煤的形成和含煤巖系

第五章煤的形成和含煤巖系第一節(jié)煤的物質(zhì)組成、性質(zhì)與分類第二節(jié)成煤作用第三節(jié)煤系和煤田第一節(jié)煤的物質(zhì)組成、性質(zhì)與分類主要內(nèi)容：一、煤巖成分和宏觀煤巖類型二、煤的性質(zhì)三、煤的分類一、煤巖成分和宏觀煤巖類型

（一）煤巖成分

煤巖成分指肉眼能見到的煤的基本組成單位，又稱為宏觀煤巖類型，即絲炭、鏡煤、暗煤、亮煤。

1.絲炭

灰黑色，形如木炭，具明顯的纖維狀結(jié)構(gòu)和絲絹光澤；疏松、多孔、硬度小、脆度大、易染指；沒有粘結(jié)性、吸氧性強(qiáng)、易氧化自燃、易成煤塵；在煤層中多呈幾毫米厚的扁平透鏡體，數(shù)量不多，但分布廣。

2.鏡煤

烏黑、光亮如鏡、內(nèi)生裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)均一、易碎、粘結(jié)性強(qiáng)；在煤層中不形成獨(dú)立分層，以透鏡或條帶狀散布于亮煤中；

3.亮煤灰黑、光澤較強(qiáng)、性脆易碎、內(nèi)生裂隙發(fā)育、均一程度不如鏡煤；化學(xué)工藝性質(zhì)介于鏡煤與暗煤之間，灰分含量較低；在煤層所占比例較大，可形成較厚分層，也可單獨(dú)成層。

4.暗煤灰黑、光澤暗淡、致密堅(jiān)硬、韌性較大；層理不清晰、礦物質(zhì)含量較多，成分復(fù)雜、對煤質(zhì)影響大；在煤層中所占比例較大，可形成較厚分層，也可單獨(dú)成層。

（二）宏觀煤巖類型

根據(jù)煤層的平均光澤強(qiáng)度及煤巖成分的組合情況，可將煤劃分為光亮型、半亮型、半暗型、暗淡型四種類型。

1.光亮型煤

主要由鏡煤、亮煤組成，光澤很強(qiáng)、內(nèi)生裂隙發(fā)育，性脆易碎，中變質(zhì)光亮型煤是煉焦最好用煤。

2.半亮型煤以亮煤為主，光澤強(qiáng)度次于光亮型煤，一般由較光亮和較暗淡的條帶互層而顯示出半亮的平均光澤，最常見。3.半暗型煤由暗煤、亮煤組成，以暗煤為主，光澤較暗，硬度、脆度較大，內(nèi)生裂隙不發(fā)育。

4.暗淡型煤由暗煤組成，有時(shí)夾有鏡煤和絲炭，光澤暗淡，層理不明顯，硬度和韌性強(qiáng)，煤質(zhì)較差。

注意：實(shí)際工作中，只有變質(zhì)程度相同的煤才能互相比較和劃分不同類型，劃分的最小厚度一般為3～10cm。二、煤的性質(zhì)

（一）煤的化學(xué)組成煤是有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)的混合物，其中有機(jī)質(zhì)是主要成分，主要有C、H、O（占95％以上），還有N、S等。1.碳（C）

煤中主要成分，C越多煤發(fā)熱量越高，含量隨變質(zhì)程度加深而增加。2.氫（H）煤中重要成分，其發(fā)熱量是C的4.2倍。低等植物富含H，故腐泥煤H含量較腐植煤高。煤中H隨變質(zhì)程度加深而減少，煙煤中以氣煤H含量最高。3.氧（O）

煤中氧隨變質(zhì)程度加深而減少，但變化較大。從褐煤、長焰煤、氣煤到肥煤，下降顯著；從焦煤、瘦煤、貧煤到無煙煤，下降幅度較小。4.氮（N）含量較少，隨變質(zhì)程度加深而略趨減少。在高溫下可轉(zhuǎn)化為氨（NH3）及其它氮的化合物。5.硫（S）

硫是煤中有害元素之一。煤中硫分為無機(jī)硫和有機(jī)硫（So），無機(jī)硫又分為硫化物硫（黃鐵礦硫，Sp）和硫酸鹽硫（石膏硫，Ss）。有機(jī)硫主要來自成煤植物。煤中硫的總和叫全硫（St），可根據(jù)煤的干燥基全硫含量St，d（％）將煤分級。6.磷（P）

主要存在無機(jī)礦物中，含量極低，但危害大，煉焦時(shí)磷進(jìn)入焦炭使鋼材具冷脆性，因此煉焦用煤要求P含量在0.02％~0.03％以下。7.其它元素煤中還有砷（As）、氯（Cl）等有害元素，還有鍺（Ge）、鎵（Ga）、鈾（U）、鋰（Li）、釩（V）等有益元素。

（二）煤的物理性質(zhì)

1.顏色和條痕

顏色指新鮮煤塊表面的自然色彩。隨變質(zhì)程度增加而變化：一般由褐煤、煙煤到無煙煤，其顏色從棕褐、褐黑、深黑到灰黑、鋼灰色。

條痕指煤粉末的顏色，它與顏色相差不大。

2.光澤

指煤新鮮面的反光能力，隨煤變質(zhì)程度增加，光澤增強(qiáng)。在煤巖成分中以鏡煤、亮煤變化顯著，故以它們作為觀察對象。3.密度指單位體積煤的質(zhì)量（g/cm3）

影響因素（1）變質(zhì)程度：越高、密度越大。（2）煤巖成分：暗煤大、亮煤次之、鏡煤更次之。

分類：（1）真密度（2）視密度（3）相對密度4.硬度、脆度

硬度：抵抗外來機(jī)械作用的能力，摩氏硬度1~4之間。褐、焦硬度小，無煙煤最大；同變質(zhì)程度的暗煤比亮、鏡煤硬度大。

脆度：外力作用下突然斷裂的難易程度。低、高變質(zhì)程度煤脆度小，中變質(zhì)程度煤大；煤巖成分中絲炭最大，鏡煤次之，暗煤最小。5.裂隙

指成煤過程中，煤受到各種自然力作用而產(chǎn)生裂開現(xiàn)象。按成因分二類：

（1）內(nèi)生裂隙：煤化作用過程中，受溫度、壓力影響，體積收縮而成。裂隙面平坦，垂直層理面，常出現(xiàn)互為垂直的兩組，一組較密，另一組較稀，以中變質(zhì)煤最發(fā)育。

（2）外生裂隙：煤層形成后受地質(zhì)構(gòu)造變動而成。裂隙間距較寬，可出現(xiàn)在煤層中任何部位，常穿過多個(gè)煤巖分層，與層理面斜交，其方向與附近斷層方向大體一致。6.導(dǎo)電性

指煤傳導(dǎo)電流的能力，以電阻率表示，它與煤的變質(zhì)程度密切相關(guān)。褐煤多孔隙、濕度大、電阻率低；煙煤電阻率大，是不良導(dǎo)體；無煙煤電阻率小，具良好的導(dǎo)電性。

（三）評價(jià)煤質(zhì)的常用指標(biāo)煤的工業(yè)用途廣泛，但對煤質(zhì)要求各不相同。因此，煤的工藝性質(zhì)分析是評價(jià)煤質(zhì)的重要手段，評價(jià)煤質(zhì)的常用指標(biāo)有：

1.煤的工業(yè)分析指標(biāo)

1）水分（M）按結(jié)合狀態(tài)分成二類：（1）化合水（結(jié)晶水）是與煤中礦物成分呈化合形態(tài)的水。（2）游離水，又分為二類，二類之和又叫全水分（Mt）：①外在水分——煤表面和表面大毛細(xì)管吸附之水，易蒸發(fā)；②內(nèi)在水分——煤內(nèi)部小毛細(xì)管吸附水，常溫不失去，加熱到一定溫度才失去。2）灰分（A）煤完全燃燒后剩下的殘?jiān)?，主要成分為Al2O3、CaO、SiO2等，它們來自煤中礦物質(zhì)，按灰分高低分為6級：級別特低灰煤低灰分煤低中灰煤中灰分煤中高灰煤高灰分煤Ad(%)≤5.005.01~10.0010.01~20.0020.01~30.0030.01~40.0040.01~50.00

3）揮發(fā)分（V）

隔絕空氣的煤在（900±10℃）溫度下加熱Tmin，使有機(jī)質(zhì)和部分礦物質(zhì)分解所得氣態(tài)物質(zhì)稱為揮發(fā)分。揮發(fā)分與煤中有機(jī)質(zhì)性質(zhì)、變質(zhì)程度有關(guān)。泥炭為70％、褐煤為40~60%、煙煤為10~50％、無煙煤小于10％。

4）固定碳（FC）

測定揮發(fā)分剩下的焦渣減去灰分即為固定碳。是煤中有機(jī)質(zhì)高溫分解的殘余物。

2.煤的工藝性質(zhì)

不同工業(yè)用煤對工藝性質(zhì)要求不同

1）粘結(jié)性

指粉碎的煤粒（直徑<0.2mm）在隔絕空氣加熱后能否粘結(jié)成焦塊的性質(zhì)。它是評價(jià)煉焦用煤、干餾和氣化用煤的指標(biāo)。我國對煙煤粘結(jié)性是采用粘結(jié)性指數(shù)（G）、膠質(zhì)層最大厚度（Y）、奧－亞膨脹度（b）以下三個(gè)指標(biāo)分類：

2）發(fā)熱量（Q）

指單位質(zhì)量煤完全燃燒所產(chǎn)生的熱值，用兆焦耳/千克（MJ/Kg）表示。在焦煤以前，發(fā)熱量隨變質(zhì)程度加深而增加，焦煤后，發(fā)熱量略有降低。據(jù)發(fā)熱量大小將煤分為6級級別低熱值煤中低熱值煤中熱值煤中高熱值煤高熱值煤特高熱值煤QMJ/Kg8.50~12.5012.51~17.0017.01~21.0021.01~24.0024.01~27.00>27.00三、煤的分類（一）按煤的煤化程度和工藝性能分類

1.分類指標(biāo)為：①Vdaf（干燥無灰基揮發(fā)分）②GR-I（煙煤的粘結(jié)性指數(shù)）③Y（煙煤的膠質(zhì)層最大厚度）④b（煙煤的奧－亞膨脹度）⑤Hdaf（干燥無灰基氫含量）⑥PM（煤樣透光率）⑦Qgr.maf(煤的恒濕無灰基高位發(fā)熱量）其中：干燥無灰基是指完全不含水分、灰分（不包括可燃燒）的煤。

2.分類原則

①以煤化程度參數(shù)干燥無灰基揮發(fā)分(Vdaf)區(qū)分無煙煤、煙煤、褐煤；②以Vdaf和干燥無灰基氫含量(

Hdaf)

區(qū)分無煙煤中的小類；③以Vdaf、煙煤的粘結(jié)性指數(shù)(G)、煙煤的膠質(zhì)層最大厚度(Y)、煙煤的奧－亞膨脹度(b)區(qū)分煙煤中的類別；④采用目視比色法透光率(PM)

區(qū)分褐煤和煙煤，及劃分褐煤中的小類；⑤以煤的恒濕無灰基高位發(fā)熱量(Qgr.maf)作為區(qū)分褐煤和煙煤的輔助指標(biāo)。

3.分類按1986.10.1試行的中國煤田分類國家標(biāo)準(zhǔn)分為14大類29小類。其中14大類為：無煙煤

氣肥煤貧煤中粘結(jié)煤貧瘦煤?中粘結(jié)煤瘦煤弱粘結(jié)煤焦煤不粘結(jié)煤

1/3焦煤長焰煤肥煤褐煤

煙煤（二）按煤的綜合利用分類

1.煉焦用煤：在干餾爐中隔絕空氣加熱到1000℃左右，分解產(chǎn)出焦?fàn)t煤氣、煤焦油、焦炭。

2.氣化用煤：以CO2、H、O、H2O等為介質(zhì)，經(jīng)熱化學(xué)處理，將煤轉(zhuǎn)化為煤氣。

3.低溫干餾煤：在500－600℃干餾制取低溫焦油、煤氣等。

4.加氫液化用煤：將煤、催化劑、重油混合，高溫高壓下與氫作用轉(zhuǎn)化成液、氣態(tài)物質(zhì)，進(jìn)一步加工即得到汽油、柴油等。

5.燃燒用煤：利用價(jià)值最低，均使用較低劣的煤。第二節(jié)成煤作用主要內(nèi)容：一、成煤植物二、成煤作用三、成煤必要條件

一、成煤植物

低等植物形成的煤叫腐泥煤。低等植物由單細(xì)胞或多細(xì)胞構(gòu)成的絲狀和葉片狀植物體，最大的特點(diǎn)是沒有根、莖、葉等器官的分化，構(gòu)造比較簡單，多數(shù)生活在水中。如褐藻、紅藻，多在海洋邊緣斜坡地區(qū)或邊緣海盆地，這些地區(qū)營養(yǎng)豐富、環(huán)境優(yōu)越，有利于植物的生長。從元古時(shí)代一直到早泥盆世之前，是菌藻類低等植物時(shí)代，這時(shí)期形成的煤稱為腐泥煤，在我國俗稱“石煤”。腐泥煤在我國的湖北、湖南、廣東、廣西、江西、四川、陜西等地的早古生代地層均有分布。儲量以寒武紀(jì)最多，其次為早志留世。成為我國的第一個(gè)聚煤期。腐泥煤具有高灰、高硫和低熱值的特點(diǎn)。（1）苔蘚植物：綠色自養(yǎng)性的陸生植物，植物體是配子體，它是由孢子萌發(fā)成原絲體，再由原絲體發(fā)育而成的。（2）蕨類植物：植物體有根、莖、葉的分化和較原始的維管組織。高等植物有根、莖、葉等器官的分化,形成的煤叫腐植煤。（3）裸子植物：種子植物中較低級的一類。能產(chǎn)生種子的種子植物。但它們的胚珠外面沒有子房壁包被，不形成果實(shí)，種子是裸露的，故稱裸子植物。

（4）被子植物：被子植物有真正的花，故又叫有花植物；胚珠包藏在子房內(nèi)，得到良好的保護(hù)。植物界最高級的一類，自新生代以來，它們在地球上占著絕對優(yōu)勢。鱗木（蕨類石松綱最著名的一屬）蘇鐵

二、

成煤作用植物遺體堆積，到轉(zhuǎn)變?yōu)槊旱娜窟^程叫成煤作用。這個(gè)過程經(jīng)歷了復(fù)雜的生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用。成煤作用分為泥炭化（腐泥化）、煤化階段。（一）泥炭化（腐泥化）階段植物繁殖、死亡、堆積，在微生物作用下不斷分解、化合、聚積，高等植物形成泥炭，低等植物則形成腐泥。腐泥化作用（1）概念——低等植物和浮游生物在湖泊、瀉湖、海灣等還原環(huán)境中轉(zhuǎn)變成腐泥的生物化學(xué)作用叫腐泥化作用。（2）腐泥——含大量水分的黑灰、黑褐色凍膠淤泥狀物質(zhì)。（二）煤化階段泥炭或腐泥形成后，由于地殼下降而被其它沉積物覆蓋，則進(jìn)入了煤化作用階段。此時(shí)生化作用停止，代之以物理化學(xué)作用。包括了二個(gè)連續(xù)過程：1、成巖作用泥炭（腐泥）在溫度、壓力作用下，經(jīng)壓實(shí)、脫水、固結(jié)轉(zhuǎn)變成褐煤（腐泥煤）。2、變質(zhì)作用褐煤繼續(xù)在溫度、壓力、時(shí)間影響下轉(zhuǎn)變?yōu)闊熋骸o煙煤、天然焦或石墨。三、成煤必要條件

（一）植物條件成煤的物質(zhì)基礎(chǔ)（二）氣候條件影響植物生長和植物的分解，溫暖潮濕是重要的氣候條件。（三）地理?xiàng)l件植物遺體的堆積場所。（四）地殼運(yùn)動條件地殼均衡沉降（沉降速度與植物堆積速度平衡）

第三節(jié)煤系和煤田

主要內(nèi)容：一、煤系及其類型二、煤系的組成三、煤田、聚煤期、聚煤區(qū)一、煤系及其類型（一）煤系的概念指在一定地質(zhì)時(shí)間內(nèi)，形成的具有成因聯(lián)系且連續(xù)沉積的一套含煤巖系。

1、一定要在一套巖層系統(tǒng)中含有煤層；

2、主要由沉積巖組成，在地殼運(yùn)動劇烈的地區(qū)，可能含有火山巖和火山碎屑巖；

3、含有大量的植物化石。（二）煤系的類型

煤系在地殼以沉降運(yùn)動為主的振蕩過程中形成的。由于振蕩運(yùn)動的性質(zhì)與幅度不同，以及地理環(huán)境和范圍的差異性，至使煤系的特點(diǎn)各不相同。1、近海型煤系是在濱海平原或?yàn)a湖，海灣以及淺海所成。由于地殼的小型振蕩運(yùn)動，時(shí)為淺海、時(shí)為陸地，發(fā)育廣闊的沼澤。主要特點(diǎn)：1）分布面積一般較廣；2）巖性、巖相均比較簡單；3）標(biāo)志層較多，旋回結(jié)構(gòu)非常清楚，對比較易；4）煤層厚度較為穩(wěn)定，但多數(shù)為薄—中厚煤層；5）煤層一般含硫量較高；6）含有大量的植物化石和海生動物化石；如：華北的石炭系煤系；華南二疊系煤系等。2、內(nèi)陸型煤系位于陸地上的內(nèi)陸盆地、山間盆地及山前盆地。在沉積過程中未曾發(fā)生海水侵入，煤系全部由陸相沉積物組成。主要特點(diǎn)：1）厚度一般較大，分布面積一般較小，巖性、巖相變化大，煤層不易對比；2）煤層厚度大，層數(shù)多，厚度變化大，分岔、尖滅時(shí)有出現(xiàn)；3）煤系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含硫較低；4）巖石成分復(fù)雜，富含大量的植物化石和淡水動物化石；5）在地殼運(yùn)動強(qiáng)烈的地方，煤系中可出現(xiàn)火山巖及火山碎屑巖；二、煤系的組成（一）煤層

1.煤層的結(jié)構(gòu)

煤層包含煤分層和巖石夾層，不含夾石層的稱為簡單結(jié)構(gòu)煤層；反之，含有夾石層的則稱為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。

煤層夾矸的物質(zhì)來源，主要取決于泥炭沼澤所處的沉積環(huán)境。煤層結(jié)構(gòu)對采煤生產(chǎn)的影響對采煤方法、采掘機(jī)械的選擇和原煤質(zhì)量等，都有一定影響：當(dāng)煤層中含有較厚夾矸時(shí)，可實(shí)行煤分層的分采；當(dāng)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜而難以分采時(shí)，夾石將摻入煤中，使原煤質(zhì)量降低。因此在煤田地質(zhì)勘探階段，就應(yīng)查明煤層結(jié)構(gòu)，并作出原煤質(zhì)量的初步評價(jià)。

2.煤層的厚度

總厚度：是煤層頂、底板之間各煤分層和夾石層厚度的總和；有益厚度：指煤層頂、底板之間各煤分層厚度的總和；可采厚度：指在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)技條件下適于開采的煤層厚度。最低可采厚度：按照國家目前有關(guān)技術(shù)政策，依據(jù)煤種、產(chǎn)狀、開采方式和不同地區(qū)的資源條件所規(guī)定的可采厚度的下限標(biāo)準(zhǔn)。（影響因素：煤種、產(chǎn)狀、開采方式、資源條件）

3.煤層厚度分類有三類分類

1)按厚度分:0.3-0.5m極薄煤層

0.5-1.3m薄煤層

1.3-3.5m中厚煤層

3.5-8.0m厚煤層

>8m巨厚煤層煤層厚度及其變化是影響煤礦開采的主要地質(zhì)因素之一。煤層厚度不同，采煤方法亦不同。2)按傾角分:<5°近水平煤層

5°-25°緩傾斜煤層

25°-45°傾斜煤層

>45°急傾斜煤層

3)按穩(wěn)定性分:

穩(wěn)定煤層：均>可采厚度，煤層厚度變化有一定規(guī)律性;

較穩(wěn)定煤層：煤厚有相當(dāng)變化，大多可采，局部不可采；不穩(wěn)定煤層：煤厚變化大，分岔、尖滅、增厚、變薄時(shí)有出現(xiàn)；極不穩(wěn)定煤層：常呈透鏡狀、斷續(xù)分布、僅局部可采。煤層發(fā)生分岔、變薄、尖滅等厚度變化，則直接影響煤炭儲量平衡和煤礦正常生產(chǎn)。（二）煤層頂、底板

1.頂板位于煤層上方一定距離的巖層。頂板分為三種：

1）偽頂直接覆于煤層之上的薄巖層，多為炭質(zhì)頁巖、泥巖，一般厚幾厘米到幾十厘米，極易垮落。

2）直接頂位于偽頂之上，多為粉砂巖、泥巖，厚約1-2m，采煤回柱后能自行垮落。

3）老頂位于直接頂之上，多為砂巖、石灰?guī)r，厚度較大，強(qiáng)度也大，采煤后長時(shí)期不易自行垮落，只發(fā)生沉降。2.底板

位于煤層下方一定距離的巖層。分為二種：

1）直接底直接伏于煤層之下的巖層，多見炭質(zhì)泥巖，常幾十厘米厚。

2）老底位于直接底之下，多為粉砂巖、砂巖，厚度較大。（三）煤系中的標(biāo)志層

煤系中一些巖性特殊、易于識別、層位穩(wěn)定或分布規(guī)律明顯的巖層，可作為尋找、對比煤層的標(biāo)志層。例如：石灰?guī)r、礫巖、鋁土巖、巖性顏色特殊的砂巖等。三、煤田、聚煤期、聚煤區(qū)

（一）煤田、煤產(chǎn)地

1.煤層

指同一個(gè)地質(zhì)時(shí)期形成、并大致連續(xù)發(fā)育的含煤巖系分布區(qū)。面積一般由幾十到幾百平方米。如山東魯西煤田、遼寧阜新煤田等。

2.煤產(chǎn)地

指受后期大地構(gòu)造變動和剝蝕作用而分隔開的一些單獨(dú)的含煤巖系分布區(qū)。通常可對應(yīng)于礦井或礦區(qū)范圍。如山西陽泉礦區(qū)、山東兗州礦區(qū)等。中國煤盆地（煤田）分布圖中國煤礦百強(qiáng)企業(yè)山西煤炭與中國能源權(quán)威統(tǒng)計(jì)顯示，改革開放20多年來，山西累計(jì)生產(chǎn)原煤65億噸之多。占同期全國煤炭總產(chǎn)量的30%；累計(jì)調(diào)出原煤45億噸，占到全國省際凈調(diào)出量的80%；出口占到全國的70%。

就山西省內(nèi)而言，稱其為煤的海洋毫不夸張——煤田總面積為5.5萬平方公里，占全省面積的三分之一。而且，省內(nèi)有大同、寧武、西山、汾西、沁水、河?xùn)|六個(gè)巨型煤礦，還有陽泉、渾源、五臺、平陸等大型煤礦。此外，省內(nèi)各地還分布有5000多個(gè)大大小小的煤礦……

現(xiàn)在，山西年產(chǎn)2.5億噸煤炭。以現(xiàn)在的開采速度計(jì)算，該省的煤炭資源可供繼續(xù)采挖1000年。山西省的煤炭除了供應(yīng)國內(nèi)26個(gè)省市之外，還出口日本、韓、新、美國、英國、法國、意大利等20余個(gè)國家?！敖窈?0年到30年，中國的煤炭行業(yè)離不開山西，中國的能源也離不開山西?！鄙轿魇∩缈圃耗茉此鹾暧⒄f。

（二）中國主要聚煤期聚煤期又叫成煤期，指地質(zhì)歷史中有煤田資源形成的地質(zhì)時(shí)期。