第36卷第1期
2021年1月
煤 质 技 术
COAL QUALITY TECHNOLOGY
Vol. 36 No. 1
Jan. 2021
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王庆晖，王爱宽，邵培.山西沁水盆地寺河煤矿煤微晶结构及化学组成特征分析7].煤质技术，2021, 36
(1) ： 36-42.
WANG Qinyhul , WANG Aiduan , SHAO Pel. Analysis oh coal micmcrystadine structure and chemical composition
characteristics oh Side coal mine in Q insPul Basin, Shanxi Province 7]. Coal Quality Technoloyy, 2021, 36 ( 1)：
3-42.
山西沁水盆地寺河煤矿煤微晶结构及
化学组成特征分析
王庆晖52 ，王愛宽52 ，邵培8
（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2215； 0.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州22508；
3.商丘师范学院测绘与规划学院，河南商丘476002）
摘要：煤结构与煤的反应性、煤成烃特性及其他性质密切相关，掌握煤的组成结构是合理利用
煤的前提。在充分分析寺河煤矿煤煤岩煤质的基础上，利用X 射线衍射光谱技术（XRD ）和傅
里叶转换红外光谱技术（FT-IR ）对该煤矿煤的微晶结构以及化学组成特征进行深入分析。研究
结果表明：寺河煤矿3号煤层的2个典型煤样最大镜质体反射率分别为2.07%和2. 37% ，属于 低灰、特低硫、低挥发分的无烟煤；煤有机显微组分以镜质组和惰质组为主，其中镜质组含量达
到77%以上；无机显微组分中主要以黏土类和硫化物类矿物形式存在。2个煤样的XRD 测试结 果显示煤样层间距（必02）分别为3.496?和3.533?，堆砌度（L ））分别为19.521?和5. 610
，延展度（L a ）分别为22.273 ?和23.011?，芳香层数分别为5.584和和5.551，显示煤中芳
环堆叠度和延展度高，微晶结构较好；FT-IR 测试结果显示煤样的红外光谱参数n 分别为0. 37
和 m, n 分别为0.32和0.82，厶分别为0.32和0.1，表明煤中芳香环化程度很高，煤样已
达到高变质阶段。
关键词：微晶结构；化学组成特征；X 射线衍射；傅里叶红外光谱；最大镜质体反射率；有机显
微组分；寺河煤矿；堆砌度；延展度
中图分类号：TQ533.6； P616 11文献标志码：A 文章编号：507-7777 （ 2021） 01-036-07
Analysis oi coal micrecrystalline structure and chemical composition charncteristics oi SiOe cod mine O Qinshui Basin , Shanxc Province
WANG Qinqhuj 1^2, WANGAikuad 22, SHAO Pei 6
（1. College f Resources and Geosdenae , Chinn University of Mining & Technfogy , Xuzhoa 2215, China ；2. Key Laboratop a CBM Res o ur c ss & Regpoic Forpaboa ppcest a Ministry a Educaboa , Xuzhoa 22507 , China ；3. Collegc a Surveying , DeyaPmeai a Suceying and Planning , Shangqin NogTlni Univegito , Shangqin 477002 , China ）
AbstrecO : Thv stmcture of coal is cOsly related te thv reactivity , hypmcar-oo yiiU/o and othvr propeVivs of
coal. Thv premisv of ratioual uti —zatiou of coal is to master thv composi-oo and shmeture of coo — On thv basis of
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fulO ana —zinq thv coal quality of Sidv coal m —v , thv micmcryst/dnv structure and chemical composition characte —s-
tics of Sidv coal minx were analyzed by X-cay diffractiou （ XRD ） and Fou —vr /as/rm mfrared spitmscopy （FT-
收稿日期：2022-11-11
责任编辑：傅 丛 DOI ： 5. 3969/j. ima. 507-7677. 2001.01.005
基金项目：江苏省自然科学基金面上资助项目（BK205145）
作者简介：王庆晖（597—），女，河南濮阳人，硕士，主要研究方向为能源地球化学。E-mail ： wanoqinoUum75@103. com 通讯作者：王爱宽（571 — ），女，江苏徐州人，副教授，主要研究方向为能源地球化学。E-mail ： waPel97119@193.
20m
第1期王庆晖等：山西沁水盆地寺河煤矿煤微晶结构及化学组成特征分析37
IR).Thv results show that thv maximum vitbnitv rehectacco of tuv typical coal samp—s iu SiPv Coal Micv Nv.3coal am is0.44%an-0.87%respective—,which be—ngs to anthracitv with—w ash,ultra-—w su I/p an-—w vola-tilv.Thv oraanjc macerals are main—vitbnitv anC icertinim,of which vitbnitv context is more thac77%;icoraanjc macerals are main—iu thv form of c—y anC sul/Pv micerals.XRD results of tuo coal samp—s show that thv0/1]3/-nar Uistacco(^血)is3.449?anC3.533?,thv staching height(厶J is19.522?anU19.619?,thv—7^Ui-dmhc(£y)is22.273?anC03.012?,anC thv numbers of aroma—c layg is5.d.anC5.552respective—.Thv results above show that thv coal samp—s have high Ueprev of aroma—c Cna staching anC Uuctilita,anC have goop mu-crocmstal/cv stmcture；FT-IR test results show that thv infrared spectcm parameters7/，厶anC厶of coal samples are0.8anU2.7,0.30anf0.80,0.32anf0.4respective—,inCicating that thv Ueprev of aromatuc cyclization of coal is vv/high,anf thv coal samp—s have reached a high Ueprev of memmorphism.
Keywords：microcmWal/cv stmcturv；chemical composition characteCstics;X-cy cUPmctioc;FocCvr transW^mn infrared spectmscopy;maximum vitbnitv rehectacco;oraanjc maceral:SiPv coal micv；staching height;—7^Uiametvr
0引言
煤的大分子结构十分复杂，主要由基本结构单元及其边缘基团构成，因具有不均匀性、非晶态特性和不溶性的特征使其不同于一般的高分子化合物或聚合物。此前由于煤本身的复杂性和研究测试技术的局限性，对煤微晶结构和化学组成的研究缺乏系统性。近几年来，随着现代测试技术水平的飞速发展，煤的微晶结构和化学组成得到了广泛而精细的研究，其中就包括x射线衍射光谱技术（XRD）和傅里叶转换红外光谱技术（FT-IR）。翁成敏等提出煤的大分子结构是2种由非晶体向晶体过渡的微晶结构并给出了相关参数的计算公式L2，国内许多学者随后开始采用XRD实验方法研究煤的微晶结构。宋党育等应用XRD衍射仪研究首次发现在20角为6。左右的低散射区域还存在新的宽泛衍射峰，表明煤的微晶结构中存在大小为0.7nm左右的晶面间距⑶。苏现波等通过XRD揭示煤的类石墨微晶结构的变化是引起煤化作用跃变的主因，即煤化作用跃变反映了煤的分子结构的突变⑷。周贺等利用
XRD实验方法发现构造变形作用使煤微晶结构参数演变过程发生了变化⑸。张琢等针对焦炭XRD图谱
中衍射峰峰型产生不对称、宽化和峰位角偏移的情况，通过对不同热处理温度焦炭的XRD分析计算其微晶结构参数，修正了基于（002）晶面间距计算焦炭有序度公式中Umax的数值，提出2种基于（322）衍射峰半高宽计算的焦炭微晶有序度的方法以表征焦炭的反应性指数⑷。傅里叶转换红外光谱技术（FT-IR）作为研究煤结构参数的有效技术之一，是目前2种重要的结构表征方法。朱学栋等对我国煤化程度有显著差异的13种煤的红外光谱进行研究，发现羧基、羟基和其它含氧官能团的氧含量均随煤化程度的增加而减少，煤中官能团的氧含量是煤化程度的量度⑺。inao a等使用FT-IR方法对不
同变质程度煤进行研究，并对各峰进行了详细归属⑻。LU Wu等通过FT-IR实验并结合峰分离方法，研究不同煤种煤中镜质体的结构特征，发现镜质体结构具有短脂肪链的特征⑼。李霞等发现煤化学结构主要由芳香结构、脂族结构和含氧官能团组成，煤的结构演化分为镜质体反射率小于2.8%、2.8%~2.3%和2.3%~2.0%该3个阶段口2。
以下以山西寺河煤矿高煤级煤为研究对象，在充分分析其基本煤质特征的基础上，通过XRD分析煤样微晶结构参数，同时通过FT-IR方法分析煤的红外光谱特征，以期深刻了解山西沁水盆地寺河煤矿煤微晶结构及化学组成特征，为该煤矿煤的勘探开发和高效清洁利用提供依据。
1研究区地质背景
寺河煤矿位于沁水复式向斜盆地的南端、东翼，处于晋-获褶断带、盆地南缘EW-NE向断裂带及阳城西洪洪-晋城石盘东西向断裂带之间。区域总体构造形态为倾向NW-NWW的单斜构造，煤层倾角一般为5°~16。左右。在此基础上发育的构造形迹是与沁水大型复式向斜走向一致的NNE 向宽缓褶皱，岩（煤）层呈波状起伏，伴有落差较小、规模不大的高角度正断层及低角度逆断层。褶皱形态宽缓，两翼对称，走向基本为SN向或北 偏东方向，如图2所示。矿区主要向斜有54号、老母掌、潘河、霍家山、常店向斜、磨掌、刘家腰向斜，背斜有53号、郑村、小西洼、马山、马庄等。寺河煤矿内的断裂以NE向、NNE向和NEE 向的高角度正断层为主，大部分断距和延伸长度较小，断裂不太发育。
33
煤质 技 术2021年第36卷
图1寺河煤矿构造纲要图：11]
Fig. 1 Stmctumt outline of Side coot mine
亠厂■■逆断层—正断层—背斜
河流
—|—向斜
一一煤矿边界
寺河煤矿地层由老到新依次为：下古生界中奥
陶统的马家沟组（。2矶）、峰峰组（O#）；上古生
界上石炭统的本溪组（Czb ）（上述地层未见出
露）、上石炭统太原组-下二叠统太原组（C2^-
P 1）、下二叠统山西组-中二叠统山西组（P 1-
卩20）、中二叠统下石盒子组（P.”）、中-上二叠
统上石盒子组（卩2$ - P34）、上二叠统石千峰
组（P 30/l ）和第四系（Q ）。其中，太原组、山西 组零星出露于东部边缘，石千峰组零星出露于西
部，第四系主要分布于山坡、山梁、河谷及其阶地 上。发育石炭-二叠纪含煤地层，主要为山西组和 太原组，平均厚度超过14 m ，含煤15层，煤层
总厚度1.67 m ，含煤系数1.8%。其中3号和15
号煤层厚度大，厚度稳定，煤层的总体结构简单。 受区域构造的影响，总体上呈现由SE-NW 埋深逐
渐变深的趋势，煤层倾角2。〜11。，一般为5。。
2样品采集与实验分析
在寺河煤矿3号煤层取得煤岩样品2件，煤样
编号分别为SH1和SH2。按国家标准GB/T 21—
2008、GB/T 476—2008、GB/T 214—2047、GB/T 215—2043、GB/T 1574—2047 和 GB/T 6948—2008
依次对煤样进行工业分析、元素分析、形态硫、灰
成分分析以及镜质体反射率测定；按GB/T 3399—
2013对煤样进行显微组分测定。
利用XRD 测试方法研究煤样中微晶结构特征,
使用的X 射线衍射仪为德国BRUKER D8 AD
VANCE ； X 射线管的电压为44 kV ，电流为
34 mA ；阳极靶为Cu 靶材料；K a 辐射（Cu Tau
gei , K a udO/on ）。测角仪半径为 25。mm ； Ni 滤
片滤除 Cu-K|3 射线（Ni filer for Cu-K|3 mdiation ）； 检测器为林克斯阵列探测器（LynxEye detector ）；
衍射角（29）为4。〜5。。煤样破碎研磨过44 ^m
筛，测试所用样品4.7 g o
利用FT-IR 实验方法分析煤样的化学组成特
征，使用的仪器为BRUKER VERTEX84v 红外光谱 仪。测试条件如下：①光谱范围：8 004 cm --
356 cm -（可扩展至 54 004 cm - - 5 cm -）；②分
辨率：4.46 cm -，连续可调，全波段实现超高分 辨率；③灵敏度：在达到全光谱线性准确度优于 4.7% T 条件下，峰-峰噪声值＜8. 6xl4-Abs ；信no strings attached
噪比优于55 004 : 1 （峰-峰值）；④线性度:
4. 47% T ；⑤光阑：f/d.7，通常光束直径44 mm ；
⑥干涉仪：高精度动态校准迈尔逊干涉仪。煤样破 碎研磨过74 ^m 筛，测试所用煤样2.4 g o
3结果与讨论
33煤岩煤质特征
3 3.1煤质分析
样品的煤质测试结果见表1, 2个煤样的工业
分析及元素分析大体一致。煤样中固定碳含量最
高，分别为78. 48%和84.84%；灰分次之，分别
为1. 05%和8.66%；煤样的水分和挥发分均较
少。煤样所含元素以碳元素为主，其含量均在
94%以上；其次为氧、氢、氮，其含量均低于
4%；全硫含量分别为4.31%和4. 55%，主要以有
机形态硫（含量为4.29%、4.49%）存在。煤样
的最大镜质体反射率分别为2.44%和2.87%，表
明煤样变质程度较高。根据煤炭质量分级标准，寺
河煤矿煤属于低灰、特低硫、低挥发分的典型42
号无烟煤。
表1寺河煤矿煤质测试结果
Table 1
Test resyUs of coal quality ic Sihe coal mine
%
煤样
A Pax -工业分析
元素分析
形态硫
Mpu Au %FCu O dpf C dpf H dpf N dpf S t ,h , h ,S y ,SH12544
1 112. 95 9. 84
78. 48 3.38 91 47 3.44 1 35 0.31
0402 0400 2. 22
SH0
0. 87 0. 11 8.06
7. 1 84.32
2.21
美国大选得票统计93.33
2.95
1 12
2.35 2.26
2.02 2.49
注：^Uax 为最大镜质体反射率，S p ,、S -,、S y ，分别为硫化铁硫、硫酸盐硫、有机硫。
第1期王庆晖等：山西沁水盆地寺河煤矿煤微晶结构及化学组成特征分析36
煤样的灰成分含量测试数据结果见表2。在煤 灰成分中，2件样品煤样的分析数据大体一 致。S —2和A —O 3含量占主要部分，SH1含量分别
为45. 62%和36. 09% , SH2含量分别为46. 46%和
36. 67% ；两者与煤样灰分成正相关关系，表明煤
灰分主要以硅酸铝盐形式存在，多为黏土矿物，可
能与泥炭化和成煤过程中母质有关；其次为
FyO 3、CaO ，两者含量稳定，SH1含量分别为
2. 33%和5. 04% , SH2含量分别为4. 22%和 1.58%。
灰分成分含量
表2寺河煤矿煤灰成分含量
Table 2 Conteni of coc I ash composition in SiOe coc I mine
%
煤样
K 2O Nv 2O SiO 2AOO 3Fe 2O 3CaO MyO SO 3TiO 2MnO 2
SH10. 77 1.3645. 62
36.69
2. 33 5.04
0. 64 2. 70 1.65
0. 022SH20. 77
1.46
46.0636. 67 4. 50. 46
0. 72
0. 98
0. 022
3・1・2煤岩显微组分组成寺河煤矿煤样显微组分的测定结果见表3。有 机显微组分中只检测出镜质组和惰质组，其中镜质
组含量均达到70%以上，惰质组含量远小于镜质
组，分别为20.2%和1.3%；惰质组由于其芳构
化与缩合程度比较高，含氧官能团及含氢官能团较
少，镜质组与之相比，其含氢量更高。镜质组中结 构镜质体和基质镜质体含量最咼，均达到20%以
上，结构镜质体的胞腔受挤压变形，部分中空部位
充填黏土矿物，其次为均质镜质组、碎屑镜质体和
团块镜质体；惰质组中丝质体占主要部分，含量分
别为1.3%和13.4%，其次为半丝质体，含量均 为3.9%，粗粒体、微粒体和碎屑惰质体的含量均
低于1%。无机显微组分中主要以黏土类和硫化物
类矿物形式存在，其中黏土矿物呈团块状、条带状 或充填胞腔，含量较高，分别为5. 1%和1.5%；
硫化物类矿物多为微粒状的黄铁矿，含量分别为
0. 5% 和 1.4%。
镜质组
惰质组
矿物
表3寺河煤矿煤样的显微组分测试结果
Table 3 Maceral test uso U s of coc I simple in SiOe cos I mine
%
煤样
T
C1C2C3VD 总计F Sf Ma Mi IT 总计黏土硫化物总计SH143.0 1.0
22.20.3 3.374.2 5. 6 3.00.30.30.320.2
8. 10.3 5.6
SH223.67.446. 0
0.0 1.3
77.2
mythos16.4
3.0
0.00.3
0.3
1. 3 1.3
1.0
2.5
注：T 为结构镜质体，C1为均质镜质体，C2为基质镜质体，C3为团块镜质体，VD 为碎屑镜质体，F 为丝质体，Sf 为半丝质体，Ma 为粗 粒体，Mi 为微粒体，IT 为碎屑惰质体。
3・2样品微晶结构特征
煤样XRD 测试数据经MDI Jade 处理后，制作
煤样XRD 谱图，如图2所示。
图2中2个煤样的XRD 谱图曲线走势基本一
致，表明煤样具有相似的微晶结构特征。XRD 谱
图中的002峰和51峰是反映煤中芳环堆叠和延展 程度的特征波峰，其尖锐程度反映芳香层的有序程
度；此外随着煤级的增高，002峰和51峰的峰位
逐渐向高角度方向偏移，其中002峰的高度相应增
加，峰形由宽而钝逐渐变得窄而锐。煤样SH1的
002峰和51峰的峰位分别在25. 46。和42. 22。，煤
上海外教网样SH2的002峰和51峰的峰位分别在25. 1。和
43.62°, 2个煤样的002峰和51峰的衍射角均较
高，且002峰的峰形较尖。无烟煤属于高变质程度
煤，XRD 谱图与前人研究结果一致71-3］。
再利用软件的分峰拟合功能对谱图中002峰和
44
煤 质 技 术2021年第36卷
121峰进行处理，利用前人研究的相应计算公
式⑴2，求出可以表征煤样微晶结构的有关参数,
计算结果见表4o 0个煤样的%2分别为3. 496?和
blurb3. 533A ，面网间距较小；堆砌度L c 分别为
4. 701
和4.64 A ；延展度L y 分别为22.273 A 和 03.211 A ；芳香层数分别为5.584和5.551。王丽
等〔4-6通过XRD 对不同变质程度煤进行分析,
发现随着煤变质程度的增加，有机质的碳原子的排 列逐渐趋向于定向且规则，微晶结构呈现规律性变
化，碳原子层之间的距离（〃002）不断缩小，而微 晶的尺寸不断扩大，煤的结构越来越接近于石墨的 结构。
Table 4 Calcalation relts of XRD strdcthrdt parcmeterc of caat in Sihe caot mine
表4寺河煤矿煤XRD 结构参数计算结果
0.025煤样 特征峰
衍射角/ (°) 〃002/? L C ? Lyg? N
002
SH1英语口语话题
2 1002
SH2
0125. 427
3. 496
4. 521 22. 273
5. 584
42. 2425. 47
3.533
19.010
23.011 5.551
43. 823
0.020
32样品化学组成特征
对FT-IN 测试得到的数据绘制煤样的红外光谱
图如图3所示，2种煤样的红外光谱图曲线走势基
本一致，各峰出现的峰位也基本相同。在波数小于 1 502 cm -时，SH1的各峰值明显大于SH2的各峰 值；在波数大于1 502 cm -时，各峰的吸光度相当。
0.020
0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500
波数/cm 1
图3寺河煤矿煤FT-IR 谱图
Fig. 3 FT-IR spectrum of coot in SiPe coot mine
在FT-IR 红外光谱中，由于煤中有些官能团
吸收峰常互相重叠，所以很难确定吸收峰位及其边
界，无法准确计算吸收峰的峰面积。因此此次研究
jarvis利用软件的分峰拟合方法对0个煤样的红外光谱曲
线分出重叠峰的位置，结果如图4所示，并据此计
算峰位和峰面积，结果见表 5。
红外光谱的结构参数能够分析评价煤的化学结
构性质，此前也有大量学者分析计算了煤的红外结 构参数口2-9。根据红外光谱中分峰处理结果，研
性能英文
究选用3个红外光谱参数（厶〜厶）来表征煤的红 外光谱特征妙21 ]:
7 =4（3 002 - 3 42 cm-2）/4（2 802 -3 002 cm-2）
0.010
0.005
0.0150 1 000 2 000 3 000 4 000
波数/cm -1
(a) SHI
波数/cm'1
(b) SH2
超
图4样品红外光谱图及分峰拟合
Fig. 4 Infrared spectre of samples anf fitting of peabs
forever啥意思其中，人3 12 ~3 42 cm -）表征所用芳烃C _H 的
伸缩振动，人2 802 ~3 22 cm -）表征所有脂肪烃的 —
H 伸缩振动。
因此，参数厶为煤中芳烃结构含量与脂肪烃 结构含量比值，表示煤中芳环的缩合程度和脂肪结
构的脱落程度
。
