宿州学院煤田地质学讲义Word文件下载.docx
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2、植物的组成
植物主要由碳水化合物（纤维素、半纤维素和果胶质）、木质素、蛋白质和脂类化合物组成。
低等植物主要由蛋白质和碳水化合物组成，脂类含量较高。
高等植物以纤维素、半纤维素和木质素为主。
①碳水化合物（纤维素、半纤维素和果胶质）
纤维素是构成植物细胞壁的主要物质，易于水解，水解后呈胶体状。
②木质素
木质素也是构成植物细胞壁的主要物质，比纤维素稳定，不易水解。
在沼泽环境中被微生物分解，参与形成腐植质。
③蛋白质
蛋白质是植物细胞质的主要物质，在植物体中所占比例不大，亲水性强，煤中的N和S与植物的蛋白质有关。
④脂类化合物
不溶于水，可溶于有机溶剂。
脂类化合物包括脂肪、蜡质、树脂、角质、木栓质和孢粉质。
脂肪性质较稳定，分解形成脂肪酸；
蜡质、树脂、角质、木栓质性质稳定，孢粉质性质很稳定，能耐一定的温度和酸、碱处理，常保存于煤中。
第二节植物遗体的堆积环境
1、沼泽的概念
沼泽是地表土壤充分湿润、季节性或长期积水，丛生着喜湿性植物的低洼地段。
形成泥炭层堆积的沼泽称泥炭沼泽。
它既不是真正的陆地，也不是水体，而是介于二者之间的过渡状态。
2、泥炭的形成与积累
植物死亡后，经生物化学作用分解、合成和聚积，当有机物堆积量超过分解量时，才会形成泥炭层。
泥炭沼泽垂直剖面分三层：
表层（氧化环境）、中间层（过渡环境）、底层（还原环境）。
3、植物残骸的堆积方式
以原地堆积为主，少数是异地堆积。
具有工业可采意义的煤层大都是原地堆积。
第三节泥炭沼泽
1、泥炭沼泽的类型
根据泥炭沼泽的表面形态、水源补给、营养和植被特征，可以分为三种类型：
①低位泥炭沼泽
低位泥炭沼泽潜水位较高，水源补给充足、营养丰富、植被茂盛。
易堆积泥炭层。
②高位泥炭沼泽
高位泥炭沼泽潜水位较低，水源补给主要依靠降水，营养差，多为草本和苔藓，不利于泥炭层形成。
③中位泥炭沼泽
中位泥炭沼泽的状态介于上述二者之间。
2、泥炭沼泽的发育地段
①滨海平原。
具有低位泥炭沼泽发育环境。
②内陆的河流、湖泊。
③山地和高原地段。
3、泥炭沼泽形成的方式
①水域转化为泥炭沼泽，又包括三种模式：
浅水缓岸湖转化为泥炭沼泽，植物生长类型具有分带现象，在泥炭形成过程中，湖水不断淤浅，植物类型也相应推移。
深水陡岸湖转化为泥炭沼泽，浮游植物死亡后，沉入湖底，转化为泥炭。
河流转化为泥炭沼泽，类似浅水缓岸湖转化模式。
②陆地沼泽化
地面上封闭的洼地可能形成沼泽。
第四节泥炭的主要组成及性质
1、泥炭的化学组成
泥炭中除了含有大量的水分外，还包括有机质和矿物质。
①有机质。
包括植物残体和腐植质。
泥炭有机质含量是指有机质占泥炭干物质总量的百分比。
我国泥炭以草本泥炭为主，有机质含量占60%左右。
有机质中，C：
55%，O：
35%，H：
6%，N：
2%，S：
0.3%
在泥炭有机质中，以稀碱溶液提取的物质称为腐植酸，是泥炭的特征组分，腐植酸不是单一化合物，而是由分子大小不同、结构也不同的羟基芳香羧酸组成的混合物。
②矿物质
泥炭中的矿物质主要来源于风、水流挟带的矿物质通过沉积作用，转化为泥炭的组分。
常见的矿物质有石英、次生粘土矿物。
元素以硅为主，其次是铁、铝、钙、镁，矿物质的另一来源是植物本身。
2、泥炭的物理化学性质
①分解度：
是指植物残体由于腐解作用失去细胞结构物质的相对含量，或者是泥炭中无定形腐植质占有机质的百分含量。
②含水性
有湿度和持水量两种表示方法。
泥炭湿度是指泥炭中水分占泥炭总重的百分比。
持水量是指泥炭中水分占泥炭干物质重量的百分比。
③泥炭的比重和容重
泥炭的比重一般为1.4左右，藓类泥炭较轻，木本泥炭和草本泥炭偏重。
无量纲。
泥炭在自然状态下的容重称湿容重，干燥后的容重称干容重。
单位是g/cm3
④结构和颜色
泥炭结构疏松多孔，力学稳定性差。
苔藓泥炭呈海绵状，草本泥炭呈纤维状，木本泥炭为碎块状。
泥炭的颜色与植物、分解度和矿物质有关。
例如，苔藓泥炭呈黄色，分解转变为腐植质呈黑色，含蓝铁矿呈蓝色，含菱铁矿呈浅绿色。
⑤泥炭的可燃性
泥炭具有可燃性，用发热量表示。
我国泥炭发热量多在10-12MJ/Kg。
3、泥炭的类型
根据植物的组成，泥炭分为草本泥炭、木本泥炭和藓类泥炭。
泥炭类型
灰分含量
分解能力
酸碱度
含水量
颜色
弹性
草本泥炭
较高
较强
微酸碱性
较少
暗
较差
木本泥炭
较低
较弱
弱酸性
少
红褐色
差
藓类泥炭
低
弱
酸性
高
淡
强
第二章泥炭化作用和腐泥化作用
第一节泥炭化作用
1、泥炭化的生物化学变化可分为两个阶段：
生物化学分解和生物化学合成。
①植物残骸中的有机化合物经氧化分解、水解，转化为简单的化学性质活泼的化合物。
②分解产物之间合成较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质。
形成腐植酸的过程或作用称为腐植化作用，腐植化作用不是生物作用，而是在氧化环境中的化学作用。
2、凝胶化作用
植物在泥炭化过程中经历腐植化作用后形成腐殖酸，继而将经历凝胶化作用。
细胞壁先吸水膨胀，胞腔缩小，由于植物的木质素和纤维素在物理化学性质上都属于凝胶体，吸水能力强，在还原环境中逐渐分解，最后完全丧失细胞结构，形成无结构胶体，或进一步转化为溶胶；
当电性、酸碱性、温度变化时，产生胶体化学变化，上述物质形成凝胶状态。
因为这一过程既有厌氧生物作用，又有胶体化学作用，所以又称“生物化学凝胶化作用”。
3、丝炭化作用
当沼泽表面比较干燥，氧供应充足的情况下，植物细胞壁中的木质素和纤维素在微生物参与下脱氢、脱水，碳含量增加，氧化到一定阶段后植物遗体迅速转入弱氧化或还原环境中，或被泥沙覆盖后中断氧化作用，这个过程称为丝炭化作用。
如果丝炭化过程持续进行，将可能导致植物遗体全部分解。
当植物遗体存在氧化和还原环境交替变化时，丝炭化和凝胶化作用可能交替进行。
需说明的是，当丝炭化作用充分形成丝炭物质后，凝胶化作用也就终止了。
第二节残植化作用
残植化作用是泥炭化作用中的一种特殊情况。
当泥炭沼泽水流畅通时，在长期供氧充足情况下，不稳定组分被充分分解，被流水带走，稳定组分富集的过程。
还有一种情况是，当沼泽潜水面下降，植物遗体没有被水覆盖而强烈氧化，造成稳定组分富集。
残植化作用的产物经煤化作用形成残植煤。
第三节腐泥化作用
在湖泊、沼泽水深地带、海湾、浅海等水体中，低等植物藻类和浮游生物遗体在还原环境中厌氧微生物的参与下，经过复杂的生物化学变化形成富含水分的有机软泥。
这个过程称腐泥化作用。
低等植物经分解、缩合和聚合，形成富水棉絮状的胶体物质，经脱水和压实，形成腐泥。
腐泥的颜色一般为黄色、暗褐色和黑灰色。
第四节泥炭成分、性质不同的影响因素
1、植物群落
木本植物富含纤维素和木质素，易形成凝胶化物质，形成的煤以光亮煤为特征；
草本植物含有较多的纤维素和蛋白质，不稳定成分分解，稳定组分富集，形成富含稳定组分（壳质组）的煤，氢含量和焦油产出率高；
苔藓植物能分泌防腐剂，因此苔藓类泥炭常保留较多的不稳定组分。
2、营养供应
根据植物生长的营养供应，可分为三种类型：
富营养型、中营养型和贫营养型。
低位泥炭沼泽常形成富营养型泥炭，高位泥炭沼泽常形成贫营养型泥炭，中位泥炭沼泽常形成中营养型泥炭。
3、介质的酸度
酸度高不利于细菌生存，中性或弱碱性有利于细菌繁殖。
富钙的沼泽中，多以石灰岩为基底，喜氧细菌活跃，水生植物为主，形成的煤中S、N含量高，可能与硫细菌的强烈活动有关。
高位泥炭沼泽中，酸度高，加上藓类可分泌防腐剂（酚类），不利于细菌生存，所以植物的细胞结构能保存下来。
4、氧化还原条件
泥炭的表层处于氧化环境中，容易被氧化形成丝炭；
泥炭的底层处于还原环境中，容易形成镜质组煤。
第五节煤的成因分类
根据成煤的原始物质和堆积环境，煤分为三类：
①腐植类：
腐植煤、残植煤。
高等植物在沼泽环境中形成。
②腐植腐泥类：
腐植腐泥煤。
高低等植物混合，在湖泊和沼泽环境中形成。
③腐泥类：
腐泥煤。
低等植物和少量动物在湖泊、沼泽深水部位形成。
第三章煤化作用及煤的变质作用类型
第一节煤化作用的阶段和特征
1、煤化作用的两个阶段
①煤的成岩作用
泥炭形成后，由于盆地沉降，在上覆沉积物的覆盖下埋藏于地下，经压实、脱水、增碳作用，逐渐固结，经过物理化学作用转变成年轻的褐煤，称为煤的成岩作用。
在成岩过程中，木质素和纤维素继续参与形成腐植酸，已形成的腐植质形成凝胶化组分。
②煤的变质作用
年轻的褐煤在较高的温度、压力和较长的时间作用下，进一步发生物理化学变化，变成老褐煤、烟煤、无烟煤和变无烟煤的过程。
在这个过程中，腐植质不断发生聚合反应，稠环芳香系统的侧链减少，芳构化程度提高，分子排列更加规则。
2、煤化作用特点
①结构致密化，定向排列化。
②增碳化趋势。
挥发分减少，碳相对含量增加。
③结构单一化趋势。
泥炭阶段含多种官能团，到无烟煤阶段只含缩合芳核，最后演化为石墨。
④显微组分均一化趋势。
⑤具有不可逆性。
⑥发展的非线性。
第二节煤化作用的影响因素
1、温度：
受地热梯度的影响。
2、时间：
也是重要因素。
3、压力：
压力不产生化学反应，但可以使煤的物理结构发生变化。
例如孔隙率、水分含量降低，密度增加，有机大分子定向排列，光的反射率增加。
第三节煤化程度指标
煤化程度指标，也称煤化指标，煤级指标。
常用的煤化程度指标如下：
①水分。
一般情况下，从低煤级到中高煤级，水分减小。
②挥发分。
在烟煤阶段，随煤化程度提高，挥发分降低。
③镜质组反射率。
随煤化程度提高，镜质组反射率增加。
④碳含量。
随煤化程度提高，C在有机质中的相对含量增加。
⑤氢含量。
从无烟煤到变无烟煤阶段，氢含量降低明显。
⑥发热量。
发热量与含水量有关，是低煤化阶段煤化程度指标。
⑦壳质组荧光性。
壳质组荧光性与反射率互为消长，是低煤化程度指标。
⑧X射线衍射曲线。
随煤化程度提高，衍射曲线变陡，强度增加。
第四节煤的变质作用类型
1、根据热源的类型，煤的变质作用可分为三种类型：
①深成变质作用。
主要是地热引起，又称区域变质作用。
②岩浆变质作用。
由岩浆侵入产生的热变质作用。
③动力变质作用。
由构造运动产生的变质作用。
构造运动产生的动压力不直接产生化学反应，而摩擦生热可以加速煤的变质作用。
2、希尔特定律
德国学者希尔特根据西欧煤田地质规律提出，在地层大致水平的情况下，深度每增加100米，煤的挥发分降低2.3%，即煤的变质程度随埋藏深度的增加而提高。
第五节煤的工业分类
1、煤的工业分类中的一些基本概念
①基的概念：
基准，前提条件。
例如d,ad,daf,dmmf,ar分别代表干燥基、空气干燥基，干燥无灰基、干燥无矿物质基和收到基。
②煤的粘结性。
是指煤粒（d<
0.2mm）在隔绝空气加热后能否粘结其本身或惰性物质形成块的能力。
③煤的结焦性。
是指煤粒隔绝空气加热后能否生成优质焦炭的性质。
④煤的全水分。
是煤的外在水分（表面水）和内在水分之和。
外在水是空气中干燥失去的水分，剩下的是内在水。
⑤挥发分。
空气干燥基煤样在900℃条件下隔绝空气加热7分钟后减少的质量扣除水和二氧化碳的质量。
常用干燥无灰基挥发分表示。
Vdaf/%
⑥灰分：
空气干燥基煤样加热到815℃完全燃烧后残余物的质量。
地质勘探中，煤的灰分可作为煤层对比的参数。
另外，煤灰成分中三氧化二铝和三氧化二铁的含量直接影响煤灰熔融温度，前者与熔融温度成正比，后者成反比。
⑦弹筒发热量。
是指单位质量的煤在充有过量氧气的弹筒中燃烧，最终产物为25℃的二氧化碳、氧气、氮气、硝酸、硫酸、液态水和固态灰时放出的热量。
⑧高位发热量。
是指单位质量的煤在充有过量氧气的弹筒中燃烧，最终产物为25℃的二氧化碳、氧气、氮气、二氧化硫、液态水和固态灰时放出的热量。
其数值等于弹筒发热量扣除硝酸和硫酸的形成热。
⑨低位发热量。
是指单位质量的煤在充有过量氧气的弹筒中燃烧，最终产物为25℃的二氧化碳、氧气、氮气、二氧化硫、气态水和固态灰时放出的热量。
其数值等于高位发热量扣除水的汽化热。
（1）固定碳：
从测定煤样的挥发分产率所得残渣中减去灰分后的残留物。
固定碳含量是指煤炭除去水分、灰分和挥发分后的残留物,它是确定煤炭质量用途的重要指标。
（2）煤的发热量受煤岩成分、变质程度、矿物含量和风氧化程度的影响。
（3）煤中的硫
（4）微量元素：
磷，钒，砷，氟，氯，锗，镓
2、煤的用途
火力发电31%，工业锅炉31%，民用20%，炼焦8%，蒸汽机4%，煤化工3%，出口3%
3、煤的工业分类依据
根据煤化程度指标（挥发分等）和热加工工艺性质（粘结性、胶质层厚度等）。
4、中国煤炭分类表及说明
①煤的数码编号说明：
十位数表示干燥无灰基挥发分的大小，个位数表示它的粘结性大小。
十位数字大，表示挥发分高；
个位数字大，表示粘结性高。
②无烟煤分类：
3个编号。
类别
编号
挥发分Vdaf/%
氢含量Hdaf/%
无烟煤一号
01
老无烟煤
0-3.5
0-2
无烟煤二号
02
典型无烟煤
3.5-6.5
2-3
无烟煤三号
03
新无烟煤
6.5-10
3-4
③烟煤分类：
24个编号
挥发分10-20%，20-28%，28-37%，37%以上，分别为低、中、中高和高挥发分。
粘结指数G0-5，5-20，20-50，50-65，65-85,85以上，分别为不粘、弱粘、中低粘、中高粘和强粘结性。
④褐煤分类：
2个编号
目视比色法透光率PM
褐煤一号
51
新褐煤
37以上
≤30
褐煤二号
52
老褐煤
30-50
目视比色法：
目视比色法是一种用眼睛辨别颜色深浅，以确定待测组分含量的方法。
一般采用标准系列法。
即在一套等体积的比色管中配置一系列浓度不同的标准溶液，并按同样的方法配置待测溶液，待显色反应达平衡后，从管口垂直向下观察，比较待测溶液与标准系列中哪一个标准溶液颜色相同，便表明二者浓度相等。
如果待测试液的颜色介于某相邻两标准溶液之间，则待测试样的含量可取两标准溶液含量的平均值。
2.方法的特点
a利用自然光，无需特殊仪器;
b比较的是吸收光的互补色光;
c目测，方法简便，灵敏度高;
d准确度低（一般为半定量）;
e不可分辨多组分。
透光率：
透过透明或半透明体的光通量与其入射光通量的百分率。
T=I./I
目视比色法透光率PM：
⑤中国煤的分类
14大类：
褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气煤、气肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤和无烟煤。
17小类：
褐煤分2小类，无烟煤分3小类。
5、煤的可选性及评价方法
①选煤的概念
利用煤与矿物杂质物理化学性质的不同，设法除去矿物杂质，提高煤质量规格的过程。
②选煤方法
主要是重力选煤，利用煤与矿物杂质密度的不同，采用跳汰选煤或重介质洗煤。
跳汰选煤：
在垂直脉动为主的介质中实现分选的重力选煤方法。
重介质洗煤：
③煤的可选性
把矿物杂质从煤中分离出来达到工业用煤要求的难易程度。
用±
0.1临近密度物产率表示，临近密度物越多，煤越难选。
④评价方法
筛分试验和浮沉试验。
6、影响煤可选性的因素
①煤中矿物成分、颗粒大小、数量和分布特点。
如果矿物颗粒大、密度大，则易选出；
如果矿物颗粒细，难选出。
②煤岩组成。
镜煤和亮煤易选，暗煤和丝炭难选。
③煤的粒度。
粒度大易选，粒度小难选。
④分选密度。
确定分选密度既要考虑精煤的回收率，又要考虑灰分的高低。
第四章煤岩学基础与研究方法概述
第一节宏观煤岩组成及煤的物理性质
1、宏观煤岩成分：
肉眼可以区分的煤的基本组成单位。
①镜煤。
颜色深黑，光泽最强，贝壳状断口，内生裂隙发育，呈条带状或透镜状，由植物的木质纤维组织经凝胶化作用形成，是一种简单的宏观煤岩成分。
②丝炭。
颜色灰黑，纤维状结构，丝绢光泽，疏松多孔，被矿物充填后坚硬致密，比重较大，由植物的木质纤维组织经丝炭化作用形成，也是一种简单的宏观煤岩成分。
③亮煤。
亮煤是复杂的宏观煤岩成分，由植物的木质纤维组织经凝胶化作用，并掺入一些由风或水带来的矿物杂质形成。
光泽和亮度仅次于镜煤，断面平坦，内生裂隙不如镜煤发育，常呈较厚分层，是最常见的宏观煤岩成分。
④暗煤。
暗煤是复杂的宏观煤岩成分，富含壳质组、惰质组或矿物质，光泽暗淡，灰黑色，致密坚硬，比重大，韧性大，不易破碎，断面粗糙，一般不发育内生裂隙。
较为常见。
2、宏观煤岩类型
按宏观煤岩成分组合及其反映出来的平均光泽强度划分为4种宏观煤岩类型。
①光亮煤。
主要由镜煤和亮煤组成（大于80%）。
②半亮煤。
亮煤和镜煤占多数（50-80%）。
③半暗煤。
亮煤和镜煤占20-50%，硬度、韧性、比重较大。
④暗淡煤。
镜煤与亮煤小于20%，硬度、韧性、比重大。
二、煤的物理性质
1、光学性质
①颜色：
表色、粉色、体色、反射荧光色
表色指普通白光照射下煤表面反射的颜色。
粉色指煤研成粉末或用钢针刻划煤表面形成条痕的颜色。
又称条痕色。
体色指把煤表面磨光，在显微镜下观察反射光的颜色。
反射荧光色：
把煤表面磨光，用蓝光或紫外光激发后呈现的颜色。
煤类
表色
粉色
体色
反射色
反射荧光色
褐煤
褐色
煤级越高，透光性越差
煤级越高，反射色越浅
煤级越高，荧光色越弱
低阶烟煤
黑色
深褐色
高阶烟煤
无烟煤
深黑色
②光泽。
煤的新鲜断面的反光能力。
与煤成因、煤岩成分、煤化程度和风化程度有关。
镜煤→亮煤→暗煤→丝炭，光泽减弱。
随煤级增高，光泽增强。
③反射率、折射率和吸收率
煤的反射率是在垂直照明条件下，煤岩组分磨光面的反射光强度与入射光强度之比。
煤的折射率是在光线入射煤的界面时，入射角和折射角的正弦之比。
煤的吸收率是被吸收的光能与入射光能量之比。
2、机械性质
①硬度。
抵抗硬物压入表面的能力，分为刻划硬度、压痕硬度和磨损硬度。
暗煤硬度大，镜煤和亮煤硬度小；
褐煤和烟煤硬度小，无烟煤硬度大。
刻划硬度指用标准矿物刻划煤得到的相对硬度。
压痕硬度指用专门的仪器测定的煤的显微硬度。
抗磨硬度指用煤磨光面上耐磨阻力的大小表示的硬度。
②脆度。
物体受外力作用后破碎的性质。
脆度大，韧性差，与硬度不直接相关。
焦煤脆度最大。
例如，丝炭和镜煤脆度大，硬度小；
暗煤脆度小，硬度大。
③可磨性。
研磨粉碎的难易程度。
煤的可磨性系数指风干状态下将相同重量的标准煤样和试验煤样由相同粒度研磨到相同细度所消耗的能量比。
可磨性系数越大，煤越易粉碎。
不同显微组分，可磨性系数不同。
丝质组>
镜质组>
壳质组。
④压缩性。
煤在恒温加压下体积变化的百分数。
煤化程度越高，压缩性越小。
另外，壳质组>
丝质组。
⑤断口。
煤受力后断开的截面。
组成比较均一的煤，常呈贝壳状断口，如腐泥煤、腐植腐泥煤、镜煤等；
其它类型的煤呈现其它形状的断口，如参差状断口等。
⑥比重、密度。
比重是指与同体积水的重量比，无单位；
密度有单位。
⑦比表面积。
每克煤具有的总表面积。
M2/g。
由外表面积和内表面积组成。
外表面积所占比例很少，主要是内表面积。
可采用湿润法、BET法、Langmuir等温吸附法、气相色谱法。
褐煤和无烟煤比表面积最大。
煤的比表面积和瓦斯吸附量成正比，煤的比表面积对瓦斯含量和煤与瓦斯突出预测具有实际意义。
⑧孔隙率。
煤中孔隙和裂隙总体积与煤总体积之比，又称孔隙度。
煤的孔隙率可用煤的真密度和视密度计算得到。
氦气分子可以充满煤的孔隙，能够测量煤的真体积，根据质量可计算真密度；
而水银在不加压的情况下不能进入煤的孔隙，测量的是煤的视体积，根据质量可计算视密度。
由此可用下式计算煤的孔隙率：
褐煤的孔隙率最大，无烟煤孔隙率较高，中低烟煤孔隙率较低。
⑨导电性。
通常用电阻率表示。
与煤化程度、水、矿物质、孔隙度和风化程度有关。
煤化程度：
褐煤和无烟煤导电性好，前者是离子导电，后者是电子导电；
孔隙率大、水多，导电性好；
矿物质多，导电性好；
风化程度高，导电性好。
⑩磁性。
煤是抗磁性物质。
抗磁性物质是指内部原子和分子具有闭合的电子外层，或者说电子成对出现。
顺磁性物质是指内部原子和分子具有不成对的电子。
核磁共振是研究煤结构的有效方法。
⑾导热性。
煤的比热介于水和矿物之间。
水比热大，矿物比热小。
随煤化程度提高，导热性增强。
三、煤中的裂隙
1、内生裂隙：
凝胶化物质在温度、压力作用下均匀收缩产生
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