周刚等：基于X射线衍射实验的堆垛结构对煤尘润湿性的影响 ·1537* 响煤的润湿性，原生矿物（如石英和长石）种类数量越 多，润湿性则越好：但次生矿物（如高岭石等）对煤尘 润湿性的影响则较小.即，原生矿物与煤中有机质紧 密结合，较次生矿物而言更适于表征煤尘的润湿性能. 2.2.2煤尘微晶参数分析 煤的X射线衍射曲线一般都具有两个明显的衍 射峰，分别为002和101附近衍射峰.本文用于计 算的是煤的002和101衍射峰，其峰形特点是非正态 20 304050607080 的，不对称的.在计算延展度L和堆砌度L时，必须先 2019 将不对称的衍射峰通过作图还原成对称衍射峰，然后 图1煤尘的X射线衍射图 求得对称衍射峰的半高宽值和最大值所对应的衍射角 Fig.1 XRD patterns of coal dust samples 值.通常认为圆煤的芳香层片主要集中在20角为5° ~30°范围之内，即在面网指数(002)和(10)的衍射峰 五沟 上变动 采用Peakfit分峰软件对各煤阶代表煤样进行002 峰和101峰分峰拟合.其中，褐煤、气肥煤和无烟煤的 90 X射线衍射拟合曲线图如图3所示O02峰对应的衍射 4 角度在10°~15°，101峰对应的衍射角度在25°附近. 10种不同变质程度煤尘微晶结构参数汇总表如 表3所示. 20 30 40 50 从衍射图可以看出，变质程度不同煤样的X射线 209) 衍射曲线的形态特征具有很明显的规律性.随着变质 图2五沟焦煤物相定性分析结果 程度的升高，两处特征衍射峰相对强度有所增加，峰形 Fig.2 Phase qualitative analysis results of Wugou coking coal 由宽且钝转为窄且锐，趋向类石墨峰发展，说明组成这 表2煤尘无机矿物物相分析结果 些煤的有机质的C原子排列趋于定向、规则.同时，随 Table 2 Phases analysis results of inorganic minerals in coal dust sam- 着变质程度增高，X射线衍射谱线中(002)和(101)的 ples 衍射峰峰位也逐渐向高角度方向偏移，即62衍射角 煤样 无机矿物物相 逐渐增大（见表3）.这一偏移也表明C原子的网面间 黏土，石英，蒙脱石，斜发沸石，方沸石， 北皂褐煤 的距离dm会逐渐变小，由褐煤的0.898nm,逐步减小 黄铁矿，钾长石，钠长石 至烟煤的0.654~0.717nm和无烟煤的0.576nm. 方解石，微量的黄铁矿，菱铁矿，高龄石， 大柳塔长焰煤 石英 结合10种煤尘X射线衍射图谱和表3中煤样微 高岭石，方解石，石英，锐钛矿，菱铁矿， 晶参数可以看出7-图，由缩聚芳香核所形成的芳香微 亭南不黏煤 Fe:O 晶的002和101峰从中低变质程度煤种的弥散状向高 同家梁弱黏煤 高岭石，铁白云石，石英 变质程度煤种的尖锐峰型发展.这是由于中低变质程 榆树湾气煤 高岭石，菱铁矿，黄铁矿，石英 度煤中芳香结构单元和脂肪结构单元都存在，随着煤 白庄气肥煤 高岭石 变质程度的提高，煤中脂族结构会逐步减少，但芳核在 回坡底13焦煤 高岭石 横向上和纵向上均进行芳环的缩聚反应，芳香结构增 新巨龙肥煤 高岭石，铁白云石 多.因此，变质程度高的煤种晶态成分较多，芳香层片 五沟焦煤 高岭石，方解石 在空间的排列较为规整，相互定向程度较高，芳香微晶 百善无烟煤 高龄石，铁白云石，硫磺单质 结构单元增大，芳香环缩合度增高；而中低变质程度的 煤种非晶态成分较多，往往是一些亲水性的烷基小分 物种类偏多，包括黏土类、硫化物类、氧化物类、硫酸盐 子侧链、含氧官能团等 类、碳酸盐类等矿物：随着变质程度提高，种类不断减 少，主要以高岭石为主.可见，无机矿物在煤化作用各 3堆垛结构对煤尘润湿性的影响 个阶段都有形成，但是赋存形式却不尽相同.对表1 3.1煤尘润湿性与X射线衍射微晶参数间的关系 和表2中接触角数据及无机矿物物相形式进行综合分 选取10种煤样与蒸馏水和自来水的接触角作为 析发现，煤尘无机矿物物相种类数量在一定程度上影 其润湿特性表征，并将接触角与煤样的X射线衍射数周 刚等: 基于 X 射线衍射实验的堆垛结构对煤尘润湿性的影响 图 1 煤尘的 X 射线衍射图 Fig． 1 XＲD patterns of coal dust samples 图 2 五沟焦煤物相定性分析结果 Fig． 2 Phase qualitative analysis results of Wugou coking coal 表 2 煤尘无机矿物物相分析结果 Table 2 Phases analysis results of inorganic minerals in coal dust sam￾ples 煤样 无机矿物物相 北皂褐煤 黏土，石英，蒙脱石，斜发沸石，方沸石， 黄铁矿，钾长石，钠长石 大柳塔长焰煤 方解石，微量的黄铁矿，菱铁矿，高岭石， 石英 亭南不黏煤 高岭石，方解石，石英，锐钛矿，菱铁矿， Fe3O4 同家梁弱黏煤 高岭石，铁白云石，石英 榆树湾气煤 高岭石，菱铁矿，黄铁矿，石英 白庄气肥煤 高岭石 回坡底 1 /3 焦煤 高岭石 新巨龙肥煤 高岭石，铁白云石 五沟焦煤 高岭石，方解石 百善无烟煤 高岭石，铁白云石，硫磺单质 物种类偏多，包括黏土类、硫化物类、氧化物类、硫酸盐 类、碳酸盐类等矿物; 随着变质程度提高，种类不断减 少，主要以高岭石为主． 可见，无机矿物在煤化作用各 个阶段都有形成，但是赋存形式却不尽相同． 对表 1 和表 2 中接触角数据及无机矿物物相形式进行综合分 析发现，煤尘无机矿物物相种类数量在一定程度上影 响煤的润湿性，原生矿物( 如石英和长石) 种类数量越 多，润湿性则越好; 但次生矿物( 如高岭石等) 对煤尘 润湿性的影响则较小． 即，原生矿物与煤中有机质紧 密结合，较次生矿物而言更适于表征煤尘的润湿性能． 2. 2. 2 煤尘微晶参数分析 煤的 X 射线衍射曲线一般都具有两个明显的衍 射峰，分别为002 和10l 附近衍射峰［14--15］． 本文用于计 算的是煤的 002 和 10l 衍射峰，其峰形特点是非正态 的，不对称的． 在计算延展度 La和堆砌度 Lc时，必须先 将不对称的衍射峰通过作图还原成对称衍射峰，然后 求得对称衍射峰的半高宽值和最大值所对应的衍射角 值． 通常认为［16］煤的芳香层片主要集中在 2θ 角为 5° ～ 30°范围之内，即在面网指数( 002) 和( 10l) 的衍射峰 上变动． 采用 Peakfit 分峰软件对各煤阶代表煤样进行 002 峰和 10l 峰分峰拟合． 其中，褐煤、气肥煤和无烟煤的 X 射线衍射拟合曲线图如图 3 所示 002 峰对应的衍射 角度在 10° ～ 15°，10l 峰对应的衍射角度在 25°附近． 10 种不同变质程度煤尘微晶结构参数汇总表如 表 3 所示． 从衍射图可以看出，变质程度不同煤样的 X 射线 衍射曲线的形态特征具有很明显的规律性． 随着变质 程度的升高，两处特征衍射峰相对强度有所增加，峰形 由宽且钝转为窄且锐，趋向类石墨峰发展，说明组成这 些煤的有机质的 C 原子排列趋于定向、规则． 同时，随 着变质程度增高，X 射线衍射谱线中( 002) 和( 10l) 的 衍射峰峰位也逐渐向高角度方向偏移，即 θ002 衍射角 逐渐增大( 见表 3) ． 这一偏移也表明 C 原子的网面间 的距离 d002会逐渐变小，由褐煤的 0. 898 nm，逐步减小 至烟煤的 0. 654 ～ 0. 717 nm 和无烟煤的 0. 576 nm． 结合 10 种煤尘 X 射线衍射图谱和表 3 中煤样微 晶参数可以看出［17--18］，由缩聚芳香核所形成的芳香微 晶的 002 和 10l 峰从中低变质程度煤种的弥散状向高 变质程度煤种的尖锐峰型发展． 这是由于中低变质程 度煤中芳香结构单元和脂肪结构单元都存在，随着煤 变质程度的提高，煤中脂族结构会逐步减少，但芳核在 横向上和纵向上均进行芳环的缩聚反应，芳香结构增 多． 因此，变质程度高的煤种晶态成分较多，芳香层片 在空间的排列较为规整，相互定向程度较高，芳香微晶 结构单元增大，芳香环缩合度增高; 而中低变质程度的 煤种非晶态成分较多，往往是一些亲水性的烷基小分 子侧链、含氧官能团等． 3 堆垛结构对煤尘润湿性的影响 3. 1 煤尘润湿性与 X 射线衍射微晶参数间的关系 选取 10 种煤样与蒸馏水和自来水的接触角作为 其润湿特性表征，并将接触角与煤样的X射线衍射数 · 7351 ·