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煤与非煤源矿物(高岭石和黄铁矿)理化性质的对比研究——以大同晚古生代煤为例

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摘 要

Abstract

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Contents

图清单

表清单

自然界中各种常见矿物的磁化率(10-8m3kg-1)

研究主要工作量一览表

大同煤田煤中矿物赋存特征分析表

煤系高岭石和矿系高岭石化学成分和烧失量

Chemical composition and loss of ignition of coal

样品的X射线衍射数据

样品的红外结晶指数

Infrared crystallization index of the sample

矿系黄铁矿与煤系黄铁矿的化学成分分析(数据引自于进喜)

Analysis of chemical composition of ore pyrite and

煤系黄铁矿的EDX分析(%)

The EDX analysis of coal-derived pyrite (%)

煤系黄铁矿不同温度加热产物的磁化率及质量

矿系黄铁矿不同温度加热产物的磁化率及质量

矿物的磁化率值(10-8m3kg-1)(数据引自王建)

Magnetic Susceptibility Values of Minerals (10-8m3

实验样品热曲线参数

Thermal curve parameters of experimental samples

1 绪论

1 Introduction

1.1 研究意义(Research Significance)

1.2.1 煤中矿物的分布赋存特征

1.2.2 煤层夹矸中矿物的分布赋存特征

1.2.3 煤源与非煤源矿物的差异研究

1.2.4 黄铁矿与煤有机质之间的作用

1.2.5 存在的不足

1.3.1 研究思路

1.3.2 研究内容

1.3.3 创新性

1.3.4 流程与技术方法

1.3.5 论文工作量

2 大同煤田区域地质背景

2 The Regional Geological Background of Datong Coa

2.1 区域地理概况(Regional Geography Overview)

2.2 区域构造(Regional Structure)

2.3 晚古生代区域含煤地层(Coal-bearing Strata in the Late Pal

2.4 晚古生代区域煤系地层高岭岩的分布(The Distribution of Kaolinite

3 大同石炭-二叠纪煤层及夹矸中矿物的分布赋存特征

3 Characteristics of the Distribution of Minerals

3.1.1 X射线衍射分析方法

3.1.2 扫描电子显微镜

3.2 煤中矿物的分布赋存特征(Mineral Distribution and Occurrenc

3.2.1 概述

3.2.2 煤中矿物的种类及分布赋存

3.3 煤层夹矸中矿物的分布赋存特征(Characteristics of Distribution

3.3.1 概述

3.3.2 煤层夹矸中矿物的分布赋存

3.4 本章小结(Summary)

4 煤源高岭石与非煤源高岭石的理化性质差异

4 The Difference of Physicochemical Properties bet

4.1 引言(Introduction)

4.2 实验方法(Experimental Method)

4.2.1 样品烧失量的测定

4.2.2 样品化学成分的测定

4.2.3 样品晶形的测定

4.3.1 高岭石的化学成分与烧失量

4.3.2 高岭石的结晶度

4.4 本章小结(Summary)

5 煤源黄铁矿与非煤源黄铁矿的理化性质差异

5 The Difference of Physicochemical Properties bet

5.1 引言(Introduction)

5.2 密度(Density)

5.2.1 实验方法

5.2.2 结果与讨论

5.3 磁性(Magnetic)

5.3.1 实验方法

5.3.2 结果与讨论

5.4 热稳定性(Thermal Stability)

5.4.1 实验方法

5.4.2 结果与讨论

5.5 本章小结(Summary)

6 煤源黄铁矿与非煤源黄铁矿的理化性质差异机理

6 The Mechanism of Physicochemical Properties Diff

6.1 原煤与有机质中的官能团对比(Comparison of Functional Groups

6.1.1 实验方法

6.1.2 结果与讨论

6.2 煤中黄铁矿与有机质间的相互作用(Interaction between Pyrite and

6.2.1 样品的处理与实验步骤

6.2.2 实验结果分析

6.3 本章小结(Summary)

7 结论和建议

7 Conclusions and Suggestions

7.1 主要结论(Main Conclusions)

7.2 创新点(New Descoveries)

7.3 不足与展望(Deficiencies and Expectations)

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

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摘要

煤主要由矿物和有机质组成,但在其形成过程中矿物受到了有机质的影响,使得它们的物理化学性质与非煤源的矿物存在一定差异。为了探究此科学问题,本文利用扫描电子显微镜和X射线衍射分析了大同煤田石炭-二叠纪煤层及夹矸中常见的矿物种类和它们的赋存特征。在此基础上,以大同煤田煤层样、夹矸样、煤中剥离出的黄铁矿以及非煤源的高岭石和黄铁矿为研究对象,通过X射线荧光、X射线衍射和红外光谱等研究方法以及燃烧实验等,对比研究了煤源高岭石与非煤源高岭石的晶形差异,探究了有机质含量与晶形的关系;通过双比重瓶法、磁化率测试和黄铁矿的热解实验,对比研究了煤源黄铁矿与非煤源黄铁矿在密度、磁性及热稳定性方面的差异,并运用有机质萃取实验结合红外光谱法、煤样的热解实验,阐明了有机质对煤中黄铁矿的影响。主要得到以下成果和认识: (1)揭示了大同煤田石炭-二叠纪煤层及夹矸中常见的矿物种类和它们的赋存特征。大同煤田煤中的矿物主要为硅酸盐矿物、硫化物矿物、碳酸盐矿物、氧化物矿物,另外还有少量的卤化物矿物及硫酸盐矿物,其中硅酸盐中的高岭石为含量最高的矿物,其次为硫化物中的黄铁矿。高岭石以梭状、条带状和蠕虫状分布于煤中;黄铁矿则主要呈自形粒状、鱼子状、结核状、滚圆球形状、他型及裂隙充填状。煤层夹矸中的矿物主要为硅酸盐中的高岭石,主要呈片状和蠕虫状分布。 (2)明确了煤源与非煤源高岭石的物性差异。煤源高岭石的烧失量均大于非煤源高岭石的烧失量,表明煤源高岭石中有机质的含量高于非煤源高岭石。煤源高岭石的OI结晶指数和Hi指数均高于非煤源高岭石,表明煤源高岭石的结晶度高于非煤源高岭石。相关性分析表明,有机质含量与高岭石结晶度有很好的相关性,可能是有机质的存在为高岭石的生长结晶提供了更加有利的环境。在煤源高岭石中,有机质含量越高、高岭石与有机质结合的程度越紧密、高岭石颗粒越小,则煤源高岭石的结晶度越好。 (3)揭示了煤源与非煤源黄铁矿的物性差异特征。煤源黄铁矿的密度(3.5253 g/cm3~3.6729 g/cm3)远小于非煤源黄铁矿(4.8435 g/cm3~4.9226 g/cm3),碳峰的强度高于非煤源黄铁矿,S/Fe原子比小于非煤源黄铁矿,这可能是有机质对煤源黄铁矿产生了影响。煤源黄铁矿在500℃时磁性达到最大,非煤源黄铁矿在550℃时磁性达到最大,此温度高于煤源黄铁矿磁性最大点的温度,但最大失重量要低于煤源黄铁矿。煤源黄铁矿发生热解时的温度低于非煤源黄铁矿,最大失重量大于非煤源黄铁矿,这些都说明了有机质可能参与了煤源黄铁矿的作用。 (4)探究了煤中黄铁矿与煤有机质间的相互作用,揭示了煤源与非煤源矿物的物性差异机理。原煤样的THF萃取液中全部为有机质,并且含有更高的硫成分,除此之外,在有机质中还发现有较高含量的噻吩类杂环化合物,这说明了黄铁矿可能与有机质之间存在一定的作用。热解实验表明掺入黄铁矿的混合煤样的最大失重量大于原煤,即黄铁矿的存在加快了煤的热解,对煤的热解产生一定的催化作用;而且混合煤样中黄铁矿热解时的温度比纯黄铁矿分解时的温度低,表明了有机质对黄铁矿的分解也有一定的促进作用。但通过对比煤源黄铁矿与非煤源黄铁矿对煤热解产生的影响,得出了原煤样最大失重率大于混合煤样,最大失重温度小于混合煤样,即煤源黄铁矿具有更强的催化能力。

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