为探究断层构造作用对煤化学结构特征和微晶结构特征的影响, 采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析, 对红庆梁矿和段王矿的原生煤及断层构造煤进行分析。 结果表明, 受断层构造作用影响, 红庆梁、 段王断层构造煤中苯环二取代、 苯环四取代的含量明显大于原生煤, 苯环三取代和苯环五取代的含量低于原生煤, 断层构造煤中C-O-C伸缩振动、 -CH2反对称弯曲振动、 -CH3、 -CH2和芳环-OH含量均多于原生煤, 断层构造煤中醚C-O振动、 芳烃CC、 -CH和OH-π含量低于原生煤。 红庆梁、 段王断层构造煤的芳碳率fa是原生煤的1.01和1.03倍, 芳环缩合度DOC是原生煤的1.01倍和3.7倍, CH2/CH3值是原生煤样的0.933倍和0.94倍, 芳香度I分别是原生煤样的1.01倍和1.34倍。 说明断层构造作用促使官能团和脂肪链脱落, 增加煤的缩聚程度, 降低煤中脂肪侧链的长度, 增大芳香结构含量。 XRD测试结果表明, 原生煤和断层构造煤具有相近的矿物组分, 断层构造作用未对煤中矿物组分的类型产生明显的改变。 在2θ=26°附近存在特征(002)带, 表明存在少量的层状石墨结构, 然而在2θ=45°附近并没有清楚地显示(100)带, 说明煤中石墨结构的基面生长水平较低。 红庆梁、 段王断层构造煤的晶间间距d002值与原生煤相比变化很小, 微晶堆积高度Lc值分别是原生煤的0.904 5倍和0.902 7倍, 芳香度fa-XRD值分别是原生煤的1.143 9倍和1.066 9倍, 晶体堆叠平均层数Nave值分别是原生煤的0.909 45倍和0.923 56倍。 断层构造作用减小煤的芳香层片堆砌度, 增大煤的芳香度, 减少了煤微晶结构单元的堆叠层数, 说明断层构造促进煤中非芳香化合物向芳香化合物的转化。 断层构造煤的芳香度、 成熟度更高, 断层构造煤的燃烧反应性弱于原生煤。

煤结构是各类煤相关研究的微观基础, 光谱分析作为煤结构研究的重要方法被广泛应用, 其在煤结构研究中的进展对光谱分析方法的普及、 应用和发展有重要意义。 光谱分析方法研究煤结构已成为煤化工领域使用的常规方法, 能够快速无损检测, 对煤分子结构的破坏小, 可为不同环境条件下煤物理化学性质的变化提供有效的检测手段。 从光谱分析在煤质、 大分子结构、 煤中元素三个方面介绍光谱分析方法, 主要对傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 Raman光谱分析、 核磁共振谱(NMR)进行综述介绍, 阐明其在煤结构研究中的发展历史、 应用的关键研究结果及其意义。 综合国内外煤结构研究中的多种光谱分析方法及应用现状发现: 目前研究并没有彻底解决煤结构特征及性质变化的问题, 缺乏对煤结构光谱特征信息共性的总结, 未能形成煤中官能团和元素的不同光谱信息数据库, 存在光谱特征峰与煤结构信息不对等的问题, 即在某波长存在特征峰但无法与煤中官能团匹配, 或煤官能团受元素组成、 键能等影响对多波长产生响应的问题。 现阶段对原煤自然状态下结构的研究已经不能满足煤应用中产生的问题, 单一的光谱分析方法不能全面分析煤结构特征, 且对影响煤结构光谱特征变化因素的研究较少, 尤其是煤样的前处理和煤在萃取等过程中, 前处理液和萃取剂对煤光谱特征的影响。 展望光谱分析在煤结构的研究中可以从以下几方面入手: 光谱分析与其他方法的联用以综合描述煤结构, 如化学方法、 高分辨率透射电镜(HRTEM)、 扫描轨道显微镜(STM)、 质谱(MS)等方法的联用, 定性、 定量全面分析煤结构特征; 多种条件下煤结构及光谱特征, 现阶段应利用光谱分析方法研究煤在多种条件下的结构特征及性质变化, 解决煤在实际应用中的问题。 如对煤进行氧化、 氢化、 热解、 燃烧、 低温、 液化、 汽化等处理, 分析过程变化和产物特征, 有助于推测母体煤的结构, 了解煤的性质, 控制煤物理化学过程变化中的产物, 获取煤的精细化学品; 煤光谱分析特征信息库建立, 网络大数据背景下建立煤光谱分析特征信息库及可视化数据查询平台, 实现多条件模拟假设, 演示和探索煤结构在不同条件下的动态变化, 利用人工智能、 云计算方法实现煤各类光谱数据的处理分析, 增强光谱数据信息挖掘, 提升数据有效性和实用性。

认知煤中主要元素的结构与赋存是获取煤结构参数的基础, 对构建煤结构模型, 研究煤的反应特性, 合理利用煤炭资源具有重要意义。 目前煤结构研究多是针对中低变质程度煤的, 对炼焦煤结构研究较少, 炼焦煤的结构模型尚未见报道。 应用FTIR对新阳炼焦煤中羟基基团、 脂肪结构、 芳香结构、 含氧官能团及杂原子结构进行谱学表征, 通过XPS解析煤中氮和硫的赋存形式, 掌握炼焦煤中主要元素的禀赋特征。 结果表明: 新阳煤中与芳香环上的π电子形成的羟基π氢键是羟基的主要存在形式, 多聚体是煤结构中缔合结构的具体表现； 次甲基、 甲基、 亚甲基的含量依次增加, 亚甲基和次甲基含量占煤中脂肪烃总量的82.05%, 煤中烷基侧链较多； 苯环二取代、 苯环三取代是煤中芳香烃的主要结构, 占芳香烃总量的86.74%； 含氧官能团中, 羟基和羰基是主要组成基团, 羧基和醚基含量不足10%。 新阳煤中硅的含量比较丰富, 主要以Si—O—Si和Si—O—C的形态赋存。 吡啶、 吡咯和氮氧化物为氮的主要存在形式, 绝大多数氮分布于煤分子结构单元的边缘； 噻吩硫是煤中有机硫最主要的赋存形式, 超过有机硫总量的60%, 砜和亚砜的含量次之, 硫醇和硫醚的赋存最少。

为了煤的洁净、 高效和高附加值利用, 需要从分子水平上了解煤的结构。 在文献<参考文献原文>中, 作者以元素分析和13C核磁共振为依据构建了神东煤镜质组（SV）的结构模型, 所建模型的13CNMR模拟计算结果能很好的和实验结果比对, 为了进一步验证该模型的准确性, 以半经验量子化学计算方法VAMP对SV模型结构的红外谱进行了计算。 结果显示模拟计算得到的红外谱图与实验谱图相比峰形相似, 但整个计算谱明显偏向高波数区域。 经过对相关模型化合物的红外谱进行计算, 其原因是半经验方法计算所得官能团结构的振动频率均高于实验测试结果。 依此对SV结构模型的红外模拟谱进行修正, 修正后实验和模拟谱图能很好地吻合, 这进一步证实SV结构模型可以真实的反映神东煤镜质组的结构组成特点。

为了探讨岩浆侵入对煤结构参数的演化规律, 对淮南煤田朱集区13-4钻孔内岩浆接触带两侧的4个煤样品进行了X射线衍射和激光共焦显微拉曼光谱测试和分析。 结果表明: 煤的XRD光谱均显示出较高的背景强度, 在26°与42°附近出现明显的石墨衍射峰; 煤的拉曼光谱在1 000～2 000 cm-1波数范围内有两个明显的振动峰, 分别为宽缓的D峰(1 328～1 369 cm-1)和尖锐的G峰(1 564～1 599 cm-1)。 在岩浆侵入的影响下, 煤结构参数的变化与煤级的变化有很好的相关性。

11种Cdaf在57.58%～94.01%的不同变质程度煤的拉曼光谱实验表明不同变质程度煤的拉曼光谱一级模都存在两个明显的振动峰， 分别为较为宽缓的D峰（1　340～1　380 cm-1）和相对较为尖锐的G峰（1　580～1　600 cm-1）。 将800～1　800 cm-1范围的谱图拟合为两个洛仑兹峰， 每个峰的峰位置， 峰强度以及半峰宽等拉曼参数与碳含量的相关关系分析结果显示： D峰位置和G峰位置随碳含量的增加分别向低波数和高波数区域移动； 两峰的峰位差随碳含量的增加而增加； 两峰的半峰宽FWHM-D， FWHM-G及两峰强度比ID/IG在碳含量75％～94％范围内与碳含量线性相关。 发现XRD分析获得的d002和Lc与拉曼谱中的G峰位置及半峰宽存在着良好的相关性。 与X射线衍射得到的晶粒尺寸La值相关性分析表明用Cancado公式和KW公式对La进行估算均是不合理的。