·1536 工程科学学报，第37卷，第12期 ly,and the wettability of coal dust becomes worse.When the stack degree is 18.5 nm,the spread degree is 41.7 nm and the plane spacing is 0.898 nm,the wettability of coal dust will be the best.The closer the X-ray diffraction microcrystalline parameters are to the above combinations,the better the wettability of coal dust is. KEY WORDS coal mining:coal dust:wettability:X-ray diffraction;microcrystalline parameters 煤尘是煤炭生产过程中不可避免的产物，其对煤 表1煤尘接触角及灰分数据 矿的安全生产和矿工的身心健康造成严重威胁.然而 Table 1 Coal dust contact angles and ash content 我国大部分煤层的煤尘润湿性较差，导致喷雾降尘效 与蒸馏水 与自来水 灰分质量 编号 煤样 果不佳：因此，开展煤尘的微观润湿机理研究对于提 接触角/()接触角/() 分数/% 高煤尘降尘率、改善矿工的工作环境具有十分重要的 1 北皂褐煤 45.76 46.70 10.93 理论和现实意义.由于煤是短程有序、而长程无序的 大柳塔长焰煤 59.47 63.98 6.22 有机物，一方面，煤中的有机质主要由缩聚芳环、脂环、 3 亭南不黏煤 52.72 56.58 20.03 杂环和各种官能团支链组成-习：随着煤的变质程度 同家梁弱黏煤 53.12 64.70 2.78 增高，芳环族、脂环族等的数量、大小也随之发生规律 5* 榆树湾气煤 62.93 67.13 2.95 性变化.另一方面，由于成煤环境差异造成不同地 6* 白庄气肥煤 61.84 65.29 9.45 区煤种的无机物相特征差异较大.可见，煤尘的润 7 回坡底13焦煤 47.74 55.03 32.47 湿性同时受到有机结构和无机物相的影响，所以研究 8* 新巨龙肥煤 62.66 68.07 5.60 其芳香晶核的结构特征及所含无机物相与煤尘润湿性 9* 五沟焦煤 66.06 69.48 7.59 之间的关系十分重要.针对目前未将有机物、无机物 10 百善无烟煤 60.95 64.14 7.15 等因素统筹考虑进行煤尘润湿性研究的缺陷，本文采 用X射线衍射技术对选取的10种不同变质程度煤尘 2 进行堆垛结构微晶参数分析，并结合润湿接触角实验， 煤尘X射线衍射实验 得到不同煤种煤尘的微晶结构与无机物相对其润湿性 2.1X射线衍射谱图 的影响规律 煤的结构包括两个方面的内容：一是煤的物理结 1 煤尘润湿接触角分析 构即分子间的堆垛结构与孔隙结构，二是煤的化学结 构即煤的分子结构.煤的微晶结构主要是指芳香层间 实验选取10个地区的10种变质程度煤样，研磨 的层间隙，属于煤的堆垛结构重要的组成部分.从有 后过280目标准筛子作为样品.实验以灰分作为煤中 机结构方面看，脱矿处理后煤的X射线衍射图较为简 无机矿物量化总体宏观表征，参照国家标准GB/ 单，一般具有2~3个弥散的宽峰并出现在石墨主衍射 T212一2008《煤的工业分析方法》对煤样作灰分定量 峰附近，即著名的乱层结构模型(turbostratic mod- 测定.为了更好地还原井下煤尘润湿条件，考虑到矿 e)2-切.为了还原煤尘润湿过程，分析其润湿能力， 井水成分与实验水成分略有不同，分别选取自来水和 利用X Pert PROMPD型X射线衍射仪对本文I0种不 蒸馏水两种水作为实验用水，选用DSA1O0型光学法 同变质程度的煤样进行测试.采用背压法制作试片， 液滴形态分析系统测定成型煤粉和蒸馏水、自来水的 且试片应即时测定，以减少吸水性的影响.实验条件： 动态接触角0.利用仪器快速拍照，读出接触角数 Cu、Ni滤光片，发散狭缝为1°，散射狭缝为1°，接收狭 值.煤尘接触角及灰分数据如表1所示 缝为0.3mm,石墨弯晶单色器置于衍射束中，扫描范 一般认为，由低变质煤到高变质煤，煤中芳环相对 围20=5°~75°.实验中同时收集无样品时的散射强 增多、增大，脂环和含氧官能团支链相应减少，到无烟 度，用于扣除样品架和空气背景散射.10种煤样X射 煤时，则主要由缩聚的芳环所组成，变质程度继续增 线衍射对比谱图如图1所示. 高，达超无烟煤时，则呈现出类石墨结构.也就是 2.2实验结果分析 说按照煤的有机结构特征分析，煤的疏水性与煤阶理 2.2.1煤尘无机矿物物相分析 论上正相关，变质程度越高，表现为疏水性的煤大分子 结合图1所示的煤尘X射线衍射谱图，借助于X' 结构在煤中所占比例越大，煤的润湿性越差.从表1 Pert HighScore Plus软件和PDF2数据库对测试得到的 中发现，煤的润湿接触角总体趋势符合以上分析结果， 衍射数据进行处理和分析.图2为五沟焦煤物相定性 但是有时也会出现不一致的现象.结合工业分析灰分 分析图及结果.所有样品的定性分析结果见表2 定量数据发现，无机矿物对煤的润湿性也有一定影响， 由表2可知：煤中主要矿物种类数量与其变质程 当灰分含量增加时，接触角会有所降低. 度有着一定关系，在变质程度较低的煤样里，其无机矿工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 ly，and the wettability of coal dust becomes worse． When the stack degree is 18. 5 nm，the spread degree is 41. 7 nm and the plane spacing is 0. 898 nm，the wettability of coal dust will be the best． The closer the X-ray diffraction microcrystalline parameters are to the above combinations，the better the wettability of coal dust is． KEY WOＲDS coal mining; coal dust; wettability; X-ray diffraction; microcrystalline parameters 煤尘是煤炭生产过程中不可避免的产物，其对煤 矿的安全生产和矿工的身心健康造成严重威胁． 然而 我国大部分煤层的煤尘润湿性较差，导致喷雾降尘效 果不佳． 因此，开展煤尘的微观润湿机理研究对于提 高煤尘降尘率、改善矿工的工作环境具有十分重要的 理论和现实意义． 由于煤是短程有序、而长程无序的 有机物，一方面，煤中的有机质主要由缩聚芳环、脂环、 杂环和各种官能团支链组成［1--3］; 随着煤的变质程度 增高，芳环族、脂环族等的数量、大小也随之发生规律 性变化［4--6］． 另一方面，由于成煤环境差异造成不同地 区煤种的无机物相特征差异较大［7--8］． 可见，煤尘的润 湿性同时受到有机结构和无机物相的影响，所以研究 其芳香晶核的结构特征及所含无机物相与煤尘润湿性 之间的关系十分重要． 针对目前未将有机物、无机物 等因素统筹考虑进行煤尘润湿性研究的缺陷，本文采 用 X 射线衍射技术对选取的 10 种不同变质程度煤尘 进行堆垛结构微晶参数分析，并结合润湿接触角实验， 得到不同煤种煤尘的微晶结构与无机物相对其润湿性 的影响规律． 1 煤尘润湿接触角分析 实验选取 10 个地区的 10 种变质程度煤样，研磨 后过 280 目标准筛子作为样品． 实验以灰分作为煤中 无机矿 物 量 化 总 体 宏 观 表 征，参 照 国 家 标 准 GB / T212—2008《煤的工业分析方法》对煤样作灰分定量 测定． 为了更好地还原井下煤尘润湿条件，考虑到矿 井水成分与实验水成分略有不同，分别选取自来水和 蒸馏水两种水作为实验用水，选用 DSA100 型光学法 液滴形态分析系统测定成型煤粉和蒸馏水、自来水的 动态接触角［9--10］． 利用仪器快速拍照，读出接触角数 值． 煤尘接触角及灰分数据如表 1 所示． 一般认为，由低变质煤到高变质煤，煤中芳环相对 增多、增大，脂环和含氧官能团支链相应减少，到无烟 煤时，则主要由缩聚的芳环所组成，变质程度继续增 高，达超无烟煤时，则呈现出类石墨结构［11］． 也就是 说按照煤的有机结构特征分析，煤的疏水性与煤阶理 论上正相关，变质程度越高，表现为疏水性的煤大分子 结构在煤中所占比例越大，煤的润湿性越差． 从表 1 中发现，煤的润湿接触角总体趋势符合以上分析结果， 但是有时也会出现不一致的现象． 结合工业分析灰分 定量数据发现，无机矿物对煤的润湿性也有一定影响， 当灰分含量增加时，接触角会有所降低． 表 1 煤尘接触角及灰分数据 Table 1 Coal dust contact angles and ash content 编号 煤样 与蒸馏水 接触角/( °) 与自来水 接触角/( °) 灰分质量 分数/% 1# 北皂褐煤 45. 76 46. 70 10. 93 2# 大柳塔长焰煤 59. 47 63. 98 6. 22 3# 亭南不黏煤 52. 72 56. 58 20. 03 4# 同家梁弱黏煤 53. 12 64. 70 2. 78 5# 榆树湾气煤 62. 93 67. 13 2. 95 6# 白庄气肥煤 61. 84 65. 29 9. 45 7# 回坡底 1 /3 焦煤 47. 74 55. 03 32. 47 8# 新巨龙肥煤 62. 66 68. 07 5. 60 9# 五沟焦煤 66. 06 69. 48 7. 59 10# 百善无烟煤 60. 95 64. 14 7. 15 2 煤尘 X 射线衍射实验 2. 1 X 射线衍射谱图 煤的结构包括两个方面的内容: 一是煤的物理结 构即分子间的堆垛结构与孔隙结构，二是煤的化学结 构即煤的分子结构． 煤的微晶结构主要是指芳香层间 的层间隙，属于煤的堆垛结构重要的组成部分． 从有 机结构方面看，脱矿处理后煤的 X 射线衍射图较为简 单，一般具有 2 ～ 3 个弥散的宽峰并出现在石墨主衍射 峰附 近，即 著 名 的 乱 层 结 构 模 型 ( turbostratic mod￾el) ［12--13］． 为了还原煤尘润湿过程，分析其润湿能力， 利用 X Pert PＲOMPD 型 X 射线衍射仪对本文 10 种不 同变质程度的煤样进行测试． 采用背压法制作试片， 且试片应即时测定，以减少吸水性的影响． 实验条件: Cu、Ni 滤光片，发散狭缝为 1°，散射狭缝为 1°，接收狭 缝为 0. 3 mm，石墨弯晶单色器置于衍射束中，扫描范 围 2θ = 5° ～ 75°． 实验中同时收集无样品时的散射强 度，用于扣除样品架和空气背景散射． 10 种煤样 X 射 线衍射对比谱图如图 1 所示． 2. 2 实验结果分析 2. 2. 1 煤尘无机矿物物相分析 结合图 1 所示的煤尘 X 射线衍射谱图，借助于 X’ Pert HighScore Plus 软件和 PDF2 数据库对测试得到的 衍射数据进行处理和分析． 图 2 为五沟焦煤物相定性 分析图及结果． 所有样品的定性分析结果见表 2． 由表 2 可知: 煤中主要矿物种类数量与其变质程 度有着一定关系，在变质程度较低的煤样里，其无机矿 · 6351 ·