第七章 煤与含煤岩系

矿山地质学山东科技大学地质科学与工程学院胡绍祥编制多媒体教学课件§7-1成煤作用§7-2煤的物质组成、性质和分类§7-3含煤岩系及煤田第七章煤与含煤岩系休息§7-1成煤作用一、成煤的原始物质植物低等植物高等植物腐泥煤腐植煤C-P蕨类T-J裸子E-N被子休息二、成煤作用成煤作用—从植物遗体堆积到转变成煤的一系列演变过程。（一）泥炭化作用阶段1.腐泥化作用—低等植物和浮游生物遗体在湖泊和海湾环境中转变成腐泥的生物化学作用。休息2.泥炭化作用—高等植物遗体在泥炭沼泽中经历复杂的生物化学和物理化学变化转变成泥炭的过程。（二）煤化作用阶段煤化作用－泥炭或腐泥转变成褐煤、烟煤、无烟煤、超无烟煤的物理化学变化过程。1.煤成岩作用由泥炭或腐泥在温度压力作用下转变成褐煤的过程。休息2.煤变质作用褐煤在地下较高的温度和压力作用下，转变成烟煤、无烟煤的地球化学作用。最为突出的是煤中的腐植酸全部消失，出现了粘结性，光泽增强，碳含量增加。这时褐煤逐渐变质转化为烟煤。休息烟煤因燃烧时冒烟而得名，一般为黑色，光泽较强，密度稍大。在变质过程中，由于地质条件的不同，温度、压力的差异及煤受热持续时间的不同，导致不同变质程度的烟煤产生。通常按变质程度由低到高将烟煤分为六个阶段:长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤烟煤的用途最广，化工、炼焦、动力、民用均可，是不可缺少的资源。休息休息一、煤岩成分和煤岩类型（一）煤岩成分1．丝炭颜色灰黑，形如木炭，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽。丝炭疏松多孔，硬度小，脆度大，易染指。在煤层中多呈1~2mm厚的扁平透镜体沿层理面断续分布，分布广，但数量不多，一般不单独成层。丝炭的挥发分产率和氢含量低，没有粘结性。因空隙度大，吸氧性强，极易发生氧化和自燃。性脆易碎，易形成煤尘。休息§7-2煤的物质组成、性质及分类2．镜煤煤中颜色最黑，光泽如镜，所以称为镜煤。镜煤结构均一，贝壳状断口和垂直内生裂隙发育，易破碎成棱角状的小块。镜煤的挥发分产率和氢含量高，粘结性也强。在煤层中不单独成分层，1~2mm厚，常呈透镜体状和带状散布于亮煤中，或呈细线理状散布于暗煤中。休息3．暗煤颜色灰黑，光泽暗淡，所以称为暗煤。致密坚硬，相对密度较大，韧性也大，一般层理不清晰，断面粗糙。暗煤的成分相当复杂，含矿物质也较多，对煤质影响较大。暗煤在煤层中占的比例较大，可以形成较厚的分层或单独成层。休息4．亮煤颜色灰黑，光泽较强，虽不如镜煤，但仍很明亮，所以称为亮煤。亮煤较脆，易碎，内生裂隙较发育，相对密度较小，均一程度不如镜煤。亮煤的各种性质多介于镜煤和暗煤之间。亮煤在煤层中占有的比例较大，也可以形成较厚的分层或单独成层。休息（二）宏观煤岩类型宏观煤岩类型是根据煤的平均光泽强度、煤岩组分和数量比例划分的，作为评价观测煤的基本单位，便于了解煤的全貌。划分时是在同一剖面内按煤的平均光泽强度划分的。1.光亮型煤由镜煤和亮煤组成，光泽很强。条带状结构不明显，常具贝壳状断口，内生裂隙发育，脆度较大，易碎，粘结性强。中变质的光亮型煤是最好的冶金用煤。休息2.半亮型煤以亮煤为主（约占50%），由镜煤、亮煤、暗煤组成，也夹有丝炭。光泽仅次于光亮型煤，条带状结构明显，内生裂隙发育，常具阶梯状断口。中变质的半亮型煤粘结性也较好。为最常见的宏观煤岩类型。休息3.半暗型煤由暗煤、亮煤组成，以暗煤为主（约占50%），有时也加有镜煤和丝炭。光泽较暗，硬度、韧性、相对密度均较大，内生裂隙不发育，断口参差不齐。4.暗淡型煤主要由暗煤组成，有时也夹有镜煤和丝炭。光泽微弱，结构致密，不显层理，质地坚硬,内生裂隙不发育，韧性大，断口呈参差状。矿物质含量高，因而煤质较差。休息二、煤的性质(一)煤的化学组成1．碳（C）煤中有机质的主要成分，也是煤燃烧过程中产生热量的重要元素，每一千克纯碳完全燃烧时能放出34.107MJ的热量。煤中碳含量越多，煤的发热量越高。煤中碳含量随煤的变质程度的加深而增加。休息2．氢（H）煤中有机质的第二个主要成分，也是煤燃烧过程中产生热量的主要元素，每一千克氢完全燃烧时能产生143.248MJ的热量，为碳元素的4.2倍。腐泥煤的氢含量比腐植煤高;氢含量随着变质程度的加深而减少。3．氧（O）氧是煤中不可燃的元素，但可以助燃。煤中氧含量随煤化程度的加深而减少。休息4．氮（N）煤中有机质氮含量较少，主要来自植物中的蛋白质，也有一部分可能来自细菌活动的产物。一般随煤化程度加深而略趋于减少。5．硫（S）将煤分为六级：特低硫煤低硫分煤低中硫煤中硫分煤中高硫煤高硫分煤休息6．磷（P）煤中的含量极低，一般低于0.1%，最高也不高于1%。其危害极大，如炼焦时可使钢材具有冷脆性。7．其它元素煤中还存在许多稀有元素及放射性元素，如锗（Ge）镓（Ga）铀（U）钒（V）砷（As）氯（Cl）等。休息（二）煤的物理性质1.颜色和条痕2.煤的光泽休息煤化程度光泽颜色条痕褐煤无光泽或暗淡沥青光泽褐色、深褐色、黒褐色浅棕色、深棕色长焰煤沥青光泽黑色，带褐深棕色气煤强沥青光泽、弱玻璃光泽黑色棕黑色肥煤玻璃光泽黑色，带棕焦煤强玻璃光泽瘦煤黑色贫煤金刚光泽黑色，有时带灰无烟煤似金属光泽灰黒色，带古铜色，钢灰色灰黒色休息3.煤的密度4.硬度煤的硬度是指煤抵抗外来机械作用的能力。按摩氏硬度计，一般煤的硬度介于1-4之间。褐煤和焦煤硬度最小，约为2-2.5；无烟煤硬度最大，接近4。同一煤化程度的煤，暗煤比亮煤、镜煤硬度大。休息（三）煤的工艺性质1.煤的工业分析（1）水分（M）外在水分（Mf）－存在煤的大孔隙中，常温下可烘干。内在水分（Minh）－存在小毛细管内，加热才失去。全水分（Mt）－内在水分与外在水分之和。休息（2）灰分（A）煤燃烧后剩余的残渣，来源于煤中的矿物质。将煤分为6级：特低灰煤低灰分煤低中灰煤中灰分煤中高灰煤高灰分煤休息（3）挥发分（V）在隔绝空气的条件下，将煤在（900±10）℃温度下加热7分钟时，煤中的有机质和一部分矿物质就会分解成气体和液体（蒸汽状态）逸出，用逸出物减去煤中的水分即为挥发分。挥发分在一定程度上反映了煤中有机质的性质、煤的变质程度，因此它是目前我国煤炭分类的第一指标。根据挥发分多少可判断煤的变质程度:泥炭高达70%，褐煤为40%-60%，烟煤为10%-50%，无烟煤小于10%。休息（4）固定碳（FC）测定挥发分时，剩下的不挥发物质称为焦渣，焦渣减去灰分即为固定碳。固定碳指煤在隔绝空气的高温加热条件下，煤中有机质分解的残余物。2.煤的粘结性煤的粘结性是煤粒（一般直径小于0.2mm）在隔绝空气受热后，能否粘结其本身或惰性物质（即无粘结能力的物质）成焦块的性质。煤的结焦性是煤粒隔绝空气受热后，能否生成优质焦炭的性质。煤的粘结性强是结焦好的必要条件。休息煤的粘结性和结焦性与煤的变质程度、煤岩成分、煤的氧化程度及煤中矿物质含量有密切关系。褐煤、无烟煤几乎没有粘结性，中变质的肥煤和焦煤的粘结性最好。亮煤和镜煤的粘结性比丝炭、暗煤强。煤被氧化后，其粘结性减弱，有的甚至完全消失;煤中矿物质过高，其粘结性变差。我国煤炭分类国家标准对烟煤采用粘结性指数（GR.I或简计为G）、胶质层厚度（Y）及奥—阿膨胀度（b）三个指标进行细分类。一般G值越大，Y值越大，都反映煤的粘结性越强。b值越大，反映煤的结焦性越强。煤的结焦性是炼焦用煤不可缺少的重要工艺性质。但对低温干馏、气化或燃烧用煤等工业，则要求煤的粘结性越低越好，有的甚至不需要粘结性。休息3.煤的发热量（Q）-----指单位质量的煤完全燃烧时产生的热值。中高变质阶段的烟煤发热量最大。低热值煤中低热值煤中热值煤中高热值煤高热值煤特高热值煤休息三、煤的分类我国煤炭资源丰富，煤种齐全。为了合理利用煤炭资源，特制定了煤炭分类国家标准（GB5751-86）(表6-6)。休息数码编号的十位数表示挥发分的多少，数码越小，挥发分越少。数码编号的个位数对烟煤表示粘结性，数码越小，粘结性越差；对无烟煤和褐煤则表示煤化程度，数码越小，煤化程度越高。1.褐煤2.长焰煤3.气煤4.肥煤5.焦煤6.瘦煤7.贫煤8.无烟煤休息§7-3含煤岩系和煤田一、含煤岩系及其类型（一）含煤岩系----聚煤时期形成的一套含有煤层的沉积岩系。（二）煤系的类型1.近海型煤系亦称海陆交替相含煤岩系。这类煤系形成于近海地区，地形简单、平坦、广阔，因此容易发生大范围的海侵海退。海侵时形成海相地层，海退时形成陆相地层。休息近海型煤系特点：1）煤系分布广；2）岩性、岩相稳定，标志层多，煤层容易对比；3）碎屑成分单一，分选好，圆度高，粒度细；4）煤层层数多，单层厚度小，煤系厚度不大；5）煤层结构简单；6）含黄铁矿、硫分高。休息2.内陆型煤系亦称陆相含煤岩系。这类煤系形成于距海较远的地区，往往是在内陆的一些小盆地中发育而成的，所以煤系中没有海相地层，全为陆相地层。1)煤系分布范围小；2)岩性、岩相变化大，标志层少，煤层对比困难；3)碎屑物成分复杂，分选差，圆度低，粒度粗；4)煤层层数少，单层厚度大，煤系厚度大；5)煤层结构复杂，含夹石多。休息二、含煤岩系的组成（一）煤层1.煤层结构1）简单结构2）复杂结构休息2.煤层厚度1）总厚度2）有益厚度3）最低可采厚度在现有技术经济条件下开采的煤层的最小厚度。煤种煤层倾角＜25°25~45°＞45°炼焦用煤非炼焦用煤褐煤0.600.700.800.500.600.700.400.500.60休息3.煤层分类1）按倾角分类露天开采地下开采近水平煤层5°8°缓倾斜煤层5°~10°8°~25°倾斜煤层10°~45°25°~45°急倾斜煤层45°45°休息2）按厚度分类露天开采地下开采薄煤层3.5m1.3m中厚煤层3.5-10m1.3-3.5m厚煤层10m3.5-8.0m特厚煤层8.0m休息3）按煤层稳定性分类(1)稳定煤层煤层厚度变化很小，规律明显，结构简单至较简单，全区可采或基本可采。(2)较稳定煤层煤层厚度有一定变化，但规律较明显，结构简单至复杂，全区可采或大部分可采，可采区内煤厚变化不大。(3)不稳定煤层煤层厚度变化较大，无明显规律，结构复杂至极复杂。(4)极不稳定煤层煤层厚度变化极大，分布不连续，对比困难。休息（二）煤层顶底板1.顶板1）伪顶指直接覆盖在煤层之上的薄层岩层。岩性多为炭质页或炭质泥岩，厚度一般为几cm至几十cm。它极易跨塌，常随采随落。2）直接顶位于伪顶之上或直接位于煤层之上的岩层。岩性多为粉砂岩或泥岩，厚度为1~2m左右。随采煤回柱后一般能自行跨落，有的经人工放顶后也比较容易跨落。直接顶跨落后都充填在采空区内。休息（3）基本顶又称“老顶”，位于直接顶之上或直接位于煤层之上的岩层。岩性多为砂岩或石灰岩，一般厚度较大，强度也大。基本顶一般采煤后长时期内不易自行跨塌，只发生缓慢下沉。休息2.底板1）直接底指煤层之下与煤层直接接触的岩层。它往往是当初沼泽中生长植物的土壤，富含根须化石，所以又称根土岩。岩性以炭质泥岩最常见，厚度不大，常为几十cm。2）老底位于直接底之下的岩层。岩性多为粉砂岩或砂岩，厚度较大。休息（三）煤系中的标志层岩性比较特殊，容易识别，层位稳定或分布规律明显，它们与煤层或某些地质界线间距比较固定，这样的岩层称为标志层，可以用作寻找或对比煤层的标志。休息三、煤田、聚煤期和聚煤区（一）煤田、煤产地、矿田（井田）同一地质时期形成的含煤岩系基本上连续分布的广大地区称为煤田。被后期构造改造或剥蚀残余的一些单独含煤岩系或面积、储量较小的煤田称为煤产地。煤田内划归一个煤矿开采的部分称为矿田（井田）。（二）中国主要聚煤期C-PT-JE-N休息（三）中国的聚煤区休息1．东北聚煤区又称东北内蒙古晚侏罗世早白垩世聚煤区。该区位于阴山构造带以北，包括内蒙古东部、黑龙江全部、吉林大部和辽宁北部的广大地区。主要成煤时代为晚侏罗世到早白垩世，其次为古近纪。该区煤炭资源约占全国煤炭总资源的8%。休息2．西北聚煤区又称西北早、中侏罗世聚煤区。该区位于贺兰山——六盘山一线以西，昆仑山——秦岭一线以北的广大地区，包括新疆全部，甘肃大部，青海北部，宁夏和内蒙古西部。成煤时代为石炭纪和早