河南理工大学煤地质学

《煤地质学》0绪论1.煤（田）地质学：是以地质理论为基础，研究煤、煤层、含煤岩系、煤盆地以及与煤共生的其他矿产(油页岩、煤层气等)的物质成分、成因、性质及其分布规律的学科。是地质学中形成较早的分支学科。2.煤地质学研究内容:1、煤的物理组成和性质的研究2、成煤作用的研究3、煤层及煤系沉积学研究4、聚煤盆地的研究5、煤聚积与分布规律的研究。第一章成煤原始物质与堆积环境1.成煤原始物质：低等植物—主要是菌类和藻类；高等植物—苔藓植物、蕨类植物、种子植物。2.成煤作用：植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程。阶段划分:1.泥炭（腐泥）化作用(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)2.煤化作用(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)。3.植物残骸的堆积方式：原地生成说：造煤植物残骸堆积于植物繁衍生存的泥炭沼泽内，没有经过搬运，在原地堆积并转变为泥炭。异地生成说：泥炭层形成的地方，即植物残体大量堆积的地方并不是成煤植物生长的地方，植物残体从生长地经过长距离搬运后，再在浅水盆地、泻湖、三角洲地带堆积而成。原地与异地两种泥炭堆积方式都是存在的，且具工业可采意义的煤层大都是原地成因的。4.泥炭沼泽：沼泽中植物死亡后其遗体能够被沼泽水所覆盖，使其与空气隔绝而不被完全氧化分解，并在逐渐堆积过程后经以生物化学作用为主的变化后可转变成泥炭的。类型：1、低位泥炭沼泽：地形低洼，潜水面较高，主要由地下水补给水，潜水面与沼泽水位基本相同。又称富营养泥炭沼泽，对成煤最为有利。2、高位泥炭沼泽：水源主要是由大气降水补给的沼泽。其水面位于潜水面之上，水源不充足，水中缺少矿物质，因而一般没有高大的植物生长。又称贫营养泥炭沼泽，在成煤过程中的作用不太重要。3、中位泥炭沼泽:介于两者之间，潜水面位于泥炭层内，水源来自地下水和大气降水。又称过渡类型或中营养泥炭沼泽。5.煤的形成条件:1.植物条件:植物是成煤的原始物质2.自然地理条件:地理条件指的是成煤场所3.气候条件:潮湿、温暖—适于植物大量生长,利于大面积沼泽化的形成4.地壳运动条件：不仅影响聚煤盆地形态、聚煤中心和富煤带的展布和迁移，而且奠定了大型聚煤区的分布，控制海水进退及生物群的迁移。第二章泥炭化作用和腐泥化作用1.泥炭化作用：是植物物质经受生物化学分解及合成的复杂过程，最终形成泥炭的作用。属性:也是—种植物物质的生物化学分解作用，它与水解作用、氧化与还原作用有关。条件:发生于覆水地区的水位以下，即与大气局部沟通的状态下。泥炭化作用的直接产物除了泥炭以外，分解出的气态产物有二氧化碳、水、沼气和少量氮。腐泥化作用：低等植物(藻类)和浮游生物遗体在滞流还原环境和厌氧微生物参与下，经过复杂的生物化学变化形成的富含水分的有机软泥(腐泥)的过程。2.凝胶化作用：指植物的主要组成部分在泥炭化过程中经过生物化学变化和物理化学变化，形成以腐植酸和沥青质为主要成分的胶体物质（凝胶和溶胶）的过程。条件:①较为停滞的、不太深的覆水条件下，②弱氧化至还原环境，③厌氧细菌的参与。丝炭化作用：植物物质应受的氧化分解、脱水、脱氢及增碳化过程称为丝炭化作用。物质:丝炭化物质和凝胶化物质一样，主要也是由植物的木质纤维组织转变而形成的;从有机组成来看主要也是植物细胞壁中的木质素和纤维素。形成环境:①沼泽覆水程度发生变化;②沼泽表面变得比较干燥，氧的供应较为充分;③氧化过程中有机物在微生物参与下由于失去被氧化的原子团而脱氢、脱水，碳含量相对地增加.特点:①氧化过程中有机物在微生物参与下由于失去被氧化的原子团而脱氢、脱水，碳含量相对地增加。②部分丝炭没有经过明显地凝胶化作用，因而植物细胞结构几乎未经膨胀变形，仍然保留完整的植物组织结构。3.凝胶化作用与丝炭化与残植化作用发生条件不同：凝胶①较为停滞的、不太深的覆水条件下，②弱氧化至还原环境，③厌氧细菌的参与。丝炭①沼泽覆水程度发生变化;②沼泽表面变得比较干燥，氧的供应较为充分;③氧化过程中有机物在微生物参与下由于失去被氧化的原子团而脱氢、脱水，碳含量相对地增加.残植(1)泥炭沼泽是开放型的,水介质具有流动特性;(2)长期有新鲜氧供应,发生氧化作用;(3)泥炭化形成的物质一部分被带走,稳定组分聚集。-原地生成方式4.泥炭成分、性质的影响因素：1.植物群落：植物是成煤的原始质料，因此植物群落不同就会影响泥炭的性质。2.营养供应：根据沼泽对植物所需的营养供应分为滋育的、中滋育的和低滋育的三种类型，其所形成的泥炭相应地称为富营养型泥炭、中营养型泥炭和贫营养型泥炭。3.介质的酸度：沼泽水的酸度直接影响细菌的生存和活动，因面对泥炭化作用有重要影响。4.介质的氧化还原条件：沼泽中氧的供给情况决定了介质的氧化还原条件，从而对细菌的种类和活动情况有重要影响，从而影响着生物化学作用的强烈程度，进而影响到泥炭的组成和性质。5.古地理环境对泥炭的影响（1、聚积环境与硫含量2.聚煤环境与煤的“还原程度”）第三章煤化作用及煤变质作用类型1.成岩作用：由泥炭经过物理化学作用形成年青褐煤的过程。煤化作用：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、化学作用下，形成褐煤、烟煤、无烟煤、变无烟煤，称为煤化作用阶段。2.希尔特定律：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。3.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引起的变质作用。因其对煤的影响最广泛，也称为“区域变质作用”。特征：1、希尔特定律2、煤变质的分带性3、深成变质作用与上覆岩系厚度4、深成变质作用与煤层赋存深度的关系4.岩浆变质作用：（1）区域岩浆热力变质作用主要特征：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。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。（2）接触变质作用特征：1）在侵入体与煤层接触带附近，煤层受热温度和增温速率高，但延续时间短，受热均匀性差。邻近侵入体附近，往往有不规则的天然焦带。2）经接触变质作用的煤，颜色变浅，密度增大，灰分增高，挥发分和发热量降低，粘结性消失，愈近岩体愈明显。3）在接触带中，煤的镜质组因经受高温溶解时气体逸出而具气孔状构造，形成多气孔和沟槽的天然焦，其最大反射率和各向异性随温度提高而增大。4）在接触带附近，常常存在规模较小且不规则的局部煤质分带现象。其宽度不大，从数厘米至数米不等。5）褐煤和无烟煤的接触变质与烟煤不同。5.动力变质作用：是指由于地壳构造变动的直接原因而造成煤发生变质的作用。第四章煤岩学基础1.宏观煤岩组成：肉眼可以区分的基本组成单元。包括镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种煤岩成分。镜煤和丝炭是简单的煤岩成分，暗煤和亮煤是复杂的煤岩成分。宏观煤岩类型：2.煤的显微组成：（一）镜质组：由植物的根、茎、叶在覆水的还原条件下，经过凝胶化作用而形成。低中煤阶时，镜质组特征:1)在透射光下具橙红、褐红色;2)反射光下呈灰至浅灰色;3)氧含量较高、氢含量宏观煤岩类型划分指标总体相对光泽强度光亮成分（镜煤＋亮煤）含量光亮煤光泽强80%半亮煤光泽较强80~50%半暗煤光泽较暗50~20%暗淡煤光泽暗淡≤20%中等、碳含量较低；4)挥发分产率较高，具最好的粘结性，是炼焦的最主要成分。镜质组可分为三种显微组分，即：结构镜质体、无结构镜质体和碎屑镜质体。（二）惰性组：由植物的根，茎、叶等组织在比较干燥的氧化条件下，经过丝炭化作用后在泥炭沼泽中沉积下来所形成；也可以由泥炭表面经炭化、氧化、腐败作用和真菌的腐蚀所造成。惰性组包括丝质体、半丝质体、粗粒体、菌类体、碎屑惰性体和微粒体。特征：1）惰性组在透射光下为黑色不透明；2）反射光下为亮白色至黄白色；3）碳含量最高、氢含量最低、氧含量中等；4）比重为1.5，磨蚀硬度和显微硬度高；5）突起高，挥发分低，没有任何粘结性。6）惰性组的芳构化程度高，反射率高，由于先期氧化，惰性组在煤化作用期间变化较小。（三）壳质组：又称稳定组、类脂组。壳质组包括孢子体、角质体、木栓质体、树脂体、渗出沥青体、蜡质体、荧光质体、藻类体、碎屑壳质体、沥青质体和叶绿素体等。特征：1）由比较富氢的植物物质所组成；蛋白质、纤维素和其它碳水化合物的分解产物也可参与壳质组的形成。2）壳质组含有大量的脂肪族成分，其中脂肪-蜡可溶于有机溶剂，而木栓质-角质则不溶。3）壳质组组分的氢含量高，加热时能产出大量的焦油和气体，粘结性较差或没有。4）在透光下一般为黄色,反射光下多数为深灰色、灰色（低煤级）。5）在低煤化烟煤阶段，壳质组脱羧基并生成石油，在中煤化阶段，转变为气态烃。所以，低煤级煤中壳质组很常见，到中煤化阶段以后壳质组数量很少。3.煤中矿物质按来源可分为：原生矿物、同生矿物和后生矿物。来源：1．原生矿物(成煤植物在生长过程中，通过植物的根部吸收溶于水中的一些矿物质)2．同生矿物(在泥炭堆积时期，由风和流水带到泥炭沼泽中和植物一起堆积下来的碎屑物质)3．后生矿物(煤层形成固结后，由于地下水的活动，溶解于地下水中矿物质，因物理化学条件的变化而沉淀于煤的裂隙、层面、风化溶洞中和细胞腔内)4.煤的反射率：是指煤抛光表面的反射光强度与垂直入射光强度之比，用百分数表示。随着煤化程度的增高，镜质组、壳质组和惰性组的反射率也随之增高，但增加的速度不同。壳质组的增加速度最快，次为镜质组，惰性组增加速度慢。惰性组分反射率高，反射率变化幅度很小；壳质组反射率变化幅度很大，到中高煤化阶段之后已不易辨认出来；镜质组反射率的变化幅度也较大，且比较有规律。煤中镜质组的含量一般都较高，很容易找到。5.孔隙：成煤过程中不同作用下，在煤中形成的微小空隙。煤的裂隙：是指煤受到自然界各种应力作用而造成的裂开现象。按成因不同可分为内生裂隙和外生裂隙。煤的结构：是指煤岩成分的形态、大小、厚度、植物组织残迹，以及它们之间相互关系所表现出来的特征，它反映了成煤原始物质的成分、性质及其在成煤时和成煤后的变化。在低煤级煤中，煤的结构很清楚；随着煤化程度的增高，各种煤岩成分的性质逐渐接近，因而煤的结构就逐渐变得均一。煤的结构分为：原生结构和次生结构。第五章煤化学基础1.煤的化学组成元素：由碳、氢、氧、氮和有机硫等元素构成的，此外还有极少量的磷和其它元素。2.煤的发热量：单位质量的煤完全燃烧时所产生的热量。影响发热量的主要因素：（1）煤岩成分：同一煤级中，壳质组的发热量最高，其次为镜质组和惰质组。（2）煤化程度：当煤以镜质组为主的，随煤级升高，煤的发热量逐渐增高，至中煤级的焦煤、瘦煤达到高蜂，以后又稍有下降。（3）矿物杂质的含量：煤的发热量随矿物杂质含量的增加而降低。矿物杂质不发热，其含量越多，煤的发热量越低。（4）煤的风氧化程度：煤受风氧化后，煤中的碳、氢变成CO2、H2O逸去，故煤的碳、氢含量降低，氧含量增高，煤的发热量下降。若风氧化严重，则不可燃。3.煤的粘结性：指煤粒（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形成焦块的能力。4.煤的工业分析：是水分、灰分、挥发分和固定碳四个项目煤质分析的总称。其中，水分（W）、挥发分（V）、灰分（A）可以测定，固定碳（FC）=100-W-V-A。W、A→无机质V、FC→有机质。5.煤中水分：根据水在煤中的存在状态，将煤中水分称为：外在水分、内在水分以及同煤中矿物质结合的结晶水、化合水。外在水分：指煤炭开采、运输、储存及洗选过程中，附着在煤颗粒表面和裂隙中的水分。内在水分：吸附或凝聚在煤颗粒内部的毛细孔内表面的水分。6.挥发分：把煤放在与空气隔绝的容器中，在一定高温（900˚C）条件下加热到一定时间（7分钟）以后，从煤中分解出的液体（蒸汽状态）和气体产物