煤炭化验指标有哪些？可磨

煤炭指标

全水是煤炭中含有的水分，（微机水分测定仪）。

灰分是煤炭燃烧后剩余的灰分，（灰分测定仪）。

挥发份是煤炭燃烧中可挥发成分，（马弗炉）。

固定碳是指煤炭除去水分、灰分和挥发分后的残留物，（工业分析仪、马弗炉）。

全硫是煤炭中所有硫元素含量（污染指标），（定硫仪）。

热值是煤炭的发热量，它是确定煤炭质量用途的重要指标。

第一个指标：

水分（M ）

煤中水分分为内在水分、外在水分、结晶水和分解水。煤中水分过大是不利于加工、运输等，燃烧时会影响热稳定性和热传导，炼焦时会降低焦产率和延长焦化周期。现在我们常报的水份指标有：1、全水份（Mt），是煤中所有内在水份和外在水份的总和，也常用Mar表示。通常规定在8%以下。2、空气干燥基水份(Mad)，指煤炭在空气干燥状态下所含的水份。也可以认为是内在水份，老的国家标准上有称之为“分析基水份”的。

煤中水分的赋存状态分为2大类。一类是与矿物质相结合的水，称为化合水或结晶水。如石膏（CaSO4。2H2O）和高岭土（Al2O3。2SiO2。2H2O）中的结晶水就是以化合形式与矿物质相结合。这部分水分通常要在2000C以上的温度下才能分解析出。如CaSO4。2H2O中的2个分子结晶水要在5000C以上才能完全脱除，在1700C时能脱除其中15份结晶水。工业分析中的水分则不包括这部分结晶水。另一类水分是以物理状态与煤的有机物质相联系。即水分以附着和吸附等形式存在于煤中，这部分水统称为游离水分。这些游离水分在105-1100C的温度下经过一定时间的蒸发即可全部脱除。游离水分的多少在一定程度上能表征煤炭的煤化程度深浅，也是决定媒质优劣的重要参数之一，当煤的内部毛细孔吸附的水分达到饱和状态时，其所含的水分称为煤的最高内在水分。煤内部毛细孔容积的大小，基本上能表征煤的煤化程度。尤其是低煤化度煤，毛细孔的内表面积很大，其最高内在水分含量也高。

煤的外在水分和内在水分合称为煤的全水分（Mt）。由于煤的外在水分随煤矿地质条件、大气的湿度等外界条件的改变而变化，所以煤炭的全水分含量也是经常发生变化的。

收到基水分就是指煤的全水分。包含内在水分和外在水分。如果说空气干燥机水分，只是包含内在水分，不包含外在水分。

第二个指标：

灰分A

灰分指煤在燃烧的后留下的残渣。不是煤中矿物质总和，而是这些矿物质在化学和分解后的残余物。灰分高，说明煤中可燃成份较低。发热量就低。同时在精煤炼焦中，灰分高低决定焦炭的灰分。能常的灰分指标有空气干燥基灰分（Aad）、干燥基灰分（Ad）等。也有用收到基灰分的（Aar）。

煤炭质量的基本指标之一。煤在彻底燃烧后所剩下的残渣称为灰分，灰分分外在灰分和内在灰分。外在灰分是来自顶底板和夹矸中的岩石碎块，它与采煤方法的合理与否有很大关系。外在灰分通过分选大部分能去掉。内在灰分是成煤的原始植物本身所含的无机物，内在灰分越高，煤的可选性越差。

灰分是有害物质。动力煤中灰分增加，发热量降低、排渣量增加，煤容易结渣；一般灰分每增加2%，发热量降低100kcz1/kg左右。冶炼精煤中灰分增加，高炉利用系数降低，焦炭强度下降，石灰石用量增加；灰分美增加1%，焦炭强度下降2%，高炉生产能力下降3%，石灰石用量增加4%。

第三指标：

挥发份全称为挥发份产率V

挥发份指煤中有机物和部分矿物质加热分解后的产物，不全是煤中固有成分，还有部分是热解产物，所以称挥发份产率。挥发份大小与煤的变质程度有关，煤炭变质量程度越高，挥发份产率就越低。在燃烧中，用来确定锅炉的型号；在炼焦中，用来确定配煤的比例；同时更是汽化和液化的重要指标。常使用的有空气干燥基挥发份（Vad）、干燥基挥发份（Vd）、干燥无灰基挥发份（Vdaf）和收到基挥发份（Var）。其中Vdaf是煤炭分类的重要指标之一。 它对燃烧和对锅炉工作有何影响。将煤加热到一定温度时，煤中的部分有机物和矿物质发生分解并逸出，逸出的气体（主要是H2,CmHn,CO,CO2等）产物称为煤的挥发分。挥发分是煤在高温下受热分解的产物，数量将随加热温度的高低和加热时间的长短而变化。通常所说的挥发分是指煤在特定条件下加热有机物及矿物质的气体产率。即经干燥的煤在隔绝空气下加热至10℃，恒温7分钟所析出的气体占干燥无灰基成分的质量百分数，称干燥无灰基挥发分Vdaf。挥发分是煤中氢、氧、氮、硫和一部分碳的气体产物，大部分是可燃气体。挥分含量高，煤易于着火，燃烧稳定。因此，挥发分是表征燃烧特性的重要指标，从而也对锅炉工作带来多方面的影响，如，需要根据挥发分大小考虑炉膛容积及形状；挥发分含量影响燃烧器的型式及配风方式的选用，影响磨煤机型式及制粉系统型式的选择。同时，挥发分也是煤进行分类的重要指标之一。煤样与空气隔绝，并在一定温度下加热一定时间，从煤中有机物分解出来的液体（呈蒸汽状态）和气体的总和称为挥发分。

煤的挥发分主要是由水分、碳氢的氧化物和碳氢化合物（以CH4为主）组成，但煤中物理吸附水（包括外在水和内在水）和矿物质二氧化碳不在挥发分之列。

第四个指标：

固定碳FC

煤中去掉水分、灰分、挥发分，剩下的就是固定碳。煤的固定碳与挥发分一样，也是表征煤的变质程度的一个指标，随变质程度的增高而增高。

煤经热解出挥发分之后，余下的是固定碳和灰分。不同煤种，固定碳含量不同。固定碳是参与气化反应的基本成分。在煤炭工业中，指挥发物逸出后所剩余的可烯碳质。在煤或焦炭中固定碳的含量用重量百分数表示，即由常样的重量中减去水分、挥发物和灰分的重量，或由于样的重量中减去挥发物和灰分的重量而得。固定碳的含量是煤的分类以及煤和焦炭等的质量指标之一。一般挥发物愈少，固定碳就愈多。实验室中将样品粉末约>1克置于有盖的标准坩埚中，在850℃下加热7分钟，逐出水分和挥发物后，由剩余的重量中减去灰分而得。在沥青工业中，指溶解于苯、甲苯或二硫化碳的成分。又称化合碳，以区别于不溶解的游离碳。

固定碳含量是指煤炭除去水分、灰分和挥发分后的残留物,它是确定煤炭质量用途的重要指标。固定碳是煤的发热量的重要来源，所以有的国家以固定碳作为煤发热量计算的主要参数。固定碳也是合成氨用煤的一个重要指标。

固定碳计算公式：(FC)ad=100-(Mad Aad Vad)当分析煤样中碳酸盐CO2含量为2-12%时：(FC)ad=100-(Mad-Aad Vad)-CO2,ad(煤)当分析煤样中碳酸盐CO2含量大于12%时：(FC)ad=100-(Mad Aad Vad)-[CO2,ad(煤)-CO2,ad(焦渣）]式中：（FC）ad——分析煤样的固定碳，%； Mad——分析煤样的水分，%； Aad——分析煤样的灰分，%； Vad——分析煤样的挥发分，%； CO2,ad（煤）——分析煤样中碳酸盐CO2含量，%； CO2,ad(焦渣)——焦渣中CO2占煤中的含量，%

第五个指标：

全硫St

硫是煤中的有害元素，包括有机硫、无机硫。1%以下才可用于燃料。部分地区要求在06和08以下，现在常说的环保煤、绿色能源均指硫份较低的煤。常用指标有：空气干燥基全硫(St,ad）、干燥基全硫(Std)及收到基全硫(St,ar)。

煤炭中硫的含量硫、磷、氟、氯和砷等是煤炭中的有害成分，其中以硫最为重要。煤炭燃烧时绝大部分的硫被氧化成二氧化硫（SO2），随烟气排放，污染大气，危害动、植物生长及人类健康，腐蚀金属设备；当含硫多的煤用于冶金炼焦时，还影响焦炭和钢铁的质量。“硫分”含量是评价煤质的重要指标之一。

第六指标：

发热量 Q

发热量是指煤炭燃烧放热时发出的能量，测定煤炭发热量的仪器设备-热量仪/热量计，煤炭发热量的单位为大卡。

煤炭运销中长用的煤炭发热量有：空气干燥基发热量、空气干燥基高位发热量和收到基低位发热量。

热量的单位为J〔焦(耳)〕。1J〔焦(耳)〕=1N·m(牛顿·米)=107erg(尔格)。我国过去惯用的热量单位为20℃卡，以下简称卡(cal)。1cal(20℃)=41816J。 发热量测定结果以kJ/g(千焦/克)或MJ/kg(兆焦/千克)表示。

弹筒发热量：在氧弹中，在有过剩的氧的情况下〔氧气初始压力26～30MPa(26～30atm)〕，燃烧单位质量的试样所产生的热量称为弹筒发热量。燃烧产物为二氧化碳、硫酸、硝酸、呈液态的水和固态的灰。

注：任何物质(包括煤)的燃烧热，随燃烧产物的最终温度而改变，温度越高，燃烧热越低。因此，一个严密的发热量定义，应对烧烧产物的温度有所规定。但在实际测定发热量时，由于具体条件的限制，把终点温度限定在一个特定的温度或一个很窄的范围内都是不现实的。温度每升高1K，煤和苯甲酸的燃烧热约降低04～13J/g。当按规定在相近的温度下标定热容量和测定发热量时，温度对燃烧热的影响可近于完全抵销，而无需加以考虑。

恒容高位发热量：煤在工业装置的实际燃烧中，硫只生成二氧化硫，氮则成为游离氮，这是同氧弹中的情况不同的。由弹筒发热量减掉稀硫酸生成热和二氧化硫生成热之差以及稀硝酸的生成热，得出的就是高位发热量。

1水份： 是煤中无用成分，同时还影响煤的发热量和可磨性。因此，无论是对炼焦用煤或对蒸汽用煤来讲，它都是一个重要的指标。对于用户来讲，具有实际意义的是应用基水份，既从洗煤厂运到工厂时的煤炭所含有的水份。关于煤的水份含量的极限，还没有统一的限制。水份的大小随当地条件和运输距离而定。对于外销煤炭，装船时允许的水份一般为6-8%。由于水份就炼焦煤来说是无效的，它还需热量使其蒸发，同时还会降低炼焦炉装煤容量，因此越低越好。某些新型炼焦炉在装煤前进行预热，虽然增高了费用，但能显著地提高生产率。另一方面，如果煤太干时。也会产生问题；尤其是在风大的地区，装卸时煤粉会污染环境。

2挥发分：可燃基挥发分几乎是世界各国用来进行煤炭分类的指标之一。一般认为挥发分低于14%的煤将不能炼焦，或只能炼出质量差的焦炭；如果太高，也不能炼焦。虽然没有固定的界限，但38%被认为是上限，也有把上限定到43%。通常认为15-31%的煤炭属于很好的炼焦煤；美国有一种炼焦炉要求最理想的挥发分是28-30%。由于符合理想的单个煤炭的数量有限，因此，不得不采用把几种不同的煤炭搀和起来，以炼成最理想的焦炭。

3固定碳： 是美国作煤炭分级的一个普通指标。由于固定碳是全部真正的碳，其含量的多少，对于焦炭是很重要的。适于炼焦的煤炭，固定碳限于69-78%。

4元素分析：随煤阶的增加，即煤化程度的加深，碳含量逐渐增加，氧含量逐渐减少。褐煤和较低品级的烟煤，氢含量稳定在大约5%左右；较高品级的烟煤和无烟煤氢含量降至3-4%。氢含量随煤阶的增加而减少，是与挥发分减少有关。烟煤的氮含量最高，大约是17%；较低煤阶和较高煤阶的氮含量要低一些。碳是煤中最重要的元素，完全是碳含量提高了焦炭的价值。但高氧煤则只能炼出质量较次的焦炭。

5硫分： 由于硫能进入焦炭而危害金属的质量，以及随煤炭燃烧时会进入大气，污染环境。因此，无论是冶金用煤，还是蒸汽用煤，都需要给以极大重视的一个指标。炼焦时，煤中的硫含量大约有80-85%进入焦炭，比灰分更有害于高炉。为了使硫不进入铁中，让其随炉渣排除，这样就会增加炉渣量，也就是需要消耗更多的焦炭，根据某些计算，焦炭中硫含量从10%增加到15%，要多消耗焦炭15%。

用作炼焦煤的硫分，其上限一般在10%。不过，某些硫分稍高的煤炭，如果是用来与低硫煤搀和炼焦时，其平均硫含量不超过1%的话，也是可用的。有文章指出，如果煤炭经洗选后不能把硫降到15%以下，就不适合于作为炼焦煤掺合使用。

至于蒸汽用煤的硫分，在国际煤炭市场上，主要视当地的环境保护法而定。如有的地区把它限制在1%。此外，有的用户还从锅炉的结污观点去关心煤中硫含量。

为了评价煤中的硫含量，有必要测定各形态硫。煤中硫的赋存形态主要有硫酸盐硫、硫化铁硫和有机硫。硫酸盐硫的正常数值应是很小的，一般不大于01%，超过时则很可能是煤已受了氧化。硫化物硫主要是黄铁矿和白铁矿，它们一般呈细粒状、结核状赋存。把煤经过破碎、研磨，再进行洗选，这部分硫有一半以上可以除去。有机硫是碳氢化合物结构中的一部分，只能用代价高昂的溶剂才能分离出去，一般只能随燃烧过程挥发。因此，在估计将来洗煤硫的可能含量时，可以用硫化物硫的一半加有机硫。然后经可选性试验，就会得到更准确的资料。

6磷：对于炼焦煤，磷是有害成分，弄清其含量是非常重要的。由于高炉炉料中所有的磷可以还原进入铁水。因此，铁水中的磷含量 取决于耗焦率、灰分和矿石。煤灰中磷含量通常是很低的。对于耗焦率为900磅、灰分为7%的焦炭，最大允许限度是焦炭灰分中的磷含量为009%，呈现在铁水中的磷含量是0073%，这是大多数钢铁厂多半会接受的平均水平。由于焦炭灰分大多高于7%，因此，对煤中磷含量最好安全极限应是005-006%。

7氯：对炼焦和蒸汽用煤都是有害元素(腐蚀管道和炉壁)。因此对各种煤中的氯含量测定值应予以重视。大多数煤中的氯含量是很低的，一般低于01%。虽然还没有一个上限，但对于任何氯含量较高的煤炭，应认为是可疑的。

8可磨性：一般来说，现代煤炭生产的最终产品的尺寸是很小的。这是由于：(1)煤炭利用方面，要求越来越多的粉煤。例如：产生蒸汽的锅炉，装煤时是以强大的压力把粉煤喷入燃炉内；冶金高炉喷吹煤粉；近年来开始发展的煤炭管道运输，要求把煤炭研磨成粉煤后，才能在管道中以煤浆送走。(2)通过研磨可以把与矿物杂质分离出一部分，然后经过洗选，降低灰分、硫分等有害杂质，以减少运输费用和提高煤炭的利用效率。(3)可以使不同的煤炭，例如采自同一矿井(矿区)的不同煤层的煤炭，经研磨和洗选后，按要求进行搀和，可以获得不同级别的煤炭产品，供不同目的的用户使用，以达到煤炭最佳的利用效果。

在设计和改进制粉系统、估计磨煤机的产量和耗电率时，都需用到煤的可磨性。因此，煤的可磨性是评价煤炭工艺性能的重要的控制性参数之一。

美国测定煤的可磨性采用哈德葛罗夫法。它是以一种易磨碎的烟煤为标准，把它的可磨性定为100，以此作为标准，来对其它被测定的煤样的相对可磨性或破碎的难易程度。

可磨性指数越大，表明该煤软，越容易被破碎。一般要求哈德葛罗夫可磨性指数大于50。一般情况下，大多数烟煤的可磨性指数最大，褐煤和无烟煤较小。

煤的水份含量和杂质可以影响可磨性指数。

由于煤炭—特别是煤阶较低的次烟煤和褐煤—受内在水份的影响，因此在报告可磨性指数时要报告水份含量。未经干燥的高水份煤炭，会引起研磨时的困难；烘干的煤对于研磨当然是理想的，但这难免要增加费用。

各煤层以及采自同一煤层的不同样品，可磨性指数会有很大的变化，这是由于一般存在于煤中的杂质引起的。

哈德葛罗夫可磨性指数是在理想的煤炭破碎和煤粒分级的假设条件下进行的，它仅仅代表了那些取了煤样或粒级样品的测定结果。煤炭是非均质体，是以显著的易变性为其特征。这样一旦判断错了，对将来的生产必然会引起严重影响。虽然存在这个问题，但在不久的将来，还没有切实可行的方法来替代。

9筛分试验：是洗煤厂设计所需考虑的问题，在焦炭生产中也是很重要的。因此，不仅要求在生产煤矿、采样工程中采取煤层大样进行试验，还要求用6英寸或8英寸直径的钻孔中取样进行这种试验。

大多数炼焦煤用户愿意接到小于35-50毫米的煤炭。有些购煤合同把小于05毫米物料的数量限制在20-25%。进入炼焦炉的粒级，一般在进炉前，把煤破碎到通过33毫米(1/8英寸)的煤级达90%。

10煤的可选性： 经过筛分后的各粒级煤样，再进行浮沉试验，以了解煤的可洗性。为洗煤厂设计提供选煤方法、工艺流程和选用设备等方面的技术数据。

煤炭经过洗选，除了在前面“可磨性”一项中已叙述的可以降低有害组分、减少运输量、提高热能利用之外，还可以：(1)从其它被认为是蒸汽用煤或非炼焦用煤中，获得一些炼焦煤。在国际煤炭市场，炼焦煤的价格比非炼焦煤要高的多。同时还可以充分发挥煤炭资源的潜力，尤其对缺乏炼焦煤资源的地区，更具有实际意义。因此，对于接近炼焦煤的非炼焦煤煤种，有必要进行自由膨胀序数、基氏塑性计等结焦性试验。(2)由于对各比重级的灰分、硫分、发热量进行了测定，如果再配以结焦性试验和煤岩分析资料，就有可能计算出两种或多种煤炭搀和后所能炼出最理想焦炭的最佳百分比。(3)对于多煤层的矿井(或矿区)，根据洗选资料可以计算出：进行怎样的搀和，才能使各类煤炭的强弱性达到平衡。以满足市场需要，并获得最大的经济效益。(4)可以供应或销售多种煤炭产品。特别是可以计算出优质产品所占的百分比。此外，目前采用较大马力的设备，这些设备具有切割所碰到的任何物料的能力。它所切割下来的物料，既是较小尺寸的产物，又混杂有非可燃的物料。这样也就增加了洗选的必要性。

11灰分及煤灰性质：煤中的灰分是有害成分。主要的害处就是增加了运输量和炉渣量。为了减轻运输量，现在国际上一般都是经过洗选后才运出。

煤灰性质是指煤灰成分、煤灰熔融温度和煤灰粘度。煤灰成分是以化学分析方法了解其化学性质，煤灰的熔融温度和煤灰粘度是测定煤灰的物理性质，煤灰的化学成分又影响着煤灰的物理性质。

美国在使用煤炭产生蒸汽方面，特别注意通过释放更多热量的方法来提高热效率的利用。这样就产生了极为严重的结渣和结污方面的问题，并导致了对煤炭性质的较为详细的研究。

煤灰在炉中燃烧时的状况，对于蒸汽锅炉的设计、选型、效率和决定技术参数方面有着非常重要的关系。实用的锅炉是使用特地的煤炭设计的，也就是说，煤炭的物理性质和化学性质要附和特地的范围。这样锅炉制造厂就能根据煤灰特性来改进锅炉的设计。这样，在签订购销合同时，煤灰特性是合同的内容之一。同时，这种合同期限一般是30年左右，以保证设备的服务年限，然后再挑选新的设备和煤源。

煤灰在炉中的燃烧状态，取决于化学组分。根据煤灰的化学成分可以计算出结渣指数(slagging index)和结污指数

邓 泽 孙粉锦 李贵中 陈振宏 庚 勐 杨 泳 曾良君 刘 萍

( 中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007)

摘 要: 低阶煤岩在空气中暴露时间过长致使有机质和矿物质氧化和过干燥，造成含气性与吸附能力偏离真实值，影响地质评价和煤层气资源计算。为定量研究氧化和过干燥现象对低煤阶煤岩含气性及吸附特征的影响，择取了 4 块吐哈盆地某井低阶新鲜煤岩样品，分别在空气中暴露 1 天、7 天、15 天和30 天后进行测试。分析认为: ( 1) 低阶煤样干燥时间越长，水分损失越大，平衡水分含量无法恢复至初始状态，导致原位基含气量和原位基密度计算结果偏大，资源量被高估; ( 2) 过干燥和氧化作用导致煤岩原有孔隙结构重新分布，中孔、大孔比例相对变大，降低了煤岩吸附能力，但同时水分的减少又增强了煤岩吸附能力，二者综合效应使得煤岩吸附能力总体偏大，导致吸附饱和度与降压解吸前景被低估。据此提出两点建议: ( 1) 对于低煤阶勘探的取心和测试的每一个过程，应建立严格的样品处理、制备和储存规范，坚决防止煤岩氧化和过干燥; ( 2) 进行低煤阶地质评价和煤层气资源计算时应全面了解煤岩测试的全过程，辨别数据真伪与可靠性，慎重取值。

关键词: 低煤阶煤岩测试 氧化和过干燥 地质评价 煤层气资源计算

基金项目: 国家科技重大专项课题 33 《煤层气富集规律研究及有利区块预测评价》 ( 项目编号:2011ZX05033) 下属 05 课题 《中国煤层气有利区块评价与勘探部署建议》( 课题编号: 2011ZX05033 － 005) 。

作者简介: 邓泽，1982 年生，男，工程师，山西运城人，2008 年获得中国石油 ( 大学) 地质工程硕士学位，主要从事煤层气地质评价与实验研究工作。E-mail: dengze@ petrochina com cn Tel: ( 010) 69213353

Uncertainty on Low Rank Coal Test and Resource Assessment-Case Study from Tuha basin，China

DENG Ze SUN Fenjin LI Guizhong CHEN Zhenhong GENG Meng LIU Ping YANG Yong ZENG Liangjun LIU Ping

( Research Institue of Petroleum Exploration and Development，Langfang Branch，PetroChina，Lan fany HeBei，065007，China)

Abstract: Low rank coal is more sensitive to drying and oxidation，which may influence the accuracy of test result such as proximate，isotherm adsorption，surface area test and so on，causing dramatic misunderstanding of CBM resource To investigate the effect quantitatively，four low rank coal samples form Tuha Basin in China were air dried for 24 hours，7 days，15 days and 30 days respectively The results revealed that: ( a) it is impossible to re-equillibrate back to the initial value when the low rank coal when moisture loss exceed the minimum value ( equilibrium moisture) ，causing the increase of in-situ gas content，in-situ density，decrease of surface area of coal and uncertainty of proximate and ultimate anaysis ( b) resource would be overestimated for the longer time without protection procedure and desorption capacity would be underestimated because of higher adsorption capacity and lower saturation estimation These results remind to use strict coal protection procedure in low rank coal sam- pling，preparation，and conservation，and carefully select data in resource assesment

Keywords: Low rank; Drying; Oxidation; Resource Assesment

1 前言

目前我国的煤层气开发已经从试验阶段进入了小规模商业化生产阶段，但大部分勘探开发工作都集中在沁水盆地和鄂尔多斯东缘中高煤阶地区，低煤阶地区的勘探开发尚处于起步阶段。而低煤阶地区煤层厚度大、渗透性好、资源量大以及常规油气与煤层气共生的特点，加之美国粉河盆地、澳大利亚苏拉特盆地等国外低煤阶盆地成功的勘探开发经验，使得低煤阶煤层气发展前景更为广阔，有望成为我国煤层气下一步勘探开发重点［1～4］。正确认识低煤阶煤储层特征和煤层气资源是低煤阶取得突破的前提和基础。由于低煤阶煤岩热演化程度低、水分含量高、易氧化等特点，采用常规测试流程可能导致有机质和矿物质氧化和过干燥，造成含气性与吸附能力偏离真实值，影响地质评价和煤层气资源计算［5］。目前人们普遍意识到低煤阶煤岩测试的特殊性，但关于测试结果不确定性的研究却鲜有报道。因此，急需定量研究和评价氧化和过干燥作用对低煤阶煤岩含气性及吸附能力的影响，并以此为依据建立起严格的实验测试流程和规范，提高低煤阶煤岩测试准确性。

2 实验

21 实验方案

本次实验样品取自吐哈盆地沙尔湖地区某井的一个解吸样品，煤阶为褐煤(见表1)。待自然解吸完毕后，将该样缩分至5份，取其中1份作为参考样品(样品编号为CS3A－0h)，放置于实验室惰性气体干燥器中干燥，直到肉眼观测表面无自由水即可;其余4份分别在实验室环境进行空气干燥1天、7天、15天和30天(样品编号为CS3A－24h，CS3A－7d，CS3A－15d，CS3A－30d)，之后进行煤岩测试分析。通过对比测试结果，定量分析氧化和过干燥作用对含气量、密度、孔隙结构、发热量、吸附能力等关键参数的影响程度，为建立更加完善低煤阶煤岩测试流程和体系提供依据。

22 实验结果

(1)平衡水分Em(最高内在水分)

平衡水分Em(最高内在水分)是指在温度为30℃、相对湿度为96%的条件下，煤样与环境气氛达成平衡时所保持的内在水分，是将其他基准下的测试数据结果转化为原位基准(in－situ)的关键［6，7］。低煤阶煤岩孔隙度大、水分含量高以及水分的散失和再平衡的非可逆性，决定了平衡水分测试的敏感性与不稳定性。如图1，平衡水分Em与干燥时间呈负相关关系，与参考样品相比，随着空气干燥时间的持续，平衡水分Em测试结果逐渐低于理论值，变化率即实验测试误差为507%～1882%。

表 1 CS3A-0h 详细参数

ad: 空气干燥基; daf: 干燥无灰基; mmmf: 含水无矿物基; in － situ: 原位基。

图 1 氧化和过干燥作用对最高内在水分的影响

(2)含气量

含气量数据是煤层气测试的核心数据之一，煤层气含气量的确定是通过对钻井取芯、绳索取芯煤样或录井煤屑的测试获得，测试方法具体可分为直接法和间接法两大类。本次测试采用美国矿务局提出的USBM直接法。氧化和过干燥作用影响含气量的不确定性主要体现在水分蒸发以及饱和最高内在水分共同作用下的煤样质量变化。从图2可以看出，空气干燥时间越长，空气干燥基与原位基含气量越大。原位基含气量变化率为136%～503%，呈先快后慢的变化趋势，说明空气干燥初期含气量变化大、误差增长快，因此合理控制初期干燥时间可有效提高数据准确度。

(3)真视密度

据测定方法不同，密度可分为视密度和真密度两种表示方法。测定视密度时体积包括内部毛细孔和裂隙体积，真密度则相反。实际工作中，视密度应用广泛，如计算煤和煤层气储量时就必须用到该参数。利用公式(1)可将空气干燥基密度转换为原位基密度。如图3所示，

图2 氧化和过干燥作用对不同基准含气量的影响

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

其中:ρin－situ为原位基密度，g/cm3;ρad为空气干燥基密度，g/cm3;Mad为空气干燥基水分;Em为平衡水分。

从图3可以看出，空气干燥时间越长，由于水分的持续蒸发，空气干燥基视密度不断减小，相反原位基视密度却呈现不断增大的趋势，这主要是由空气干燥基水分与平衡水分Em的差值增大不断增大引起的。原位基视密度变化率为170%～423%，呈对数增长趋势。

图3 氧化和过干燥作用对密度的影响

(4)原位资源量

采用体积法计算原位资源量，公式如下:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

其中:GIP为原位资源量，108m3;A为面积，km2;h为煤层厚度，m; 为平均视密度，g/cm3; 为平均含气量，m3/t。

需要说明的是公式(2)的各参数应选择或换算为同一基准条件下的测试数据，如空气干燥基、干燥无灰基或原位基。为对比方便，本文均选择原位基数据参与计算。从图4可以看出，干燥氧化作用对低煤阶煤层气资源计算的影响较大，资源量变化率呈对数增长趋势。假设区块面积1000km2，煤层厚度20m，密度与含气量如上文，计算的资源量变化范围为31%～95%，其本质是密度和含气量不确定性的综合。

图4 氧化和过干燥作用对资源量的影响

(5)吸附特征

煤岩等温吸附线是评价吸附能力、吸附饱和度和临界解吸压力的基础，通常采用朗格谬尔模型表征，其主要影响因素包括煤质特征、显微组分、孔隙结构、温度、压力等。本文讨论的低煤阶煤岩过干燥和氧化作用主要是通过改变平衡水分含量和孔隙结构来影响煤岩吸附特征。图5所示，过干燥和氧化时间越长，吸附能力越大，变化率为12%～72%。与此对应的吸附饱和度减小，变化率为7%～22%;临界解吸压力降低，变化率为11%～22%。

图5 氧化和过干燥作用对吸附能力的影响

3 讨论

31 过干燥作用是影响低煤阶煤岩测试的主要因素，氧化作用次之

低煤阶煤岩在空气中暴露时间过长会发生氧化和过干燥作用，使得测试结果误差较大。其中过干燥作用是主要影响因素，氧化作用仅对元素分析结果有较大影响。低煤阶煤岩以中孔、大孔为主，大量的毛细孔能吸附和凝聚较高的水分，空气干燥时间越长，水分的蒸发越大，平衡水分测试值与理论值偏差越大，导致原位基含气量与密度测试结果均偏大，含气量计算结果过于乐观。

低煤阶煤岩易与空气中的氧发生反应，大量化学实验证实，煤与氧接触过程中，煤分子的非芳香结构首先被遭到破坏，非芳香结构主要有桥键和侧链，此外还有环烷烃和杂环类。根据有机化学理论对煤分子非芳香结构进行分析，得知环烷烃和杂环类化学性质稳定，不易在常温常压条件下与空气中的氧发生反应;侧链与桥键相比较，因桥键受到芳环和其他基团或结构的影响较大，一般情况下比侧链更易氧化。据此推测，氧化作用对低煤阶煤岩显微组分、发热量等参数影响较大，但关于氧化作用这一单因素的影响本次研究涉及不多，有待日后进一步深入研究。

32 平衡水分变化是影响其吸附能力的主要因素，孔隙结构次之

通常认为在不考虑其它因素的情况下，煤岩吸附能力与平衡水分含量成反比，与比表面积成正比。样品在干燥和氧化的过程中，孔隙中水分丢失和氧化反应的共同作用改变了煤岩孔隙结构与形态，使得比表面积不断降低，<10nm的微孔比例逐渐减小，平均孔径逐渐增大，孔体积则变化不大(表2和图6)。但二者综合，如图5a所示，煤岩吸附能力呈增大趋势，说明平衡水分的减小在此过程中起主导作用，孔隙结构的改变引起的比表面降低为次要因素。

表2 对比样品比表面测试结果

图6 氧化和过干燥作用对孔径分布的影响

4 结论

过干燥和氧化作用对低煤阶煤岩含气性及吸附能力影响较大，主要表现在:

(1)煤表面分子中非芳香结构的某些烷基侧链、桥键和含氧官能团容易与空气中的氧发生氧化放热，破坏了煤分子原生结构，使得煤岩煤质特征与孔隙特征发生变化。

(2)低阶煤样干燥时间越长，水分损失越大，导致原位基含气量和原位基密度计算结果偏大，资源量被高估。

(3)过干燥和氧化作用导致煤岩原有孔隙结构重新分布，中孔、大孔比例相对变大，降低了煤岩吸附能力，但同时水分的减少又增强了煤岩吸附能力，二者综合效应使得煤岩吸附能力总体偏大，导致吸附饱和度与降压解吸前景被低估。

为提高低煤阶煤岩测试准确性，建议:

(1)对于低煤阶勘探的取心和测试的每一个过程，应建立严格的样品处理、制备和储存规范，坚决防止煤岩氧化和过干燥。

(2)进行低煤阶地质评价和煤层气资源计算时应全面了解煤岩测试的全过程，辨别数据真伪与可靠性，慎重取值。

参考文献

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在煤堆上采取煤样是比较困难的。由于煤堆表层的煤受到氧化和风化，以及受空气中湿度的影响，致使煤堆内层煤的水分和氧化程度都与表层不同。放置时间长久的煤堆，在表层煤中也有增加外来矿物质的可能，从而使灰分产率增高。再由于受离析作用的影响，归堆时大块煤和矸石聚集在表层和堆底部，细碎的聚集在上层和堆中心，更加大了堆中的煤质不均匀性。另外，由于煤场堆中的煤总是边出库边入库，每次入库的煤，灰分都不尽相周。这就会造成堆垛中煤的灰分不一致性。那么怎么样保证被采取的煤样有足够的代表性呢？应该在采样点上，先除去01M 的表层煤，然后边挖边采。 一般的煤场储存场地都不很宽裕，接卸时不可能分矿、分级立垛保管。久面久之，煤堆中的煤质越发复杂了。欲使煤样尽量代表整个煤堆的总体面貌，就需要大面积的，均匀的确定苦干子样部位。确定子样部位的方法就是下面所要介绍的从煤堆上采取煤样的方法。 （一）采取方法 无论对形状规则或不规则的煤堆，在采取煤样时，都要选择一个面为采取面。从离堆底05M处开始划线。往上每隔1M划一条横线，从采取面的一侧向另一侧每隔1M划一条纵线，这样就会在整个采取面上形成若干横线和纵线的交点。就在这若干个交点中选择出子样的采取点。选择的方法是：凡奇数横线与奇数纵线的交点，偶数横线与偶数纵线的交点，均为子样采取点。 把选择出来的子样采取点连接起来看，好象是套叠着的若干个梅花花瓣。因此，把这样的采样方法叫做梅花采样法。 （二）采取量 挖坑深度为04M，煤堆表面的煤不宜采作子样。因为堆表面的煤在空气中经受了不同程度的氧化后，性质也逐渐变化。每个子样的质量不低于2KG。取样铲的使用角度与煤堆表面呈垂直状。遇到矸石、大块、黄铁矿时不可以随意舍弃。

一、煤级分析中的有关概念

煤的工业分类即煤的分类主要是依据煤级，而煤级划分的依据是煤质指标，特别是一些关键的煤质指标。一些煤质指标即煤化程度指标在前面已经做过介绍，本节将围绕煤的工业分类对一些煤级指标的获得做概略介绍(煤质学和煤化学已是独立的学科)。

“基”是表示化验结果是以什么状态下的煤样为基础而得出的，煤质分析中常用的“基”有空气干燥基、干燥基、收到基、干燥无灰基、干燥无矿物质基。在新旧标准中，“基”采用的符号不同(表7-1)。

表7-1 新旧标准中各种基采用的符号对照

空气干燥基是指以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准，表示符号为 ad(air dry ba-sis); 干燥基是指以假想无水状态的煤为基准，表示符号为 d(dry basis); 收到基是指以收到状态的煤为基准，表示符号为 ar(as received); 干燥无灰基是指以假想无水、无灰状态的煤为基准，表示符号为 daf(dry ash free); 干燥无矿物质基是指以假想无水、无矿物质状态的煤为基准，表示符号为 dmmf(dry mineral matter free)。

可以看出，新的 “基”是用英文名词的开头字母表示的，而旧 “基”是用汉语拼音的字头表示。

二、主要的煤化指标

煤化指标是通过煤的工业分析获得的。工业分析也叫技术分析或实用分析，包括煤中水分、灰分和挥发分的测定及固定碳的计算。煤的工业分析是了解煤质特性的主要指标，也是评价煤质的基本依据，根据工业分析的各项测定结果可初步判断煤的性质、种类和各种煤的加工利用效果及其工业用途。

煤化程度指标简称煤化指标，又称煤级指标。由于煤化作用是个复杂的过程，不同煤化阶段中各种指标变化的显著性各不相同，因此对于一定煤化阶段往往具有不同的煤化程度指标(表7-2)。

表7-2 常用煤级指标在不同煤级阶段的变化情况

注:①各指标测值的变化范围按煤级增加的方向排列;②规律性差。(据杨起等，1988)

有关煤的化学组成和煤的元素已在第六章中介绍，这里仅就煤质分析中的一些关键指标如水分、灰分、挥发分、镜质体反射率等做简略介绍。

1水分

水分是一项重要的煤质指标，它在煤的基础理论研究和加工利用中都具有重要的作用。

在现代煤炭加工利用中，有时水分高反是一件好事，如煤中水分可作为加氢液化和加氢气化的供氢体。在煤质分析中，煤的水分是进行不同基的煤质分析结果换算的基础数据。可以根据煤的水分含量来大致推断煤的变质程度。

2灰分

煤的灰分不是煤中的固有成分，而是煤在规定条件下完全燃烧后的残留物。它是煤中矿物质在一定条件下经一系列分解、化合等复杂反应而形成的，是煤中矿物质的衍生物。它在组成和质量上都不同于矿物质，但煤的灰分产率与矿物质含量间有一定的相关关系，可以用灰分来估算煤中矿物质含量。煤中矿物质来源有三，一是“原生矿物质”，即成煤植物中所含的无机元素;二是“次生矿物质”，即煤形成过程中混入或与煤伴生的矿物质，三是“外来矿物质”即煤炭开采和加工处理中混入的矿物质。煤中存在的矿物质主要包括黏土或页岩、方解石(碳酸钙)、黄铁矿或白铁矿以及其他微量成分，如无机硫酸盐、氯化物和氟化物等。

煤中灰分是另一项在煤质特性和利用研究中起重要作用的指标。在煤质研究中由于灰分与其他特性，如含碳量、发热量、结渣性、活性及可磨性等有程度不同的依赖关系，因此可以通过它来研究上述特性。由于煤灰是煤中矿物质的衍生物，因此可以用它来算煤中矿物质含量。此外，由于煤中灰分测定简单，而它在煤中的分布又不易均匀，因此在煤炭采样和制样方法研究中，一般都用它来评定方法的准确度和精密度。在煤炭洗选工艺研究中，一般也以煤的灰分作为一项洗选效率指标。

3挥发分

煤样在规定的条件下，隔绝空气加热，并进行水分校正后的挥发物质产率即为挥发分。

煤的挥发分主要是由水分、碳氢的氧化物和碳氢化合物(以CH4为主)组成，但煤中物理吸附水(包括外在水和内在水)和矿物质二氧化碳不属挥发分之列。

工业分析中测定的挥发分不是煤中原来固有的挥发性物质，而是煤在严格规定条件下加热时的热分解产物，改变任何试验条件都会给测定结果带来不同程度的影响。

影响挥发分测定结果的主要因素是加热温度、加热时间、加热速度，此外试验设备的型式和大小，试样容器的材质、形状和尺寸以及容器的支架都会影响测定结果，即测定结果取决于所规定的试验条件，因此说它是一个规范性很强的试验项目。

煤的挥发分产率与煤的变质程度有比较密切的关系———随着变质程度的加深，挥发分逐渐降低(表73)，因此根据煤的挥发分产率可以估计煤的种类。在我国及前苏联、美国、英国、法国、波兰和国际煤炭分类方案中，都以挥发分作为第一分类指标。

表7-3 挥发分与煤的变质程度的关系

根据挥发分产率和测定挥发分后的焦块特性可以初步决定煤的加工利用途径。如高挥发分的煤，干馏时化学副产品产率高，适于作低温干馏原料，也可作为气化原料;挥发分适中的烟煤，粘结性较好，适于炼焦。在配煤炼焦中，要用挥发分来确定配煤比，以将混煤的挥发分控制到适宜范围25%～31%。此外，根据挥发分，可以估算炼焦时焦炭、煤气、焦油和粗苯等产率。在燃煤中，可根据挥发分来选择适于特定煤源的燃烧设备或适于特定设备的煤源。在气化和液化工艺条件的选择上挥发分也有一定的参考作用。在环境保护中，挥发分还作为制定烟雾法的一个依据。

此外，挥发分与其他煤质特性指标，如发热量、碳和氢含量都有较好的相关关系。利用挥发分可以计算煤的发热量和碳氢含量。

4煤的镜质体反射率

煤的镜质体反射率是不受煤的岩石成分含量影响，但却能反映煤化程度的一个指标。煤的镜质体反射率随它的有机组分中碳含量的增加而增高，随挥发分产率的增高而减少。也就是说同一显微组分，在不同的变质阶段，反射率不同，它能较好地反映煤的变质程度。因此，镜质体反射率是一个很有前途的煤分类指标。特别是对无烟煤阶段的划分，灵敏度大，是区分年老无烟煤、典型无烟煤和年轻无烟煤的一个较理想的指标。目前在国际上已有许多国家采用镜质体反射率作为一种煤炭分类指标。此外，煤的镜质体反射率在评价煤质及煤炭加工利用等方面都有重要意义，如日本、西德等国家用镜质体反射率来指导炼焦配煤来控制煤质量等等，而且在石油、地质勘探研究方面也很有价值。

反射率是指垂直反射时，反射光强度和入射光强度的百分比值，一般用R表示。

煤地质学

测定煤的镜质体反射率是将已知反射率的标准片和煤样(镜质体)放在显微镜下，在一定强度的入射光中，它们反射出的微弱光流，通过光电倍增管转变为电流并被放大成较强的电信号，然后将电信号输出并馈入到记录装置。根据记录装置刻度盘上读出标准片的反射光强度值和煤的镜质体的反射光强度值，按下式求出煤的镜质体反射率:

煤地质学

式中:R镜为煤的镜质体反射率;I标为标准片的反射光电流强度;I镜为煤的镜质体反射光电流强度;R标为标准片的反射率。

标准片的反射率R标按下式计算:

煤地质学

式中:n为标准片的折射率;n0为样品和物镜之间介质的折射率，空气为1，香柏油一般为1515～1518。