煤的共、伴生矿产

煤的共、伴生矿产油页岩煤层气伴生微量元素一、油页岩1、概述油页岩是煤系中重要的伴生矿产，主要用于提取液体燃料其它化工产品。（1）概念：任何一种能在热解中形成有工业意义的石油的浅成岩石，都可称为油页岩。（2）特点：油页岩的矿物岩石组成是多种多样的。有些属于真正的页岩，主要由粘土矿物组成，有些则主要由石英、长石、粘土、碳酸盐岩等矿物形成，如美国西部的绿河页岩。目前世界上开采的油页岩包括页岩、泥灰岩、碳酸盐岩和其它细碎屑岩。2、油页岩的组成（1）主要元素：油页岩的有机质化学组成主要是C、H、O、N、S等元素，但变化范围较大。（2）油页岩中含的有机质主要是一种固态不溶物质—干酪根，它与生油岩层中的干酪根无明显差异。（3）生油岩与油页岩的区别：①有机质丰度和演化程度：有机质丰度和演化程度有所不同。生油岩中有机质的原始丰度即使很低，只要埋藏足够深，都有可能通过运移形成有工业价值的油藏；而油页岩必须含有大量的有机物质才有工业意义。②油页岩在演化阶段上的要求与生油岩不同，对于热解时产油率高的油页岩最好是埋藏较浅的。即在深成热解开始之前，干酪根的演化未达到成熟阶段。一、油页岩3、油页岩形成的沉积环境一般认为，油页岩主要为还原环境的静水沉积，主要有以下三种沉积环境：（1）大型的内陆湖成盆地：主要属于泥灰岩或泥质灰岩型，伴生沉积的还有火山凝灰岩和盐类。（2）浅海陆棚环境：此种地带往往为大面积稳定薄层油页岩的形成提供了良好的条件。油页岩大多属于粘土类和硅质类型，也可以为碳酸盐岩型。世界上多为黑色页岩沉积。（3）小型湖泊、沼泽及伴生沼泽的泻湖环境：此种地带往往形成与煤系伴生的油页岩。一、油页岩

油页岩的成矿时代较为广泛，古生代的油页岩多以浅海陆棚环境和大型内陆湖盆沉积为主，由于在漫长的地质年代中经受了相当程度的热演化，往往含油率不高；中、新生代以后的油页岩大多以内陆湖盆及与成煤沼泽共生的湖沼盆地油页岩为主。一、油页岩二、煤层气1、煤层气及其相关概念（1）煤成气和煤型气含煤岩系中形成的天然气，泛称为煤成气。这一术语的涵义目前仍存在不同的认识。张厚福等认为煤型气是与煤系和煤层有关的天然气的总合，而煤成气是指煤系和煤层在演化过程中所形成的天然气，储集在煤层以外的空间内，煤成气属于煤型气中的一类。即煤型气包括了煤成气和煤层气，这基本代表石油地质研究者所定义的概念和观点。煤型气属腐殖型气，也叫“煤系气”。

唐修义等认为在特定的地质条件下，煤层和煤系中分散有机质在煤化作用过程中生成的气相运移出母质储集在多孔岩层内而形成有经济价值的天然气藏，称为“煤成气”或“煤型气”。这基本代表了煤地质研究者的认识和观点。即将煤型气与煤成气作为一个概念的两个不同术语对待。（2）煤层气煤层气是煤层生成的气经运移、扩散后的剩余量，包括煤层颗粒基质表面吸附气，割理、裂隙游离气，煤层水中溶解气和煤层之间薄砂岩、碳酸盐岩等储层夹层间的游离气。二、煤层气（3）煤储层物性煤储层具有的物理性质，主要包括煤储层的孔隙性、渗透性、吸附—解吸性、储层压力等特性，它控制了煤储层的含气性。（4）煤储层压力煤储层孔隙内流体所承受的压力。以Mp为单位。一般指原始储层压力，即储层被开采前，处于压力平衡状态时所测得的储层压力。（5）煤孔隙煤中可以被流体充塞的空间。孔径由mm级到nm级（10-3～10-9）。（6）煤内生裂隙在煤化过程中煤中凝胶化物质受温度、压力的影响，体积收缩产生内张力形成的裂隙。特点：①垂直或大致垂直层理；②裂隙面平坦，常伴有眼球状的张力痕迹；③具有方向大致垂直的两组，其中一组较发育；④中变质烟煤中最发育。二、煤层气（7）割理煤中的自然裂隙。

19世纪英国采矿人员提出。割理分两组：面割理与端割理，它们大致互相垂直，并与煤层层面正交或陡角相交。面割理：煤中一组延伸较长的主要割理，是煤层气渗透的主要通道；端割理：是煤中的次要割理，发育在两条面割理之间，其延伸受面割理的限制或制约。二、煤层气（8）矿井瓦斯采煤界的习惯用语。广义的“矿井瓦斯”是指煤矿井下除大气以外的气体的总称，包括：①赋存在煤层和岩层里并能够涌入到矿井的天然气；②矿井生产过程中生成的炮烟和机器运行排出的废气；③井下各种化学及生物化学反应生成的气体；④深源放射性物质脱变生成的；⑤或自地下水释放出的气体等多种来源的气体。二、煤层气2、煤层气及其资源由于洁净能源、煤矿安全、环境保护等多重效益，自20世纪70年代以来，煤层气日益受到各个国家的重视。美国是世界上最早、也是目前唯一实现煤层气工业性开发的国家。煤层气是一种由煤层自生自储的非常规气藏。欧洲国家投资中国煤层气产业的目的是购买CDM配额！利用《京都议定书》的政策省交费。二、煤层气（1）煤层气的成分及其赋存状态煤层气的成分有CH4、CO2、N2、重烃气（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其它化合物）、H2、CO、SO2、H2S、以及He，Ne、Ar、Ke、Xe等稀有气体。其中，甲烷含量最高，达90％以上，重烃含量一般为1％～4％至15％～20％，N2含量小于l％。由此可知，煤层气主要成分为甲烷，所以又称为煤层甲烷或煤矿瓦斯。二、煤层气

煤层气以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于煤层内。①游离状态的煤层气，以自由气体分子存在于煤层裂隙中，并可自由运动。煤层气在裂隙网络中呈游离状态运移，其动力是压力。游离状态的煤层气一般约占10％～20％。②吸附状态的煤层气，在煤的裂隙及微孔洞的内表面上以分子吸引力被煤吸附，这种赋存状态煤层气往往占约80％～90％。二、煤层气③吸附—解吸动态平衡两种状态下的煤层气，在一定的压力和温度条件下处于动平衡状态，当压力和温度变化时，彼此可以相互转化。当压力增加、温度降低时，游离状态的煤层气较多地变为吸附状态；反之，则相反。因此，这是一种可逆的过程。在一定条件下，被吸附的气体分子与煤的内表面脱离而呈游离状态，称作解吸。煤层的孔隙、裂隙内表面由于具有吸附大量煤层气的能力，所以甲烷、较重的烃烷、氮和二氧化碳多集聚于煤层中。二、煤层气煤层是典型的裂隙－孔隙型储层煤层气的产出是排水降压过程，是解吸－扩散－渗流耦合、气－水两相渗流的复杂过程二、煤层气（2）煤层气含量①含量：单位体积或单位重量煤内游离状态与吸附状态煤层气之和，称为煤层气含量或煤层瓦斯含量。它代表了煤化作用中产生的煤层气量与历经地质时间所丢失的煤层气量之差。在实验室条件下，煤层气含量是指标准状态下（即在0℃和760mm汞柱下）每t或每m3煤内所含的煤层气量。煤层气主要以吸附状态和游离状态赋存于煤层内，因而溶解于煤层中地下水的溶解气只占少量。二、煤层气②逸散气、解吸气和残余气煤层气是混合气而非单一甲烷气体。煤层气在煤层中的赋存状态会因外界条件改变而发生变化，所以在测定煤的含气量时，按采集气样的过程和测定方法的不同，可划分为逸散气、解吸气和残余气。

a、逸散气是指在采集过程中，由于压力、温度等的变化而发生解吸所逸散掉的煤层气；

b、解吸气是指样品在密封后，在与解吸装置连通进行解吸测定而得出解吸气量；

c、残余气则是指经解吸后残留的部分。二、煤层气3、煤层气的形成煤层气形成主要决定于煤化作用的过程和煤的不同显微组分。（1）煤化作用产生气态物质是形成煤层气的基础。煤化作用中随温度、压力的增加，煤的挥发分逐渐减少，由褐煤、烟煤到无烟煤阶段，大约从50％降至5％左右。这些挥发分主要以CH4、CO2、H2O、N2、NH3等气态产物形式逸出，形成煤成气的基础。二、煤层气（2）煤化跃变对煤层气形成起重要作用煤化作用多次跃变中，不仅发生煤的变质，而且每次跃变都相应出现一次成气的高峰。在全部煤化作用过程中，煤中有机质的基本结构单元（缩合稠环芳烃体系）不断减少所带有的侧链和官能团，如羟基-OH、甲基-CH3

、羧基-COOH、醚基-O-等；可形成各种挥发性产物，其中甲烷逐渐增多，特别是在烟煤转变为无烟煤的第三次跃变，释放出大量甲烷。二、煤层气（3）煤化作用中，煤的不同显微组分对成气的贡献不同。当达到一定煤化阶段后，各类组分累计产气率逐渐增高，但各自的成烃贡献不同。根据长庆石油开发设计研究院的资料，其最终产气能力比为类脂组：镜质组：惰性组＝3:1:0.8。据刘德汉、傅家谟所得数据（无压真空封闭体系，温度500℃，时间110h的热演化产气实验），惰性组产气率为43.9ml/g，镜质组为惰性组的4.3倍，类脂组为惰性组的11倍。二、煤层气（4）影响煤层气含量的因素①煤层中形成煤成气首先决定于煤化作用程度和煤的显微组分。一般煤化程度增高，产生的煤层气愈多。②煤吸附甲烷的能力受到许多因素的影响，其中温度的降低、水分的减低和煤化程度的增高都能促使吸附能力的增强。③煤的煤岩显微组分的不同，也影响煤的甲烷吸附能力。④煤层顶、底板岩石的透气性和厚度也是影响煤层气含量的因素之一，它对煤层瓦斯的保存和逸散起着重要作用。⑤地质构造因素的重要作用。煤层围岩透气性差时，表现尤为明显。煤盆地所处的大地构造位置及其构造演化对煤层气的形成和保存起了主导作用。⑥煤层的赋存埋藏深度与瓦斯含量关系也较为密切。⑦地下水活动强弱往往也使瓦斯含量降低或增高。二、煤层气4、煤层气或瓦斯分带由于地壳运动和剥蚀作用，煤系地层出露地表或被更新的地层掩盖，煤层内的煤层气往往沿煤层向外部逸散，造成由深至浅煤层气含量降低。这种距煤层露头的远近就表现出煤层气风化带的分带现象。自浅而深：第一带：CO2—N2带，N2占80％～90％，CO210％～20％，无CH4。第二带：CH4—N2带，CH4含量≤50％，N2≥50％。第三带：N2—CH4带，CH4为50％～70％，N2相应占50％～30％。第四带：为CH4带，甲烷含量大于70％，其余则为氮和其它气体。二、煤层气5、我国煤层气资源的勘探开发（1）煤矿瓦斯井下抽放与油效阶段从20世纪50年代开始，到70年代末，主要目的是为减少煤矿瓦斯灾害而进行的煤矿井下瓦斯抽放与利用。瓦斯、煤尘爆炸事故在煤矿重大恶性事故中一直占有很大比重，是煤矿安全生产的最大威胁。煤矿瓦斯抽放是减少矿井和采区瓦斯涌出量的有效方法，也是防止煤与瓦斯突出的主要措施之一。二、煤层气（2）煤层气勘探开发试验初期阶段

20世纪70年代末到90年代初。仍以煤矿安全为主要目的，部分矿井同时进行煤层气开采试验，先后在抚顺龙凤矿、阳泉矿区、焦作中马村矿、湖南里王庙矿等打过地面钻孔40余个，并且进行了水力压裂试验和研究。这一阶段主要是借用美国技术和经验，但对于地质条件复杂的中国含煤区不甚适用，未获得突破性进展。二、煤层气（3）煤层气勘探开采试验全面展开阶段

20世纪90年代初开始至今，从优质能源的利用出发，开展了煤层气的勘探试验，取得了实质性的突破与进展。石油、煤炭、地矿系统和部分地方政府积极参与这项工作，许多国外公司也积极投资在中国进行煤层气勘探试验。1990年以来，全国已有30多个含煤区煤层气勘探钻井，目前已钻成勘探和生产井1819口。二、煤层气三、伴生微量元素

煤中微量元素及其作用影响煤是由植物残骸形成的固体可燃矿产，组成中既有有机质，也有无机质，几乎包含了地壳内常见矿物的各种元素，目前已发现的与煤伴生的元素已有60多种。在煤的复杂转化过程中，有时微量元素可起到催化剂或抑制剂的作用，但有些元素则由于煤的燃烧或煤及煤渣的风氧化可以释放到周围的环境中，其中有些则通过一定形式成为动物、植物和人类生存的有毒物质。1、煤中微量元素的聚集（来源）煤中微量元素的聚集决定于成煤原始物质的元素组成、煤的形成环境特征，以及成煤期和成煤期后所经历的各种物理化学作用及地球化学作用。依据煤中伴生微量元素与成煤作用的关系，来源是：①在造煤植物生存状态时具有的，以后又带入煤中；②在成煤植物死后堆积于泥炭沼泽中，由于外部营力（风、水、大气降水等）的作用带进了矿物杂质；③在成煤物质形成泥炭并被埋藏后，煤化作用的过程中地壳中水循环从上覆地层中淋溶渗滤沿孔隙及构造裂隙带入到煤中；④在成煤之后，由于后期火成岩侵入接触、挥发气体、热液活动带入到煤中的。三、伴生微量元素2、有机质对煤中伴生微量元素的富集的作用①吸附作用：植物残骸在沼泽内的腐解过程对元素的迁移和富集具有更为突出的作用。煤中微量元素的富集基本是化学和物理的吸附作用，即成煤物质分解所形成的腐植酸和腐植质具有很高的吸附能力，成煤的初期阶段对微量元素的富集是有利的原因。②络合作用：可以改变一些微量元素的迁移和富集能力，即在泥炭沼泽中由于含氨基、羟基、羧基等功能团和腐植质等有机物质，它们都可作为配位体与金属离子相络合。有的元素形成的金属有机络合物难溶于水，从而其迁移的能力降低而富集，有的则易溶于水而大大增加了该元素的迁移能力。三、伴生微量元素③成煤环境的影响：煤中的微量元素含量多少，明显地依赖于成煤环境，尤其是环境的pH、Eh值的变化，这种变化不仅影响到煤岩组分的差异、沼泽环境的不同，也影响到微量元素的聚集和分散。④变质作用：煤中微量元素的富集也受到接触变质作用及区域变质作用的影响。接触变质作用往往是由较年青的火成岩侵入而造成，大多伴有矿化作用，由于侵入体具有挥发性气体及热液等作用，从而使一些微量元素富集。三、伴生微量元素⑤所在层位：许多微量元素的富集常常与煤层的地层层位有关，在煤层内又往往富集于煤层的近顶、底板和近夹矸的分层中。原因分析：对于煤层近顶、底板分层和近夹矸分层中微量元素的富集机理，有人认为是泥炭沼泽堆积的前后，进入沼泽中的矿物和富含矿物质的溶液比其它时期较多而形成；三、伴生微量元素

较多的研究者则认为，这种微量元素近煤层顶、底板及近夹矸的富集是由于在成岩作用中或以后，微量元素从煤层或泥炭层的围岩中由扩散作用和渗透作用而富集，形成近围岩煤层的富集带，所以称为接触带富集作用，而煤层内部的扩散主要是直接在凝胶化物质中进行。这种认识更进一步说明薄煤层及透镜体煤层中微量元素易于富集的原因。三、伴生微量元素⑥无机矿物的影响和作用：一些微量元素是随着某种成因类型的矿物质（即微量元素载体）进入煤层或泥炭层后与有机质相结合，因此这种矿物质愈多煤中微量元素聚集的愈多。⑦煤层形成的古地理条件也影响微量元素的富集：如靠近含煤盆地的边缘或近物源区的煤中，微量元素有富集的趋势；有些微量元素在陆相煤盆地内含量高，近海煤盆地内则含量低，如煤中的锗等。此外，有些煤中的微量元素富集与同期或准同期岩浆活动和火山活动有关。三、伴生微量元素3、煤中主要微量元素（1）U

铀是现代原子能工业主要的原料，与煤伴生的铀矿是该种矿床的重要类型之一。煤中伴生铀的工业品位要求一般为0.02％。目前已知具有工业价值的富铀煤层大多形成于陆相沉积环境，尤其在褐煤层中较多。这些富铀煤层多位于煤盆地基底结晶岩上，有的与酸性喷出岩互层出现。此外，浅海相沥青质页岩或我国的石煤也普遍含有铀，且常与P、V等元素共生。这类U矿床储量大，但品位低。铀在煤中主要以铀的有机化合物出现。在泥炭堆积和成煤阶段，有机质对铀的富集作用明显。三、伴生微量元素

成因：依据与煤化作用的关系提出三种假说，即：①原生的，指在煤化作用以前，在沼泽水中生存的植物或死亡后的有机质从地面水中获取堆积而成；②成岩的，指在煤化作用中由水将煤盆地边缘的铀或含铀的沉积物带入煤中；③表生的，指煤化作用之后及围岩固结之后，由地下水从热液或不整合上覆的火山岩带入到煤中。铀多富集于煤层的顶、底板附近，并向煤层中心含量逐渐减低。铀含量与煤岩组分的关系：往往显示凝胶化组分多时含铀较高。在含煤岩系各煤层中，铀的分布多富集于煤系