第三章煤化作用

1、第三章第三章煤化作用煤化作用 成煤作用是原始成煤物质最终转化成煤的全部成煤作用是原始成煤物质最终转化成煤的全部作用，它分成作用，它分成两个相继的阶段两个相继的阶段： 从成煤原始物质的堆积，经生物化学作用直到从成煤原始物质的堆积，经生物化学作用直到泥炭的形成，称为泥炭的形成，称为泥炭化作用阶段泥炭化作用阶段； 当泥炭形成后，由于沉积盆地的沉降，泥炭被当泥炭形成后，由于沉积盆地的沉降，泥炭被埋藏于深处，在温度、压力增高等物理、化学作用埋藏于深处，在温度、压力增高等物理、化学作用下，形成褐煤、烟煤、无烟煤、变无烟煤，称为下，形成褐煤、烟煤、无烟煤、变无烟煤，称为煤煤化作用阶段化作用阶段。 对于腐泥来

2、说，则经历了硬腐泥、腐泥褐煤、对于腐泥来说，则经历了硬腐泥、腐泥褐煤、腐泥亚烟煤、腐泥烟煤到腐泥无烟煤的煤化作用。腐泥亚烟煤、腐泥烟煤到腐泥无烟煤的煤化作用。 成煤作用的阶段划分 植物遗体泥 炭 褐 煤 烟 煤 无 烟 煤泥炭化作用作用成岩变 质 作 用煤 化 作 用成 煤 作 用图 7-1 成煤作用的阶段划分一、煤的成岩作用与变质作用一、煤的成岩作用与变质作用 煤的成岩与变质作用的分界煤的成岩与变质作用的分界: : 一般认为，由于亮褐煤一般认为，由于亮褐煤( (中国的老褐煤、美中国的老褐煤、美国的亚烟煤国的亚烟煤) )已出现已出现镜煤镜煤，具有强烈的，具有强烈的镜煤化作镜煤化作用用，并且，并

3、且具有微弱的光泽具有微弱的光泽。因此，。因此，变质作用变质作用开始开始于于亮褐煤亮褐煤的形成的形成。 具有了光泽就进入了变质作用阶段。具有了光泽就进入了变质作用阶段。1 1、煤的成岩作用、煤的成岩作用 （1 1）成岩作用概念）成岩作用概念 由泥炭经过物理化学作用形成由泥炭经过物理化学作用形成年青褐煤年青褐煤的过程，为煤的成岩作用。的过程，为煤的成岩作用。 泥炭泥炭年青褐煤年青褐煤（不具光泽）（不具光泽）（2 2）成岩作用机制）成岩作用机制 泥炭形成后，由于盆地的沉降，在上覆沉积泥炭形成后，由于盆地的沉降，在上覆沉积物的覆盖下被埋藏于地下物的覆盖下被埋藏于地下: : 压实、脱水、增碳压实、脱水、

4、增碳; ; 游离游离纤维素纤维素消失消失; ; 凝胶化凝胶化组分逐渐固结组分逐渐固结; ; 具有了微弱的具有了微弱的反射力反射力。 这一转变所历经的作用称为煤的成岩作用。这一转变所历经的作用称为煤的成岩作用。据据stachstach认为，这种作用大致发生于地下认为，这种作用大致发生于地下200200400m400m的浅层。的浅层。 （3 3）成岩作用特点）成岩作用特点 A A、成岩作用的化学作用结果、成岩作用的化学作用结果泥炭内的腐植酸、腐植质分子侧链上的泥炭内的腐植酸、腐植质分子侧链上的亲亲水官能团，以及环氧数目水官能团，以及环氧数目不断地减少，形成各种不断地减少，形成各种挥发性产物挥发性产

5、物; ;碳含量碳含量增加，增加，氧和水分氧和水分含量减少含量减少脱水。脱水。 碳元素碳元素(C)(C)主要集中于稠环中。稠环的结合主要集中于稠环中。稠环的结合力强，具较大的稳定性。力强，具较大的稳定性。 酚 类 的 - O H 其 他 的O=C = O-C O O H-O C H36 07 08 09 01 0 00481 21 62 02 42 83 23 6d a fC / %dafO / %各种煤的含各种煤的含氧官能团含氧官能团含量变化量变化（3 3）成岩作用特点）成岩作用特点 B B、煤的物理煤化作用、煤的物理煤化作用 主要反映在发生了物理胶体反应，即主要反映在发生了物理胶体反应，即成

6、岩凝成岩凝胶化作用胶化作用，从而使未分解或未完全分解的木质纤，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、腐植质变为成的腐植酸、腐植质变为黑色黑色具有具有微弱光泽微弱光泽的凝的凝胶化组分。胶化组分。 成岩作用中，成岩作用中，丝炭化组分和稳定组分丝炭化组分和稳定组分也发生也发生变化。变化。 2 2、煤的变质作用、煤的变质作用 （1 1）煤变质作用概念）煤变质作用概念 年青褐煤，在较高的年青褐煤，在较高的温度、压力及较长地质时温度、压力及较长地质时间间等因素的作用下，进一步发生物理化学变化，等因素的作用下，进一步发

7、生物理化学变化，变成变成老褐煤老褐煤( (亮褐煤亮褐煤) )、烟煤、无烟煤、变无烟煤、烟煤、无烟煤、变无烟煤的过程。的过程。 （2 2）煤变质作用特点）煤变质作用特点 腐植物质进一步聚合，腐植酸进一步减少，使腐植物质进一步聚合，腐植酸进一步减少，使腐植物质由酸性变为中性，出现了更多的腐植物质由酸性变为中性，出现了更多的腐植复合物腐植复合物; ; 失去大量的含氧官能团失去大量的含氧官能团( (如羧基如羧基COOHCOOH和甲氧和甲氧基基OCHOCH3 3) )。 结束成岩凝胶化作用，结束成岩凝胶化作用，形成凝胶化组分形成凝胶化组分( (煤岩煤岩);); 植物残体己不存在，植物残体己不存在，稳定组

8、分发生沥青化作用稳定组分发生沥青化作用。 二、煤化作用特点二、煤化作用特点 1 1、煤在连续地系列演化过程中，可明显地显、煤在连续地系列演化过程中，可明显地显现出增碳化现出增碳化( (相对相对) )趋势趋势( (特点特点) ) 即由泥炭阶段含有即由泥炭阶段含有C C、H H、O O、N N、S S五种主要元五种主要元素，演变到无烟煤阶段基本上只含碳素，演变到无烟煤阶段基本上只含碳(C)(C)一种元素。一种元素。因此，煤化作用过程，也可称作异种元素的排出过因此，煤化作用过程，也可称作异种元素的排出过程。程。 煤化作用的最终结果煤化作用的最终结果: : 排出的其它元素和碳结合构成挥发性化合物排出的

9、其它元素和碳结合构成挥发性化合物; ; 随煤化程度增加，煤中挥发物减少，碳含量随煤化程度增加，煤中挥发物减少，碳含量增加。增加。 2 2、随着煤化作用进程、随着煤化作用进程, ,煤的有机分子表现为煤的有机分子表现为结构单一化趋势结构单一化趋势 即由泥炭阶段含即由泥炭阶段含多种官能团多种官能团的结构，逐渐演的结构，逐渐演变到无烟煤阶段只含变到无烟煤阶段只含缩合芳核缩合芳核的结构，最后演变的结构，最后演变为为石墨结构石墨结构。 煤化作用过程实际上是依序排除不稳定结构煤化作用过程实际上是依序排除不稳定结构的过程。即逐渐保存稳定结构。的过程。即逐渐保存稳定结构。高挥发分的烟煤（挥发分35）中挥发分的烟

10、煤（挥发分22）无烟煤（挥发分5）1122芳香度0.9芳环缩合度芳香族环的大小在乙二胺的溶解度1游离官能团10 500.790800.60.8fx0.3 0.5 0.7251015?0.1 0.5510mg/g0 10 20 30 / 碳含量增加碳含量增加最大内在水分硬度可磨性焦化时的流动性反射率90801.21.5 0 20 40 60 80增加01 23 450246增加C / %daf/C / %dafcabd3、随着煤化作用进程,煤的有机为分子结构表现为致密化和定向排列的趋势高 挥 发 分 的 烟 煤（ 挥 发 分 35 ）中 挥 发 分 的 烟 煤（ 挥 发 分 22 ）无 烟 煤（

11、 挥 发 分 5 ）1122芳 香 度0.9芳 环 缩 合 度芳 香 族 环 的 大 小在 乙 二 胺 的 溶 解 度1游 离 官 能 团10500.790800.60.8fx0.3 0.5 0.72510 15?0.1 0.5 5 10mg/g0 10 2030 / 碳含量 增加碳含量 增加最 大 内 在 水 分硬 度可 磨 性焦 化 时 的 流 动 性反 射 率90801.2 1.5 0 20406080 增 加0 1 2 3 4 50 2 4 6 增 加C / %daf/C / %dafcabd低煤级低煤级分子结构分子结构高煤级高煤级分子结构分子结构 煤的有机分子煤的有机分子侧链由长侧链

12、由长变短，数目变少变短，数目变少； 腐植复合物的腐植复合物的稠核芳香稠核芳香系统不断增大系统不断增大，逐渐趋于，逐渐趋于紧密；紧密； 分子量加大，缩合度提分子量加大，缩合度提高高； 分子排列逐渐规则化，分子排列逐渐规则化，从从混杂排列到层状有序排混杂排列到层状有序排列列，因此反光性能增强。，因此反光性能增强。 4.4.随着煤化作用进程随着煤化作用进程, ,煤显微组分性质呈现煤显微组分性质呈现为均一性趋势。为均一性趋势。在煤化作用的低级阶段，煤显微组分的在煤化作用的低级阶段，煤显微组分的光性光性和和化学组成化学组成结构差异显著，但随着煤化作用的进结构差异显著，但随着煤化作用的进行，这些差异趋于一

13、致，行，这些差异趋于一致，变得愈来愈不易区分。变得愈来愈不易区分。高变质煤的煤岩组分不易识别。高变质煤的煤岩组分不易识别。5.5.煤化作用是一种不可逆的反应。煤化作用是一种不可逆的反应。煤化作用只有由浅而深、或者被终止，不可能发煤化作用只有由浅而深、或者被终止，不可能发生由深变质的煤转变为浅变质的煤，生由深变质的煤转变为浅变质的煤，不可逆转性。煤不可逆转性。煤化作用不是简单的化学反应。化作用不是简单的化学反应。煤化作用能否形成连续的系列演化过程，决定于煤化作用能否形成连续的系列演化过程，决定于具体地质条件。具体地质条件。例如，含煤盆地由例如，含煤盆地由沉降转变为抬升沉降转变为抬升，这就会导致，

14、这就会导致煤化作用的终止；如果后来由于岩浆作用的加剧，或煤化作用的终止；如果后来由于岩浆作用的加剧，或盆地再度沉降，那么煤化作用还可能再次进行下去。盆地再度沉降，那么煤化作用还可能再次进行下去。 三、煤化作用跃变三、煤化作用跃变 亮褐煤亮褐煤长焰煤长焰煤气煤气煤肥煤肥煤焦煤焦煤瘦煤瘦煤贫煤贫煤无烟煤无烟煤变无烟煤变无烟煤褐煤褐煤 烟煤烟煤 无烟煤无烟煤（1 1）第一次跃变（第一次跃变（）：发生在长焰煤开始阶段）：发生在长焰煤开始阶段 ( (C Cdafdaf=75=758080，V Vdafdaf4343，镜质体反射镜质体反射率率R Ro omaxmax0.60.6) )，与石油开始形成阶段相

15、当。即与石油开始形成阶段相当。即与生油阶段相当。与生油阶段相当。特点是：发生沥青化作用：生成沥青质。特点是：发生沥青化作用：生成沥青质。 沥青化作用是指壳质组沥青化作用是指壳质组( (包括藻类体包括藻类体) )和镜质组在煤和镜质组在煤化过程中形成沥青质，即化过程中形成沥青质，即石油型烃类的一种作用石油型烃类的一种作用。这种。这种作用起始于硬褐煤阶段作用起始于硬褐煤阶段(R(Ro om m为为0.50.5) )，持续到早期肥煤，持续到早期肥煤阶段阶段(R(Ro om m=1.2=1.2) )。 随煤化程度的提高随煤化程度的提高，各种含氧官能团逐渐脱落，在，各种含氧官能团逐渐脱落，在R Ro om

16、 m0.60.6以前主要以前主要析出析出COCO2 2和和H H2 2O O；当煤化作用达到；当煤化作用达到RomRom0.50.50.60.6阶段，芳香核稠环上开始阶段，芳香核稠环上开始脱落脂肪族脱落脂肪族和脂肪族官能团和侧链和脂肪族官能团和侧链，形成以形成以甲烷甲烷为主的挥发物，为主的挥发物，于是开始了于是开始了生成沥青质的沥青化作用生成沥青质的沥青化作用。 亮褐煤亮褐煤长焰煤长焰煤气煤气煤肥煤肥煤焦煤焦煤瘦煤瘦煤贫煤贫煤无烟煤无烟煤变无烟煤变无烟煤褐煤褐煤 烟煤烟煤 无烟煤无烟煤（2 2）第二次煤化跃变（）第二次煤化跃变（）出现在肥煤到焦煤阶段）出现在肥煤到焦煤阶段 C Cdafdaf8

17、787，V Vdafdaf2929， R Ro omaxmax1.31.3。镜质体反。镜质体反射率射率R Ro omaxmax1.31.3对应于石油的对应于石油的“死油线死油线”第二次煤化跃变（第二次煤化跃变（）特点）特点(8(8个方面个方面) )： 煤中煤中甲烷甲烷的大量逸出，释放出大量的氢。的大量逸出，释放出大量的氢。富氢的侧链和键的大量缩短及减少；富氢的侧链和键的大量缩短及减少； 煤的煤的比重下降比重下降到最小值；到最小值；煤的煤的显微孔隙度逐渐缩小显微孔隙度逐渐缩小，水分减少。到，水分减少。到焦煤阶段焦煤阶段(C(Cdafdaf=89=89，V Vdafdaf2020，R Ro oma

18、xmax1.71.7) )腐植凝胶基本上完成了脱水作用，水分和孔隙度腐植凝胶基本上完成了脱水作用，水分和孔隙度都达到了最低值；都达到了最低值；第二次煤化跃变（第二次煤化跃变（）特点）特点(8(8个方面个方面) )：发热量则升高到最大值发热量则升高到最大值( (这是和镜质组的硬度、密这是和镜质组的硬度、密度的最小值，以及炼焦时可塑性最大值相一致度的最小值，以及炼焦时可塑性最大值相一致) )；焦煤阶段，由于化学结构的变化，焦煤阶段，由于化学结构的变化，水分含量（主要水分含量（主要是内在水分）又有所回升是内在水分）又有所回升；煤的物理、工艺性质发生转折煤的物理、工艺性质发生转折：耐磨性、焦化流动：耐

19、磨性、焦化流动性、粘结性、内生裂隙数目等都达到性、粘结性、内生裂隙数目等都达到极大值极大值，内面积、，内面积、湿润热等达到湿润热等达到最小值最小值。称为煤化作用转折。称为煤化作用转折。第二次煤化跃变（第二次煤化跃变（）特点）特点(8(8个方面个方面) )： 第二次跃变的结果第二次跃变的结果-煤化台阶：壳质组与镜质煤化台阶：壳质组与镜质组组在颜色、突起、反射率等的差异愈加变小在颜色、突起、反射率等的差异愈加变小. .因此，壳因此，壳质组从质组从V Vdafdaf=29=292222这一阶段的明显变化又称为煤这一阶段的明显变化又称为煤化台阶。化台阶。生油生油生气生气：本阶段与油气形成的深成阶段后：

20、本阶段与油气形成的深成阶段后期期( (即热裂解气开始形成阶段即热裂解气开始形成阶段) )相当，石油烃转化为气相当，石油烃转化为气体烃，因此它对应于体烃，因此它对应于石油的石油的“死亡线死亡线”( (现有质疑现有质疑?)?)。 亮褐煤亮褐煤长焰煤长焰煤气煤气煤肥煤肥煤焦煤焦煤瘦煤瘦煤贫煤贫煤无烟煤无烟煤变无烟煤变无烟煤褐煤褐煤 烟煤烟煤 无烟煤无烟煤（3 3）第三次跃变（）第三次跃变（）发生于烟煤变为无烟煤阶段）发生于烟煤变为无烟煤阶段 C Cdafdaf=91=91，V Vdafdaf8 8，R Ro omaxmax2.52.5。煤化作用。煤化作用的第三次跃变以后，就是有人称为无烟煤化作用和半

21、的第三次跃变以后，就是有人称为无烟煤化作用和半石墨化作用的阶段，石墨化作用的阶段，代表了煤化作用的最终阶段代表了煤化作用的最终阶段，其，其产物是无烟煤和变无烟煤的形成。产物是无烟煤和变无烟煤的形成。 亮褐煤亮褐煤长焰煤长焰煤气煤气煤肥煤肥煤焦煤焦煤瘦煤瘦煤贫煤贫煤无烟煤无烟煤变无烟煤变无烟煤 褐煤褐煤 烟煤烟煤 无烟煤无烟煤（4 4）第四次跃变为无烟煤与变无烟煤分界）第四次跃变为无烟煤与变无烟煤分界 C Cdafdaf93.593.5，H Hdafdaf=2.5=2.5，V Vdafdaf4.04.0，镜质体反射率镜质体反射率R Rmaxmax4 4，R Rminmin3.53.5。 已经不属

22、于煤化作用阶段已经不属于煤化作用阶段。第四次跃变特点是：第四次跃变特点是：在化学煤化作用方面，主要表现为在化学煤化作用方面，主要表现为氢含量氢含量与氢碳原子比的急剧下降。碳含量随埋藏深度的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地增大，增加也明显地增大，同时芳香单元的芳香度和缩同时芳香单元的芳香度和缩合度也急剧增加。合度也急剧增加。硬度增大、光泽增强硬度增大、光泽增强，到变无烟煤时几乎，到变无烟煤时几乎呈金属光泽，宏观上微层理已不明显。呈金属光泽，宏观上微层理已不明显。“ 半 石 墨 ”超 无 烟 煤95.5 C超 无 烟 煤94.6 C无 烟 煤92.2 C烟 煤90.7 CRm

23、inRmRmax反射率/165.6氢 含 量 /141210864204.22.81.40图 3-4 以 氢 含 量 和 镜 质 组 反 射 率 为 基 础介 于 烟 煤 和 石 墨 阶 段 之 间 的 煤 级 的 增 高 （ 据 Ragot， 1977）石 墨 Rmin石 墨 Rm石 墨 Rmax无烟煤阶段镜质组反射无烟煤阶段镜质组反射率随着煤化作用进一步率随着煤化作用进一步增高，进入变无烟煤以增高，进入变无烟煤以后，由于最小反射率后，由于最小反射率（Rmax为为6时）迅时）迅速减小，双反射率而急速减小，双反射率而急剧加大。剧加大。图图3-4 以氢含量和镜质组反射以氢含量和镜质组反射率（率（

24、Rmax、Rm和和Rmin）为）为基础，介于烟煤和石墨阶段之基础，介于烟煤和石墨阶段之间的煤级的增高间的煤级的增高随深度增加煤化作随深度增加煤化作用程度加深，并由用程度加深，并由此带来的镜质组反此带来的镜质组反射率的变化射率的变化.2-54 -1525-3060-7065553545304030-4015-3535251010-202014-182-55-01-3维斯特法阶段A纳谬尔阶段纳谬尔阶段A+B狄南阶康德罗兹砂岩法门阶弗拉斯+吉维特灰岩基底石英岩剪切带剪切带剪切带剪切带15002000250030003500400045005000550060001.02.03.04.05.06.07

25、.08.09.0反射率 /深度 /（m）图7-5 原西德北部闵斯特兰1号钻孔中的镜质组反射率随深度而增加（据M.和R.Teichmuller，1979）烟煤+无烟煤+超无烟煤Rmax2.8 Rmax1.0Rm2.5 Rm3.5原联帮德国北部闵斯特原联帮德国北部闵斯特兰兰1号钻孔中的镜质组反号钻孔中的镜质组反射率（射率（Rmax，Rmin和和Rm）随深度而增加）随深度而增加一、温度一、温度煤化作用最重要的影响因素。煤化作用最重要的影响因素。随着沉降深度的变化，温度的增加使得煤化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作用程度提高，因此煤化作用的演化决定于煤的煤

26、的受热史。受热史。煤化程度增高的速度，有人称为煤化程度增高的速度，有人称为“煤级煤级梯度梯度”或或“煤化梯度煤化梯度”。它首先决定于地区的地。它首先决定于地区的地热条件，即热条件，即地热梯度地热梯度变化。变化。大地热流值高大地热流值高地热梯度高地热梯度高煤化梯度高煤化梯度高煤的变质程度高。煤的变质程度高。温度的影响因素：温度的影响因素：（1 1）当地的大地热流及古地温梯度：）当地的大地热流及古地温梯度：盆地地温场盆地地温场；（2 2）地球深部岩浆活动，）地球深部岩浆活动，岩浆热的叠加岩浆热的叠加状况；状况；（3 3）构造热流场构造热流场；（4 4）放射性物质放射性物质产生的热；产生的热；（5

27、5）下伏和共生）下伏和共生岩石的导热性能岩石的导热性能等。等。联帮德国萨尔区联帮德国萨尔区Tevfelspforte钻孔砂岩带影响了煤化程度的增高钻孔砂岩带影响了煤化程度的增高2005水分 /（无灰）（干燥无灰）发热量 Kcal/kg（干燥无灰）碳含量 /（油浸）平均反射率 /4 3 21760080008500818385870.80.91.01.1300400500600700800900深度 /（m）构造破坏带图7-7 西德萨尔区Tevfelspforte钻孔砂岩带呆滞了煤化程度的增高（据Teichmuller，1988）二、时间二、时间在煤化作用中，煤在温度、压力作用下所经历在煤化作用

28、中，煤在温度、压力作用下所经历的时间长短，特别是在地质上的时间延续，都是不的时间长短，特别是在地质上的时间延续，都是不可忽视的因素。可忽视的因素。 时间因素在较高的温度下往往更加明显，时间因素在较高的温度下往往更加明显，当温当温度过低度过低，时间因素就不易起作用了。，时间因素就不易起作用了。 时间因素还涉及到时间因素还涉及到由于沉陷快慢所引起的受热由于沉陷快慢所引起的受热速率问题速率问题。在同样沉降幅度的盆地，由于达到相同。在同样沉降幅度的盆地，由于达到相同埋藏深度沉降速率不同，其受热增温速率也不同。埋藏深度沉降速率不同，其受热增温速率也不同。01 0 02 0 03 0 0 3 4 051 01 52 02 53 03 54 0挥发分 /温 度 / 321图 7 - 8 煤 化 程 度 与 温 度 的 受 热 时 间 的 关 系1 - 5 1 0 a ； 2 - 1 0 1 0 a ； 3 - 2 0 1 0 a（ 据 K a r w e l l ， 1 9 5 6 ）466煤化程度与温度和受热时间的关系煤化程度与温度和受热时间的关系15106a ；210106a；320106a（据（据K