第二章 煤的一般性质 第二节.ppt

第二章煤的一般性质,第二节煤的物理性质,一、煤的颜色和光泽1、煤的颜色煤的颜色是指新鲜（未被氧化）的煤块表面的天然色彩，它是煤对不同波长的可见光吸收的结果。煤在普通的白光照射下，其表面的反射光所显的颜色称为表色。由高等植物形成的腐植煤的表色随煤的煤化程度不同而变化。煤中的水分常能使煤的颜色加深，但矿物杂质却能使煤的颜色变浅。同一矿井的煤，颜色越浅，灰分越高。煤的粉色又叫条痕色，是指将煤在磁板上划出条痕的颜色，它反映了煤的真正的颜色。,2、煤的光泽,,煤的光泽是指煤的新鲜断面对正常可见光的反射能力，是肉眼鉴定煤的标志之一。腐植煤的光泽通常可分为沥青光泽、玻璃光泽、金刚石光泽和似金属光泽等几种类型。影响因素除煤化程度与煤的光泽有密切相关外，煤中矿物成分和矿物质的含量以及煤岩组分、煤的表面性质、断口和裂隙等也都会影响煤的光泽。此外，风化或氧化以后，对煤的光泽影响也很大，通常使之变为暗淡无光泽。所以在判断煤的光泽时一定要用未氧化的煤为标准。如表212不同煤化程度的煤的光泽、颜色和条痕色,表2-12不同煤化程度的煤的光泽、颜色和条痕色,二、煤的断口和裂隙（一）煤的断口煤块受到外力打击后不沿层理面或裂隙面断开，成为凹凸不平的表面，称为煤的断口。分类根据断口表面的形状和性质可分为贝壳状断口、参差状断口、阶梯状断口、棱角状断口、粒状断口和针状断口等。根据煤的断口即可大致判断煤的物质组成的均一性和方向性。它也是表征煤的物质组成均一性的重要标志。贝壳状断口腐泥煤或腐植煤中的光亮煤以及某些无烟煤不规则状断口暗淡煤或高矿物质煤（二）煤的裂隙煤的裂隙是指在成煤过程中煤受到自然界的各种应力的影响而产生的裂开现象。按裂隙的成因不同，可分为内生裂隙和外生裂隙两种。,1、煤的内生裂隙的特点内生裂隙是在煤化作用过程中，煤中的凝胶化物质受到地温和地压等因素的影响，使其体积均匀收缩，产生内张力而形成的一种裂隙。内生裂隙的发育情况与煤化程度和煤岩显微组分有密切关系。特点（1）出现在较为均匀致密的光亮煤分层中，特别是在镜煤的凸镜质或条带中最为发育。（2）一般垂直于层理面。（3）裂隙面常较平坦光滑，且常伴生眼球状的张力痕迹。（4）裂隙的方向有大致互相垂直或斜交的两组、交叉呈四方形或菱形，其中裂隙较发育的一组为主要裂隙组，裂隙较稀疏的一组为次要裂隙组。（5）由于光亮煤中的内生裂隙在相同煤化阶段煤中的数目较为稳定，因此常以光亮煤的内生裂隙作为煤的煤化程度的标准。有人根据煤的内生裂隙方向的规则性而认为煤的内生裂隙是在褶皱运动以前形成的。,2.煤的外生裂隙的特点一般认为煤的外生裂隙是在煤层形成以后，受构造应力的作用而产生的。特点（1）可以出现在煤层的任何部位，通常以光亮煤分层为最发育，并往往同时穿过几个煤岩分层。（2）常以不同的角度与煤层的层理面相交。（3）裂隙面上常有波状、羽毛状或光滑的滑动痕迹，有时还可见到次生矿物或破碎煤屑的充填。意义研究煤的外生裂隙有助于确定断层的方向，提高采煤率，判断是否会发生煤尘爆炸和瓦斯爆炸。,三、煤的密度,密度是反映物质性质和结构的重要参数，密度的大小取决于分子结构和分子排列的紧密程度。煤的密度随煤化程度的变化有一定的规律，利用密度数值还可以用统计法对煤进行结构解析。煤的密度是单位体积煤的质量，单位是㎏/m3或g/cm3。由于煤具有高度的不均一性，煤的体积在不同的情况下有不同的含义，因而煤的密度也有不同的定义。,（一）煤的密度的四种表示方法,1．煤的真密度（TRD）煤的真密度是指单位体积（不包括煤的所有孔隙）煤的质量，用符号TRD来表示。煤的真密度测定国家标准中用的是密度瓶法，以水作置换介质，根据阿基米德定律进行计算。该法的基本要点是在20C下，以十二烷基硫酸钠溶液为浸润剂，在一定容积的密度瓶中盛满水（加入少量浸润剂）放入一定质量的煤样，使煤样在密度瓶中润湿、沉降并排出吸附的气体，根据煤样的质量和它排出的水的质量计算煤的真密度。,计算公式如下TRD2-2式中TRD干燥煤的真密度g/cm3；md干燥煤样的质量，g；m1密度瓶加煤样、浸润剂和水的质量，g；m2密度瓶加浸润剂和水的质量,g。干燥煤样的质量md2-3式中m空气干燥煤样的质量，g；Mad空气干燥煤样的水分，；,,,在室温下真密度的计算TRD（2-4）式中KttC下温度校正系数；Kt（2-5）式中dt水在tC时真密度g/cm；d20水在20C时的真密度g/cm。,,,2．煤的视相对密度（ARD）,煤的视密度是指单位体积不包括煤粒间的空隙，但包括煤粒内的孔隙的质量，用符号ADR表示。测定煤的视密度的要点是，称取一定粒度的煤样，表面用蜡涂封后（防止水渗入煤样的空隙）放入密度瓶中，以十二烷基硫酸钠溶液为浸润剂测出蜡煤粒所排开同体积水的溶液的质量，再计算出蜡煤粒的体积，减去蜡的体积后求出煤的视密度。在计算煤的埋藏量时和对储煤仓的设计以及在煤的运输、磨碎、燃烧等过程的有关计算都需要用煤的视密度这项指标。,3．煤的堆密度（散密度）是指单位体积（包括煤粒间的空隙也包括煤粒内的孔隙）煤的质量，即单位体积散装煤的质量，又叫煤的散密度。在设计煤仓、计算焦炉装煤量和火车、汽车、轮船装载量时要用这个指标。4．纯煤真密度是指除去矿物质和水分后煤中有机质的真密度，它在高变质煤中可作为煤分类的一项参数，在国外已经有用来作为划分无烟煤类的依据。,（二）影响煤的密度的因素,1.煤的成因类型的影响不同成因类型的煤，其密度是不同的。腐植煤的真密度大于腐泥煤的真密度。如腐植煤的真密度最小的为1.25g/cm3,而腐泥煤的真密度为1.00g/cm3。这主要是由于成煤的原始物质不同及煤有机质的分子结构不同引起的。2.煤化程度的影响随着煤化程度的增高,煤的真密度逐渐增大。煤化程度较低时真密度增加较慢，当接近无烟煤时,真密度增加很快。各类型煤的真密度范围大致如下泥炭0.72g/cm3褐煤0.81.4g/cm3烟煤1.21.5g/cm3无烟煤1.41.8g/cm3,3.煤岩成分的影响对于同一煤化程度的煤,煤岩成分不同其真密度也不同。在同一煤化程度的四种宏观煤岩成分中,以丝炭的真密度最大,暗煤次之,亮煤和镜煤最小。4．矿物质的影响煤中矿物质对煤的密度影响很大,因为矿物质的密度比煤中的有机质的密度大得多。例如,常见的黏土密度为2.42.6g/cm3,石英为2.65g/cm3,黄铁矿为5.0g/cm3。所以,煤中矿物质含量越多，煤的密度越大。一般认为，煤的灰分产率每增加1，煤的真密度要增加0.01。,四、煤的机械性质,定义是指煤在机械力作用下所表现出的各种特性。（一）煤的硬度煤的硬度是指煤抵抗外来机械作用的能力。根据测定原理和方法不同可分为划痕硬度、压痕硬度和耐磨硬度。1、煤的划痕硬度（又称莫氏硬度）它是用一套标准矿物刻划煤来判定煤的相对硬度。标准矿物的莫氏硬度见表2-13。,表2-13标准矿物的莫氏硬度,2．煤的显微硬度（即压痕硬度）指煤对坚硬物体压入的对抗能力。它是用规定形状的金刚石压锥在20g静载荷下压入煤样并持续15s，然后撤去荷重，在显微镜下放大487倍观测压痕大小后求出的显微硬度。以压锥与煤实际接触的单位面积上的荷重来表示（kg/mm）。还可用来直接测定不同显微组分的硬度。本方法测定煤的显微硬度常在煤化学研究中应用。煤炭部煤炭研究院煤化所曾对我国主要煤矿采样测定显微硬度，发现它与煤化程度之间的关系是靠背椅式的变化规律。如图2-3显微硬度和煤化程度的关系,煤化程度低的褐煤由于富含塑性高的腐植酸和沥青质（含量达50），结构疏松，因此硬度较低；随着煤化程度的加深，使分子间结合力得到加强，硬度逐渐加大，到高变质程度的烟煤时，又因氧含量不断减少，主要是煤化学分子结构中氧键（O）减少，使分子间结合力减弱，硬度又有所下降；无烟煤具有高度缩合芳香结构，碳网及其排列的整齐程度剧增，因此硬度几乎是直线升高。,（二）煤的可磨性（HGI）,1、煤的可磨性指数测定方法煤的可磨性是指煤被磨碎成粉的难易程度。这是一个与标准煤比较而得出的相对指标。可磨性指数越大，煤越易被粉碎，反之则较难粉碎。煤的可磨性指数的测定方法很多，但其原理都是根据破碎定律建立的，即在研磨煤粉时所消耗的功与煤所产生的新表面积成正比。哈特格罗夫法是采用美国某矿区易磨碎的烟煤作为标准，其可磨性作为100。测定时，称取粒度为0.63～1.25mm的空气干燥基煤样500.01g，在规定条件下，经过一定破碎功的研磨，用筛分方法测定新增的表面积，由此算出煤的可磨性指数值。,计算公式如下HGI13﹢6.93m（2-6）式中HGI煤样的哈氏可磨性指数；m通过0.071mm筛孔（200目）的试样质量，g。从上式中可知，HGI值越大，煤样越易被粉碎。,哈氏可磨性指数还可采用标准曲线法求得。其方法是采用4个一组已知可磨性指数的标准煤样，将煤样经哈氏可磨性测定仪研磨，然后绘制出可磨性指数与通过0.071mm筛孔的筛下物平均重量之间的标准关系曲线，按规定测出空气干燥煤样的0.071mm筛下物重量，从而从标准关系曲线图中查出煤的可磨性指数。,2．可磨性指数和煤化程度的关系随着煤化程度增高，煤的可磨性指数呈抛物线变化（见图２-４），在碳含量90处出现最大值。,（三）煤的抗碎强度,煤的抗碎强度是指一定粒度的煤样自由落下后破碎的能力。煤在运输装卸过程中，由于煤块的碰撞常使原来的大块破裂成小块甚至产生一些煤粉，这对需要使用块煤的用户很不利。因此，使用块煤的用户对煤的抗碎强度有一定的要求。1.抗碎强度的测定原理取一定粒度、一定质量（或一定块数）的煤块，将其从规定的高度落下，然后用筛孔为25mm的筛子筛分，称出大于25mm的筛上质量。按下式计算煤的抗碎强度抗碎强度SSm1/m100（2-7）式中m煤样质量，g；m1试验后大于25mm的筛上物质量，g。,2.抗碎强度与煤质的关系煤的抗碎强度与煤化程度、煤岩成分、矿物含量以及风化、氧化等因素有关。煤的抗碎强度随煤化程度的变化规律如图2-５所示（P45）。由图可见，中等煤化程度的煤抗碎强度较低。在不同的煤岩成分中，暗煤的抗碎强度最高，镜煤次之，丝炭最低；矿物含量较高时抗碎强度较高；煤受到风化和氧化后抗碎强度降低。,五、煤的热性质,（一）煤的比热容在一定温度范围内，单位质量的煤，温度升高1℃所需要的热量，称为煤的比热容，也叫煤的热容量。单位为kJ/㎏℃或J/g℃。煤的比热容与煤化程度、水分、灰分和温度的变化等因素有关。比热容一般随煤化程度的加深而减少；随着水分升高而增大；随着灰分的增加而减少。煤的比热容随温度的升高，而呈抛物线型变化，当温度低于350℃时，煤的比热容随着温度的升高而增大；如温度超过350℃，煤的比热容反而随着温度的增高有所下降，当温度增加到1000℃时，则比热容降至与石墨的比热容相接近。,（二）煤的导热性,煤的导热性包括导热系数λ[kJ/m.h.℃]和导温系数α（m/h）两个基本常数，它们之间的关系可用下式表示（2-8）式中C煤的比热容，kJ/kg℃;ρ煤的密度，kg/m。物质的导热系数应理解为热量在物体中直接传导的速度。而物质的导温系数是不稳定导热的一个特征的物理量，它代表物体所具有的温度变化（加热或冷却）的能力。α值愈大，温度随时间和距离的变化愈快。λ可表示煤的散热能力，C表示单位体积物体温度变化1℃时吸收或放出的热量，即物体的储热能力，所以导温系数α为物体散热和蓄热能力之比，是物体在温度变化时显示出的物理量。,,,,,煤的导热系数随着温度的升高而增大。λ0.003＋＋（2-9）式中α，β特定常数（对强黏结性煤αβ0.0016;对弱黏结性煤α0.0013,β0.0010）。煤的导温系数有与煤的导热系数相似的影响因素，也因水分的增加而提高。对中等煤化程度的烟煤，煤的导温系数可用下列经验公式计算温度20～400℃时，α4.410-4[10.0003t-20]m/h（2-10）温度＞400℃时，α5.010-4[10.0033t-400]m/h（2-11）一般块煤或型煤、煤饼的导热系数比同种煤的末煤和粉煤大。,,,（三）煤的热稳定性,指块煤在高温下，燃烧和气化过程中对热的稳定程度，即块煤在高温下保持原来粒度的性能。通常热稳定性是在850℃下加热煤样，筛取大于6mm煤粒的量来量度，以TS6表示之。显然TS6的值愈大，表示煤的热稳定性愈好。一般褐煤和变质程度深的无烟煤的热稳定性差。煤的热稳定性和成煤过程中的地质条件、煤中矿物质的组成及其化学成分有关。例如含碳酸盐类矿物多的煤，受热后析出大量二氧化碳而使煤块破裂。孔隙度较大、含水分较多的煤，由于骤裂升温而使其水分突然析出，也会使块煤破裂而降低煤的热稳定性。,六、煤的电性质与磁性质,一煤的导电性传导电流的能力1．电阻率是一个仅与材料的性质、形状和大小有关的物理量，在数值上等于电流沿长度为1cm，截面积为1cm的圆柱形材料轴线方向通过时的电阻。2．电导率等于电阻率的倒数。煤是一种导体和半导体，依据导电性质不同分类。电子导电性依靠组成煤的基本物质成分中的自由电子导电，如无烟煤。离子导电性依靠煤的孔隙中水溶液的离子导电，如褐煤。煤的电导率随着煤化程度的加深而增加，煤的含碳量达到87以后，电导率急剧增加。,二煤的介电常数,煤的介电常数，是指当煤介于电容器两板间的蓄电量和两板间为真空时的蓄电量之比。（2-12）式中C0真空时的电容量；C加入煤后的电容量。水分对介电常数的影响极大，测定煤的介电常数时必须采用十分干燥的煤样。煤的介电常数随煤化程度的增加而减少，在含碳87处出现极小值，然后又急剧增大。,,,三煤的磁性质,1．煤的抗磁性将物质放于磁场强度为H的磁场中，则其磁感应强度为BHH′，H′为物质磁化产生的附加磁场强度。如H′和H方向相同，则该物质具有顺磁性；若方向相反，则具有抗磁性。煤的有机质具有抗磁性。2．磁化率是指磁化强度M（抗磁性物质是附加磁场强度）和外磁场强度H之比，用K表示。顺磁物质，则M和H方向相同，K＞0；而抗磁性物质，则为方向相反，K＜0。磁化率一般采用古埃磁力天平测定。,,,３．比磁化率化学上常用比磁化率x，表示物质磁性的大小。比磁化率是在104T磁场下，1g物质所呈现的磁化率（即单位质量的磁化率）。煤大部分具有抗磁性。无烟煤的磁性质显示出各向异性。煤的比磁化率随着煤化程度加深呈直线的增加，在含碳量79～91阶段，直线的斜率减小。煤的比磁化率在烟煤阶段增加最慢，而在无烟煤阶段增加最快，在褐煤阶段增加速度居中。利用比磁化率可计算煤的结构参数。,七、煤的光学性质,（一）煤的反射率1、反射率在反射光下，显微组分表面的反射光强度与入射光强度的百分比，以R表示。确定变质程度的标准以镜质组的反射率原因镜质组反射率的变化幅度大，规律明显，而且大多数煤层的显微组成都以镜质组为主。惰质组的反射率在变质过程中变化幅度很小，壳质组的反射率变化虽然大，但在高变质煤中已很少见，都不宜作为鉴定标准。在确定煤的变质程度（煤阶）时，以用油浸物镜测得的镜质组的平均随机反射率Rran作为主要鉴定指标。反射率测定采用光电效应原理。反射率测试装置光电倍增管显微光度计,（二）煤的荧光性荧光是一种有机物和矿物的发光现象，它是用蓝光、紫外光、X射线或阴极射线激发而产生的。利用荧光显微镜在20世纪初才开始，自20世纪70年代以来，随着可定量显微镜光度计的出现，使荧光光度方法在煤岩学方面得到广泛应用，它不仅可以直接用以鉴定显微组分，同时显微荧光光度参数可以用来确定煤级。煤的荧光性研究可使用光片、薄片和光薄片，可进行单色荧光强度测量、荧光变化测量、荧光光谱测量等。,,（三）煤的透光率1.煤的透光率的表示煤的透光率是指煤样和稀硝酸溶液，在100℃（沸腾）的温度下，加热90min后，所产生的有色溶液，对一定波长的光（475nm）透过的百分率。透光率能较好地区分低煤化程度的煤，是区分褐煤和长焰煤的指标。,2.煤的透光率测定方法将低变质程度煤与硝酸和磷酸的混合酸在规定条件下反应产生的有色溶液。根据溶液颜色深浅，以不同浓度的重铬酸钾硫酸溶液作为标准，用目视比色法测定煤样的透光率，以符号PM表示。混合酸是由1体积浓度65～68硝酸，1体积浓度不低于85的磷酸和9体积水混合配制而成的。其中的磷酸主要起隐蔽三价铁的干扰作用，呈黄色的硝酸不能用。,