煤矿地质学第五章煤与含煤岩系

第五章煤与含煤岩系第一节成煤作用一、成煤植物二、成煤作用三、成煤的必要条件第二节煤的物质组成、性质与分类一、煤岩成分和宏观煤岩类型二、煤的性质三、煤的分类第三节含煤岩系和煤田一、含煤岩系及其类型二、含煤岩系的组成三、煤田、聚煤期及聚煤区前言煤是怎样形成的？它有什么特性？中国的煤碳资源主要分部在哪些区域？煤矿工程技术人员应该学习和掌握有关煤的一些知识，如成煤作用，煤种，煤层厚度及其稳定性，顶板、底板、标志层岩性，煤在地下的赋存情况等。第一节成煤作用一、成煤植物煤是由植物转变而来的。植物是成煤的原始物质。植物分为低等和高等植物。低等植物主要是由单细胞活多细胞构成的丝状和叶片状植物体。最大特点是没有根、茎、叶等器官的分化，构造比较简单，多数生活在水中，如：菌类和藻类；高等植物的最大特点是有根、茎、叶等器官的分化，如：苔藓植物、蕨类植物、裸子植物、被子植物等。除苔藓植物外，其它植物常能形成高大乔木，具有粗壮的茎和根。由低等植物形成的煤称为腐泥煤。由高等植物形成的煤称为腐植煤〔因其含有大量的腐植酸而得名〕。在自然界中，腐植煤占绝大数，目前开采的也主要是腐植煤，所以腐植煤是介绍的重点。

二、成煤作用

煤是由植物经过漫长的极其复杂的生物化学、物理化学转变而成的。从植物遗体堆积到转变为煤的一系列演变过程称为成煤作用。成煤作用大致分为两个阶段：第一阶段，泥炭化阶段；第二阶段，煤化阶段。在泥炭化阶段，低等植物及浮游生物遗体经泥化作用形成腐泥，高等植物遗体经泥化作用形成泥炭；在煤化阶段，腐泥转变为腐泥煤，泥炭经煤成岩作用转变为褐煤，褐煤经煤变质作用变为烟煤和无烟煤。褐煤、烟煤、无烟煤均属腐植煤类。〔一〕泥炭化阶段1、腐泥化作用低等植物和浮游生物遗体在湖沼、泻湖和海湾等复原环境中转变为腐泥的生物化学作用称为腐泥化作用。2、泥炭化作用当生活在湖泊、浅海等水体中的低等植物和低等动物死亡之后，在水体表层和下沉到水底的过程中，先遭受一定程度的氧化分解。沉向水底后，由于水层和随后沉积物的覆盖，转入缺氧的复原环境，在厌氧细菌的作用下，低等植物中的蛋白质、脂肪等遭到分解。然后经过化学合成作用，形成一种含水很多的棉絮状胶体物质〔富含沥青质〕。这些物质与泥砂混合后进一步变化，即形成了腐泥。这一过程为腐泥化作用。〔一〕植物条件植物是成煤的原始物质，没有植物的生长繁殖，就不可能有煤的形成。因此，植物的大量繁殖是形成煤的根本条件。从地球上生物演化的历史来看，虽然震旦纪前就已经出现了生物，但是煤主要是在最近数亿年内植物大量繁殖之后形成的。植物的大量繁殖是从石炭纪开始，特别是石炭纪、二叠纪、侏罗纪、白垩纪及第三纪，植物生长繁茂，种类繁多，森林广布，对成煤十分有利。因此，伴随植物界的飞跃，出现了地史上重要的聚煤期，即石炭——二叠纪聚煤期，侏罗——白垩纪聚煤期及第三纪聚煤期。上述三大聚煤期在我国均有聚煤作用发生。〔二〕气候条件气候直接影响植物的生长和分解，只有在温暖、潮湿的气候条件下，植物才能大量生长繁殖。同时植物遗体也只有在积水的沼泽等地带，才能免遭完全氧化分解，逐渐堆积起来。而沼泽的发育也要求潮湿的气候。因此，温暖、潮湿的气候是形成煤的重要条件。目前倾向于认为湿度是最重要的。只要有足够的湿度，无论在热带、亚热带或温带、寒带，都可以发育泥炭沼泽并形成泥炭层。但相比之下，温度、潮湿的气候最有利于煤的形成。〔三〕自然地理条件形成分布面积较广的煤层，必须要有适宜植物广泛分布和大量繁殖、又能使植物遗体得以保存的自然地理环境。自然界中，只有沼泽等具备这种条件。因此，形成煤必须有适于发育大面积沼泽化的自然地理环境。沼泽是地表土壤充分湿润、季节性或长期性积水的洼地。一般滨海的广阔平原、内陆湖泊、泻湖海湾、山间或内陆盆地、宽广河谷的河漫滩、河口三角洲平原等，受地壳升降、海水进退的影响，容易发育成大片沼泽。〔四〕地壳运动条件形成具有工业价值的厚煤层，需要有很厚的泥炭层。而泥炭层的堆积和保存与地壳的升降运动有关。首先泥炭层的堆积，要求地壳不断缓慢地沉降，其沉降的速度最好与植物遗体堆积的速度大致平衡，这种平衡持续的时间越长，形成的泥炭层就越厚，否那么就形不成泥炭层或形成的泥炭层较薄。其次，泥炭层的保存也需要地壳不断沉降。此外，为使一个地区能形成较多的煤层，又要求地壳在总的沉降过程中发生屡次小型升降或间歇性沉降。因此，形成煤要求地壳运动总的趋势是不断地缓慢沉降。在地壳缓慢沉降过程中，同一地区，如果其沉降的幅度不同，会造成煤层厚度的变化，出现分叉、变薄、尖灭现象。总之，在地壳开展过程中，只要某个地区同时具备以上四个条件，而且彼此之间配合的较好，持续的时间也较长，就能形成具有工业价值的煤层。如果彼此之间的配合，只是短暂的，虽然也可能形成煤，但不可能形成具有工业价值的煤层。第二节煤的物质组成、性质与分类

不同的煤种有不同的用途，这是由它的化学组成、性质所决定的。因此，研究煤的物质组成和性质，对于评价煤质和确定煤的综合利用，都具有重要的实际意义。一、煤岩成分和宏观煤岩类型从岩石学观点来看，煤是一种可燃有机物。像花岗岩是由石英、钾长石、斜长石矿物组成的一样，腐植煤是由丝炭、镜煤、亮煤四种成分组成。这四种成分称为煤岩成分〔亦称宏观煤岩组成〕。〔一〕煤的宏观组成〔腐植煤〕1〕镜煤：乌黑，色深光强，成分均一，性脆，贝壳状断口，轮廓清晰，粘结性好，矿物杂质少，裂隙发育，大多由结构镜质体，均质镜质体组成。2〕丝炭：外观像木炭，颜色黑灰色或浅灰色，纤维状结构，丝绢光泽，疏松多孔，丝质体为主，质轻者性脆，易污手，质重者，被矿物充填。3〕亮煤：外表隐约可见微细层理，光泽较强，结构不均一4〕暗煤：含壳质组多，灰黑色，韧性好，油脂光泽，水介质活动性强；含矿物质多，煤质差；含惰质组多成分结构不均一，氧化环境。〔二〕宏观煤岩类型〔腐植煤〕宏观煤岩类型光泽镜煤＋亮煤光亮型煤光泽极强>75%半亮型煤光泽较强75%--50%半暗型煤光泽暗淡50%—25%暗淡型煤光泽极暗<25%▲①煤级和成因类型相同，才能进行光泽强度比照，新鲜面，不考虑具体光泽；②相同煤层中光泽最强的煤岩成分条带〔镜煤〕为参考标准，相对光泽；③最小分层厚度为3—10cm，视煤层厚度而定；④每一种光泽类型，据构造、结构再分。二、煤的性质不同的煤，其各种元素的含量和化学结构是不同的，这就造成了煤在化学性质和物理性质上的差异，并使其在加工利用过程中表现出不同的公艺性质。〔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。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。4．氮〔N〕煤中有机质氮含量较少，主要来自植物中的蛋白质，也有一局部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。〔二〕煤的物理性质煤的物理性质：光泽、颜色、硬度、脆度、比重、断口、裂隙等方面。1、光泽：从土状〔褐煤〕→从似金属光泽〔无烟煤〕；2、颜色：褐色〔褐煤〕→黑色〔烟煤〕→钢灰色〔烟煤〕；3、硬度：中等〔褐煤〕→低〔烟煤〕→高〔无烟煤〕；4、脆度：小〔褐煤〕→大〔烟煤〕→小〔无烟煤〕；5、比重：随变质程度增加，比重也增加；6、断口：无烟煤；7、裂隙：内生裂隙外生裂隙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，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2腐植煤光泽、颜色、粉色对照表3.煤的密度密度是指单位体积煤的质量。单位为g/㎝3。其可分为真密度和视密度两种。真密度体积不包括煤内部的孔隙，而视密度体积那么包括煤内部的孔隙。煤的视密度〔曾称容重〕是煤层储量计算的重要参数。一般褐煤的视密度为1.05～1.20；烟煤的视密度为1.20～1.40；无烟煤的视密度为1.35～1.80。4.硬度和脆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。〔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。〔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〔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，煤中的有机质和一局部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%。〔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，煤中有机质分解的剩余物。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。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)。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；对无烟煤和褐煤那么表示煤化程度，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.无烟煤第三节含煤岩系和煤田一、含煤岩系及其类型〔一〕含煤岩系的概念含煤岩系是指一套含有煤层并且在成因上有联系的沉积岩系，简称为煤系，其同义词有含煤地层、含煤建造。〔二〕含煤岩系类型1、近海型含煤岩系2、内陆型含煤岩系二、含煤岩系的组成含煤岩系由煤层和许多其他沉积岩层组成。与煤矿生产关系最为密切的主要是煤层及其顶板、底板、还有标志层。一、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<3.5m<1.3m

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，全区可采或根本可采。(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，全区可采或大局部可采，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，比照困难。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〕根本顶又称“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。根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，可以用作寻找或比照煤层的标志。休息二、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根本上连续分布的广阔地区称为煤田。被后期构造改造或剥蚀剩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局部称为矿田〔井田〕。〔二〕中国主要聚煤期C-PT-JE-N休息〔三〕中国的聚煤区1、东北聚煤区2、西北聚煤区3、华北聚煤区4、滇藏聚煤区5、华南聚煤区〔三〕中国的聚煤区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阔地区。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%。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——秦岭一线以北的广阔地区，包括新疆全部，甘肃大部，青