第二節　煤的物理性質

煤的物理性質是煤的一定化學組成和分子結構的外部表現。它是由成煤的原始物質及成煤過程、煤化程度和風化、氧化程度等因素決定的。包括煤的顏色、光澤、斷口、裂隙、密度、力學性質、熱性質、電性質和光性質等。分析和研究這些性質與煤的煤化程度的關系，為煤的基礎理論研究、煤炭綜合加工利用及研究煤的成因、組成、結構和變質機理提供重要信息。

一、煤的顏色和光澤

1．煤的顏色

煤的顏色是指新鮮煤（未被氧化）表面的天然色彩，是煤對不同波長的可見光吸收的結果。煤在普通的白光照射下，其表面的反射光所顯的顏色稱為表色。腐殖煤的表色隨煤的煤化程度的提高而逐漸加深，通常由褐煤到煙煤、無煙煤，其顏色由棕褐色、黑褐色變為深黑色，甚至古銅色。煤中的水分常能使煤的顏色加深，但礦物雜質卻能使煤的顏色變淺。

煤的粉色又叫條痕色，是指將煤研成粉末的顏色或煤在抹上釉的瓷板上刻劃時條痕的顏色，它反映了煤的真正的顏色，一般是煤化程度越高，粉色越深。

2．煤的光澤

煤的光澤是指煤的新鮮斷面在普通光下的反光能力，是肉眼鑒定煤的標志之一。腐殖煤的光澤通常可分為瀝青光澤、玻璃光澤、金剛石光澤和似金屬光澤等幾種類型。煤化程度越高，光澤越強；礦物質含量越多，光澤越暗；風化、氧化程度越深，光澤越暗，直到完全消失。此外，煤的表面性質、斷口和裂隙等也都會影響煤的光澤。所以在判斷煤的光澤時一定要用未氧化的煤為標準。表2-4中列出了八種不同煤化程度煤的光澤、顏色和條痕色。

二、煤的斷口和裂隙

1．煤的斷口

煤塊受到外力打擊后形成的斷面形狀，稱為煤的斷口。煤的原始物質組成和煤化程度不同，斷口形狀各異，常見的有貝殼狀斷口、參差狀斷口、階梯狀斷口、棱角狀斷口、粒狀斷口和針狀斷口等。根據煤的斷口即可大致判斷煤的物質組成的均一性和方向性。例如，貝殼狀斷口可作為光亮煤以及某些無煙煤類的特征，不規則狀斷口常是一些暗淡煤或高礦物質煤的特征。

2．煤的裂隙

煤的裂隙是指在成煤過程中煤受到自然界的各種應力的影響而產生的裂開現象。按裂隙的成因不同，可分為內生裂隙和外生裂隙兩種。

內生裂隙是在煤化作用過程中，煤中的凝膠化物質受到地溫和地壓等因素的影響，使其體積均勻收縮，產生內張力而形成的一種裂隙。內生裂隙的發育情況與煤化程度和煤巖顯微組分有密切關系。

煤的外生裂隙是在煤層形成以后，受構造應力的作用而產生的。由于外生裂隙組的方向常與附近的斷層方向一致，因此研究煤的外生裂隙有助于確定斷層的方向，這對提高采煤率和判斷是否會發生煤塵爆炸和瓦斯爆炸具有一定的實際意義。

三、煤的密度

密度是反映物質特性的物理量，密度的大小取決于分子結構和分子排列的緊密程度。由于煤具有高度的不均一性，煤的體積在不同的情況下有不同的含義，因而煤的密度也有不同的表示方法。

（一）煤的密度的四種表示方法

1．煤的真密度（TRD）

煤的真密度是指在20℃時，單位體積（不包括煤的所有孔隙）煤的質量與同體積水的質量之比，用符號TRD來表示。它是煤的主要物理性質之一，在研究煤的煤化程度、確定煤的類別、選定煤在減灰時的重液分選密度等時，都要涉及煤的真密度。

煤的真密度的測定用密度瓶法，按國家標準（GB/T 217—2008）以水作置換介質，根據阿基米德定律進行計算。該法的基本要點：在20℃下，以十二烷基硫酸鈉溶液為浸潤劑，在一定容積的密度瓶中盛滿水（加入少量浸潤劑），放入一定質量的煤樣，使煤樣在密度瓶中潤濕、沉降并排出吸附的氣體，根據煤樣的質量和它排出的同體積的水的質量計算煤的真密度。

（1）煤的真密度的計算公式

式中　——干燥煤的真密度；

md——干燥煤樣的質量，g；

m1——密度瓶加煤樣、浸潤劑和水的質量，g；

m2——密度瓶加浸潤劑和水的質量，g。

（2）干燥煤樣的質量的計算

式中　m——空氣干燥煤樣的質量，g；

Mad——空氣干燥煤樣的水分，％。

（3）在室溫下真密度的計算

式中　Kt——t℃時的溫度校正系數。

式中　dt——水在t℃時的真密度；

d20——水在20℃時的真密度。

2．煤的視密度（ARD）

煤的視密度是指在20℃時，單位體積煤（不包括煤粒間的空隙，但包括煤粒內的孔隙）的質量與同體積水的質量之比，用符號ARD表示。

測定煤的視密度的要點是，稱取一定粒度的煤樣，表面用蠟涂封后（防止水滲入煤樣內的孔隙中）放入密度瓶中，以十二烷基硫酸鈉溶液為浸潤劑，測出涂蠟煤粒所排開同體積水的溶液的質量，再計算出涂蠟煤粒的視密度，減去蠟的密度后，求出煤的視密度。

在計算煤的埋藏量時和對儲煤倉的設計以及在煤的運輸、磨碎、燃燒等過程的有關計算中都需要用煤的視密度這項指標。

3．煤的堆密度（BRD，散密度）

煤的堆密度是指單位體積（包括煤粒間的空隙也包括煤粒內的孔隙）煤的質量，即單位體積散裝煤的質量，又叫煤的散密度。在設計煤倉、計算焦爐裝煤量和火車、汽車、輪船裝載量時要用煤的堆密度數據。堆密度的測定，可在一定容積的容器中用自由堆積方法裝滿煤，然后稱出煤的質量，再換算成單位體積的質量。

4．純煤真密度

純煤真密度是指除去礦物質和水分后煤中有機質的真密度，它在高變質煤中可作為煤分類的一項參數，在國外已經有用來作為劃分無煙煤類的依據。

（二）影響煤的密度的因素

1．成煤原始物質的影響

不同成因類型的煤，其密度是不同的。腐殖煤的真密度比腐泥煤的真密度高。如除去礦物質的純腐殖煤的真密度為1.25g/cm3，而純腐泥煤的真密度為1.0g/cm3。這主要是由于成煤的原始物質不同及煤有機質的分子結構特性不同引起的。

2．煤巖組成的影響

對于同一煤化程度的煤，煤巖成分不同其真密度也不同。在同一煤化程度的四種宏觀煤巖成分中，以絲灰的真密度最大，暗煤次之，亮煤和鏡煤最小。

3．礦物質的影響

煤中礦物質對煤的密度影響很大，礦物質的密度比煤中的有機質的密度大。例如，常見的黏土密度為2.4～2.6g/cm3，石英為2.65g/cm3，黃鐵礦為5.0g/cm3。所以，煤中礦物質含量越多，煤的密度越大。一般認為，煤的灰分產率每增加1％，煤的真密度要增加0.01％。

4．煤化程度的影響

由于各種因素的綜合影響，煤的密度大體上隨著煤化程度的加深而逐漸提高。當煤化程度不高時真密度增加較慢，當接近無煙煤時，真密度增加很快。各類型煤的真密度范圍大致如下：泥炭為0.72g/cm3；褐煤為0.8～1.35g/cm3；煙煤1.25～1.50g/cm3；無煙煤為1.36～1.80g/cm3。

顯微煤巖組分的真密度隨煤化程度的變化如圖2-8所示。從低煤化度開始，隨煤化程度的提高，煤的真密度緩慢減小，到碳含量為86％～89％的中等煤化程度時，煤的真密度最低，約為1.30g/cm3，此后，煤化程度再提高，煤的真密度急劇提高到1.80g/cm3左右。

煤的真密度隨煤化程度的變化是煤分子結構變化的宏觀表現。從化學結構的角度看，煤的真密度反映了煤分子結構的緊密程度和化學組成的特點。

四、煤的力學性質

煤的力學性質是指煤在機械力作用下所表現出的各種特性，主要包括煤的硬度、可磨性和抗碎強度。

（一）煤的硬度

煤的硬度是指煤抵抗外來機械作用的能力。由于外界物體作用方式的不同，煤的硬度可分為劃痕硬度、壓痕硬度和耐磨硬度。常用的是前面兩種。

1．煤的劃痕硬度（又稱莫氏硬度）

它是用一套標準礦物刻劃煤來判定煤的相對硬度。標準礦物的莫氏硬度見表2-5。煤的莫氏硬度一般在2～4之間，與煤化程度有關，褐煤和焦煤的硬度最小，為2～2.5；無煙煤的硬度最大，接近于4。不同煤巖成分的硬度也不一樣，同一煤化程度的煤，惰質組硬度最大，殼質組最小，鏡質組居中。劃痕硬度的準確性較差，在科學研究上一般采用顯微硬度的指標。

2．煤的顯微硬度（即壓痕硬度）

煤的顯微硬度是指煤對堅硬物體壓入的對抗能力。一般采用特殊形狀（角錐形、圓錐形等）的金剛石壓錐，在一定載荷下壓入煤樣表面，并持續一定時間，卸除荷重，在顯微鏡下觀測壓痕大小后求出顯微硬度。以壓錐與煤實際接觸的單位面積上的荷重來表示（kg/mm2）。

顯微硬度與煤化程度之間的關系是靠背椅式的變化規律，如圖2-9所示。“椅背”是無煙煤，“椅面”是煙煤，“椅腿”是褐煤。褐煤階段顯微硬度隨煤化程度加深而增加，在附近有一最大值；煙煤階段，顯微硬度不斷降低，在wdaf（C）=89％附近有一最低值，之后又迅速升高；至無煙煤階段幾乎呈直線上升，因此顯微硬度可作為詳細劃分無煙煤的指標。

（二）煤的可磨性（HGI）

煤的可磨性是指煤被磨碎成粉的難易程度。這是一個與標準煤比較而得出的相對指標。可磨性指數越大，煤越易被粉碎，反之則較難粉碎。隨著煤化程度的增高，煤的可磨性指數呈拋物線變化（見圖2-10），在低煤化度階段，隨煤化程度的增加，煤的可磨性緩慢增加，在碳含量為87％～90％時，可磨性迅速增大，在碳含量為90％左右達到最大值，此后隨煤化程度的進一步提高而迅速下降。

煤的可磨性指數的測定方法很多，但其都是根據破碎定律建立的，即在研磨煤粉時所消耗的功與煤所立生的新表面積成正比。目前，中國測定煤的可磨性指數的標準（GB/T 2565—2014），采用哈特格羅夫法，計算公式如下

HGI=13+6.93m　　（2-6）

式中　HGI——煤樣的哈氏可磨性指數；

m——通過0.071mm篩孔（200目）的試樣質量，g。

（三）煤的落下強度

煤的落下強度（SS）是指一定粒度的煤樣在外力作用下，抵抗破碎的能力。以在規定條件下，一定粒度的煤樣自由落下后大于25mm的煤塊占原煤樣的質量分數表示。

煤的落下強度的測定方法：按國家標準（GB/T 15459—2006）將粒度在60～100mm的塊煤，從2m高處自由落下到規定厚度的鋼板上，然后依次將落到鋼板上的粒度大于25mm的煤塊再次落下，共落下3次，以3次落下后粒度大于25mm的塊煤占原塊煤煤樣的質量分數表示煤的落下強度（SS25）

式中　SS25——煤的落下強度，％；

m——煤樣質量，g；

m1——試驗后大于25mm的篩上物質量，g。

煤的落下強度與煤化程度、煤巖成分、礦物含量以及風化、氧化等因素有關。煤的落下強度隨煤化程度的變化規律如圖2-11所示。由圖可見，中等煤化程度的煤落下強度較低。在不同的煤巖成分中，暗煤的落下強度最高，鏡煤次之，絲炭最低；礦物質含量較高的煤的落下強度較高；煤受到風化和氧化后落下強度降低。

五、煤的熱性質

煤的熱性質主要用于煤的熱加工（煤的干餾、氣化和液化等）過程及其傳熱計算，與煤的結構密切相關。煤的熱性質包括煤的比熱容、導熱性和熱穩定性。

1．煤的比熱容

在一定溫度范圍內，單位質量的煤，溫度升高1℃所需要的熱量，稱為煤的比熱容，也叫煤的熱容量，單位為kJ/（kg·℃）或J/（g·℃）。煤的比熱容與煤化程度、水分、灰分和溫度等因素有關。一般隨煤化程度的加深而減小，隨著水分升高而增大，隨著灰分的增加而減小。煤的比熱容隨溫度的升高呈拋物線形變化，在350℃時，煤的比熱容有最大值；當溫度增加到1000℃時，煤的比熱容降至與石墨的比熱容相接近。

2．煤的導熱性

煤的導熱性包括熱導率λ［W/（m·K）］和導溫系數α（m2/h）兩個基本常數，它們之間的關系可用下式表示。

式中　c——煤的比熱容，kJ/（kg·K）；

ρ——煤的密度，kg/m3。

煤的熱導率λ是熱量在煤中直接傳導的速率，表示煤的散熱能力，與煤的煤化程度、水分、灰分、粒度和溫度有關。試驗表明：泥炭的熱導率最低，煙煤的熱導率明顯比泥炭高，煙煤中焦煤和肥煤的熱導率最小，而無煙煤有更高的熱導率。同一種煤，煤的熱導率隨溫度、煤中水分和礦物質含量的增高都有所增大。一般塊煤或型煤、煤餅的熱導率比同種煤的粉末煤和粉煤大。

煤的導溫系數α是指煤所具有的隨溫度變化（加熱或冷卻）的能力，是煤不穩定導熱的一個特征物理量。α值越大，溫度隨時間和距離的變化越快。煤的導溫系數有與煤的熱導率相似的影響因素，也因水分的增加而提高。

3．煤的熱穩定性

煤的熱穩定性是指塊煤在高溫下，燃燒和氣化過程中對熱的穩定程度，即塊煤在高溫下保持原來粒度的性能，用TS表示。

測定方法是：取6～13mm的煤樣在850℃下加熱并保溫15min，取出冷卻后用6mm的篩子篩分，計算篩上物質量占焦渣總質量的百分數，用TS+6表示。TS+6值越大，則煤的熱穩定性越好。

一般褐煤的熱穩定性最差，其次是無煙煤，煙煤則較好。煤的熱穩定性和成煤過程中的地質條件有關，也和煤中礦物質的組成及其化學成分有關。

六、煤的光學性質

1．煤的反射率

在反射光下，顯微組分表面的反射光強度占入射光強度的百分數稱為反射率，以R（％）表示。各組顯微組分的反射率不同，鏡質組反射率的變化幅度大，規律明顯，因此通常以鏡質組的反射率作為確定變質程度的標準。在確定煤的變質程度（煤階）時，以用油浸物鏡測得的鏡質組的平均隨機反射率Rran（或Rman）作為重要的鑒定指標。

煤的反光性隨著變質程度的增高而增強。測定反射率應用的是光電效應原理。目前使用的反射率測試裝置是光電倍增管顯微光度計，測定煤的反射率時需要和已知反射率的標準片對比。

2．煤的熒光性

煤的熒光性是指煤中穩定組與部分鏡質組用藍光、紫外線、X射線或陰極射線激發而發射出各種顏色和不同強度的可見光。煤的熒光分析是近十幾年發展起來的方法。利用熒光顯微鏡可以非常清楚地鑒別出各種殼質組分，并發現了一些新的顯微組分。此外，還可以進行熒光強度測定和光譜測定，確定褐煤和低煤階煙煤的煤化程度，鑒定顯微組分，確定煤階。熒光研究可幫助判斷煤的結焦性和液化性能，判斷煤的風化、氧化程度。

3．煤的透光率

煤的透光率是指煤樣和稀硝酸溶液，在100℃（沸騰）的溫度下，加熱90min后，所產生的有色溶液，對一定波長的光（475nm）透過的百分數。透光率能較好地區分低煤化程度的煤，是區分褐煤和長焰煤（最年輕的煙煤）的指標。

煤的透光率的測定方法是將低變質程度煤與硝酸和磷酸的混合酸在規定條件下反應產生有色溶液。根據有色溶液顏色的深淺，以不同濃度的重鉻酸鉀硫酸溶液為標準，用目視比色法測定煤樣的透光率，以符號PM表示。用途：年輕煤煤化程度指標，用于分類。一般年輕褐煤的PM小于30％，年老褐煤的PM在30％～50％之間；長焰煤的PM通常大于50％；氣煤的PM一般大于90％。

七、煤的電性質與磁性質

煤的電性質和磁性質，主要包括導電性、介電常數、抗磁性、磁化率等。研究煤的電性質和磁性質，對于煤的結構研究及其工業應用具有很大的意義。

（一）煤的導電性

煤的導電性是指煤傳導電流的能力。通常用電阻率（比電阻）、電導率表示。

1．電阻率

電阻率是一個僅與材料的性質、形狀和大小有關的物理量，在數值上等于電流沿長度為1cm，截面積為1cm2的圓柱形材料軸線方向通過時的電阻。

2．電導率

電導率等于電阻率的倒數。煤是一種導體或半導體。根據煤導電性質的不同，可分為電子導電性和離子導電性兩種。煤的電子導電性是依靠組成煤的基本物質成分中的自由電子導電，如無煙煤具有電子導電性；離子導電性是依靠煤的孔隙中水溶液的離子導電，如褐煤就具有離子導電性。煤的電導率隨著煤化程度的加深而增加，煤的含碳量達到87％以后，電導率急劇增加。在自然條件下，不同煤的電阻率變化范圍很大，可由10-4Ω·m到大于104Ω·m。這是由于煤的電阻率受煤化程度、煤巖成分、礦物質的數量和組成、煤的水分、孔隙率和煤的構造等因素影響的結果。

（二）煤的介電常數

煤的介電常數，是指當煤介于電容器兩板間的蓄電量和兩板間為真空時的蓄電量之比。

式中　C0——真空時的電容量；

C——加入煤后的電容量。

ε是綜合反映物質極化行為的宏觀物理量。物質在電場作用下極化能力越強，介電常數ε的值越大，導電性越好。水分對介電常數的影響極大，測定煤的介電常數時必須采用十分干燥的煤樣。煤的介電常數隨煤化程度的增加而減小，在含碳量為87％處出現極小值，然后又急劇增大。

（三）煤的磁性質

1．煤的磁性

磁性是物質放在不均勻的磁場中會受到磁力作用的性質，與磁場相吸的稱為順磁性，相斥的稱為抗磁性。煤的磁性質與煤結構有關，是煤研究的基礎。煤的有機質具有抗磁性，即在外磁場的作用下產生的附加磁場與外磁場的方向相反。

2．磁化率

磁化率是指磁化強度M（抗磁性物質是附加磁場強度）和外磁場強度H之比，用κ表示。它是物質的單位體積磁化率，是物質的一種宏觀磁性質。

煤的抗磁性磁化率一般采用古埃磁力天平測定。順磁性物質，M和H方向相同，κ>0；而抗磁性物質，M和H方向相反，κ<0。

3．相對磁化率

化學上常用相對磁化率χ表示物質磁性的大小。相對磁化率是在10-4T（T為磁感應強度單位，特斯拉）磁場下，1g物質所呈現的磁化率（即單位質量的磁化率）。煤的相對磁化率隨著煤化程度加深呈直線增加，見圖2-12。在含碳量為79％～91％階段，直線的斜率減小。煤的相對磁化率在煙煤階段增加最慢，而在無煙煤階段增加最快，在褐煤階段增加速率居中。利用相對磁化率可計算煤的結構參數。利用煤與礦物質在磁性上的差異，將它們分離開來，即磁選法選煤。

小結

測試題

一、填空題

1．煤的光澤通常可分為（　）光澤、（　）光澤、（　）光澤和（　）光澤。

2．煤的密度可表示為（　）、（　）、（　）和（　），影響煤真密度的因素有（　）、（　）、（　）和（　）。

3．對同一煤樣，煤的密度數值大小為（　）>（　）>（　）。

4．根據機械力的不同，煤的硬度分為（　）、（　）、（　），常用的是（　）。

5．煤的硬度分為（　）和（　），其中刻劃硬度又叫（　），按此類劃分煤的硬度，其硬度一般為（　）。

6．測定煤的可磨性普遍采用的方法是（　），HGI越大，表明煤的可磨性（　）。

7．煤的抗碎強度可分為（　）、（　）、（　）。

8．煤的導電性的強弱用（　）或（　）表示。電阻率越小，電導率（　），煤的導電能力（　）。

9．有色溶液透光率的測定方法有（　）和（　）。

10．煤的導電有（　）和（　）；無煙煤以（　）為主，褐煤以（　）為主。

二、簡答題

1．圖2-9中能看出煤的顯微硬度與含碳量存在著怎樣的變化規律？三個階段分別以什么煤為主？為什么？

2．圖2-12中能看出煤的抗磁性磁化率與煤化程度存在怎樣的變化規律？三個階段分別以什么煤為主？

3．簡述煤的主要物理性質。

4．什么是煤的真密度、視密度、堆密度和純煤真密度？它們有什么區別？它們與煤質的關系如何？

5．煤中的礦物質主要有哪幾類？煤的顯微硬度與煤化程度有何關系？為什么？