煤地质学—煤化作用.ppt

2019/8/9,1,第三章 煤化作用,第1节.煤化作用的阶段 第2节.煤化作用的特点 第3节.煤化作用的影响因素 第4节.煤的变质指标和变质阶段的划分 第5节.煤的变质作用类型,2019/8/9,1,高等植物从死亡到变成泥炭过程 泥炭化作用 低等植物从死亡到变成腐泥过程 腐泥化作用 泥 炭（腐 泥）变成褐煤的过程 成 岩 作 用 褐煤 烟煤 无烟煤的过程 变 质 作 用,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,成煤作用,高等植物 低等植物,沼泽,湖泊或浅海,泥炭 腐泥,煤 褐煤烟煤无烟煤,地下,石 墨,泥炭（腐泥）化作用,成岩作用,变质作用,煤化作用,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,煤 褐煤烟煤无烟煤,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,石 墨,煤 褐煤烟煤无烟煤,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,石 墨,煤 褐煤烟煤无烟煤,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,变质作用,石 墨,煤 褐煤烟煤无烟煤,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,变质作用,石 墨,煤 褐煤烟煤无烟煤,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,变质作用,石 墨,煤 褐煤烟煤无烟煤,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,煤化作用,变质作用,石 墨,煤 褐煤烟煤无烟煤,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,泥炭（腐泥）化作用,煤化作用,变质作用,石 墨,煤 褐煤烟煤无烟煤,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,泥炭（腐泥）化作用,煤化作用,变质作用,石 墨,煤 褐煤烟煤无烟煤,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,高等植物 低等植物,泥炭（腐泥）化作用,煤化作用,变质作用,石 墨,煤 褐煤烟煤无烟煤,植物从死亡、堆积到转变为煤 所经历的一系列演化过程,2019/8/9,2,第三章 煤化作用,第三章 煤化作用,煤作为一种可燃有机岩石，对温度和压力的反应比无机矿物灵敏得多，由于近代各种指示不同物理化学的煤化作用程度指标测试技术迅速发展，更加促进人们应用煤化作用的各种特征来研究和解决地质问题，以及煤炭资源的加工利用问题。 近年来煤化作用研究在煤盆地的构造形成与演化中已得到广泛地应用，例如确定沉积盆地原始边界、分析盆地形成的古构造格局及演化、阐明盆地形成后的构造形变、盆地热演化的研究，以及确定地层剥蚀厚度、研究大规模构造形变、研究推覆构造的形成与演化、确定断裂变形特征、研究古地温、圈定隐伏侵入体、分析浅层变质作用、找油气及找煤层甲烷资源等。,2019/8/9,3,2019/8/9,4,一、煤的成岩作用 二、煤的变质作用,第一节 煤化作用的阶段,2019/8/9,5,1、煤的成岩作用 泥炭形成后，由于盆地的沉降，在上覆沉积物的覆盖下被埋藏于地下， 经压实、脱水、增碳作用，游离纤维素消失，出现了凝胶化组分，逐渐固结并具有了微弱的反射力，经过这种物理化学变化转变成年轻褐煤。这一转变所经历的作用称为煤的成岩作用。,一、煤的成岩作用,2019/8/9,6,在成岩作用中，煤受到复杂的化学煤化作用和物理煤化作用： （1）化学煤化作用：主要反映在泥炭内的腐植酸、腐植质分子侧链上的亲水官能团，以及环氧数目不断地减少，形成各种挥发性产物，并导致碳含量增加，氧和水分含量减少。,一、煤的成岩作用,2019/8/9,7,一、煤的成岩作用,2019/8/9,8,（2）物理煤化作用：主要反映在发生了物理胶体反应，即成岩凝胶化作用，从而使未分解或未完全分解的木质纤维组织，不断转变为腐植酸、腐植质，使已经形成的腐植酸、腐植质变为黑色具有微弱光泽的凝胶化组分。成岩作用中，丝炭化组分和稳定组分也发生了变化。,一、煤的成岩作用,2019/8/9,9,2、煤的变质作用 煤的变质作用是指年轻褐煤，在较高的温度、压力及较长地质时间等因素的作用下，进一步受到物理化学变化，变成老褐煤(亮褐煤)、烟煤、无烟煤、变无烟煤的过程 。 （1） 化学煤化作用：表现为腐植物质进一步聚合，失去大量的含氧官能团，腐植酸进一步减少，使腐植物质由酸性变为中性，出现了更多的腐植复合物。,二、煤的变质作用,2019/8/9,10,（2）物理煤化作用：表现为结束了成岩凝胶化作用，形成凝胶化组分，植物残体己不存在，稳定组分发生沥青化作用，使叶片表皮蜡质和孢粉质的外层脱去甲氧基，形成易软化、塑性强，具粘结性的沥青质，并开始具有微弱的光泽。 在温度、压力的继续作用下，腐植复合物不断发生聚合反应，使稠环芳香系统不断加大，侧链减少，不断提高芳香化程度和分子排列的规则化程度，变质程度不断提高，进而转变为烟煤、无烟煤和变无烟煤。,二、煤的变质作用,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化 二、煤化作用物理化学实质的探讨,第二节、煤化作用的特点,2019/8/9,11,2019/8/9,12,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,1、煤的成分变化 (一) 元素组成方面 （1）增碳化趋势 随着煤化程度的增加，煤中挥发物减少，碳含量增加，但以褐煤至气煤阶段和无烟煤阶段增高的幅度最大（图3.1）。即由泥炭阶段含有C、H、O、N、S五种主要元素，演变到无烟煤阶段基本上只含碳一种元素。因此，煤化作用，又称作异种元素的排出过程。,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,（2）氢、氧含量减少 随着煤化程度的增加，氢、氧含量减少，氢含量在碳含量大于87%（Vr为29%）时减少特别急剧，而氧含量在碳含量小于87%时比较显著（图3.2）。 （二）原生腐植酸的含量 原生腐植酸的含量在泥炭与年轻褐煤阶段最高，随着成岩作用的加强，腐植酸逐渐变成腐植质，而到了长焰煤阶段腐植酸已经完全消失（图3.3）。,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,13,（三）甲烷生成量的变化 甲烷生成量的变化随着煤化程度的增高而递增（图3.4）。 （四）煤的结构致密化和定向排列的趋势 煤化作用过程实际上是依序排除不稳定结构的过程。在煤化过程中，煤的芳香化程度逐渐提高，芳香族物质逐渐缩合成较大的聚合体，脂肪族成分逐渐脱落并以挥发物形式逸出，分子排列逐渐定向化（图3.5）。,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,14,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,15,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,16,煤的结构上主要表现为芳香族稠环体系的缩合度进一步增加，侧链更加减少，芳香单元直径加大，层系间空间减小，使得顺层面三维的定向排列更加紧密。,低煤级,高煤级,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,17,（五）煤显微组分性质的均一性 在煤化作用的低级阶段，煤显微组分的光性和化学组成结构差异显著，也就是说具有不同的煤化作用轨迹（图3.6）。但随着煤化作用的进行，只是在高变质阶段，这些差异趋于一致，变得愈来愈不易区分。,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,18,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,18,2019/8/9,18,2019/8/9,18,例如：丝炭化组分中的碳、氢、氧含量在煤化过程中最为稳定，镜质组分次之，孢子体等最不稳定；煤的挥发分产率、反射率（图3.7）以及真比重等的变化梯度以壳质组为最大，惰性组最小，到高变质阶段则渐趋一致（图3.8） ，煤化过程中各种显微组分吸附水分的能力都逐渐降低，其中以镜质最为显著，但到中变质阶段时彼此已接近一致。此外，煤的粘结性的变化主要取决于镜质和壳质组，因为惰性组在任何煤化阶段均无粘结性。镜质的粘结性以肥、焦煤阶段最高；壳质组的粘结性在老褐煤阶段开始出现，到焦煤阶段已消失，最大值大致在气煤阶段。,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,19,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,20,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2、煤的性质变化 （一）煤的工艺性质方面 （1）随煤化程度的增高，挥发分逐渐降低（图3.9）。,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,21,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,21,2019/8/9,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,2019/8/9,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,（2）随着煤化程度的增高，水分自褐煤至焦煤阶段逐渐降低，在焦、瘦煤界线上达到最小值，由瘦煤至无烟煤阶段又略有增加（图3.10）；发热量值的变化恰与水分相反，自褐煤至焦煤阶段逐渐增加，在焦、瘦煤界线上达到最大值，由瘦煤至无烟煤阶段又略有减少（图3.11）。,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,22,（3）粘结性则以焦、肥煤阶段为最强，这可从胶质层厚度和罗加指数的变化曲线上明显的看出（图3.12、3.13）。,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,23,2019/8/9,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,23,2019/8/9,（二）煤的物理性质方面 煤化过程中，煤的物理性质亦作规律性的变化。 （1）随着煤化程度的增高，煤的颜色由褐色变为黑色再到黑灰色；粉末则由浅褐色到黑色和深黑色； （2）随着煤化程度的增高，光泽也逐步增强，年轻褐煤一般不具光泽，由老褐煤开始到无烟煤阶段依次出现沥青光泽、玻璃光泽、金刚光泽和似金属光泽；在中变质阶段之前，各种煤岩类型之间光泽的差别较大，而到高变质阶段则渐趋一致； （3）煤的镜质组反射率随煤化程度的增高而加大，到无烟煤阶段尤为明显；,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,24,2019/8/9,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,24,2019/8/9,（4）随着煤化程度的增高，煤的硬度变化也很明显，肥煤和焦煤的硬度最小，无烟煤最大，而长焰煤、气煤与贫煤的硬度相近，仅次于无烟煤；,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,（5）脆度以中变质阶段的焦、瘦煤为最大（图3.14）；,25,2019/8/9,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,（6）内生裂隙数呈曲线变化，最大值在焦煤阶段（图3.15 ）； （7）煤的显微镜下的特征也随煤化程度的增高而变化。透明度逐渐降低，反射率增强，各显微组分差异变小；,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,26,2019/8/9,（8） 煤的导电性在烟煤阶段增长很慢，电阻率常为2000200欧姆-米，而无烟煤则增长很快，电阻率常为500.1欧姆-米（图3.16）。,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,27,2019/8/9,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,一、煤化过程中煤的成分和性质的变化,27,2019/8/9,煤化过程中，煤的化学组成和物理结构的变化是既有区别又有联系的。也就是说“化学煤化作用”和“物理煤化作用”基本上是平行进行的，但也不也完全一致。 煤化作用不同阶段物理化学变化的表现 1.煤的成岩阶段 2.成岩和变质作用过渡的老褐煤阶段 3.煤变质作用阶段,二、煤化作用物理化学实质的探讨,四次煤化作用跃变（烟煤和无烟煤阶段）,二、煤化作用物理化学实质的探讨,二、煤化作用物理化学实质的探讨,二、煤化作用物理化学实质的探讨,28,2019/8/9,1.煤的成岩阶段 在煤的成岩阶段，丝炭组分和稳定组分的物理化学变化不太明显，而其他腐植物质却发生明显的物理化学变化。 （1）物理变化表现在煤发生物理胶体反应（成岩凝胶化作用），未分解的木质素和纤维素不断转变成腐植酸和腐植质，而腐植酸和腐植质又逐渐变成黑色具光泽的镜质组。 （2）化学变化表现在缩合成分子量更大的腐植酸和腐植质，侧链上的亲水官能团如羟基（-OH），羧基（-COOH），甲氧基（-OCH3）、羰基（=C=0）以及环氧的数目不断减少，析出大量的水分和二氧化碳、甲烷，导致碳含量增高，水分和氧含量较快地减少。,二、煤化作用物理化学实质的探讨,二、煤化作用物理化学实质的探讨,二、煤化作用物理化学实质的探讨,二、煤化作用物理化学实质的探讨,二、煤化作用物理化学实质的探讨,29,2019/8/9,2.成岩和变质作用过渡的老褐煤阶段 （1）物理变化：在成岩和变质作用过渡的老褐煤阶段，腐植物质的成岩凝胶化作用已结束，即镜质组分全部生成，已没有未变化的植物残余成分存在。 （2）化学变化：稳定组分开始发生沥青化，首先是蜡质叶片表层和孢子花粉外层脱去甲氧基，生成石油型烃类，即易软化、强塑性和具粘结性的沥青，并使这些稳定组分开始具有反射力。从化学变化上说，此时腐植物质分子由于进一步聚合，失去大量酸性官能团，如羟基（COOH）和甲氧基（OCH3），使腐植物质由酸性向中性转变，愈来越多地成为腐植复合物。很明显，在老褐煤阶段，煤的“岩石质变”已经完成，而化学质变的重要指标腐植酸含量虽急剧减少，但却未完全消失，只是到褐煤和烟煤的分界线上，溶于碱的腐植酸才完全消失。,二、煤化作用物理化学实质的探讨,二、煤化作用物理化学实质的探讨,二、煤化作用物理化学实质的探讨,二、煤化作用物理化学实质的探讨,30,2019/8/9,2019/8/9,31,3.煤变质作用阶段 (1)四次煤化作用跃变： 第一次跃变： 发生在长焰煤开始阶段(Cdaf7580，Vdaf43，镜质组反射率 = 0.6%），它与石油开始形成阶段相当。本次跃变的特点是沥青化作用的发生，随煤化程度的提高，各种含氧官能团逐渐脱落，在 0.6以前主要以析出CO2和H2O为特征；当煤化作用达到 = 0.50.6阶段，芳香核稠环上开始脱落脂肪族和脂肪族官能团和侧链，形成以甲烷为主的挥发物，于是开始了生成沥青质的沥青化作用。,二、煤化作用物理化学实质的探讨,2019/8/9,32,（1）四次煤化作用跃变： 第二次跃变： 出现在肥煤到焦煤阶段（约Cdaf87，Vdaf29， = 1.3%）。跃变的的发生是因煤中甲烷的大量逸出，从而释放出大量的氢所造成的。本阶段开始，由于富氢的侧链和键的大量缩短及减少，使煤的比重下降到最小值。在压力作用下，煤的显微孔隙度逐渐缩小，水分减少。到焦煤阶段（Cdaf89，Vdaf20， = 1.7% ），腐植凝胶基本完成了脱水作用，水分和孔隙度都达到了最低值，发热量则升高到最大值。自第二次跃变后，壳质组与镜质组在颜色、突起、反射率等方面的差异愈加变小，难以区分。,二、煤化作用物理化学实质的探讨,2019/8/9,33,（1）四次煤化作用跃变： 第三次跃变： 发生于烟煤变为无烟煤阶段(Cdaf91，Vdaf8， = 2.5%）。煤化作用的第三次跃变以后，就进入无烟煤化作用和半石墨化作用的阶段，它代表了煤化作用的最终阶段，其产物是无烟煤和变无烟煤的形成。,二、煤化作用物理化学实质的探讨,2019/8/9,34,（1）四次煤化作用跃变： 第四次跃变： 为无烟煤与变无烟煤的分界(Cdaf93.5，Hdaf=2.5%, Vdaf4.0，镜质组反射率 = 4%， = 3.5%）。 本阶段和初期煤化作用阶段相比有较多的不同： 化学煤化作用方面：主要表现为氢含量与氢碳原子比的急剧下降。碳含量随埋藏深度的增加也明显增大，同时芳香单元的芳香度和缩合度也急剧增加。,二、煤化作用物理化学实质的探讨,2019/8/9,35, 第四次跃变： 物理煤化作用方面：硬度增大、光泽增强，到变无烟煤时几乎呈金属浅黄色光泽，宏观上微层理已不明显；在光学特征上变化更为明显，即在非偏光下，无烟煤与变无烟煤都更加显示出均质性的特征，在正交偏光下，主要显微组分又可显出差异，角质组和孢子体达到了最大反射率，且双反射率也较高，惰质组的最大反射率约等于或低于镜质组的反射率。镜质组的最大反射率在无烟煤阶段以后有时可以超过惰质组。,二、煤化作用物理化学实质的探讨,2019/8/9,36,无烟煤阶段镜质组反射率随着煤化作用进一步增高，进入变无烟煤以后，由于最小反射率迅速减小，双反射率急剧加大。,36,2019/8/9,37,第三节 煤化作用的影响因素,温度、压力和时间是影响煤化作用的重要因素，其中温度是煤化作用的主要因素。此外放射性元素蜕变的影响也值得注意。,1、温度因素的重要性 2、地热和地温梯度 3、煤化（变质）作用所需的温度,一、温度的影响,地壳的等温面以及地温梯度,岩石导热性能对煤化梯度的影响,38,2019/8/9,2019/8/9,39,1、温度因素的重要性,1930年Gropp和Bode曾将泥炭或年轻褐煤置于密闭的容器内，在1000个大气压的条件下逐渐加热，在相当长的时间内试样并无变化；但当温度高过200时，试祥开始变化，最终转变为煤化较深的褐煤。两年后再度进行试验，在1800个大气压，温度低于320的条件下，虽然时间持续很久也未能使褐煤进一步变化，但当温度升到320时，褐煤就转变为具有长焰煤的产物，当温度升高到345时，所得的产物就具有典型烟煤的性质。温度再进一步增高到500时，产物则具有无烟煤的特性。 试验不仅说明温度和压力是煤化作用的重要影响因素，而且还进一步证明了与压力相比，温度是促进煤变质的主导因素。,1、温度因素的重要性,2019/8/9,39,1、温度因素的重要性,表 3-2,2019/8/9,40,随着沉降深度的变化，温度的增加使得煤化作用程度提高，因此煤化作用的演化决定于煤的受热史。煤化程度增高的速度，有人称为“煤级梯度”或“煤化梯度”。它首先决定于地区的地热条件，即地热梯度变化。 地温梯度：深度每增加一百米，温度增高的数值。,2、地热和地温梯度,2、地热和地温梯度,2、地热和地温梯度,2019/8/9,41,（1）地壳的等温面：由于地壳结构和地质构造各处有异，各种热源分布的不均一性，因而地热场的特点也不一样。首先表现在地壳的等温面并不是一个理想的平面，而是起伏不平的曲面，其次是地壳各处的地温梯度各有差异，等温面的间隔往往也不相同。 现代地壳平均地温梯度为3 /100米，但其变化范围可由0.5 /100米到25 /100米。我国华北某地的地温梯度为3.3 /100 。,2、地热和地温梯度,2019/8/9,42,（2）岩石导热性能对煤化梯度的影响 地热条件相类似的地区，由于下伏和共生岩石的导热性能不同，对于煤化梯度的影响也不相同。 岩石的导热性首先决定于岩石本身的热导率，也还受到岩石的孔隙、裂隙、溶洞、构造破坏程度等的影响。 例: 联邦德国萨尔煤田某钻孔（图3.19），在穿过近200m的砂岩带时，明显可见各项煤化指标，如无灰基水分、干燥无灰基发热量、干燥无灰基碳含量和平均油浸反射率，都几乎处于停滞状态。这主要是因为砂岩具有良好热导率，地温在砂岩中扩散较快，因而相对温差小。,2、地热和地温梯度,2019/8/9,43,2、地热和地温梯度,2、地热和地温梯度,图 3.19,2019/8/9,44,近年来，由于应用地质地球物理方法研究地热场变化，用围岩矿化推测古地温及用热动力模拟计算煤化温度，得出煤化作用所需的温度比早先仅根据人工煤化实验所推断的温度（如生成烟煤的温度为300-500 ，生成无烟煤的温度大于500）要低得多的结论，认为古生代烟煤在100-200的温度下即可形成，如果作用时间足够长的话，还可形成无烟煤。 根据文献中提供的一些主要煤田的资料（表3-3），转变为不同煤化阶段的煤所需的温度大致为：褐煤40-50 ；长焰煤一般100 ；炼焦煤（包括气煤、肥煤、焦煤和瘦煤）一般200 ；无烟煤一般不超过350 。,3、煤化（变质）作用所需的温度,2019/8/9,45,2019/8/9,46,3、煤化（变质）作用所需的温度,但是受热持续时间和不同古地热史的影响，特定的煤化程度与精确的最大温度之间的关系较难确定。 前苏联学者提出，受热50Ma，顿巴斯煤田的受热温度 与煤化程度的关系（表3-4）：,表 3-4,2019/8/9,47,3、煤化（变质）作用所需的温度,1.静压力 2.构造压力（动压力）,二、压力的影响,压 力,2019/8/9,48,1.静压力,静压力：来自上覆岩层的压力。静压力可导致岩石和煤体积的压缩。在压缩时由于内摩擦也会放出热量，提高地温，从而间接地推进煤化作用，但是这已经属于温度因素的影响了。 近年来，在不同压力下的煤化实验更加确认了静压力对化学煤化作用的抑制作用。这是由于正常煤化作用所需的压力显然不太大，当静压力超过这个数字后，从煤的有机结构的侧链上脱出瓦斯更加困难。 压力因素虽阻碍化学反应，但引起煤的物理结构发生变化。如静压力使煤的孔隙率和水分降低、密度增加，还促使芳香族稠环平行于层面做有规则的排列。,2019/8/9,49,前苏联学者列文施琴（1963）对卡拉干达煤田按5MPa/min递增的速度进行加压实验，直到高达相当于地下15km处的500MPa的压力，煤的Vdaf,Cdaf,Hdaf和Y值都未发生变化。,表 3-5,2019/8/9,50,1.静压力,2019/8/9,51,2.构造压力,构造压力：指由于地壳运动产生的构造挤压力和剪切应力。 构造应力对煤的物理变化有强烈影响。如某些褶皱地区，出现了水分含量异常低的低变质煤，可能是强烈的水平挤压力作用的结果。 在煤化作用的最后阶段，特别是变无烟煤的形成阶段，煤化作用除了高温和压力作用外，剪切应力的作用亦较为明显。在构造应力作用下，剪切与拉伸能使芳香族单元层沿石墨形成的方向更加排列有序，这样在半石墨化、石墨化阶段表现的更为明显。,2019/8/9,52,三、时间的影响,温度和压力持续作用于煤的时间长短，也是影响煤化作用的重要因素。在相同的温度条件下，受热时间越长，煤的变质程度越高；长时间的低温作用（超过60）也能起到短时间的高温作用的效果（图3.20、3.21）。,2019/8/9,53,三、时间的影响,温度、时间与煤化程度的关系,图 3.20,图 3.21,2019/8/9,54,第四节 煤化程度指标和变质阶段划分,煤化程度指标简称煤化指标，又称煤级指标，指可作为衡量煤的变质程度的物理和化学指标。由于煤化作用是个复杂的过程，不同煤化阶段中各种指标变化的显著性各不相同，因此对于一定煤化阶段往往具有不同的煤化程度指标。 水分、发热量、氢含量、碳含量、挥发分（化学指标）及镜质组反射率、X射线衍射曲线（物理指标）等。 实践表明，应该选择那些在煤化过程中变化显著、规律性清楚的指标，而且还应注意针对不同阶段或不同变质类型的煤选择不同的指标。,2019/8/9,55,表 3-6,2019/8/9,56,一、 煤化程度指标,1、深成变质煤 （1）水分 在褐煤与尚未压固的低煤化阶段，由于上覆岩层压力，使得煤中的孔隙度很快降低，亲水官能团分解，水分迅速减少。如软褐煤阶段，埋深每增加100m，水分降低4。因此，水分是低煤化阶段的较敏感的煤化程度指标。,图 3.22 煤化过程中水分 与挥发分的关系,2019/8/9,57,（2） 发热量 在褐煤及低煤化烟煤阶段(Vdaf 30)，镜质组的发热量主要决定于水分的含量。随着水分的降低，发热量大致成比例地增高。因此发热量也和水分一样，是褐煤及低煤化烟煤阶段的煤化指标。,一、 煤化程度指标,2019/8/9,58,（3）氢含量 煤中氢含量一般小于6。由于煤的芳香族稠环中富氢官能团和侧链随煤化程度的增高而逐渐脱落，从而析出甲烷，并且在无烟煤阶段的析出量最大，氢含量减少得最为明显，可由4降至1。因此，氢含量是无烟煤和变无烟煤阶段较敏感的煤化指标。,一、 煤化程度指标,2019/8/9,59,（4）碳含量 随着煤化程度的增高，因芳香族稠环中官能团和侧链的不断脱落使碳含量相应地增高。 从肥煤到贫煤的阶段内，碳含量仅从87增加到91，在软褐煤和暗褐煤阶段的变化也不明显。 从亮褐煤到接近气煤与肥煤分界的阶段及无烟煤阶段，碳含量的变化较为明显，可作为煤化程度指标。,一、 煤化程度指标,一、 煤化程度指标,（5）灰分 煤的灰分不是煤中的固有成分，而是煤在规定条件下完全燃烧后的残留物。它是煤中矿物质在一定条件下经一系列分解、化合等复杂反应而形成的，是煤中矿物质的衍生物。 煤的灰分产率与矿物质含量间有一定的相关关系，可以用灰分来估算煤中矿物质含量。 煤质研究中由于灰分与其他特性，如含碳量、发热量、结渣性、活性及可磨性等有不同的依赖关系。因此，煤中灰分是一项在煤质特性和利用研究中起重要作用的指标。,一、 煤化程度指标,2019/8/9,60,2019/8/9,61,（6）挥发分及镜质组反射率 挥发分及镜质组反射率是最常用的两个煤化程度指标。 在气肥煤到瘦煤的煤化阶段中，镜质组反射率随芳香稠环缩合程度的增加而增高。由于镜质组反射率和挥发分都与镜质组结构单元的芳构化程度有关，因此镜质组反射率的增高与挥发分降低的程度几乎相同。故在肥煤到贫煤阶段，镜质组反射率和挥发分是良好的煤化程度指标。,一、 煤化程度指标,2019/8/9,62, 在气肥煤阶段之前，煤中析出的气体以CO2和H2O为主，此阶段镜质组反射率与挥发分变化不明显且不规则。 无烟煤阶段，挥发分含量已很少，变化不大；镜质组反射率自贫煤以后，由于煤化作用增加了芳环族单元层排列的有序性，它仍是良好的煤化程度指标。但随着煤化程度的进行，煤的光学各向异性也增大，因此影响了反射率测定的精度。在变无烟煤阶段，镜质组的最小反射率反应更为灵敏。,一、 煤化程度指标,2019/8/9,63,（6）挥发分及镜质组反射率,与其他各种煤化指标相比，镜质组反射率指标的优点如下： 首先，表现在随煤化程度的加深具有明显现律性单向变化，变化规律有较好的重现性和可比性； 其次，该指标的变化值能较精确地加以确定，测定的技术方法简便、易行； 镜质组反射率指标不受煤岩成分、灰分、煤样代表性的影响，而且受还原程度的影响也很小。,一、 煤化程度指标,2019/8/9,64,（6）挥发分及镜质组反射率,在应用上，镜质组反射率指标也存在一定局限性： 首先，在低煤化阶段，由于芳香度和缩合度变化较小，因此镜质组反射率的变化量值反应不灵敏； 其次，在粉煤和分散有机物的制样中，难以消除不同显微组分的误测； 此外，氢含量对镜质组反射率有一定影响，富氢的镜质组反射率值偏低，在高煤化作用阶段，特别从无烟煤阶段以后到变无烟煤阶段，镜质组反射率值相当离散，双反射率明显增大，因此影响该指标应用的准确性。,一、 煤化程度指标,2019/8/9,65,（7） X射线衍射曲线 煤化作用的增高，使镜煤的芳香族稠环逐渐排列规则化。因此，当X射线透过时，会产生不同程度的衍射。随着煤化程度的提高，衍射曲线从平稳到陡，强度也愈来愈大。,一、 煤化程度指标,图 3.23,2、接触变质煤 对于接触变质煤来说，由于变质过程中岩浆和矿化水往往与煤发生化学反应，所以其指标的变化常与深成变质煤不一致。 表现在： 煤的粘结性遭到破坏； 在长焰煤至贫煤阶段，接触变质煤的水分偏高，但在无烟煤阶段反而偏低；,2019/8/9,66,一、 煤化程度指标,煤的发热量，挥发分产率和氢含量偏低； 煤的比重在褐煤至肥煤阶段偏低，在焦煤至无烟煤阶段反而偏高； 煤的显微硬度随着远离火成岩而降低。,2019/8/9,67,一、 煤化程度指标,3.区域热力变质煤 对于因受地壳深处岩浆源的影响而变质的区域热力变质煤而言，其变质指标的变化基本上与深成变质煤相近，但在焦煤至无烟煤阶段，其碳含量较小，粘结性较差，电阻率较低。 4.动力变质煤 由于地壳强烈构造运动而引起的动力热变质煤的某些物理、化学指标与深成变质煤有区别，水分明显偏低，孔隙度小而密度大。,2019/8/9,68,一、 煤化程度指标,2019/8/9,69,一、 煤化程度指标,表 37,根据在显微镜下或油浸中测定镜质组最大反射率的数值，可将低、中、高变质的煤进一步划分为八个变质阶段，即0 阶段，与按化学工艺性质划分的八个工业牌号大致相当。每个变质阶段按反射率的强弱又可再分为三个小阶段（表38 ），分别以1、2、3表示，写在阶段代号的右下角，其中1变质较低，2与标准煤样相当，3变质较高。 地质科学院曾用硒光电池法测定了镜煤的最大反射率，确定了腐植煤的变质阶段。从褐煤至无烟煤，划分出了八个主要变质阶段（0）、三个过渡变质阶段（、）,共十一个阶段（表39）。,二、 煤变质阶段的划分,二、 煤变质阶段的划分,2019/8/9,70,二、 煤变质阶段的划分,2019/8/9,71,表38,二、 煤变质阶段的划分,表 39,2019/8/9,72,2019/8/9,73,根据引起煤变质的热源及其作用方式和变质特征，可将煤变质作用划分为三种类型：,第五节 煤的变质作用类型,深成变质作用 岩浆变质作用 动力变质作用,区域岩浆热力变质作用,接触变质作用,2019/8/9,74,深成变质作用：是指煤在地面下较深处受到地热和上覆岩系静压力作用所发生的变质作用。因其对煤的影响最广泛，也称为“区域变质作用”。 又因深成变质作用主要是由地热引起，故又称为“地热变质作用”。但作为深成变质热源的地热，在地壳各处是不同的。,一、深成变质作用,2019/8/9,75,（一） 影响地热的因素 地热来源于原始地球残余热、化学反应热、潮汐磨擦热、放射性元素蜕变热以及重物质位移热，其中尤以后两种重要。 影响地热的分布除了热源不同外，还有大地构造特征、构造断裂破坏程度、岩石导热性、岩浆岩性质和活动特征，以及地下水活动特征等。这些因素将造成各地区地温梯度的差异，从而必然导致各地煤变质梯度的差异。 煤的变质梯度：是指煤在地壳恒温层之下每加深100米煤变质程度增高的幅度。煤的变质梯度常以煤中可燃基挥发分减少的数值（Vdaf）表示，亦称挥发分梯度；或以镜质组的反射率增高的数值表示（ Rmax），称为镜质组反射率梯度。,一、深成变质作用,2019/8/9,76,一、深成变质作用,不同煤田地温梯度不同，挥发分梯度也不一样。如山西阳泉、大同煤田的挥发分梯度为1.4%3.3%，豫西煤田挥发分梯度为2%3%，鲁中煤田为4%等。,表 3-10,表 3-11,2019/8/9,77,一、深成变质作用,地温梯度不同导致变质程度相同的煤处于不同沉降深度。,图 3.24,2019/8/9,78,一、深成变质作用,（二） 深成变质的特点 1、希尔特定律 地热是由地表向地下深处逐渐增高的，因而在深成变质过程中，煤的变质程度也是沿煤系垂直剖面由浅处向深处逐渐增高的。德国学者希尔特在研究德国、法国、英国诸煤田煤质变化的基础上，提出：在地层大体水平的条件下，煤的挥发分每百米降低约2.3%，即煤的变质程度随埋藏深度的加深而增高希尔特定律。,2019/8/9,79,一、深成变质作用,希尔特定律是普遍存在的，但由于局部火成岩的侵入、构造变动、煤的成因类型或煤岩类型等因素的影响，也会使煤质发生异常变化。如徐州晚古生代煤田的Vdaf值随深度加深而增高，这是因为下部太原组煤为腐泥煤，含藻类体达70%，故使Vdaf值比其上部的煤还高，Y值也高。,表 3-12 徐州煤田煤的挥发分随深度加深而增高,2019/8/9,80,一、深成变质作用,（二） 深成变质的特点 2、煤变质的分带性 在煤的深成变质过程中，由于煤系下部煤层或煤组经受高于上部的温度及压力，因而下部煤的变质程度也较上部煤的变质程度为高。这种煤质随沉降深度呈现规律性的变化，即为煤质的垂直分带。 如德国鲁尔煤田石炭纪煤系，在其垂直剖面上，自下而上分为4个煤化程度不同的煤级带：长焰煤-气煤带；气煤带；肥煤带；焦煤、瘦煤及贫煤、无烟煤带。我国鸡西中生代煤系，煤质分带自上而下为低变质、低中变质及中变质三个带，极为明显。,2019/8/9,81,一、深成变质作用,（二） 深成变质的特点 2、煤变质的分带性 煤质垂直分带的明显程度与分带的宽窄，主要决定于煤的变质梯度，变质梯度的大小又取决于地热梯度和煤本身的特征。 一般来说，地热梯度大，挥发分梯度和变质梯度也大，因而引起相同煤质变化所需要的沉降深度也就愈小，煤质的垂直分带就窄。如果考虑到受热时间的延长会使煤质变化所需的深度变得更小，煤质垂直分带则更窄。,2019/8/9,82,一、深成变质作用,（二） 深成变质的特点 2、煤变质的分带性 煤质特点对挥发分梯度也有明显影响，因此不同变质程度的煤，其挥发分梯度各异，以中变质煤的变质梯度最大，因而其分带明显。,图 3.25,2019/8/9,83,煤变质的水平分带是垂直分带性的一种表现，由于地壳构造运动的影响，同一煤田内同一煤层或煤组在形成和形变过程中沉降深度不同，这就表现在煤系本身厚度变化和煤系上覆岩系厚度变化的不相同。因此，同一煤层或煤组所经受的变质程度不同，反映在平面上就构成煤质的水平带状分布特征。,图 3.26,2019/8/9,84,一、深成变质作用,（二） 深成变质的特点 3、煤系上覆岩系厚度与深成变质 影响煤变质的沉降深度，除了煤系本身厚度所代表的沉降深度外，上覆岩系厚度代表的后期沉降同样也影响煤的变质。 我国华北晚古生代聚煤盆地煤系厚度一般较薄，它所代表的沉降深度不足以形成不同的煤种。但煤系形成后的继续沉降（即上覆岩系厚度所代表的沉降），是形成煤变质分带的原因之一。,2019/8/9,85,一、深成变质作用,例：我国湖北东南部下二叠统麻土坡煤系，厚度一般不足10m，但由于上覆岩系厚度不同，使仅含的一层煤在各地的变质程度不同。,表 3-13,2019/8/9,86,一、深成变质作用,注意： 应用上覆岩系厚度分析深成变质作用的影响，应注意煤系形成后构造运动史的研究。当煤系与上覆岩系之间为连续沉积或仅有短暂的间断时，由于两个岩系基本上处于同一构造运动幕，经受同期构造运动的变形，因此上覆岩系厚度与煤系本身的沉降有关，对煤的深成变质有较大影响；反之，如果上覆岩系与煤系之间存在长期间断，甚至经历了不同的构造运动，这时必须对其剥蚀的上覆岩系厚度做专门研究后，才能正确分析对煤的深成变质作用的影响。,2019/8/9,87,一、深成变质作用,（二） 深成变质的特点 4、深成变质作用与煤层赋存深度的关系 煤层现今赋存的深度对煤的变质也有影响。在含煤岩系发生构造变动之后，由于后期形变造成了更大埋藏深度，在这种条件下由于温度、压力和时间因素的影响，仍然可使煤的变质程度累积加深。尽管经受的温度低于构造变形之前(不低于50)，但由于经历足够长的时间，煤的变质仍会继续加深。 例如:我国河北开滦煤田开平向斜轴部煤的变质程度高于两翼，轴部为焦煤，两冀为肥煤和气煤，因而，造成了等变质面与煤岩层面呈一定交角的状况。两者交角愈大，反映构造形变后煤层赋存深度对煤变质的影响愈大。,2019/8/9,88,二、岩浆变质作用,由于岩浆热、挥发分气体和压力的影响，使煤发生了变质作用。这种变质作用形成的条件是由于岩浆的侵入、穿过或靠近煤层或煤系。根据侵入岩体的大小和侵入部位，以及侵入岩体与煤层的直接接触或间接影响，将此变质作用进一步划分为两种类型：一种是与浅成侵入岩有关的接触变质作用；另一种是与地下庞大的深成侵入体有关的区域岩浆热力变质作用。,2019/8/9,89,二、岩浆变质作用,（一） 区域岩浆热力变质作用,这种变质作用又称区域热力变质作用或远程岩浆变质作用等。 区域岩浆热力变质作用有以下主要特征： 1、由于变质作用是在区域地热场上叠加了岩浆热，故地区的地热温度较高，地热梯度较大，煤变质的垂直分带明显，变质带厚度及平面宽度都较小。 2、这种变质作用所产生的变质带，在平面上的展布特征与煤系和上覆岩系等厚线的展布无关，而与深成岩体分布有一定关系（图3.27）。 3、煤的变质程度决定于岩体大小，以及与岩体距离的远近。距岩体近的煤变质程度高，并常有热液矿化现象，远离岩体则变质程度较低。,2019/8/9,90,黑龙江双鸭山煤田中辉长岩岩株出露宽2km、长4km，围绕岩体煤级呈同心环带分布。,1断层；2辉长岩；3无烟煤；4贫煤 5瘦煤；6焦煤；7气煤；8花岗岩基底,图 3.27,2019/8/9,91,二、岩浆变质作用,（二） 接触变质作用,接触变质作用：是指各种岩床、岩墙、岩脉等浅成岩体侵入或接近煤层，这些侵入体的热能使煤层达1000以上。这