chap6+煤的物理性质和物化性质

1、第六章第六章 煤的物理性质和物理化学性质煤的物理性质和物理化学性质第六章第六章 煤的物理性质和物理化学性质煤的物理性质和物理化学性质第一节第一节 煤的密度煤的密度一、一、 煤的真相对密度（煤的真相对密度（TRDTRD）1 1、真相对密度的概念、真相对密度的概念（1 1）2020时单位体积时单位体积( (不包括煤的所有孔隙不包括煤的所有孔隙) )煤的煤的质量与同体积水的质量之比。质量与同体积水的质量之比。（2 2）真相对密度是煤的主要物理性质之一，在研真相对密度是煤的主要物理性质之一，在研究煤的分子结构、确定煤化程度、制定煤的分选密度究煤的分子结构、确定煤化程度、制定煤的分选密度时，都会用到煤的

2、真密度。时，都会用到煤的真密度。（3 3）通）通常以常以氦氦作为置换物所测得的结果作为置换物所测得的结果叫叫煤煤的真相对密度的真相对密度。（4 4）在研究煤质时，为了排除煤中矿物质的在研究煤质时，为了排除煤中矿物质的影响，有时用到影响，有时用到纯煤真密度纯煤真密度的概念。它是的概念。它是指煤的指煤的有机质的真相对密度，用有机质的真相对密度，用(TRD)(TRD)dafdaf表示。可从表示。可从TRDTRD和煤的灰分等进行计算。和煤的灰分等进行计算。第一节第一节 煤的密度煤的密度第一节第一节 煤的密度煤的密度2 2、真相对密度的影响因素、真相对密度的影响因素 成因类型成因类型 煤岩组成煤岩组成

3、矿物质矿物质 煤化程度煤化程度第一节第一节 煤的密度煤的密度（1 1）腐植煤）腐植煤 腐泥煤腐泥煤腐植煤腐植煤的真相对密度一般不低于的真相对密度一般不低于1.25g/cm1.25g/cm3 3腐泥煤腐泥煤的真相对密度一般小于的真相对密度一般小于1.21.2。（2 2）煤中矿物质含量高则真密度大。煤中矿物质含量高则真密度大。 矿物质的密度较煤的有机质高矿物质的密度较煤的有机质高2 2、真相对密度的影响因素、真相对密度的影响因素（3 3）惰质组、微粒体的真相对密度最大，镜质组次之，壳质组最惰质组、微粒体的真相对密度最大，镜质组次之，壳质组最低，低，当当C90%C90%后，三者的真相对密度逐渐趋于一

4、致，并急剧上升，到无后，三者的真相对密度逐渐趋于一致，并急剧上升，到无烟煤阶段趋于一致。烟煤阶段趋于一致。一般随煤化程度的提高煤的结构趋紧密化，因而一般随煤化程度的提高煤的结构趋紧密化，因而煤的密度也应不断增加。煤的密度也应不断增加。实际上在煤化程度较低时，镜质组的实际上在煤化程度较低时，镜质组的C87%C0Q0时为吸热，时为吸热，Q0Q5050； 气煤：气煤：P PM M9090。第六节 煤的磁性质 一、煤的抗磁性一、煤的抗磁性 煤的有机质一般具有抗磁性，即煤的有机质一般具有抗磁性，即在外磁场的作用在外磁场的作用下产生的附加磁场与外磁场的方向相反。下产生的附加磁场与外磁场的方向相反。磁化率是

5、指磁化率是指磁化强度磁化强度I I（抗磁性物质是附加磁场强（抗磁性物质是附加磁场强度）度）与外磁场强度与外磁场强度H H之比之比，用，用K K表示：表示：K K= =I I/ /H H。在化学上常用在化学上常用比磁化率比磁化率 表示物质磁性的大小。表示物质磁性的大小。比比磁化率是指在磁化率是指在1 1高斯磁场强度下，高斯磁场强度下，1g1g物质的磁化率。物质的磁化率。 一、一、 煤的润湿性煤的润湿性当液体和固体接触时，如果固体分子与液体当液体和固体接触时，如果固体分子与液体间的作用力大于液体分子间的作用力，则固体可间的作用力大于液体分子间的作用力，则固体可被液体润湿，反之，则不能润湿。被液体润

6、湿，反之，则不能润湿。所谓所谓润湿性是指液体与固体接触时，固体被润湿性是指液体与固体接触时，固体被液体所润湿的程度。液体所润湿的程度。通常采用通常采用接触角接触角表示煤的润表示煤的润湿性的大小。湿性的大小。第七节第七节 煤的煤的润湿性润湿性 g-sg-sl-s接触角接触角是指通过三相接触周边是指通过三相接触周边( (三相接触点三相接触点的连线的连线) )的任何一点，经气液界面作切线的任何一点，经气液界面作切线( (即气即气液界面张力液界面张力) )，构成液体与固体表面的夹角，构成液体与固体表面的夹角，即为接触角即为接触角。接触角越大，煤的润湿性越差。接触角越大，煤的润湿性越差。接触角的测定方法

7、有接触角的测定方法有粉末法粉末法、倾板法倾板法等。等。粉末法粉末法是将煤磨成是将煤磨成200200目以下的粉状，施目以下的粉状，施加加15MPa15MPa的压力成型。这种型块可看成是毛细的压力成型。这种型块可看成是毛细管的集合体，再用液体润湿，同时在加液体管的集合体，再用液体润湿，同时在加液体的对侧，通入氮气，阻止润湿过程的进行，的对侧，通入氮气，阻止润湿过程的进行，当润湿恰好阻止时，测定氮气的压力，可计当润湿恰好阻止时，测定氮气的压力，可计算出接触角。算出接触角。煤的润湿性取决于煤的润湿性取决于煤表面的分子结构煤表面的分子结构特点。特点。对水：对水：随煤化程度加深，接触角增大，润湿性降随煤化

8、程度加深，接触角增大，润湿性降低；低；对苯对苯：随煤化程度加深，接触角减小，润湿性提随煤化程度加深，接触角减小，润湿性提高高通常，通常，年轻煤对水介质的亲和性较强，中等以上年轻煤对水介质的亲和性较强，中等以上煤化程度的煤对水的亲和性较差。煤化程度的煤对水的亲和性较差。第七节第七节 煤的煤的润湿性润湿性 在煤的浮选脱灰过程中，就是利用煤与矿物在煤的浮选脱灰过程中，就是利用煤与矿物质亲水性的差异进行分离的。质亲水性的差异进行分离的。矿物质表现为亲水性矿物质表现为亲水性，而，而煤一般表现为疏水煤一般表现为疏水性。性。但年轻煤由于分子中含有大量的极性含氧官但年轻煤由于分子中含有大量的极性含氧官能团，表

9、现为较强的亲水性，因而其可浮性较差，能团，表现为较强的亲水性，因而其可浮性较差，不宜采用浮选工艺。不宜采用浮选工艺。 二、煤的润湿热二、煤的润湿热1 1、润湿热的概念：、润湿热的概念：煤被液体润湿时会释放出热量，煤被液体润湿时会释放出热量，通常通常用用1g1g煤被润湿时释放出的热量作为煤的润湿热。煤被润湿时释放出的热量作为煤的润湿热。 2 2、润湿热的本质润湿热的本质润湿热的产生实际上是润湿热的产生实际上是液体在煤的孔隙内表面上发液体在煤的孔隙内表面上发生吸附作用生吸附作用的结果。的结果。吸附作用越强，比表面积越大，润湿热就越高。吸附作用越强，比表面积越大，润湿热就越高。润湿热的大小主要与润湿

10、热的大小主要与液体种类液体种类、煤的表面性质煤的表面性质有有关。关。1 1、常用的、常用的润湿剂是润湿剂是甲醇甲醇。2 2、润湿热的大小主要与、润湿热的大小主要与比表面积比表面积有关。有关。煤的润湿煤的润湿热大致为热大致为0.39-0.42J/m20.39-0.42J/m2。利用润湿热可以大致估计。利用润湿热可以大致估计煤的比表面积。煤的比表面积。第七节第七节 煤的煤的润湿性润湿性 3 3、年轻煤的润、年轻煤的润湿热较高，湿热较高，但但随着随着煤化程度的提高而煤化程度的提高而急剧下降急剧下降，在碳含，在碳含量为量为9090左右达到左右达到最低值，以后又有最低值，以后又有所上升。所上升。第七节第

11、七节 煤的煤的润湿性润湿性 一、煤的孔隙度一、煤的孔隙度1 1、基本概念、基本概念煤的孔隙是煤中可被流体充塞的空间。煤的孔隙是煤中可被流体充塞的空间。煤是具有很大表面积的多孔岩石。其孔径煤是具有很大表面积的多孔岩石。其孔径大小变化在大小变化在毫米级至纳米级毫米级至纳米级之间。多数煤层气之间。多数煤层气集中在纳米级的微孔内。集中在纳米级的微孔内。煤的孔隙直接影响到煤对瓦斯的煤的孔隙直接影响到煤对瓦斯的吸附性吸附性、解吸性解吸性以及瓦斯以及瓦斯在煤层中的流动性在煤层中的流动性等。等。（1 1）煤孔隙的成因类型）煤孔隙的成因类型原生孔原生孔煤沉积时已有的孔隙，主要有煤沉积时已有的孔隙，主要有胞腔孔胞

12、腔孔和和屑间孔屑间孔两种。两种。变质孔变质孔煤在变质过程中发生各种物理化学反应而形成煤在变质过程中发生各种物理化学反应而形成的孔隙。的孔隙。变质作用过程中，煤分子链间形成的孔隙称为变质作用过程中，煤分子链间形成的孔隙称为链间孔。气孔主要由生气和聚气作用而形成链间孔。气孔主要由生气和聚气作用而形成 , , 以以往称之为热成因孔。气孔群中的气孔排列有无序往称之为热成因孔。气孔群中的气孔排列有无序的的 , ,也有有序的也有有序的 , , 有的呈带状分布有的呈带状分布 , , 有的呈线状有的呈线状分布分布 , , 椭圆形及圆管形气孔的长轴常定向排列。椭圆形及圆管形气孔的长轴常定向排列。外生孔外生孔 煤

13、固结成岩后，受各种外界因素作用而煤固结成岩后，受各种外界因素作用而形成的孔隙称为外生孔。形成的孔隙称为外生孔。 外生孔主要有外生孔主要有角砾孔角砾孔、碎粒孔碎粒孔和和摩擦孔摩擦孔。矿物质孔矿物质孔由于矿物质的存在而产生的各种孔隙统称为矿物由于矿物质的存在而产生的各种孔隙统称为矿物质孔。质孔。孔的大小以微米级为主，数量很少，常见的有孔的大小以微米级为主，数量很少，常见的有铸模孔、溶蚀孔和晶间孔。铸模孔、溶蚀孔和晶间孔。铸模孔铸模孔是煤中原生矿物质在有机质中因硬度差异是煤中原生矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的印坑。而铸成的印坑。溶蚀孔溶蚀孔是煤中可溶性矿物质在长期气、水作用下是煤中可溶性矿物质在

14、长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔。受溶蚀而形成的孔。晶间孔晶间孔是矿物晶粒之间的孔，有原生的也有次生是矿物晶粒之间的孔，有原生的也有次生的。的。（2 2）煤的孔隙率）煤的孔隙率指煤中孔隙体积占煤总体积的百分比指煤中孔隙体积占煤总体积的百分比。孔隙率。孔隙率的大小影响煤储层储集气体的能力。的大小影响煤储层储集气体的能力。煤的孔隙率较低，一般煤的孔隙率较低，一般10%50502 25050222 2、煤孔隙结构的测定方法、煤孔隙结构的测定方法比较常见的测定方法有：比较常见的测定方法有：扫描电子显微镜技术、扫描电子显微镜技术、密度法、压汞法和吸附法。密度法、压汞法和吸附法。（1 1）压汞法的基本原理

15、：）压汞法的基本原理：汞在无外界压力的条件下是不能进入煤的孔隙汞在无外界压力的条件下是不能进入煤的孔隙中等的。随着压力的增加，汞克服了表面张力产生的中等的。随着压力的增加，汞克服了表面张力产生的阻力而进入大小不同的孔隙中，阻力而进入大小不同的孔隙中，（2 2）吸附法的原理：）吸附法的原理：利用低温氮（液氮）的吸附利用低温氮（液氮）的吸附- -凝聚原理，通常采凝聚原理，通常采用用77K77K氮气的吸附来测出煤的比表面积和孔径分布。氮气的吸附来测出煤的比表面积和孔径分布。3 3、煤的孔隙率随煤化、煤的孔隙率随煤化程度的变化规律程度的变化规律随煤化程度的加深，总随煤化程度的加深，总孔容积呈下降趋势，

16、到碳含孔容积呈下降趋势，到碳含量大于量大于88%88%以后，总孔容积又以后，总孔容积又有所提高。有所提高。碳含量小于碳含量小于75%75%的褐煤，的褐煤，大孔占优势，碳含量在大孔占优势，碳含量在75%-75%-82%82%之间的煤，中孔、微孔明之间的煤，中孔、微孔明显增加，碳含量为显增加，碳含量为88%-91%88%-91%的的煤，微孔占优势。煤，微孔占优势。二、煤裂隙二、煤裂隙煤裂隙是煤受各种地质应力的作用所形成煤裂隙是煤受各种地质应力的作用所形成的自然裂缝。的自然裂缝。按成因可分为按成因可分为内生裂隙内生裂隙和和外生裂隙外生裂隙。内生裂隙内生裂隙：煤化作用过程中，煤中凝胶化：煤化作用过程中

17、，煤中凝胶化物质受温度和压力的影响，体积均匀收缩产生物质受温度和压力的影响，体积均匀收缩产生内应力，从而形成的裂隙。内应力，从而形成的裂隙。外生裂隙外生裂隙：煤受构造应力作用产生的裂隙。：煤受构造应力作用产生的裂隙。1 1、内生裂隙的特点：、内生裂隙的特点：垂直或大致垂直层理；垂直或大致垂直层理；裂隙面较平坦，常伴有眼球状的张力痕迹；裂隙面较平坦，常伴有眼球状的张力痕迹；有裂隙方向大致相互垂直的两组，其中一组较发育有裂隙方向大致相互垂直的两组，其中一组较发育为主要内生裂隙组，另一组稀疏为次要内生裂隙组；为主要内生裂隙组，另一组稀疏为次要内生裂隙组；在中变质烟煤中最发育，而在褐煤和无烟煤中不发在

18、中变质烟煤中最发育，而在褐煤和无烟煤中不发育。育。2 2、外生裂隙的特点：、外生裂隙的特点：发育不受煤岩类型限制，可切穿几个煤岩分层；发育不受煤岩类型限制，可切穿几个煤岩分层；以各种角度与煤层层理斜交；以各种角度与煤层层理斜交；裂隙面上常有波状、羽毛状擦痕；裂隙面上常有波状、羽毛状擦痕；外生裂隙有时沿袭内生裂隙重叠发生。外生裂隙有时沿袭内生裂隙重叠发生。在煤层内存在着在煤层内存在着孔隙孔隙和和裂隙裂隙两个系统。两个系统。孔隙孔隙系统发育在煤岩基块中，其容积占煤孔系统发育在煤岩基块中，其容积占煤孔隙和裂隙总容积的绝大部分，隙和裂隙总容积的绝大部分，是煤层气吸附储集是煤层气吸附储集的主要空间。的主

19、要空间。天然裂隙系统是煤中流体渗透的通道天然裂隙系统是煤中流体渗透的通道。由于双孔隙系统的存在，煤中气体的运移有由于双孔隙系统的存在，煤中气体的运移有两种机制，即在基块中的扩散及在裂隙中的渗透。两种机制，即在基块中的扩散及在裂隙中的渗透。三、煤的比表面积三、煤的比表面积煤的比表面积是单位质量的煤中孔隙的表面积，煤的比表面积是单位质量的煤中孔隙的表面积，m m2 2/g/g。煤中孔径小于。煤中孔径小于10nm10nm的微孔的比表面积在总比的微孔的比表面积在总比表面积中占有的比例最大。表面积中占有的比例最大。煤的比表面积是煤内部孔隙表面积的反映。煤的比表面积是煤内部孔隙表面积的反映。测定煤比表面积最简单的方法是测定煤比表面积最简单的方法是甲醇润湿热法甲醇润湿热法，这一方法误差较大，已不再使用。这一方法误差较大，已不再使用。现在多用现在多用吸附法测定煤的比表面积吸附法测定煤的比表面积，常用的吸，常用的吸附介质是氮、氦、氪、氙和二氧化碳。吸附介质不附介质是氮、氦、氪、氙和二氧化碳。吸附介质不同时，测定结果差别很大。