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(guān) 512123）

煙煤特指干燥無灰基揮發(fā)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(jié)合，形成表面煤氧絡(luò)合物，并進一步發(fā)生氧化分解和變質(zhì)。第二類則是在100~300℃，在空氣中放置的煤樣與氧結(jié)合生成可溶于堿的復(fù)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(fā)生的，故又稱為風化，與煤質(zhì)的管理使用息息相關(guān)，本文研究所涉及的就是煙煤常規(guī)堆存過程中遇到的風化。

風化氧化對煤的性質(zhì)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(zhì)、化學性質(zhì)及工藝性質(zhì)都會發(fā)生改變，這種變化的最根本的原因就是煤的有機質(zhì)和礦物質(zhì)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(dǎo)致質(zhì)量不斷下降的過程，隨著時間延長風化程度加深，煙煤的內(nèi)在質(zhì)量劣化程度逐漸加重。在商貿(mào)及煤質(zhì)應(yīng)用上，均需要掌握煙煤受風化氧化質(zhì)量劣化的程度，具體包括兩個維度：一是鑒定出煤質(zhì)暴露在大氣中風化時間，二是標定出煤質(zhì)因風化氧化而劣化變質(zhì)的程度。標定煤質(zhì)因風化氧化而劣化變質(zhì)程度的研究得到廣泛開展，應(yīng)用的技術(shù)指標有煤的揮發(fā)分、黏結(jié)性指標、煤的部分元素分析指標、煤巖顯微組分鏡質(zhì)組的變化等。但對鑒定煤質(zhì)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(shù)研究空白。

1 鑒別煤質(zhì)風化氧化及風化程度的現(xiàn)有技術(shù)及存在的局限性

1.1 鑒別煤質(zhì)被風化變質(zhì)劣化以及劣化程度的現(xiàn)有技術(shù)指標

1）煤的揮發(fā)分。研究證明煉焦煤揮發(fā)分隨風化程度會發(fā)生變化。

2）煤的鏡質(zhì)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(fā)生相應(yīng)變化。

3）煤的黏結(jié)性指標。主要是G值（黏結(jié)指數(shù)）和Y值（膠質(zhì)層最大厚度，單位是mm）。研究證明煉焦煤的黏結(jié)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(zhì)風化程度的現(xiàn)有技術(shù)及局限性

1.2.1 煤的揮發(fā)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(jīng)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(fā)分數(shù)據(jù)的變化趨勢。

圖1 不同煤種揮發(fā)份隨風化變化趨勢

由圖1可知，高揮發(fā)分、低煤化度的煙煤揮發(fā)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?；旌?號焦煤也呈現(xiàn)下降的變化趨勢，但下降幅度微??；中等煤化度煙煤揮發(fā)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(fā)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(fā)分受風化氧化影響的變化規(guī)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(zhì)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(jīng)過長達10月的風化氧化，每間隔一個月取樣做鏡質(zhì)平均最大反射率（Rmax）數(shù)據(jù)得到的變化趨勢。

圖2 不同煤鏡質(zhì)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(zhì)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(wěn)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(xiàn)逐漸下降，典型的煤種有瘦煤、峰景焦煤等。

分析上述研究結(jié)論，受風化氧化影響后兩個指標間仍符合這個關(guān)系。

概括來說，煙煤鏡質(zhì)組平均最大反射率受風化氧化影響的變化規(guī)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(jié)性能G、Y值

圖3、圖4分別是4種焦煤性質(zhì)煙煤的黏結(jié)指數(shù)G值和膠質(zhì)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(jié)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(nèi)）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(fù)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(fù)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(zhì)風化氧化的現(xiàn)有技術(shù)指標存在著變化趨勢不一致、變化幅度小、檢測復(fù)雜耗時以及測定結(jié)果誤差較大等弱點，需要研究發(fā)現(xiàn)能簡易明確判定煤質(zhì)風化程度的更佳的技術(shù)方案或指標。

2 精確判定煙煤風化變質(zhì)程度技術(shù)研究過程

2.1 精確判定煙煤風化變質(zhì)程度技術(shù)基本要求

所謂精確判定煙煤風化變質(zhì)程度應(yīng)滿足以下兩個要點：

1）用來鑒別煤質(zhì)是否被風化氧化的指標在發(fā)生風化氧化較短的時間內(nèi)就會產(chǎn)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(zhì)影響以及風化的時間。

2）選定的技術(shù)指標適應(yīng)性廣，在鑒定煤質(zhì)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(zhì)程度技術(shù)方案

本文提供一種能定量判定煉焦煤風化氧化變質(zhì)，以及風化氧化變質(zhì)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(chǎn)生膠質(zhì)體的數(shù)量和黏度?；狭鲃佣扔傻聡思獫衫沼?934年首次提出的，以固定力矩在煤受熱形成的膠質(zhì)體中轉(zhuǎn)動的最大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，用攪拌器所受扭力隨溫度的變化來表示膠質(zhì)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(fā)現(xiàn)，所有具備流動性黏結(jié)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(xiàn)下降，且變化幅度對比煤質(zhì)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(tǒng)計。其中三種焦煤是進口焦煤，山西焦煤是國產(chǎn)焦煤。

表1 焦煤基氏最大流動隨風化時間不斷下降統(tǒng)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(shù)（拋物線左半部分），擬合優(yōu)度R2達到0.91以上。若選用對數(shù)函數(shù)擬合時，R2也能達到0.89以上。典型的函數(shù)關(guān)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(shù)項，與不同煤種有關(guān)；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(zhì)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(jīng)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(zhì)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(zhì)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(zhì)速度變得相對緩慢，基氏流動度進入相對“穩(wěn)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(zhì)最快的時間是前3至4個月，此后變質(zhì)速度急劇下降，變得非常緩慢。所以，確定煤質(zhì)已經(jīng)被風化變質(zhì)，以及鑒別出1至4個月內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(dǎo)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(zhì)組判定煤質(zhì)是否被風化氧化變質(zhì)，原理如下。

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

鏡質(zhì)組顯微觀察結(jié)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(jīng)風化變質(zhì)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(zhì)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(zhì)質(zhì)組煉 焦煤

圖9 風化變質(zhì)的煉焦煤顯微鏡質(zhì)組

3 研究結(jié)論及應(yīng)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(shù)值，可判定煤質(zhì)是否受到風化氧化變質(zhì)，以及風化的時間（月份）。

2）利用煙煤鏡質(zhì)組顯微觀察法，通過觀察鏡質(zhì)組是否出現(xiàn)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(zhì)更重要。

3）判斷煙煤受到風化變質(zhì)的時間方法：設(shè)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(zhì)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(jīng)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(zhì)時間（月分）存在相關(guān)性較強的函數(shù)關(guān)系。

5）鏡質(zhì)組顯微觀察結(jié)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(jīng)風化變質(zhì)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(zhì)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(zhì)組表面會出現(xiàn)較多較寬的裂紋和氧化腐蝕形成的黑點，可以判定其已經(jīng)受到風化氧化一個月或以上的時間。