定量判定烟煤风化变质程度及时间技术研究

梁开慧，程启国，刘克辉，范国光，曾令鹏

（广东韶钢松山股份有限公司，广东 韶关 512123）

烟煤特指干燥无灰基挥发分大于10%的煤类，炼焦煤是烟煤中主要类别。煤的氧化按温度不同可分为低温氧化和高温氧化，低温氧化又可细分为两类：第一类是常温到100℃左右，在空气中放置的煤与空气中的氧结合，形成表面煤氧络合物，并进一步发生氧化分解和变质。第二类则是在100~300℃，在空气中放置的煤样与氧结合生成可溶于碱的复杂的再生腐植酸，第二类情况下常伴随有第一类氧化，因此氧化程度更深。第一类氧化是煤在室温下暴露在空气中堆存过程中发生的，故又称为风化，与煤质的管理使用息息相关，本文研究所涉及的就是烟煤常规堆存过程中遇到的风化。

风化氧化对煤的性质有重大的影响，在空气中放置的煤受到外界因素的综合影响时，其物理性质、化学性质及工艺性质都会发生改变，这种变化的最根本的原因就是煤的有机质和矿物质被氧化。

烟煤主要形成于三亿年前的石炭纪时代，深埋于地表之下隔绝空气，一旦被开采出来后暴露于空气中，就伴随着风化氧导致质量不断下降的过程，随着时间延长风化程度加深，烟煤的内在质量劣化程度逐渐加重。在商贸及煤质应用上，均需要掌握烟煤受风化氧化质量劣化的程度，具体包括两个维度：一是鉴定出煤质暴露在大气中风化时间，二是标定出煤质因风化氧化而劣化变质的程度。标定煤质因风化氧化而劣化变质程度的研究得到广泛开展，应用的技术指标有煤的挥发分、黏结性指标、煤的部分元素分析指标、煤岩显微组分镜质组的变化等。但对鉴定煤质受到风化时间的研究，尚未见诸公开研究，本文填补这方面技术研究空白。

1 鉴别煤质风化氧化及风化程度的现有技术及存在的局限性

1.1 鉴别煤质被风化变质劣化以及劣化程度的现有技术指标

1）煤的挥发分。研究证明炼焦煤挥发分随风化程度会发生变化。

2）煤的镜质组平均最大反射率。研究证明煤的镜组平均最大反射率随风化程度也会发生相应变化。

3）煤的黏结性指标。主要是G值（黏结指数）和Y值（胶质层最大厚度，单位是mm）。研究证明炼焦煤的黏结性随风化程度增加会不断下降。

4）通过煤的元素分析，分析氧含量的增减。随风化程度的加深，煤的有机物中氧含量会有所上升。

1.2 鉴别煤质风化程度的现有技术及局限性

1.2.1 煤的挥发分

图1是对包括气煤、肥煤、焦煤、瘦煤等主要炼焦煤种的10种煤，经过长达10月的风化氧化，每间隔一个月取样分析干燥无灰基挥发分数据的变化趋势。

图1 不同煤种挥发份随风化变化趋势

由图1可知，高挥发分、低煤化度的烟煤挥发分受风化影响的变化趋势是逐渐下降，主要有印尼气煤、山西肥煤、1/3焦煤等。混合1号焦煤也呈现下降的变化趋势，但下降幅度微小；中等煤化度烟煤挥发分基本不受风化的影响，代表性煤种有PLV焦煤、1号焦煤；高煤化度烟煤挥发分逐渐上升，代表性煤种有瘦煤、LV2号焦煤。

概括来说，烟煤挥发分受风化氧化影响的变化规律，一是变化幅度不大；二是不同煤种的变化趋势不同，有些上升，有些下降。

1.2.2 煤的镜质组平均最大反射率

图2是对包括气煤、肥煤、焦煤、瘦煤等主要炼焦煤种的十种煤，经过长达10月的风化氧化，每间隔一个月取样做镜质平均最大反射率（Rmax）数据得到的变化趋势。

图2 不同煤镜质最大组反射率随风化变化趋势

由图2可知，低煤化度烟煤镜质组反射率受风化影响的变化趋势是逐渐由低到高，典型的煤种有山西肥煤、1/3焦煤、LV焦煤；中等煤化度烟煤变化趋势不明显或基本保持稳定不变，典型的煤种有PLV焦煤、1号焦煤、2号焦煤等；高煤化度烟煤变化趋势呈现逐渐下降，典型的煤种有瘦煤、峰景焦煤等。

分析上述研究结论，受风化氧化影响后两个指标间仍符合这个关系。

概括来说，烟煤镜质组平均最大反射率受风化氧化影响的变化规律，一是变化幅度不大；二是不同煤种的变化趋势不同，有些上升，有些下降。

1.2.3 煤的黏结性能G、Y值

图3、图4分别是4种焦煤性质烟煤的黏结指数G值和胶质层厚度Y值历时10个月风化氧化过程中，随时间的变化趋势。

由图3、图4可知，不同品种的烟煤黏结性受风化影响的变化趋势差异也较大，虽然总的趋势是由高向低变化，但有些品种下降幅度较大，有些品种下降趋势非常平缓，当风化时间不长（如3个月内）时不能明确判断是否被风化氧化。

图3 炼焦煤G值随氧化变化趋势图

图4 炼焦煤Y值随氧化变化趋势图

通过煤的元素分析，分析氧含量的增减。煤中氧的测定方法主要有直接测定和间接计算两种。两种方法都非常复杂耗时，且精度均不高。烟煤氧含量理论上虽然是随风化时间延长而上升，但受到分复杂耗时和析样品代表性误差等影响，不能起到明确判断风化氧化程度的效果。

综上所述，鉴定煤质风化氧化的现有技术指标存在着变化趋势不一致、变化幅度小、检测复杂耗时以及测定结果误差较大等弱点，需要研究发现能简易明确判定煤质风化程度的更佳的技术方案或指标。

2 精确判定烟煤风化变质程度技术研究过程

2.1 精确判定烟煤风化变质程度技术基本要求

所谓精确判定烟煤风化变质程度应满足以下两个要点：

1）用来鉴别煤质是否被风化氧化的指标在发生风化氧化较短的时间内就会产生显著变化，趋势明显且不同种煤的烟煤有一致的变化趋势；二是不但能定性，还能定量判断是否受到风化变质影响以及风化的时间。

2）选定的技术指标适应性广，在鉴定煤质风化氧化时能覆盖所有炼焦煤。

2.2 精确判定烟煤风化变质程度技术方案

本文提供一种能定量判定炼焦煤风化氧化变质，以及风化氧化变质程度（时间）的方法：利用炼焦煤“基氏最大流动度”辅以“煤岩显微海光片”观察两类指标，就能对烟煤中所有炼焦用煤进行判定。

2.2.1 基氏流动度鉴定烟煤风化氧化方法

2.2.1.1 基氏流动度简释

流动度是煤的塑性表征指标之一，能够同时反映煤受热产生胶质体的数量和黏度。基氏流动度由德国人吉泽勒于1934年首次提出的，以固定力矩在煤受热形成的胶质体中转动的最大转速来表示。另有变力矩测定方法戴维斯塑性仪法和波拉本达塑谱仪法：其测定原理是插入煤中的搅拌器以固定速度转动，用搅拌器所受扭力随温度的变化来表示胶质体的流动度的变化。

2.2.1.2 基氏流动度鉴定烟煤风化氧化程度过程的研究

长期研究烟煤基氏流动度中发现，所有具备流动性黏结性的烟煤，其基氏流动受风化氧化的影响后的变化趋势均呈现下降，且变化幅度对比煤质的其他指标显著较大。

表1是四种炼焦用烟煤基氏最大流动度随风化氧化时间不断下降的统计。其中三种焦煤是进口焦煤，山西焦煤是国产焦煤。

表1 焦煤基氏最大流动随风化时间不断下降统计表

对进口A焦煤、进口B焦煤、山西焦煤基氏最大流动度随风化时间变化进行曲线拟合见图5、图6、图7。

由图5、图6、图7可知，最大流动度典型值大于100 dd/min的炼焦用烟煤，最大流动度随风化时间变化可以拟合成一元二次抛物线函数（抛物线左半部分），拟合优度R2达到0.91以上。若选用对数函数拟合时，R2也能达到0.89以上。典型的函数关系式如下：

图5 进口A焦煤最大流动度随风化时间变化图

图6 山西焦煤最大流动度随风化时间变化图

图7 进口B焦煤最大流动度随风化时间变化图

式中：m、n是常数项，与不同煤种有关；r是测定煤种的基氏最大流动度典型值。

2.2.1.3 基氏流动度鉴定烟煤风化氧化程度的方法

首先要测定获得未受风化变质影响的各炼焦煤基氏最大流动度，做为此煤未受风化影响时的典型值，或称基准值。表1中，各煤种1月测定的基氏流动度就是未受到风化氧化的基准基氏流动度。

其次测定需要鉴定是否风化及风化程度的烟煤基氏流动度，若其最大流动度典型值大于100 dd/min，当测量值减小的幅度为25%~50%时，可判定此煤已经受到风化影响，影响时间接近1个月；当最大流动度测量值减小幅度为50%~67%时，可判定此煤受到风化变质时间接近2个月；当最大流动度测量值减小幅度为60%~75%时，可判定此煤受到风化变质时间接近3个月。

当炼焦煤风化氧化时间在四个月以上时，最大流动度测量值减小幅度超过80%，此后随堆放时间再延长其衰减速度大幅下降，或者说下降幅度变平缓，如风化时间在5至10月，最大流动度测量值减小幅度合计小于10%。

由图5至图7可知，烟煤风化时间超过3个月后，其风化氧化变质速度变得相对缓慢，基氏流动度进入相对“稳定期”。

通常情况下，炼焦煤开采出来后，露天堆放时间不会超过半年。由图5至图7可知，炼焦烟煤风化变质最快的时间是前3至4个月，此后变质速度急剧下降，变得非常缓慢。所以，确定煤质已经被风化变质，以及鉴别出1至4个月内风化时间是非常必要而足够的。

2.2.2 基氏最大流动度小于100 dd/min时判定烟煤风化氧化的方法

当炼焦用烟煤基氏最大流动度小于100 dd/min时，研究发现存在着基氏流动度随风化进程很快衰减到零或受到测量误差影响导致判定不准确。本研究提供一个辅助方法，即制作需判定的炼焦煤显微光片，通过在偏光显微镜油浸物镜下，观察镜质组判定煤质是否被风化氧化变质，原理如下。

刚开采出来的炼焦煤，显微镜下观察到的镜质组无裂纹和氧化腐蚀形成的黑点、孔洞。风化变质一个月以上的炼焦煤，显微镜下观察到的镜质组表面会出现较多较宽的裂纹和氧化腐蚀形成的黑点。

镜质组显微观察结合基氏最大流动度更能准确地判定最大流动度典型值大于100 dd/min的炼焦煤是否已经风化变质和风化时间；对于基氏流动度典型值小于100 dd/min的炼焦煤，风化时间超过1个月时，最大流动度一般会测不出来，此时更需要用镜质组显微观察法进行是否风化判定，详见图8、图9。

图8 未显风微化镜变质质组炼 焦煤

图9 风化变质的炼焦煤显微镜质组

3 研究结论及应用

1）当最大流动度不小于100 dd/min时，通过测定烟煤最大流动度数值，可判定煤质是否受到风化氧化变质，以及风化的时间（月份）。

2）利用烟煤镜质组显微观察法，通过观察镜质组是否出现较多较宽的裂纹和氧化腐蚀形成的黑点，可用于辅助判定炼焦煤是否受到风化变种的影响。特别是对于最大流动度小于100 dd/min的炼焦煤，当测不出流动度时（即流动度测定值为零），用此指标判定其是否风化变质更重要。

3）判断烟煤受到风化变质的时间方法：设某个炼焦煤基氏最大流动度典型值是R（DDPM）（R>100 DDPM）,实测值为M（DDPM），通过计算基氏最大流动度的变化率，可如下判断其风化变质时间：25≤P≤50时，判断风化氧化时间达到1个月；50≤P≤67时，判断风化氧化时间达到2个月；60≤P≤75时，判断风化氧化时间达到3个月；P≥80时，判断风化氧化时间已经超过4个月。

4）当炼焦煤基氏最大流动度不小于100时，最大流动度与风化变质时间（月分）存在相关性较强的函数关系。

5）镜质组显微观察结合基氏最大流动度更能准确地判定最大流动度典型值大于100 dd/min的炼焦煤是否已经风化变质和风化时间。基氏流动度典型值小于100 dd/min的炼焦煤，风化时间超过1个月时，最大流动度一般会测不出来，此时更需要用镜质组显微观察法进行是否风化判定。当显微镜下观察到的镜质组表面会出现较多较宽的裂纹和氧化腐蚀形成的黑点，可以判定其已经受到风化氧化一个月或以上的时间。