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(xì)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(jìn)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(fēng)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(fēng)化。

風(fēng)化氧化對(duì)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(shí)，其物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及工藝性質(zhì)都會(huì)發(fā)生改變，這種變化的最根本的原因就是煤的有機(jī)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(jì)時(shí)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(fēng)化氧導(dǎo)致質(zhì)量不斷下降的過程，隨著時(shí)間延長風(fēng)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(fēng)化氧化質(zhì)量劣化的程度，具體包括兩個(gè)維度：一是鑒定出煤質(zhì)暴露在大氣中風(fēng)化時(shí)間，二是標(biāo)定出煤質(zhì)因風(fēng)化氧化而劣化變質(zhì)的程度。標(biāo)定煤質(zhì)因風(fēng)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(biāo)有煤的揮發(fā)分、黏結(jié)性指標(biāo)、煤的部分元素分析指標(biāo)、煤巖顯微組分鏡質(zhì)組的變化等。但對(duì)鑒定煤質(zhì)受到風(fēng)化時(shí)間的研究，尚未見諸公開研究，本文填補(bǔ)這方面技術(shù)研究空白。

1 鑒別煤質(zhì)風(fēng)化氧化及風(fēng)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(fēng)化變質(zhì)劣化以及劣化程度的現(xiàn)有技術(shù)指標(biāo)

1）煤的揮發(fā)分。研究證明煉焦煤揮發(fā)分隨風(fēng)化程度會(huì)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(fēng)化程度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

3）煤的黏結(jié)性指標(biāo)。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(fēng)化程度增加會(huì)不斷下降。

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

1.2 鑒別煤質(zhì)風(fēng)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(duì)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(dá)10月的風(fēng)化氧化，每間隔一個(gè)月取樣分析干燥無灰基揮發(fā)分?jǐn)?shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。

圖1 不同煤種揮發(fā)份隨風(fēng)化變化趨勢(shì)

由圖1可知，高揮發(fā)分、低煤化度的煙煤揮發(fā)分受風(fēng)化影響的變化趨勢(shì)是逐漸下降，主要有印尼氣煤、山西肥煤、1/3焦煤等?；旌?號(hào)焦煤也呈現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)，但下降幅度微??；中等煤化度煙煤揮發(fā)分基本不受風(fēng)化的影響，代表性煤種有PLV焦煤、1號(hào)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(hào)焦煤。

概括來說，煙煤揮發(fā)分受風(fēng)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(shì)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(duì)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(dá)10月的風(fēng)化氧化，每間隔一個(gè)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(shì)。

圖2 不同煤鏡質(zhì)最大組反射率隨風(fēng)化變化趨勢(shì)

由圖2可知，低煤化度煙煤鏡質(zhì)組反射率受風(fēng)化影響的變化趨勢(shì)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(shì)不明顯或基本保持穩(wěn)定不變，典型的煤種有PLV焦煤、1號(hào)焦煤、2號(hào)焦煤等；高煤化度煙煤變化趨勢(shì)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(fēng)化氧化影響后兩個(gè)指標(biāo)間仍符合這個(gè)關(guān)系。

概括來說，煙煤鏡質(zhì)組平均最大反射率受風(fēng)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(shì)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(shí)10個(gè)月風(fēng)化氧化過程中，隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

由圖3、圖4可知，不同品種的煙煤黏結(jié)性受風(fēng)化影響的變化趨勢(shì)差異也較大，雖然總的趨勢(shì)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(shì)非常平緩，當(dāng)風(fēng)化時(shí)間不長（如3個(gè)月內(nèi)）時(shí)不能明確判斷是否被風(fēng)化氧化。

圖3 煉焦煤G值隨氧化變化趨勢(shì)圖

圖4 煉焦煤Y值隨氧化變化趨勢(shì)圖

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

綜上所述，鑒定煤質(zhì)風(fēng)化氧化的現(xiàn)有技術(shù)指標(biāo)存在著變化趨勢(shì)不一致、變化幅度小、檢測(cè)復(fù)雜耗時(shí)以及測(cè)定結(jié)果誤差較大等弱點(diǎn)，需要研究發(fā)現(xiàn)能簡易明確判定煤質(zhì)風(fēng)化程度的更佳的技術(shù)方案或指標(biāo)。

2 精確判定煙煤風(fēng)化變質(zhì)程度技術(shù)研究過程

2.1 精確判定煙煤風(fēng)化變質(zhì)程度技術(shù)基本要求

所謂精確判定煙煤風(fēng)化變質(zhì)程度應(yīng)滿足以下兩個(gè)要點(diǎn)：

1）用來鑒別煤質(zhì)是否被風(fēng)化氧化的指標(biāo)在發(fā)生風(fēng)化氧化較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生顯著變化，趨勢(shì)明顯且不同種煤的煙煤有一致的變化趨勢(shì)；二是不但能定性，還能定量判斷是否受到風(fēng)化變質(zhì)影響以及風(fēng)化的時(shí)間。

2）選定的技術(shù)指標(biāo)適應(yīng)性廣，在鑒定煤質(zhì)風(fēng)化氧化時(shí)能覆蓋所有煉焦煤。

2.2 精確判定煙煤風(fēng)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(fēng)化氧化變質(zhì)，以及風(fēng)化氧化變質(zhì)程度（時(shí)間）的方法：利用煉焦煤“基氏最大流動(dòng)度”輔以“煤巖顯微海光片”觀察兩類指標(biāo)，就能對(duì)煙煤中所有煉焦用煤進(jìn)行判定。

2.2.1 基氏流動(dòng)度鑒定煙煤風(fēng)化氧化方法

2.2.1.1 基氏流動(dòng)度簡釋

流動(dòng)度是煤的塑性表征指標(biāo)之一，能夠同時(shí)反映煤受熱產(chǎn)生膠質(zhì)體的數(shù)量和黏度?；狭鲃?dòng)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(zhì)體中轉(zhuǎn)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)速來表示。另有變力矩測(cè)定方法戴維斯塑性儀法和波拉本達(dá)塑譜儀法：其測(cè)定原理是插入煤中的攪拌器以固定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，用攪拌器所受扭力隨溫度的變化來表示膠質(zhì)體的流動(dòng)度的變化。

2.2.1.2 基氏流動(dòng)度鑒定煙煤風(fēng)化氧化程度過程的研究

長期研究煙煤基氏流動(dòng)度中發(fā)現(xiàn)，所有具備流動(dòng)性黏結(jié)性的煙煤，其基氏流動(dòng)受風(fēng)化氧化的影響后的變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)下降，且變化幅度對(duì)比煤質(zhì)的其他指標(biāo)顯著較大。

表1是四種煉焦用煙煤基氏最大流動(dòng)度隨風(fēng)化氧化時(shí)間不斷下降的統(tǒng)計(jì)。其中三種焦煤是進(jìn)口焦煤，山西焦煤是國產(chǎn)焦煤。

表1 焦煤基氏最大流動(dòng)隨風(fēng)化時(shí)間不斷下降統(tǒng)計(jì)表

對(duì)進(jìn)口A焦煤、進(jìn)口B焦煤、山西焦煤基氏最大流動(dòng)度隨風(fēng)化時(shí)間變化進(jìn)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(dòng)度典型值大于100 dd/min的煉焦用煙煤，最大流動(dòng)度隨風(fēng)化時(shí)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(dá)到0.91以上。若選用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合時(shí)，R2也能達(dá)到0.89以上。典型的函數(shù)關(guān)系式如下：

圖5 進(jìn)口A焦煤最大流動(dòng)度隨風(fēng)化時(shí)間變化圖

圖6 山西焦煤最大流動(dòng)度隨風(fēng)化時(shí)間變化圖

圖7 進(jìn)口B焦煤最大流動(dòng)度隨風(fēng)化時(shí)間變化圖

式中：m、n是常數(shù)項(xiàng)，與不同煤種有關(guān)；r是測(cè)定煤種的基氏最大流動(dòng)度典型值。

2.2.1.3 基氏流動(dòng)度鑒定煙煤風(fēng)化氧化程度的方法

首先要測(cè)定獲得未受風(fēng)化變質(zhì)影響的各煉焦煤基氏最大流動(dòng)度，做為此煤未受風(fēng)化影響時(shí)的典型值，或稱基準(zhǔn)值。表1中，各煤種1月測(cè)定的基氏流動(dòng)度就是未受到風(fēng)化氧化的基準(zhǔn)基氏流動(dòng)度。

其次測(cè)定需要鑒定是否風(fēng)化及風(fēng)化程度的煙煤基氏流動(dòng)度，若其最大流動(dòng)度典型值大于100 dd/min，當(dāng)測(cè)量值減小的幅度為25%~50%時(shí)，可判定此煤已經(jīng)受到風(fēng)化影響，影響時(shí)間接近1個(gè)月；當(dāng)最大流動(dòng)度測(cè)量值減小幅度為50%~67%時(shí)，可判定此煤受到風(fēng)化變質(zhì)時(shí)間接近2個(gè)月；當(dāng)最大流動(dòng)度測(cè)量值減小幅度為60%~75%時(shí)，可判定此煤受到風(fēng)化變質(zhì)時(shí)間接近3個(gè)月。

當(dāng)煉焦煤風(fēng)化氧化時(shí)間在四個(gè)月以上時(shí)，最大流動(dòng)度測(cè)量值減小幅度超過80%，此后隨堆放時(shí)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(fēng)化時(shí)間在5至10月，最大流動(dòng)度測(cè)量值減小幅度合計(jì)小于10%。

由圖5至圖7可知，煙煤風(fēng)化時(shí)間超過3個(gè)月后，其風(fēng)化氧化變質(zhì)速度變得相對(duì)緩慢，基氏流動(dòng)度進(jìn)入相對(duì)“穩(wěn)定期”。

通常情況下，煉焦煤開采出來后，露天堆放時(shí)間不會(huì)超過半年。由圖5至圖7可知，煉焦煙煤風(fēng)化變質(zhì)最快的時(shí)間是前3至4個(gè)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(fēng)化變質(zhì)，以及鑒別出1至4個(gè)月內(nèi)風(fēng)化時(shí)間是非常必要而足夠的。

2.2.2 基氏最大流動(dòng)度小于100 dd/min時(shí)判定煙煤風(fēng)化氧化的方法

當(dāng)煉焦用煙煤基氏最大流動(dòng)度小于100 dd/min時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)存在著基氏流動(dòng)度隨風(fēng)化進(jìn)程很快衰減到零或受到測(cè)量誤差影響導(dǎo)致判定不準(zhǔn)確。本研究提供一個(gè)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(fēng)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(diǎn)、孔洞。風(fēng)化變質(zhì)一個(gè)月以上的煉焦煤，顯微鏡下觀察到的鏡質(zhì)組表面會(huì)出現(xiàn)較多較寬的裂紋和氧化腐蝕形成的黑點(diǎn)。

鏡質(zhì)組顯微觀察結(jié)合基氏最大流動(dòng)度更能準(zhǔn)確地判定最大流動(dòng)度典型值大于100 dd/min的煉焦煤是否已經(jīng)風(fēng)化變質(zhì)和風(fēng)化時(shí)間；對(duì)于基氏流動(dòng)度典型值小于100 dd/min的煉焦煤，風(fēng)化時(shí)間超過1個(gè)月時(shí)，最大流動(dòng)度一般會(huì)測(cè)不出來，此時(shí)更需要用鏡質(zhì)組顯微觀察法進(jìn)行是否風(fēng)化判定，詳見圖8、圖9。

圖8 未顯風(fēng)微化鏡變質(zhì)質(zhì)組煉 焦煤

圖9 風(fēng)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(dāng)最大流動(dòng)度不小于100 dd/min時(shí)，通過測(cè)定煙煤最大流動(dòng)度數(shù)值，可判定煤質(zhì)是否受到風(fēng)化氧化變質(zhì)，以及風(fēng)化的時(shí)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(diǎn)，可用于輔助判定煉焦煤是否受到風(fēng)化變種的影響。特別是對(duì)于最大流動(dòng)度小于100 dd/min的煉焦煤，當(dāng)測(cè)不出流動(dòng)度時(shí)（即流動(dòng)度測(cè)定值為零），用此指標(biāo)判定其是否風(fēng)化變質(zhì)更重要。

3）判斷煙煤受到風(fēng)化變質(zhì)的時(shí)間方法：設(shè)某個(gè)煉焦煤基氏最大流動(dòng)度典型值是R（DDPM）（R>100 DDPM）,實(shí)測(cè)值為M（DDPM），通過計(jì)算基氏最大流動(dòng)度的變化率，可如下判斷其風(fēng)化變質(zhì)時(shí)間：25≤P≤50時(shí)，判斷風(fēng)化氧化時(shí)間達(dá)到1個(gè)月；50≤P≤67時(shí)，判斷風(fēng)化氧化時(shí)間達(dá)到2個(gè)月；60≤P≤75時(shí)，判斷風(fēng)化氧化時(shí)間達(dá)到3個(gè)月；P≥80時(shí)，判斷風(fēng)化氧化時(shí)間已經(jīng)超過4個(gè)月。

4）當(dāng)煉焦煤基氏最大流動(dòng)度不小于100時(shí)，最大流動(dòng)度與風(fēng)化變質(zhì)時(shí)間（月分）存在相關(guān)性較強(qiáng)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(dòng)度更能準(zhǔn)確地判定最大流動(dòng)度典型值大于100 dd/min的煉焦煤是否已經(jīng)風(fēng)化變質(zhì)和風(fēng)化時(shí)間?；狭鲃?dòng)度典型值小于100 dd/min的煉焦煤，風(fēng)化時(shí)間超過1個(gè)月時(shí)，最大流動(dòng)度一般會(huì)測(cè)不出來，此時(shí)更需要用鏡質(zhì)組顯微觀察法進(jìn)行是否風(fēng)化判定。當(dāng)顯微鏡下觀察到的鏡質(zhì)組表面會(huì)出現(xiàn)較多較寬的裂紋和氧化腐蝕形成的黑點(diǎn)，可以判定其已經(jīng)受到風(fēng)化氧化一個(gè)月或以上的時(shí)間。