5煤及煤系(周).

中国矿业大学资源与地球科学学院周效志煤矿地质学[e-mail]第五章煤及煤系第一节成煤作用第二节煤的物质组成、性质与分类第三节煤层第四节煤系第一节成煤作用一、成煤植物二、成煤作用三、成煤必要条件一、成煤植物低等植物形成的煤为腐泥煤。藻类、真菌类和地衣的合称。植物体构造简单，单细胞的群体或多细胞组成的无根、茎、叶等分化的丝状或叶片状植物体。元古代至早泥盆世（D1）之前，是菌藻类低等植物的时代，为腐泥煤的形成积累了原始物质。25-4亿年种群数量？生长量？高等植物形成的煤为腐植煤。苔藓植物、蕨类植物和种子植物的合称。形态上有根、茎、叶分化，构造上有组织分化，多细胞生殖器官。三次高等植物的极盛期：石炭、二叠纪——蕨类植物三叠、侏罗纪——裸子植物古近、新近纪——被子植物它们为腐植煤的形成提供了丰富的原始物质。蕨类植物裸子植物被子植物生物大灭绝原因猜测二、成煤作用植物遗体堆积，到转变为煤的全部过程叫成煤作用。这个过程经历了复杂的生物化学作用、物理化学作用。成煤作用分为两个阶段：（一）泥炭化（腐泥化）阶段（二）煤化阶段（一）泥炭化（腐泥化）阶段植物繁殖、死亡、堆积，在微生物作用下不断分解、化合、聚积，高等植物形成泥炭，低等植物则形成腐泥。1.腐泥化作用（1）概念——低等植物和浮游生物在湖泊、泻湖、海湾等还原环境中转变成腐泥的生物化学作用叫腐泥化作用。（2）腐泥——含大量水分的黑灰、黑褐色冻胶淤泥状物质。2.泥炭化作用（1）概念——高等植物遗体在泥炭沼泽中经受复杂的生物化学、物理化学作用转变为泥炭的过程叫泥炭化作用。它分为二个阶段：①第一阶段：在沼泽浅部植物遗体受氧化、分解。②第二阶段：随积水深度增加，氧化环境被还原环境代替，产生腐植酸和沥青质，形成泥炭。生物成因CBM（2）泥炭——黄褐、黑褐色，无光泽、质地疏松状物质，风干可作燃料，也可作化工原料和肥料。现代草本泥炭沼泽形成的泥炭，可见大量草本残骸。（二）煤化阶段泥炭或腐泥形成后，由于地壳下降而被其它沉积物覆盖，则进入了煤化作用阶段。此时生物化学作用逐渐停止，代之以物理化学作用（T、P增大）。包括了成岩作用和变质作用两个连续过程。1.成岩作用泥炭（腐泥）在温度、压力作用下，经压实、脱水、固结转变成褐煤（腐泥煤）。褐煤形成晚埋藏浅内蒙古霍林河煤矿褐煤露天开采2.变质作用褐煤继续在温度、压力、时间影响下（继续升高）转变为烟煤、无烟煤、天然焦或石墨。烟煤：因燃烧时烟多而得名，一般呈黑色。广泛用于炼焦、炼油、气化、液化、动力和化工等方面，是腐植煤中用途最广的煤种。无烟煤：因燃烧时无烟而得名，一般呈钢灰色，具极强的金刚或似金属光泽。燃烧热值高，是优良的民用燃料。天然焦：由于岩浆侵入、穿过或接近煤层，导致接触带附近煤发生变质而形成。柱状节理石墨（C）：高温条件下形成，多产在受强烈区域变质或接触变质的岩层。在工业上用途广泛：坩锅，润滑剂，铅笔芯，染料等。CH4CO2H2N2热成因CBM低等植物腐泥腐泥煤腐泥化作用煤化作用高等植物泥炭化作用泥炭成岩作用褐煤无烟煤烟煤石墨变质作用强烈变质作用成煤作用煤化作用岩浆侵入天然焦变质作用低等植物成煤过程高等植物成煤过程（石煤）三、成煤必要条件自然界煤的分布无论从时间上还是空间上都是极不均衡的。不同地质时期不同地区（一）植物条件——成煤的物质基础（二）气候条件影响植物生长和植物的分解，温暖潮湿是重要的气候条件。热带温带寒带温度的影响微生物活动、分解能力？植物生长速度、种群数量？生长量？潮湿环境（降雨量大、湿度大）湿度的影响干旱环境（降雨量小、湿度小）植物生长速度、种群数量？生长量？植物遗体保存条件？温暖、潮湿的气候条件是成煤的最有利条件温度与湿度相比，湿度对成煤更重要，无论在热带、温带或寒带，只要有足够的湿度，都有可能发生成煤作用。湿度促进植物大量生长覆水环境使植物遗体更好保存（三）地理条件植物遗体的堆积场所。影响到植物遗体在还原环境下的保存。浅海型近海型内陆型浅海型滨海平原型、滨海冲击平原型、滨海三角洲型、滨海山前盆地型内陆盆地型、山间盆地型、山间谷地型、大陆冲积平原型成煤古地理类型表（3大类9小类）（四）地壳运动条件成煤作用与地壳运动息息相关，地壳下沉形成有利的沉积场所——沼泽地。○地壳下沉过快——不足补偿○地壳下沉过慢——过度补偿◎地壳均衡下沉——均衡补偿（地壳沉降速度与植物堆积速度平衡）湖泊为了使泥炭得以保存并转变为煤，后期还需要伴以地壳大幅度地快速沉降，在泥炭层之上快速沉积其顶板岩层。思考植物遗体长时间堆积后形成较厚的泥炭层，后期地壳抬升会带来什么结果？此外，地壳运动同样对气候条件起到控制作用。剧烈的地壳运动常形成高耸山脉，对温度、湿度影响极大。成煤的必要条件（小结）（1）植物、气候、地理、地壳运动都是成煤的必要条件，缺一不可。（2）地壳运动是主导因素，起控制作用，可影响到聚煤盆地的地貌、气候、水文条件，控制沉积与补偿的关系。第二节煤的物质组成、性质与分类一、煤岩成分和宏观煤岩类型二、煤的性质三、煤的分类橄榄岩辉长岩闪长岩花岗岩矿物？？定名分类一、煤岩成分和宏观煤岩类型（一）煤岩成分（宏观煤岩成分）煤岩成分指肉眼能见到的煤的基本组成单位，即丝炭、镜煤、暗煤、亮煤。1.丝炭灰黑色，形如木炭，具明显的纤维状结构和丝绢光泽；疏松、多孔、硬度小、脆度大、易染指；没有粘结性、吸氧性强、易氧化自燃、易成煤尘；煤层中多呈几毫米厚的扁平透镜体，数量不多，但分布广。2.镜煤乌黑、光亮如镜、内生裂隙发育、结构均一、易碎、粘结性强；在煤层中不形成独立分层，以透镜或条带状散布于亮煤中；3.亮煤灰黑、光泽较强、性脆易碎、内生裂隙发育、均一程度不如镜煤；化学工艺性质介于镜煤与暗煤之间，灰分含量较低；在煤层所占比例较大，可形成较厚分层，也可单独成层。4.暗煤灰黑、光泽暗淡、致密坚硬、韧性较大；层理不清晰、矿物质含量较多，成分复杂、对煤质影响大；在煤层中所占比例较大，可形成较厚分层，也可单独成层。（二）宏观煤岩类型根据煤层的平均光泽强度及煤岩成分的组合情况，可将煤划分为光亮型、半亮型、半暗型、暗淡型四种类型。1.光亮型煤主要由镜煤、亮煤组成，光泽很强、内生裂隙发育，性脆易碎，中变质光亮型煤是炼焦最好用煤。镜煤条带亮煤2.半亮型煤以亮煤为主，光泽强度次于光亮型煤，一般由较光亮和较暗淡的条带互层而显示出半亮的平均光泽，最常见。暗煤亮煤3.半暗型煤由暗煤、亮煤组成，以暗煤为主，光泽较暗，硬度、脆度较大，内生裂隙不发育。亮煤暗煤4.暗淡型煤由暗煤组成，有时夹有镜煤和丝炭。光泽暗淡，内生节理不发育，层理不明显，硬度和韧性强，煤质较差。注意：实际工作中，只有变质程度相同的煤才能互相比较和划分不同类型，划分的最小厚度一般为3～10cm。暗煤二、煤的性质（一）煤的化学组成煤是有机物质和无机物质的混合物，其中有机质是主要成分，主要有C、H、O（占95％以上），还有N、S等。1.碳（C）煤中主要成分，煤中C含量随变质程度加深而增加。50-60%60-77%74-92%90%100%二、煤的性质（一）煤的化学组成2.氢（H）煤中重要成分，其发热量是C的4.2倍。低等植物富含H，故腐泥煤H含量较腐植煤高。煤中H随变质程度加深而减少，烟煤系列中以气煤H含量最高。极低2.4-6.4%6%＞6%3.氧（O）煤中氧随变质程度加深而减少，但变化较大。从褐煤、长焰煤、气煤到肥煤，下降显著；从焦煤、瘦煤、贫煤到无烟煤，下降幅度较小。变质程度氧元素含量泥炭30-40%褐煤15-30%长焰煤9-16%气煤8-12%肥煤3.7-7%焦煤3-5.4%瘦煤3.1-4.7%贫煤1-2.5%无烟煤1-3.7%4.氮（N）含量较低，随变质程度加深而略趋减少。在高温下可转化为氨（NH3）及其它氮的化合物。细菌活动蛋白质煤中氮高温加工NH3等5.硫（S）硫是煤中有害元素之一。煤中硫分为无机硫和有机硫（So），无机硫又分为硫化物硫（黄铁矿硫，Sp）和硫酸盐硫（石膏硫，Ss）。有机硫主要来自成煤植物。煤中硫的总和叫全硫（St），根据煤的空气干燥基全硫含量St，d（％）将煤分为五级：级别特低硫煤低硫煤中硫煤中高硫煤高硫煤St，d≤0.500.51~0.900.91~1.501.51~3.003.00GB/T15224.2-2004国家煤炭硫分分级标准6.磷（P）主要存在无机矿物中，含量极低（一般小于0.1%），但危害大。炼焦时磷进入焦炭使钢材具冷脆性，因此炼焦用煤要求P含量在0.02％~0.03％以下。7.其它元素煤中还有砷（As）、氯（Cl）等有害元素，还有锗（Ge）、镓（Ga）、铀（U）、锂（Li）、钒（V）等有益元素。（二）煤的物理性质1.颜色和条痕颜色指新鲜煤块表面的自然色彩。随变质程度增加而变化：一般由褐煤、烟煤到无烟煤，其颜色从棕褐、褐黑、深黑到灰黑、钢灰色。条痕指煤粉末的颜色，它与颜色相差不大。颜色变化（二）煤的物理性质2.光泽指煤新鲜面的反光能力，随煤变质程度增加，光泽增强。在煤岩成分中以镜煤、亮煤变化显著，故以它们作为观察对象。无光泽------沥青光泽----------玻璃光泽-----------金刚光泽-----------似金属光泽HMCYJMSMWY3.密度指单位体积煤的质量（g/cm3）影响因素（1）变质程度：越高、密度越大。（2）煤岩成分：暗煤大、亮煤次之、镜煤更次之。（3）矿物质含量越高，密度越大。分类：（1）真密度：20℃时单位体积（不含孔隙）煤的质量，曾称为真比重。（2）视密度：20℃时单位体积（含孔隙）煤的质量，曾称为容重或体重。较真密度小。（3）相对密度：煤密度与同温度水的密度之比。又分为真相对密度（真比重）和视相对密度（假比重）。煤中孔隙4.硬度、脆度硬度：抵抗外来机械作用的能力，摩氏硬度1~4之间。褐、焦硬度小，无烟煤最大；同变质程度的暗煤比亮、镜煤硬度大。脆度：外力作用下突然断裂的难易程度。低、高变质程度煤脆度小，中变质程度煤脆度大；煤岩成分中丝炭最大，镜煤次之，暗煤最小。指甲？小刀？5.裂隙指成煤过程中，煤受到各种自然力作用而产生裂开现象。按成因分为二类：（1）内生裂隙：煤化作用过程中，受温度、压力影响，体积收缩而成。裂隙面平坦，垂直层理面，常出现互为垂直的两组，一组较密，另一组较稀，以中变质煤最发育。（2）外生裂隙：煤层形成后受地质构造变动而成。裂隙间距较宽，可出现在煤层中任何部位，常穿过多个煤岩分层，与层理面斜交，其方向与附近断层方向大体一致。宏观煤岩类型与裂隙发育的关系内生裂隙外生裂隙6.导电性指煤传导电流的能力，以电阻率表示，它与煤的变质程度密切相关。褐煤多孔隙、湿度大、电阻率低；烟煤电阻率大，是不良导体；无烟煤电阻率小，具良好的导电性。电阻率变质程度HMYMWY（三）煤的工艺性质煤的工业用途广泛，但对煤质要求各不相同。因此，煤的工艺性质分析是评价煤质的重要手段，评价煤质的常用指标有：1.煤的工业分析指标1）水分（M）按结合状态分成二类：（1）化合水（结晶水）是与煤中矿物成分呈化合形态的水。（2）游离水，又分为两类，两类之和又叫全水分（Mt）：①外在水分——煤表面和表面大毛细管吸附之水，易蒸发；大于200nm毛细管中②内在水分——煤内部小毛细管吸附水，常温不失去，加热到一定温度才失去。小于200nm毛细管中的吸附水来源？2）灰分（A）煤完全燃烧后剩下的残渣，主要成分为Al2O3、CaO、SiO2等，它们来自煤中矿物质，按灰分高低分为4级：级别特低灰煤低灰煤中灰煤高灰煤Ad(%)≤1010~1616~29＞29GB/T15224.1-2004我国煤炭灰分分级标准3）挥发分（V）隔绝空气的煤在（900±10℃）温度下加热7min，使有机质和部分矿物质分解所得气态物质称为挥发分。挥发分与煤中有机质性质、变质程度有关。泥炭为70％、褐煤为40~60%、烟煤为10~50％、无烟煤小于10％。4）固定碳（FC）测定挥发分剩下的焦渣减去灰分即为固定碳。是煤中有机质高温分解的残余物。（CHONS）挥发分测定仪变质程度升高，V降低FC5）发热量（Q）指单位质量煤完全燃