第二节　煤的物理性质

煤的物理性质是煤的一定化学组成和分子结构的外部表现。它是由成煤的原始物质及成煤过程、煤化程度和风化、氧化程度等因素决定的。包括煤的颜色、光泽、断口、裂隙、密度、力学性质、热性质、电性质和光性质等。分析和研究这些性质与煤的煤化程度的关系，为煤的基础理论研究、煤炭综合加工利用及研究煤的成因、组成、结构和变质机理提供重要信息。

一、煤的颜色和光泽

1．煤的颜色

煤的颜色是指新鲜煤（未被氧化）表面的天然色彩，是煤对不同波长的可见光吸收的结果。煤在普通的白光照射下，其表面的反射光所显的颜色称为表色。腐殖煤的表色随煤的煤化程度的提高而逐渐加深，通常由褐煤到烟煤、无烟煤，其颜色由棕褐色、黑褐色变为深黑色，甚至古铜色。煤中的水分常能使煤的颜色加深，但矿物杂质却能使煤的颜色变浅。

煤的粉色又叫条痕色，是指将煤研成粉末的颜色或煤在抹上釉的瓷板上刻划时条痕的颜色，它反映了煤的真正的颜色，一般是煤化程度越高，粉色越深。

2．煤的光泽

煤的光泽是指煤的新鲜断面在普通光下的反光能力，是肉眼鉴定煤的标志之一。腐殖煤的光泽通常可分为沥青光泽、玻璃光泽、金刚石光泽和似金属光泽等几种类型。煤化程度越高，光泽越强；矿物质含量越多，光泽越暗；风化、氧化程度越深，光泽越暗，直到完全消失。此外，煤的表面性质、断口和裂隙等也都会影响煤的光泽。所以在判断煤的光泽时一定要用未氧化的煤为标准。表2-4中列出了八种不同煤化程度煤的光泽、颜色和条痕色。

二、煤的断口和裂隙

1．煤的断口

煤块受到外力打击后形成的断面形状，称为煤的断口。煤的原始物质组成和煤化程度不同，断口形状各异，常见的有贝壳状断口、参差状断口、阶梯状断口、棱角状断口、粒状断口和针状断口等。根据煤的断口即可大致判断煤的物质组成的均一性和方向性。例如，贝壳状断口可作为光亮煤以及某些无烟煤类的特征，不规则状断口常是一些暗淡煤或高矿物质煤的特征。

2．煤的裂隙

煤的裂隙是指在成煤过程中煤受到自然界的各种应力的影响而产生的裂开现象。按裂隙的成因不同，可分为内生裂隙和外生裂隙两种。

内生裂隙是在煤化作用过程中，煤中的凝胶化物质受到地温和地压等因素的影响，使其体积均匀收缩，产生内张力而形成的一种裂隙。内生裂隙的发育情况与煤化程度和煤岩显微组分有密切关系。

煤的外生裂隙是在煤层形成以后，受构造应力的作用而产生的。由于外生裂隙组的方向常与附近的断层方向一致，因此研究煤的外生裂隙有助于确定断层的方向，这对提高采煤率和判断是否会发生煤尘爆炸和瓦斯爆炸具有一定的实际意义。

三、煤的密度

密度是反映物质特性的物理量，密度的大小取决于分子结构和分子排列的紧密程度。由于煤具有高度的不均一性，煤的体积在不同的情况下有不同的含义，因而煤的密度也有不同的表示方法。

（一）煤的密度的四种表示方法

1．煤的真密度（TRD）

煤的真密度是指在20℃时，单位体积（不包括煤的所有孔隙）煤的质量与同体积水的质量之比，用符号TRD来表示。它是煤的主要物理性质之一，在研究煤的煤化程度、确定煤的类别、选定煤在减灰时的重液分选密度等时，都要涉及煤的真密度。

煤的真密度的测定用密度瓶法，按国家标准（GB/T 217—2008）以水作置换介质，根据阿基米德定律进行计算。该法的基本要点：在20℃下，以十二烷基硫酸钠溶液为浸润剂，在一定容积的密度瓶中盛满水（加入少量浸润剂），放入一定质量的煤样，使煤样在密度瓶中润湿、沉降并排出吸附的气体，根据煤样的质量和它排出的同体积的水的质量计算煤的真密度。

（1）煤的真密度的计算公式

式中　——干燥煤的真密度；

md——干燥煤样的质量，g；

m1——密度瓶加煤样、浸润剂和水的质量，g；

m2——密度瓶加浸润剂和水的质量，g。

（2）干燥煤样的质量的计算

式中　m——空气干燥煤样的质量，g；

Mad——空气干燥煤样的水分，％。

（3）在室温下真密度的计算

式中　Kt——t℃时的温度校正系数。

式中　dt——水在t℃时的真密度；

d20——水在20℃时的真密度。

2．煤的视密度（ARD）

煤的视密度是指在20℃时，单位体积煤（不包括煤粒间的空隙，但包括煤粒内的孔隙）的质量与同体积水的质量之比，用符号ARD表示。

测定煤的视密度的要点是，称取一定粒度的煤样，表面用蜡涂封后（防止水渗入煤样内的孔隙中）放入密度瓶中，以十二烷基硫酸钠溶液为浸润剂，测出涂蜡煤粒所排开同体积水的溶液的质量，再计算出涂蜡煤粒的视密度，减去蜡的密度后，求出煤的视密度。

在计算煤的埋藏量时和对储煤仓的设计以及在煤的运输、磨碎、燃烧等过程的有关计算中都需要用煤的视密度这项指标。

3．煤的堆密度（BRD，散密度）

煤的堆密度是指单位体积（包括煤粒间的空隙也包括煤粒内的孔隙）煤的质量，即单位体积散装煤的质量，又叫煤的散密度。在设计煤仓、计算焦炉装煤量和火车、汽车、轮船装载量时要用煤的堆密度数据。堆密度的测定，可在一定容积的容器中用自由堆积方法装满煤，然后称出煤的质量，再换算成单位体积的质量。

4．纯煤真密度

纯煤真密度是指除去矿物质和水分后煤中有机质的真密度，它在高变质煤中可作为煤分类的一项参数，在国外已经有用来作为划分无烟煤类的依据。

（二）影响煤的密度的因素

1．成煤原始物质的影响

不同成因类型的煤，其密度是不同的。腐殖煤的真密度比腐泥煤的真密度高。如除去矿物质的纯腐殖煤的真密度为1.25g/cm3，而纯腐泥煤的真密度为1.0g/cm3。这主要是由于成煤的原始物质不同及煤有机质的分子结构特性不同引起的。

2．煤岩组成的影响

对于同一煤化程度的煤，煤岩成分不同其真密度也不同。在同一煤化程度的四种宏观煤岩成分中，以丝灰的真密度最大，暗煤次之，亮煤和镜煤最小。

3．矿物质的影响

煤中矿物质对煤的密度影响很大，矿物质的密度比煤中的有机质的密度大。例如，常见的黏土密度为2.4～2.6g/cm3，石英为2.65g/cm3，黄铁矿为5.0g/cm3。所以，煤中矿物质含量越多，煤的密度越大。一般认为，煤的灰分产率每增加1％，煤的真密度要增加0.01％。

4．煤化程度的影响

由于各种因素的综合影响，煤的密度大体上随着煤化程度的加深而逐渐提高。当煤化程度不高时真密度增加较慢，当接近无烟煤时，真密度增加很快。各类型煤的真密度范围大致如下：泥炭为0.72g/cm3；褐煤为0.8～1.35g/cm3；烟煤1.25～1.50g/cm3；无烟煤为1.36～1.80g/cm3。

显微煤岩组分的真密度随煤化程度的变化如图2-8所示。从低煤化度开始，随煤化程度的提高，煤的真密度缓慢减小，到碳含量为86％～89％的中等煤化程度时，煤的真密度最低，约为1.30g/cm3，此后，煤化程度再提高，煤的真密度急剧提高到1.80g/cm3左右。

煤的真密度随煤化程度的变化是煤分子结构变化的宏观表现。从化学结构的角度看，煤的真密度反映了煤分子结构的紧密程度和化学组成的特点。

四、煤的力学性质

煤的力学性质是指煤在机械力作用下所表现出的各种特性，主要包括煤的硬度、可磨性和抗碎强度。

（一）煤的硬度

煤的硬度是指煤抵抗外来机械作用的能力。由于外界物体作用方式的不同，煤的硬度可分为划痕硬度、压痕硬度和耐磨硬度。常用的是前面两种。

1．煤的划痕硬度（又称莫氏硬度）

它是用一套标准矿物刻划煤来判定煤的相对硬度。标准矿物的莫氏硬度见表2-5。煤的莫氏硬度一般在2～4之间，与煤化程度有关，褐煤和焦煤的硬度最小，为2～2.5；无烟煤的硬度最大，接近于4。不同煤岩成分的硬度也不一样，同一煤化程度的煤，惰质组硬度最大，壳质组最小，镜质组居中。划痕硬度的准确性较差，在科学研究上一般采用显微硬度的指标。

2．煤的显微硬度（即压痕硬度）

煤的显微硬度是指煤对坚硬物体压入的对抗能力。一般采用特殊形状（角锥形、圆锥形等）的金刚石压锥，在一定载荷下压入煤样表面，并持续一定时间，卸除荷重，在显微镜下观测压痕大小后求出显微硬度。以压锥与煤实际接触的单位面积上的荷重来表示（kg/mm2）。

显微硬度与煤化程度之间的关系是靠背椅式的变化规律，如图2-9所示。“椅背”是无烟煤，“椅面”是烟煤，“椅腿”是褐煤。褐煤阶段显微硬度随煤化程度加深而增加，在附近有一最大值；烟煤阶段，显微硬度不断降低，在wdaf（C）=89％附近有一最低值，之后又迅速升高；至无烟煤阶段几乎呈直线上升，因此显微硬度可作为详细划分无烟煤的指标。

（二）煤的可磨性（HGI）

煤的可磨性是指煤被磨碎成粉的难易程度。这是一个与标准煤比较而得出的相对指标。可磨性指数越大，煤越易被粉碎，反之则较难粉碎。随着煤化程度的增高，煤的可磨性指数呈抛物线变化（见图2-10），在低煤化度阶段，随煤化程度的增加，煤的可磨性缓慢增加，在碳含量为87％～90％时，可磨性迅速增大，在碳含量为90％左右达到最大值，此后随煤化程度的进一步提高而迅速下降。

煤的可磨性指数的测定方法很多，但其都是根据破碎定律建立的，即在研磨煤粉时所消耗的功与煤所立生的新表面积成正比。目前，中国测定煤的可磨性指数的标准（GB/T 2565—2014），采用哈特格罗夫法，计算公式如下

HGI=13+6.93m　　（2-6）

式中　HGI——煤样的哈氏可磨性指数；

m——通过0.071mm筛孔（200目）的试样质量，g。

（三）煤的落下强度

煤的落下强度（SS）是指一定粒度的煤样在外力作用下，抵抗破碎的能力。以在规定条件下，一定粒度的煤样自由落下后大于25mm的煤块占原煤样的质量分数表示。

煤的落下强度的测定方法：按国家标准（GB/T 15459—2006）将粒度在60～100mm的块煤，从2m高处自由落下到规定厚度的钢板上，然后依次将落到钢板上的粒度大于25mm的煤块再次落下，共落下3次，以3次落下后粒度大于25mm的块煤占原块煤煤样的质量分数表示煤的落下强度（SS25）

式中　SS25——煤的落下强度，％；

m——煤样质量，g；

m1——试验后大于25mm的筛上物质量，g。

煤的落下强度与煤化程度、煤岩成分、矿物含量以及风化、氧化等因素有关。煤的落下强度随煤化程度的变化规律如图2-11所示。由图可见，中等煤化程度的煤落下强度较低。在不同的煤岩成分中，暗煤的落下强度最高，镜煤次之，丝炭最低；矿物质含量较高的煤的落下强度较高；煤受到风化和氧化后落下强度降低。

五、煤的热性质

煤的热性质主要用于煤的热加工（煤的干馏、气化和液化等）过程及其传热计算，与煤的结构密切相关。煤的热性质包括煤的比热容、导热性和热稳定性。

1．煤的比热容

在一定温度范围内，单位质量的煤，温度升高1℃所需要的热量，称为煤的比热容，也叫煤的热容量，单位为kJ/（kg·℃）或J/（g·℃）。煤的比热容与煤化程度、水分、灰分和温度等因素有关。一般随煤化程度的加深而减小，随着水分升高而增大，随着灰分的增加而减小。煤的比热容随温度的升高呈抛物线形变化，在350℃时，煤的比热容有最大值；当温度增加到1000℃时，煤的比热容降至与石墨的比热容相接近。

2．煤的导热性

煤的导热性包括热导率λ［W/（m·K）］和导温系数α（m2/h）两个基本常数，它们之间的关系可用下式表示。

式中　c——煤的比热容，kJ/（kg·K）；

ρ——煤的密度，kg/m3。

煤的热导率λ是热量在煤中直接传导的速率，表示煤的散热能力，与煤的煤化程度、水分、灰分、粒度和温度有关。试验表明：泥炭的热导率最低，烟煤的热导率明显比泥炭高，烟煤中焦煤和肥煤的热导率最小，而无烟煤有更高的热导率。同一种煤，煤的热导率随温度、煤中水分和矿物质含量的增高都有所增大。一般块煤或型煤、煤饼的热导率比同种煤的粉末煤和粉煤大。

煤的导温系数α是指煤所具有的随温度变化（加热或冷却）的能力，是煤不稳定导热的一个特征物理量。α值越大，温度随时间和距离的变化越快。煤的导温系数有与煤的热导率相似的影响因素，也因水分的增加而提高。

3．煤的热稳定性

煤的热稳定性是指块煤在高温下，燃烧和气化过程中对热的稳定程度，即块煤在高温下保持原来粒度的性能，用TS表示。

测定方法是：取6～13mm的煤样在850℃下加热并保温15min，取出冷却后用6mm的筛子筛分，计算筛上物质量占焦渣总质量的百分数，用TS+6表示。TS+6值越大，则煤的热稳定性越好。

一般褐煤的热稳定性最差，其次是无烟煤，烟煤则较好。煤的热稳定性和成煤过程中的地质条件有关，也和煤中矿物质的组成及其化学成分有关。

六、煤的光学性质

1．煤的反射率

在反射光下，显微组分表面的反射光强度占入射光强度的百分数称为反射率，以R（％）表示。各组显微组分的反射率不同，镜质组反射率的变化幅度大，规律明显，因此通常以镜质组的反射率作为确定变质程度的标准。在确定煤的变质程度（煤阶）时，以用油浸物镜测得的镜质组的平均随机反射率Rran（或Rman）作为重要的鉴定指标。

煤的反光性随着变质程度的增高而增强。测定反射率应用的是光电效应原理。目前使用的反射率测试装置是光电倍增管显微光度计，测定煤的反射率时需要和已知反射率的标准片对比。

2．煤的荧光性

煤的荧光性是指煤中稳定组与部分镜质组用蓝光、紫外线、X射线或阴极射线激发而发射出各种颜色和不同强度的可见光。煤的荧光分析是近十几年发展起来的方法。利用荧光显微镜可以非常清楚地鉴别出各种壳质组分，并发现了一些新的显微组分。此外，还可以进行荧光强度测定和光谱测定，确定褐煤和低煤阶烟煤的煤化程度，鉴定显微组分，确定煤阶。荧光研究可帮助判断煤的结焦性和液化性能，判断煤的风化、氧化程度。

3．煤的透光率

煤的透光率是指煤样和稀硝酸溶液，在100℃（沸腾）的温度下，加热90min后，所产生的有色溶液，对一定波长的光（475nm）透过的百分数。透光率能较好地区分低煤化程度的煤，是区分褐煤和长焰煤（最年轻的烟煤）的指标。

煤的透光率的测定方法是将低变质程度煤与硝酸和磷酸的混合酸在规定条件下反应产生有色溶液。根据有色溶液颜色的深浅，以不同浓度的重铬酸钾硫酸溶液为标准，用目视比色法测定煤样的透光率，以符号PM表示。用途：年轻煤煤化程度指标，用于分类。一般年轻褐煤的PM小于30％，年老褐煤的PM在30％～50％之间；长焰煤的PM通常大于50％；气煤的PM一般大于90％。

七、煤的电性质与磁性质

煤的电性质和磁性质，主要包括导电性、介电常数、抗磁性、磁化率等。研究煤的电性质和磁性质，对于煤的结构研究及其工业应用具有很大的意义。

（一）煤的导电性

煤的导电性是指煤传导电流的能力。通常用电阻率（比电阻）、电导率表示。

1．电阻率

电阻率是一个仅与材料的性质、形状和大小有关的物理量，在数值上等于电流沿长度为1cm，截面积为1cm2的圆柱形材料轴线方向通过时的电阻。

2．电导率

电导率等于电阻率的倒数。煤是一种导体或半导体。根据煤导电性质的不同，可分为电子导电性和离子导电性两种。煤的电子导电性是依靠组成煤的基本物质成分中的自由电子导电，如无烟煤具有电子导电性；离子导电性是依靠煤的孔隙中水溶液的离子导电，如褐煤就具有离子导电性。煤的电导率随着煤化程度的加深而增加，煤的含碳量达到87％以后，电导率急剧增加。在自然条件下，不同煤的电阻率变化范围很大，可由10-4Ω·m到大于104Ω·m。这是由于煤的电阻率受煤化程度、煤岩成分、矿物质的数量和组成、煤的水分、孔隙率和煤的构造等因素影响的结果。

（二）煤的介电常数

煤的介电常数，是指当煤介于电容器两板间的蓄电量和两板间为真空时的蓄电量之比。

式中　C0——真空时的电容量；

C——加入煤后的电容量。

ε是综合反映物质极化行为的宏观物理量。物质在电场作用下极化能力越强，介电常数ε的值越大，导电性越好。水分对介电常数的影响极大，测定煤的介电常数时必须采用十分干燥的煤样。煤的介电常数随煤化程度的增加而减小，在含碳量为87％处出现极小值，然后又急剧增大。

（三）煤的磁性质

1．煤的磁性

磁性是物质放在不均匀的磁场中会受到磁力作用的性质，与磁场相吸的称为顺磁性，相斥的称为抗磁性。煤的磁性质与煤结构有关，是煤研究的基础。煤的有机质具有抗磁性，即在外磁场的作用下产生的附加磁场与外磁场的方向相反。

2．磁化率

磁化率是指磁化强度M（抗磁性物质是附加磁场强度）和外磁场强度H之比，用κ表示。它是物质的单位体积磁化率，是物质的一种宏观磁性质。

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

3．相对磁化率

化学上常用相对磁化率χ表示物质磁性的大小。相对磁化率是在10-4T（T为磁感应强度单位，特斯拉）磁场下，1g物质所呈现的磁化率（即单位质量的磁化率）。煤的相对磁化率随着煤化程度加深呈直线增加，见图2-12。在含碳量为79％～91％阶段，直线的斜率减小。煤的相对磁化率在烟煤阶段增加最慢，而在无烟煤阶段增加最快，在褐煤阶段增加速率居中。利用相对磁化率可计算煤的结构参数。利用煤与矿物质在磁性上的差异，将它们分离开来，即磁选法选煤。

小结

测试题

一、填空题

1．煤的光泽通常可分为（　）光泽、（　）光泽、（　）光泽和（　）光泽。

2．煤的密度可表示为（　）、（　）、（　）和（　），影响煤真密度的因素有（　）、（　）、（　）和（　）。

3．对同一煤样，煤的密度数值大小为（　）>（　）>（　）。

4．根据机械力的不同，煤的硬度分为（　）、（　）、（　），常用的是（　）。

5．煤的硬度分为（　）和（　），其中刻划硬度又叫（　），按此类划分煤的硬度，其硬度一般为（　）。

6．测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．煤的抗碎强度可分为（　）、（　）、（　）。

8．煤的导电性的强弱用（　）或（　）表示。电阻率越小，电导率（　），煤的导电能力（　）。

9．有色溶液透光率的测定方法有（　）和（　）。

10．煤的导电有（　）和（　）；无烟煤以（　）为主，褐煤以（　）为主。

二、简答题

1．图2-9中能看出煤的显微硬度与含碳量存在着怎样的变化规律？三个阶段分别以什么煤为主？为什么？

2．图2-12中能看出煤的抗磁性磁化率与煤化程度存在怎样的变化规律？三个阶段分别以什么煤为主？

3．简述煤的主要物理性质。

4．什么是煤的真密度、视密度、堆密度和纯煤真密度？它们有什么区别？它们与煤质的关系如何？

5．煤中的矿物质主要有哪几类？煤的显微硬度与煤化程度有何关系？为什么？