shù)碼相機和傳統(tǒng)光度計，對樣品中鏡質體測點進行測試，得出的鏡質體反射率平均值和標準差以及反射率分布圖均非常接近，如圖1所示。

圖1 采用不同方法獲得的鏡質體發(fā)射率分布直方圖對比Fig. 1 Comparison of reflectance distribution histograms of vitrinite obtained by different test methods

事實上，最早出現(xiàn)的鏡質體反射率測試技術本身就是照相法，只不過100年前的照相技術不能與今日的同日而語，后來才被光度法所取代。隨著時代的發(fā)展，目前的數(shù)碼照相機技術，其線性范圍已完全可與光度計媲美，但在應用和維護方面卻比光度計簡便得多。

(3)圖像分析法的應用優(yōu)勢。利用光度計法測試時只能一人一機且很難交流，對測試結果有疑義時只能進行重復測試，但圖像分析法可保留整個過程并隨時進行審核。在結果應用方面，圖像分析法可直觀展現(xiàn)煤的顯微特性，很多煤質問題可從中找到答案。利用圖像分析方法可非常方便地調出有爭議的測值相對應的顯微圖像并進行審核，可直觀地展示出是的確存在相應的煤種，還是由于各種原因導致的測試錯誤。該種審核技術，一方面便于應用，另一方面也不斷推動技術改進，提高測試對象的識別準確率，使其成為1種可以保證精度的實用技術。

目前，國家標準GB/T 40485—2021《煤的鏡質體隨機反射率自動測定 圖像分析法》已經(jīng)發(fā)布，圖像分析法已成為自動測試鏡質體隨機反射率的國家標準方法。

6 結 論

(1)關于煉焦煤分類，無論國際標準還是國家標準均注重煤質的可比性，分類指標需簡便易行且不可太多；而企業(yè)層面所需的分類，重點注重煤種間的相互可替代性，即分類指標越多則越易控制煤質。但無論何種分類方案，煤巖指標均為不可或缺的指標。因此，既不能將煉焦煤常見的煤質問題簡單歸結為分類問題，同時也需高度重視煤巖學的應用。

(2)煤巖學方法能將各種工藝指標高度關聯(lián)，有助于科學解釋異常的煤質現(xiàn)象。

(3)利用鏡質體反射率分布圖和標準差來鑒別混煤，判別煤類時切忌教條地引用某些相關關系，二者間關系需要科學解讀。

(4)圖像分析法在儀器組成的通用性、操作的便利性、過程審核的可追溯性以及測試結果的準確性等各個方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的光度計法，代表著今后鏡質體反射率測試的技術方向。隨著國家標準GB/T 40485—2021《煤的鏡質體隨機反射率自動測定 圖像分析法》的實施，煤巖圖像分析法的應用將會越來越普及。