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小保当富镜煤与富惰煤大分子结构模型构建及分子模拟

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中国煤炭 2024年第4期50卷 105-114页

作者：邹晓艳李焕同朱志蓉姚征马越赵培商洛学院城乡规划与建筑工程学院陕西省商洛市726000 西安科技大学地质与环境学院陕西省西安市710054 陕西省地质调查院陕西省西安市710054 陕西小保当矿业有限公司陕西省榆林市719000

运用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)及^(13)C核磁共振谱等方法,分析研究了小保当煤富镜质组分离物(XV)和富惰质组分离物(XI)的大分子结构。研究结果表明,小保当煤中氧元素主要是以羰基、醚键、醚氢键、羟基环氢键等形... 详细信息

运用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)及^(13)C核磁共振谱等方法,分析研究了小保当煤富镜质组分离物(XV)和富惰质组分离物(XI)的大分子结构。研究结果表明,小保当煤中氧元素主要是以羰基、醚键、醚氢键、羟基环氢键等形式存在,XI结构中的羰基氧含量高于XV结构;氮元素主要以吡啶型氮(N-6)和吡咯型(N-5)的形式存在,XPS S(2p)谱信号极弱,在构建平均结构模型时不考虑硫的赋存形式。XV和XI的芳碳率分别为57.91%和66.02%、桥碳和周碳之比分别为0.17和0.33、脂肪碳和芳香碳之比分别为0.97和0.71;XV较XI含有较多的链状或者环状脂肪结构,XV结构中芳香核以苯和萘为主,平均尺寸为0.448 nm,平均缩合环数为2.68;XI结构中芳香核以萘和蒽为主,平均尺寸为0.676 nm,平均缩合环数为3.03。2种煤大分子结构的分子式分别为C_(170)H_(150)O_(40)N_(2)与C_(192)H_(136)O_(37)N_(2),利用所构建的分子结构模型可进一步研究煤的热解、孔隙结构演化及煤层气吸附等机理。

关键词：富镜煤富惰煤分子结构模型密度模拟核磁共振谱模拟孔隙模拟

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湖南寒婆坳矿区煤层夹矸的岩石矿物特征及其地质意义

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煤炭科学技术 2022年第4期50卷 206-212页

作者：李焕同张卫国王楠潘彦宁陈应涛西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室陕西西安710054

煤变质程度升高和煤层夹矸中矿物的转化与周围变形环境变化密切相关,利用偏光显微镜、X射线衍射(XRD)等测试手段,对湖南寒坡坳矿区煤层夹矸的岩石矿物学特征、伊利石结晶度等进行了研究,并探讨了黏土矿物特征直接或间接指示煤变质程度,... 详细信息

煤变质程度升高和煤层夹矸中矿物的转化与周围变形环境变化密切相关,利用偏光显微镜、X射线衍射(XRD)等测试手段,对湖南寒坡坳矿区煤层夹矸的岩石矿物学特征、伊利石结晶度等进行了研究,并探讨了黏土矿物特征直接或间接指示煤变质程度,以及对温度、压力等变化的响应。结果表明:黏土矿物这一层状结构硅酸盐矿物对研究区变形环境变化反应十分敏感,煤层夹矸中红柱石(空晶石)与伊利石、叶蜡石和绿泥石等共生,伊利石结晶度高,结晶度分布于0.14060°~0.09090°△2θ,平均晶层厚度(L_(c))大于566×10^(-1) nm;利用伊利石(001)峰面积、半高宽分别与不规则部分γ峰的面积和半高宽的比值,伊利石结晶有序度显示与煤有机结构演化一致的特征;镜质体反射率和拉曼光谱地质温度计揭示煤系石墨形成的变质温度为400~500℃或更高,指示研究区煤层遭受低级浅变质作用,煤层夹矸中伊利石为2M_(1)多型,b_(0)分布于8.8836~9.0305×10^(-1) nm,指示煤层及围岩遭受低中压的变形环境,形成的压力条件在250~400 MPa或更高;依据不同变质程度煤的XRD结构参数随形成温度的变化,显示较高的受热条件是有机质演化和夹矸中矿物转变的重要因素,但是相近温度变化区间内煤中有机质结构单元面网间距(d_(002))持续减小,指示着地质过程强烈的构造应力能明显催化石墨化进程。

关键词：湖南寒坡坳矿区煤层夹矸矿物特征伊利石煤系石墨

陕北侏罗纪富镜煤和富惰煤分子结构的FTIR,XPS和13C NMR表征

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光谱学与光谱分析 2022年第8期42卷 2624-2630页

作者：李焕同朱志蓉乔军伟李宁姚征韩伟西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室陕西西安710054 陕西省地质调查院陕西西安710054

侏罗纪优质煤炭资源为煤制油、制气等清洁高效利用提供了丰富的物质基础,其显微组分以富集惰质组为特征,而镜质组与惰质组大分子结构在很大程度上决定了煤的物理化学性质和工艺性能,进而决定了煤炭资源的综合利用效率及附加值。采集并... 详细信息

侏罗纪优质煤炭资源为煤制油、制气等清洁高效利用提供了丰富的物质基础,其显微组分以富集惰质组为特征,而镜质组与惰质组大分子结构在很大程度上决定了煤的物理化学性质和工艺性能,进而决定了煤炭资源的综合利用效率及附加值。采集并制备了陕北侏罗纪煤田小保当煤矿和柠条塔煤矿的原煤(XR)、富镜质组煤(XV、NV)和富惰质组煤(XI、NI)样品,利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、固体C核磁共振谱(C NMR)等手段,结合煤质分析结果,定量表征了不同显微组分富集物分子结构的差异。研究结果表明:XI和NI煤中芳烃结构芳环取代程度低,主要以3个相邻、4~5个相邻的氢原子形式存在,苯环上氢原子较少被其他官能团取代,同时其结构中芳烃CC骨架振动明显,脂肪结构中亚甲基伸缩振动强度较低,并且甲基含量略高于富镜煤,CO基团相对含量略高,表明富惰煤有较多含氧桥键相连的芳香结构,其结构中脂族链、脂环基团脱落、断裂以及芳烃富集,支链相对较少且长度较短,芳碳率、芳香度、芳环缩合程度及成熟度较高。XV和NV煤中表面结构中碳的赋存形态“C—C,C—H”,“C—O”的相对含量高于富惰煤,反映其结构中应含较多的芳环取代的脂肪族侧链,XI和NI煤表面结构中氧的赋存形态以“C—O”为主,“CO”和“COO—”明显高于富镜煤。XV和XI煤的芳碳率分别为57.91%和66.02%,脂甲基碳分别为10.02%和7.84%,质子化芳碳为非质子化芳碳的两倍,XV煤的羰基和羧基碳相对含量较高,两者桥碳和周碳之比分别为0.25和0.40,芳香核结构平均缩合环数分别为2.68和3.03,平均尺寸分别为0.448和0.676 nm,XI煤结构中芳香核以萘和蒽为主,支链化度L分别为0.22和0.19,表明XV比XI存在较多脂肪侧链、饱和环结构,生烃(油)潜力大。

关键词：富镜煤富惰煤傅里叶红外光谱 X射线光电子能谱固体核磁共振谱大分子结构

不同堆砌层数煤系石墨的拉曼光谱表征及其表面石墨化均匀程度

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光谱学与光谱分析 2022年第8期42卷 2616-2623页

作者：李焕同曹代勇邹晓艳朱志蓉张卫国夏炎西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室陕西西安710054 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 宁夏回族自治区煤炭地质局宁夏银川750011

采用多激发波长(325,405,514,633和785 nm)以及显微拉曼面扫描技术对不同芳香层片平均堆砌层数的煤系石墨及其表面石墨化均匀程度进行表征。结果表明:对无序石墨,石墨微晶的尺寸较小并任意取向,随着平均堆砌度及堆砌层数增加,石墨微晶... 详细信息

采用多激发波长(325,405,514,633和785 nm)以及显微拉曼面扫描技术对不同芳香层片平均堆砌层数的煤系石墨及其表面石墨化均匀程度进行表征。结果表明:对无序石墨,石墨微晶的尺寸较小并任意取向,随着平均堆砌度及堆砌层数增加,石墨微晶边缘的拉曼光谱特征显现。在无序结构向有序转化的同时,石墨微晶缺陷逐渐消亡,拉曼光谱一级模中D3、D4峰逐渐不显著或消失,但是其倍频峰均微弱出现,尤其2D1峰强度逐渐增大。将I/I参数的含义进一步引申为缺陷类型及平均定向性,且无烟煤的I/I极大,随着石墨微晶尺寸增大(d同激发波长下G峰半高宽总是随着无序度的减小而减小,D1峰和2D1峰等均显示较强的色散效应,各峰强度随激发光能量的增大而增大,在紫外激发下,D1和G峰峰位差显著小于可见光激发。随激发波长的增加,D1峰向着低波数方向移动,2D1峰色散约为D1峰的两倍。高煤级煤石墨化过程中,非定向的芳香碳经历一系列的物理、化学结构演变产生各种中间相态,如残留煤岩显微组分(变镜质组和变惰质组)和新生的石墨组分(热解炭等)共存,因此采用(I-I)/(P)≥0.3,I/I<0.4,A/A<0.45等作为石墨和半石墨的界线,利用平面扫描区域成像来表征样品石墨化的表面均匀程度,取频数分布置信区间≤0.9来综合判定样品表面石墨化度为84.16%~86.40%,平均为85.49%,与利用X射线衍射(XRD)参数估计的石墨化度相当。

关键词：拉曼光谱多激发波长成像技术不同堆砌层数色散煤系石墨

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陕南地区中煤阶煤分子结构演化特征

西安科技大学学报 2023年第6期43卷 1118-1127页

作者：李焕同邹晓艳张卫国乔军伟中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室湖北武汉430074 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 商洛学院城乡规划与建筑工程学院陕西商洛726000

为研究陕南地区中煤阶煤结构中官能团的变化,以北秦岭商洛煤产地和上扬子镇巴煤产地的8个中等变质程度煤样为研究对象,采用X射线衍射和傅里叶红外光谱对煤结构进行表征,结合分峰拟合来获取官能团的相对含量及结构参数。结果表明:随着镜... 详细信息

为研究陕南地区中煤阶煤结构中官能团的变化,以北秦岭商洛煤产地和上扬子镇巴煤产地的8个中等变质程度煤样为研究对象,采用X射线衍射和傅里叶红外光谱对煤结构进行表征,结合分峰拟合来获取官能团的相对含量及结构参数。结果表明:随着镜质体反射率增大,芳环层面网间距逐渐减小,堆砌度与延展度逐渐增大,芳香度在反射率为1.30%时出现拐点;中煤阶煤芳香结构中苯环取代方式以三取代和二取代为主,随着变质程度的增高,苯环二取代的比例升高,脂肪族结构逐渐脱落导致相对比例降低,含氧官能团的吸收峰强度逐渐减弱,其中在反射率为1.3%时羰基相对含量最低;自缔合羟基、醚氧羟基和环羟基的相对含量均呈先减小后增大的趋势,煤分子结构中链状结构的环化使环状羟基相对含量在反射率为1.30%后增大,环化作用增强导致甲基含量减少,分子结构空间排列紧密,自缔合羟基相对含量增加;红外结构参数芳碳率、芳香性、芳香环缩聚程度和CH _(2)/CH_(3)等随反射率的增大而增大,成熟度的变化与醚氧或酚羟基的转化相关。总体上芳香结构相对含量增大,脂族结构减少,缩聚程度增加,生烃潜力随反射率增大,反映煤结构的生烃潜力降低。

关键词：中煤阶煤 X射线衍射测试傅里叶红外光谱煤分子结构陕南地区

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王庄煤矿地质环境综合评价研究

王庄煤矿地质环境综合评价研究

作者：李焕同河北工程大学

学位级别：硕士

近年来随着煤炭资源开发力度不断加强,矿山地质环境恶化带来的危害也愈来愈严重。矿山地质环境及相伴的地质灾害问题成为制约矿区可持续发展的重要因素。研究煤矿区煤炭资源开发与地质环境、社会经济和人类的相互关系,实现环境效益与社... 详细信息

近年来随着煤炭资源开发力度不断加强,矿山地质环境恶化带来的危害也愈来愈严重。矿山地质环境及相伴的地质灾害问题成为制约矿区可持续发展的重要因素。研究煤矿区煤炭资源开发与地质环境、社会经济和人类的相互关系,实现环境效益与社会效益的协调统一,经济、环境、社会的和谐、可持续发展等成为当前面临的一项紧迫任务。在充分收集煤炭资源开发的基础数据包括矿区及其周围的地质背景条件、自然地理条件、水文、气象、人文学科等资料的基础上,通过现场踏勘以获取有关煤炭开发引发的次生地质灾害、地形地貌景观的破坏、含水层破坏、建筑设施及土地资源的影响和破坏第一手数据,为研究矿区内环境地质问题提供依据。本文在调查王庄煤矿地质环境现状的基础上,分析矿区现有的地质环境问题,得出王庄煤矿最主要的矿山地质环境问题是采空区沉陷及其对含水层的破坏等。由于目前针对矿山地质环境单一问题进行的研究较多,但如何对影响因素众多、性质复杂的矿山地质环境系统进行综合评价研究还处于起步阶段。采用层次分析法数学模型,深入分析王庄煤矿煤炭开发地质环境问题产生的原因,构建王庄矿区煤炭开采环境地质问题的相关模型和进行地质环境综合评价,研究工作包括评价指标体系、模型的构建、指标权重的确定、指标的分级与评分和评价结果的分级,对地质环境承载力进行分类,提出矿区地质环境可持续发展模式,为地质环境保护与恢复治理提供科学依据。

关键词：地质环境承载力环境地质问题综合评价评价指标体系王庄煤矿

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柠条塔煤矿富油煤赋存特征及其成煤环境控制

煤炭技术 2022年第4期41卷 63-66页

作者：李焕同朱志蓉张战波郭书全乔军伟姚征师庆民西安科技大学地质与环境学院西安710054 陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司陕西神木719300 陕西省地质调查院西安710054

为查明柠条塔煤矿富油煤煤岩煤质变化特征、成煤环境,通过收集整理的煤岩特征、工业分析、元素分析等数据,统计分析镜惰比、形态硫分布、灰成分指数、三角端元图及干酪根类型等参数,探讨各煤层参数变化及成煤环境。结果表明:各煤层焦油... 详细信息

为查明柠条塔煤矿富油煤煤岩煤质变化特征、成煤环境,通过收集整理的煤岩特征、工业分析、元素分析等数据,统计分析镜惰比、形态硫分布、灰成分指数、三角端元图及干酪根类型等参数,探讨各煤层参数变化及成煤环境。结果表明:各煤层焦油产率平均值7.5%~11.5%,以富油煤为主,煤岩组分中惰质组含量较高,镜惰比为0.65~1.62,煤系剖面上呈低-高-低变化特征,与焦油产率、硫分均呈正相关关系;灰分及灰成分指数显示成煤沼泽接近陆源区,覆水程度较浅,2^(-2)、3^(-1)和4^(-2)煤偏向于覆水较深的还原性环境;活性组分(镜质组+壳质组)、挥发分及氢含量较高的煤层,焦油产率也高,惰质组含量高则相反;各煤层煤化程度相当于石油开始形成阶段。

关键词：富油煤焦油产率成煤环境煤岩煤质特征柠条塔煤矿

基于化学浸取法的石煤中稀有金属元素赋存状态

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煤炭学报 2021年第10期46卷 3255-3267页

作者：张卫国杨建业李军李焕同车晓阳西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室陕西西安710021 西安科技大学材料科学与工程学院陕西西安710054 陕煤集团神木张家峁矿业有限公司陕西神木719316 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室陕西西安710054

石煤中伴生有多种稀有金属元素,开发利用潜力巨大。稀有金属元素的赋存状态限制和影响了其从石煤中被提取出来的可能和效率,同时也决定了有害元素向周边环境的迁移、转化能力。立足石煤属性特点,设计了一套石煤稀有金属元素赋存状态分... 详细信息

石煤中伴生有多种稀有金属元素,开发利用潜力巨大。稀有金属元素的赋存状态限制和影响了其从石煤中被提取出来的可能和效率,同时也决定了有害元素向周边环境的迁移、转化能力。立足石煤属性特点,设计了一套石煤稀有金属元素赋存状态分析的实验方案,根据物料平衡原则及相关参数对实验结果进行了系统的评价和验证,认为该实验方案设计合理、逻辑严谨、可操作性强,结果可信,适用于石煤中稀有金属元素赋存状态研究。通过对不同赋存状态中稀有金属元素质量分数分配情况进行分析得出,石煤中稀有金属元素赋存状态种类多样,总体以无机态为主,其中以杂矿态居多。其中Zr,Nb,Hf,Ta与杂矿态(石英、伊利石及难溶硅酸盐矿物)结合紧密,Li,V,Cr,Ga,Y,Ba,Bi,Th以杂矿态形式存在为主,Cu,Rb,Mo,Cd,Sb,W与有机质关系密切,Co,Ni,Zn,Y,Cd,Bi,Th与碳酸盐矿物存在联系,Y,Mo,Tl,Th存在少量的氧化物态,其他元素氧化物态含量较低;Co,Ni,Cu,Zn,Mo,Cd存在一定量的水溶态形式;大部分元素不存在或存在微量吸附态形式。研究结果有助于指导稀有金属元素的联合开发,有助于减缓有害元素向周边环境的迁移。根据石煤中稀有金属元素赋存特征,建议在石煤稀有金属元素提取工艺设计中选取温和、可控的破坏有机质方案,有机质破坏后再进行无机矿物态元素提取;重点关注“杂矿态”中赋存的稀有金属元素的联合提取,并且要注意残渣、废液的回收,以减少和监控有害元素向环境的迁移转化。

关键词：石煤稀有金属元素赋存状态化学浸取法湘东北

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石煤中钒-钼-硒等伴生元素研究

稀有金属 2019年第10期43卷 1092-1102页

作者：张卫国侯恩科杨建业李焕同桓斌斌西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室陕西西安710054 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室陕西西安710021 西安科技大学材料科学与工程学院陕西西安710054

石煤是一种古老的劣质无烟煤,因其伴生有多种稀有元素而备受关注。我国是世界上少数拥有石煤资源的国家之一,石煤资源的综合开发具有广阔前景。文章全面系统的总结了我国石煤资源的特点、分布、伴生元素等情况,重点阐述了石煤中钒、钼... 详细信息

石煤是一种古老的劣质无烟煤,因其伴生有多种稀有元素而备受关注。我国是世界上少数拥有石煤资源的国家之一,石煤资源的综合开发具有广阔前景。文章全面系统的总结了我国石煤资源的特点、分布、伴生元素等情况,重点阐述了石煤中钒、钼、硒、砷、氟等元素的含量水平、赋存状态和矿物载体。石煤中钒元素储量丰厚,不同地区钒资源品位良莠不齐,钒在石煤中的赋存状态复杂多变。石煤提钒工艺研究历史久远,但钒的回收率并不乐观,石煤中提钼是综合利用石煤的新途径之一。石煤中硒、砷、氟含量普遍高于中国煤均值,三者为环境敏感元素,石煤开发利用已经对周围环境和人类健康造成了严重影响,加强石煤中有害元素的迁移转化规律研究是控制其利用过程中释放有毒元素的保障。从稀有金属元素开发利用和有毒有害元素环境污染角度分析了研究过程中存在的问题和对策,为我国石煤资源的绿色、高效、综合开发利用提出了建议。

关键词：石煤钒钼硒砷氟