煤镜质组反射率指标的特点与正确应用

1、用煤反射率分布图监控焦化来煤质量、指导堆放与炼焦配煤,海南大学材料化工学院 姚伯元 电话邮箱： 2011 年7月23日,报告内容一煤镜质组反射率指标的特点与正确应用,煤镜质组反射率指标在煤质检验与指导炼焦配煤中的独特作用已成为共识。在其走出科学研究殿堂，获得广泛应用过程中，不断发现有待解决的新问题。如当用煤镜质组最大反射率平均值与其它煤质指标判断的煤种不一致时，应以那个指标为准？对煤反射率的表达指标与测定方法优劣都还存在争议等。 对煤镜质组反射率指标区别于其他煤质指标特点的深刻认识，是利用其优势的基础。在应用煤镜质组反射率指标时，由这些测定数据推断的可能是达几万吨

2、煤的性质。因此不仅要求单个数据测定准确，而且推断结果的准确度与精密度受统计规律制约。,11反射率指标是统计结果，准确度与精密度都与测定的数据个数有关。 反射率定义为反射光占垂直入射光的百分比。煤镜质组随机反射率平均值（简称Rr）、最大反射率平均值（简称Rmax）与标准偏差（简称S）都是由若干单个镜质组测定数据计算得到。反射率分布图由单个测定数据按阶统计后绘制。 实际上，单个镜质组测定数据都是带有测定误差，独立同分布服从正态分布的随机变量。测定结果实质上是由测定数据样本对镜质组总体性质的推断。 测定准确度指推断结果对于真值不带有系统偏差。经反射率标准物质校正后的测定仪器，测定数据已不带有系统偏差

3、。当测定数据无限多时，期望值即为真值。但当测定数据有限时，由平均值推断期望值的准确性则与样本容量有关。,测定精密度是与测定随机误差有关的概念，可由标准方差S衡量。S是评价各测定值偏离平均值的指标。S也与样本容量有关。 按数理统计规律，可取测定数据平均值可使测定结果的标准方差可降低至单个测定数据的1/n（n为测定数据个数），在有关数据修约规则的国家标准中，取4个数据平均值可增加一位有效位数。据此，即使测定仪器精密度即使不能使测定数据满足精密度要求，取多个数据平均值即可满足测定结果精密度要求。 若煤中各点的镜质组反射率相同，则每次测定相当于其他煤质指标测定一个煤样。但煤不同颗粒的镜质组反射率有差异

4、，因此相当于其他煤质指标测定多个煤样。反射率测定结果是在反映这种差异的基础上由测定数据对总体的推断，仍符合样本容量越大，推断偏差越小的统计规律。,煤岩制样取样、缩分等过程产生的误差，与其它煤质指标制样无异。常规煤质指标多采用粒度0.2mm，1g的煤样测定，煤颗粒数可达4万以上，远较反射率测定数据多。每个煤颗粒性质对测定结果都有贡献，因此由测定结果推断煤总体性质产生的误差由于点数多可以忽略不计。 可见，由有限测定数据得到的煤镜质组反射率测定结果推断煤镜质组总体性质产生的误差大于其他煤质指标推断煤总体性质产生的误差。这是反射率测定结果的重现性、再现性等与精密度等指标尚不能与其他煤质指标相比的深层次

5、原因。按增加测定点数是提高测定结果精密度的有效途径的统计原理，当煤镜质组反射率测定数据多达数万时，测定结果的精密度可与其它煤种指标相当。 例如，单煤反射率分布图只有在测定点足够时才完美表现出表现出呈正态分布这一规律，图1-3为自动测定结果，镜质组有效点都达3000以上。当测定点数过少时（如不到50点），分布图往往不连续或怪异，测定点增加到100以上时，才基本上呈正态分布。,图1 佳华煤化工有限公司的印尼气煤二次重复性测定结果,图2佳华煤化工有限公司的鑫焱肥煤二次重复性测定结果,图3佳华煤化工有限公司的澳州焦煤重复性测定结果,二次再现性测定结果,1.2 煤镜质组反射率指标中存在代表偏差，对煤种的

6、判断不可靠。,用Rran、Rmax指标鉴别煤质时，实际上默认用镜质组性质代表了测定煤，由此产生的误差笔者称为镜质组代表偏差。例如，用Rmax指标判断的肥煤，用挥发分与G值判定可能为焦煤，这并非那个测定结果不准确。原因在于测定煤中所有组分对挥发分与G值都有贡献，不存在上述偏差的影响，判定的结果更可靠。 该偏差大小与镜质组含量有关。当测定煤中镜质组含量高时，该偏差小，与其他煤质指标判断的煤种不一致情况少见。笔者认为这是同一Rmax指标可对应多煤种、未能成为中国煤炭分类指标的深层次原因。当反射率指标其他煤质指标判断的煤种不一致时，不能以反射率指标为准。Rmax指标带有镜质组代表偏差，且无法自身估计与

7、消除的缺点应引起注意。,1.3 Rr指标判定的单煤煤阶准确可靠，判定的混煤煤阶可能虚假,煤阶（变质程度）指煤中以镜质组为代表的化学结构演化的阶段或程度，是影响煤性质最主要因素之一。煤镜质组反射率指标仅测定镜质组，避免了其他组分对测定结果的干扰，因此判断煤阶的准确性优于其它煤质指标，因此判断煤阶的国家标准中采用Rr指标。当Rr其他煤质指标判断的煤阶不一致时，应以Rr判断为准。 这种判断对于单煤，真实可靠，对于混煤，则可能虚假，只能称为指标煤阶。因为在大多数情况下与混煤中剥离出的单煤煤阶不一致。例如，图2混煤的指标煤阶为中阶烟煤，煤种为肥煤。但实际上是由Rr指标分别为1/3焦煤与焦煤的二种单煤构成

8、，各单煤的煤阶都与该煤的指标煤阶不同。,1.4 反射率分布图意义大于反射率指标,挥发分、G值等煤种指标与反射率指标虽然在判断煤种与煤阶方面各有优势，但都有共同缺点：都不能给出判别的真伪。例如，如由挥发分与粘结指数、反射率指标判断的焦煤既可能是单一焦煤，也可能是由其它煤混配出的假焦煤，二者在炼焦配煤中的作用显然不同。可见反射率指标的重要性与其他煤质指标相当，过多依赖无益而有害。 煤镜质组反射率测定更重要的意义在于获得反射率分布图。这是目鉴别单混煤 、给出判断煤种与煤阶真伪、计算混煤中单煤比例、在参配煤为混煤情况下确定炼焦配煤中单煤真实比例等应用唯一的依据。原理在于：单煤呈单峰分布且范围较窄，混煤

9、呈多峰分布且范围较宽。煤镜质组反射率的生命力在相当大的程度上在于充分发挥分布图的独特作用，笔者对此已有较多论述。对于上例，依据反射率分布图不难鉴别是单一焦煤还是假焦煤，甚至可进一步确定假焦煤中各单煤混配的比例。,1.5 消除镜质组代表偏差影响,在分析比较反射率分布图的应用中，可借助于显微煤岩组分数据消除镜质组代表偏差影响。如在采用曲线剥离分峰法确定混煤中单煤比例时，未消除该偏差影响前，计算结果只能大致准确：理论上无法进行真值范围估计，实践上有时与实际情况不符合。 在煤反射率测定满足随机化原则基础上，当构成混煤的各单煤镜质组含量一致时，在反射率分布图上，各单煤峰面积唯一与混入比例有关：混入比例高

10、，其镜质组在总镜质组中所占比例高，测定到机会多，因此各单煤峰面积占总面积百分比即为其混入比例。当各单煤镜质组含量不一致时，则混入比例还与镜质组含量有关。镜质组含量高的煤可则测定到机会多，可使其镜质组在总镜质组中所占比例高，增大其峰面积。,采用各单煤相对峰面积Si/ Vi（其中Si为第i个煤的峰面积，Vi为第i个煤的镜质组含量）后，则不再与其镜质组含量有关，而仅与其混入比例有关，消除了镜质组代表偏差影响，可对计算结果进行进行误差分析与估计真值范围估计。 可查阅来煤矿区资料或直接测定显微煤岩组分获得镜质组含量数据。因每一种煤的镜质组含量固定，使这一偏差具有固定性，一次确定即可。这种消除方法缺点有：

11、 （1）带入较大测定误差。按有关国家标准4,当测定有效点数为500点时，重复性测定允许偏差为24.5。 （2）而且人工或半自动测定太费时费力，自动化测定因难度更大而不完善。 （3）对于混煤测定的显微煤岩组分数据不能用于这种消除方法，因无法确定其归属。 还可以通过对比消除镜质组代表偏差的影响。如对于用配煤反射率分布图确定的合适配煤方案，可按其配备制一个煤样，实测其反射率分布图，其镜质组代表偏差与由按单煤配入比例合成的配煤反射率分布图相同。例如，实测反射率分布图上，某单煤由其镜质组含量少使按其峰面积计算的所占比例小于真实配比10%，则在合成的配煤反射率分布图上该单煤峰面积计算的所占比例加上这10%

12、，才是该单煤真实配比。,2、Rr与Rmax指标的特点与优劣分析,以往研究与应用中，习惯采用Rmax判断煤种或煤阶，不少学者因此认为只有直接测定的Rmax才准确。这种认识具有片面性。从理论上分析，煤镜质组光性为一轴晶负光率体，对于任意切面，只有最大（或最小）反射率是不变值，随机反射率会随切面角度不同而变化。据此认为直接测定最大反射率才准确而随机反射率不准确有一定道理。但直接测定最大反射率缺点明显： （1）对确定的镜质体,需要在旋转物台过程中观察记录多个值才能确定一个最大反射率测值，过程繁琐，效率低。 （2）对显微镜物镜中心调节要求高：在旋转物台过程中，选定的镜质组只能原地转动。否则在旋转物台过程

13、中偏离中心，则测定数据不正确。实际操作中，显微镜物镜中心常变化，为保证测定准确需要经常调节显微镜物镜中心，非常麻烦。 （3）只能测定少数点。国家标准规定，单煤的Rmax为至少50个测定点的平均值。 （4）测定值必须换算为随机反射率才能汇制反射率分布图。 鉴于上述缺点，直接测定煤镜质组最大反射率已逐渐少见。多数Rmax结果按煤镜质组反射率测定国家标准中给出的换算公式由Rr换算得到。,煤镜质组随机反射率测定：对确定的镜质体直接测定反射率,由于速度快,效率高，可测定较多测点。国家标准规定：单煤至少测定100个，混煤至少测定250有效点，计算平均值即为Rran。实际上，鉴于直接测定煤镜质组最大反射率的

14、费时费力，未见那个单位数据达250个以上，满足国家标准对混煤的测定要求。即使测定者能够忍受测定的费时费力，要求测定仪器长达数小时保持稳定状态，使测定值准确的难度较短时稳定也大得多。 由上述分析可知： Rmax与Rran这二个指标间的区别仅差一固定系数，无优劣之分，采用Rmax指标只是考虑到习惯。从测定方法看，随机反射率测定方便、测定数据较直接测定最大反射率多，推断镜质组总体偏差小，因此准确度与精密度更好。HD型全自动显微镜光度计应少数用户要求开发了可自动旋转物台并自动记录旋转过程中最大反射率值功能，提高了直接测定最大反射率自动化程度。但鉴于上述分析，不推荐测定者采用。 实际上，商品煤反射率分布

15、图判别方法与煤的镜质体反射率分级等国家标准中都规定测定随机反射率并采用Rran指标，直接测定最大反射率的方法渐趋淘汰。,3 煤镜质组反射率自动与半自动测定特点分析,自动测定实现测定全过程自动化，半自动测定实现移动样品、统计计算等过程自动化，仍由测定者判断测定对象。人工测定指所有过程由测定者完成。目前对识别测定对象以外的过程自动化无争议。表1比较了自动与半自动测定的特点。 笔者认为，具有优势的测定方法应表现在： （1）对不同样品，区分能力强。 （2）对同一样品，测定重现性与再现性好，如图1-4。 （3）易于操作，省时省力。 （4）测定结果客观。 理论分析与大量测定实践表明：这几种方法对煤种与煤阶

16、的区分能力相当，自动测定在重现性与再现性、结果客观性与省时省力等方面具有优势，见图1-4。 在HD全自动显微镜光度计为众多用户的安装调试过程中，都进行了Rr二次测定重复性考核。结果表明：大多数偏差在0.03左右，部分甚至达到0.01，少数在0.04左右，都小于国家标准规定的单煤不超过0.06，混煤不超过0.1的要求。少数单位的再现性考核表明：偏差在0.02-0.04。,表1 各种测定方法优缺点比较表,自动与半自动测定在反映测定样品中一些特殊情况方面各具优势。人工可精确识别弱粘煤、不粘煤与粘结物反射率之间的微小差异，测定不受影响，但当炼焦煤中混入少量（小于5%）这类煤时、半自动测定虽可发现，但常

17、因测定点少而测定不到，难以在结果中反映。自动测定这类煤的分布峰常因与粘结物分布峰部分重叠而异常，需要特殊处理才能区分。如图 a为自动消除粘结物后的测定结果，分布图异常。对此，应调出消除粘结物前的反射率分布图，见图b，人工确定煤反射率峰分布范围，消除低反射率的粘结物分布峰，才是正常测定结果，见图c。,3.1 识别镜质组方法的差异对测定结果的影响,产生自动与半测定结果不一致的原因在于：人工测定的是“无结构镜质体或基质镜质体”，仪器只能识别出镜质组，不同镜质体之间反射率存在微小差异。 HD型全自动显微镜光度计采用 “多点提取”法从测定的全组分中挑出镜质组：测定过程中，当测定点与前后左右测定点的反射率

18、基本一致时，作为有效点。研究测定的点行间距，使这些点控制的面积合适，即可确定出镜质组：镜质组各处反射率基本一致，满足上述条件。丝质组各处反射率不均一，绝大多数稳定组较小，不满足上述条件。个别较大的稳定组也满足上述条件，但反射率与镜质组有明显差异，不难剔除。制样过程加入的粘结物可连接成片，也满足上述条件，在反射率分布图上低反射率处形成分布峰，绝大多数情况下与镜质组反射率峰不重叠。可通过测定纯粘结物确定其分布图与测定的镜质组反射率分布图相减消除其影响。半镜质组与丝质组在反射率分布上呈宽范围的拖尾状，删除与正态分布峰不连贯这种拖尾状部分，可消除误判为镜质组的个别半镜质组与半丝质组。经这些步骤处理后，

19、给出自动测定结果，并依据有关国家标准自动对煤阶、煤类型的判断。,无疑这种方法在分辨组分方面不如人工识别，煤岩专家甚至对识别出的种镜质体追溯其来源的古植物，因此自动测定单个数据测值准确性不如半自动测定。但从实际应用需要与测定结果受统计规律制约方面有优势： （1）实际上绝大多数人工测定结果都是由经过一般培训的测定者完成，对镜质体的识别难免有差异。即使煤岩专家之间有时对识别的镜质体也有差异与争议。 （2）至今未见不同镜质体性质（如结焦性等）有差异的论述，实际应用中也无法区别对待这种差异。 （3）有效数据多，推断镜质组整体的误差小，未带入人为误差。 （4）因识别的为镜质组，未带入由镜质体推断镜质组的偏

20、差。 可见对镜质组更精细的分辨对反射率测定结果准确性无实质性好处。这二种方法的测定结果中都不可避免带有镜质组代表误差，影响测定结果准确性。但按数理统计理论推断，自动测定结果准确性应优于人工测定结果。,若将人工测定方法改为测定镜质组，不仅可消除这二种方法测定结果不一致问题，也有利于提高测定的准确性： （1）在相同时间内可测定更多数据，减少推断镜质组整体的误差。 （2）由于识别更容易，可减小测定者经验差异带入的误差。 （3）不会扩大镜质体代表误差。 鉴于测定费时费力，有些单位采用减少有效测定点数，如只测定70-80有效点，不按固定点行间距移动样品，以便易于寻找适合测定的镜质组等加快测定速度，显然又

21、进一步降低了测定结果的准确性与可靠性。,3.2 测定方法之间带有的系统误差对应用的影响,近二百个使用多年自动测定的单位实践表明：二种测定方法之间的系统误差对所有测定结果影响一致：都偏高（或偏低）另一种方法测定结果。这种系统误差对反射率分布图的影响是整体平移。多年应用实践表明：无论选择用那种测定方法（直接测定Rmax或由计算得到Rmax，人工、半自动、自动测定等），都不能避免有时与其他煤质指标判断不一致的情况，但未发现对基于比较反射率分布图的应用产生不利影响。对应用有重要影响的测定实时性与对测定煤的代表性都与测定结果是否带有上述系统偏差无关。 自动测定的反射率分布图一般都较人工测定的宽。,3.3

22、 消除测定方法之间的系统误差,由不同测定方法产生的系统偏差都具有系统性与固定性，且不难消除。虽然对于同一样品，自动与人工测定结果有差异，但测定多个样品后不难发现这种差异之间存在良好的线性相关关系，由实测数据建立的回归方程相关系数可达0.97，超过置信度为99%时显著性检验要求的临界值。可见消除自动测定结果带有的系统误差并不难：在煤焦反射率自动测定研究成果鉴定过程中，自动测定了一组由煤科院西安分院提供的煤样（包括了不同煤阶煤、不同类型煤），用统一的回归方程校正后，与由煤岩专家组成的测定工作组人工测定结果完全一致。HD全自动显微镜光度计对自动测定同时给直接测定结果与相当于人工测定的结果。 （2）不

23、同测定方法产生的系统偏差。 单个数据人工测定可能较自动测定准确，但由于测定点少，可能导致分布图形态不完整。还由于仅测定部分镜质组（均质镜质体或基质镜质体），扩大了代表性误差影响。不按固定点行间距移动的人工测定不满足统计要求的随机化条件，测定者经验差异带入的误差不稳定，难估计。这些都对对基于反射率分布图的应用产生不利影响。,单个数据人工测定可能较自动测定准确，但由于测定点少，可能导致分布图形态不完整。还由于仅测定部分镜质组（均质镜质体或基质镜质体），扩大了代表性误差影响。不按固定点行间距移动的人工测定不满足统计要求的随机化条件，测定者经验差异带入的误差不稳定，难估计。这些都对对基于反射率分布图的

24、应用产生不利影响。,4、煤镜质组反射率单个数据准确测定仪器条件,满足单个数据测定准确不难，不应将其神秘化。仅对单个测定数据准确测定易于产生片面认识与进行讨论与补充。 4.1显微镜条件： 能清楚辨认显微煤岩组分的各种偏光显微镜都可以使用，但国家标准规定要求使用20-60倍油浸物镜，以增大各种组分的反差。这种中倍油浸物镜难购且价格昂贵。近年来显微镜技术的发展大幅度提高了成像反差，即使在要求较煤岩测定高的领域，干物镜也能满足要求。中倍油浸物镜因仅在煤岩测定领域有需求，批量小，绝大多数显微镜厂家都不再生产。个别单位因油浸物镜损坏后采购不到，在干物镜下测定结果也满足指导生产的需要。可见，若对测定准确性分

25、级别要求，有利于推广应用,4.2 仪器状态校正,任何仪器直接测定的都是电压信号，由工作曲线转换为反射率。在煤反射率分布范围，要求电压信号与反射率信号应呈良好的线性关系，因此必须用三个以上标准物质测定工作曲线。 使单个数据测定准确得另一个关键是测定煤与标准物质的仪器状态必须一致。用标准物质确定仪器条件后，测定煤时又改变仪器状态是常见错误。笔者已发现的这类错误包括： 1、用标准物质的标定仪器状态后，又改变显微镜视域光栏的大小。 2、调用的工作曲线对应的不同电压信号值。例如，测定工作曲线时，用扎鎵石榴石校正仪器状态时，对应的电压信号为40毫伏，但调用的工作曲线中，扎鎵石榴石对应的电压信号为55毫伏。

26、 3、用标准物质的标定仪器状态后，又改变显微镜光路状态。例如有的型号显采用透反膜分光的显微镜进入光电转换器有50%与90%不同光路状态，采用50%分光状态用标准物质的标定仪器状态后，用90%分光状态测定煤。,4.3 测量光栏要求,规定要求测定仪器必须有直径不大于10微米测量光栏。测定“点”的大小即为测量光栏面积。测定值实际上是该面积上组分反射率的平均值。若用显微镜视域光栏代替测量光栏，只有当镜质组充满视域光栏，测定值才正确。显微镜视域光栏调节至最小直径也较测定光栏大许多倍，能充满该面积的无结构镜质组往往很少，若为寻找这类镜质组不按固定点行间距测定而放弃随机化原则，虽然单个测定数据准确，测定结果的代表性与准确性都会受影响。,4.4 光路中心要求,测量光栏须处于显微镜光路中心，确保由目镜十字标尺中心定位的镜质组反射光透过测量光栏。若使用HD全自动显微镜光度计的视频窗口代观察显微镜定位测定组分，见图7，则必须使其中心定位的组分与显微镜目镜目镜十字标尺中心定位的组分一致。为防止锁定标尺后由于振动等产生其中心位置偏离，当十字标尺中心上下