河南理工大学煤地质学

1、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1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

2、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

3、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

4、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

5、. 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:较为停滞的、不太深的覆水条件下，弱氧化至还原环境，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: 沼泽覆水程度发生变化; 沼泽表面变得比较干燥，氧的供应较为充分; 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:氧化过程中有机

6、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。 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：凝胶较为停滞的、不太深的覆水条件下，弱氧化至还原环境，厌氧细菌的参与。丝炭沼泽覆水程度发生变化;沼泽表面变得比较干燥，氧的供应较为充分;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

7、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3章 煤化作用及煤变质

8、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

9、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

10、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：宏观煤岩类型 划分指标总体相对光泽

11、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8050%半暗煤光泽较暗5020%暗淡煤光泽暗淡20%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。（2） 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

12、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

13、。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

14、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

15、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）

16、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）=

17、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（900C）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，减去煤中所含的水分，即为挥发分。灰分： 指煤完全燃烧后剩下的残渣。几乎全部来自于矿物质。煤中固定碳：指从煤中除去水分、灰分和挥发分后的残留物，即: FCad10

18、0一(Mad十Aad十Vad)，煤中FCad随煤化程度增加而增加，褐煤60，烟煤5090，无烟煤90。7. 挥发分与煤化程度的关系：通常说来，随煤化程度提高，挥发分会减少，因为变质加深之后诸如酯类,芳香烃之类的会脱掉变油或气而逸散，使得煤含碳量增大，挥发分减少，而碳大分子结构比较复杂，有专家提出过定性描述的模型，但各有缺憾，煤在进入三号无烟煤后会进行分子重组导致其性质突变。8. 中国煤的分类方法及类型：首先根据干燥无灰基挥发分（煤化程度）等指标，将所有煤总的分为无烟煤、烟煤和褐煤3大类；再根据挥发分和粘结指数等指标，将烟煤划分十二类。第六章 含煤沉积体系1、1）均衡补偿：地壳沉降速度与植物堆积

19、速度大致相等，均衡补偿时间越长，则越能形成厚煤层。2）不足补偿：当地壳沉降速度大于植物遗体堆积速度时，由于植物供应不足，沼泽覆水深度不断加大，待至水深达一定程度，高等植物便不能生成，使泥炭的形成失去物质来源，堆积随之停止，在原有泥炭层之上沉积了泥、砂等沉积物，最终成为煤层的顶板。3）过度补偿：当壳沉降速度小于植物遗体堆积速度时，由于植物遗体堆积过快，造成沼泽覆水变浅，常使植物遗体氧化分解，不利于泥炭的形成，甚至已形成的泥炭也会遭受侵蚀破坏，因而只能形成薄煤层或不能形成煤层。煤层是由泥炭层经煤化作用转变而成。泥炭层的堆积主要取决于泥炭沼泽水位的变化，而泥炭沼泽水位的变化主要受植物遗体堆积速度与地

20、壳沉降速度之间的关系影响。2. 含煤岩系：又称含煤建造、含煤地层或煤系等，是指在一定地质时期内，形成的具有成因联系且连续沉积的一套含有煤层的沉积岩系。煤层：是指顶、底板岩层之间所夹的一套煤与矸石层。含煤岩系中位于煤层上下一定距离内的岩层，称为煤层的顶底板。3. 煤层厚度变化的影响因素：原生变化：指在泥炭堆积过程中，在形成煤层顶板岩层的沉积物覆盖之前，由于各种地质作用而引起的煤层形态和煤层厚度的变化。主要包括聚煤坳陷基底不均衡沉降引起的煤层分岔、变薄、尖灭，沉积环境和地形对煤层形态的影响以及河流、海水的同生冲刷作用。 后生变化：指泥炭层被新的沉积物覆盖以后，由于构造变动、河流冲蚀等后期地质作用所

21、引起的煤层形态和煤 层厚度的变化。4. 旋回结构：指在垂直剖面中一套有共生关系的岩性和岩相规律性组合和交替现象，它反映煤系在形成过程中一系列控制因素（如地壳运动、古地理、古气候等）的周期性变化。5. 不同含煤沉积体系及成煤特征：冲积扇沉积体系的成煤特征：1）扇间洼地：由于地势低洼及缺少碎屑物的充分供应，并易于汇水，因而往往形成有利于成煤泥炭沼泽持续发育的场所，可以形成较厚的煤层，但侧向连续性差。2）中扇朵叶间洼地： 在中扇朵叶体间的洼地上，有利于成煤。当活动的扇叶迁移而改变位置后，废弃的扇朵叶体，可以出现不甚持久的成煤条件，并形成薄煤层。3）扇尾地带：可在洪水的间隔期发育大量的植被，如果间隔时

22、间较长，在条件有利时也能形成薄煤及可采煤层。4）扇前缘外侧与河、湖、海环境的过渡地带： 扇尾地带的外侧，成为与其他沉积体系相接触的过渡带，常成为最有利的成煤场所。河流沉积体系的成煤特征：1）曲流河沉积体系的成煤模式：建立较早的模式之一。曲流河冲积平原上，以岸后沼泽和废弃河道充填沼泽是最有利的成煤场所。2）网结河沉积体系的成煤模式3）辫状河沉积体系的成煤模式：辫状河沉积体系成煤的条件是有限的，正在形成的辫状河体系对于泥炭沼泽的形成和发育往往不利，因而难于出现有工业价值的可采煤层。湖泊沉积体系的成煤特征：湖泊沉积体系中湖泊三角洲地带和滨湖地带都是成煤的良好场所。三角洲沉积体系的成煤特征：在各种类型

23、三角洲沉积体系中，以河流作用为主的三角洲体系往往为成煤提供了更有利的条件。在不断推进的三角洲平原及三角洲前缘滨岸地带，都是泥炭沼泽发育的良好场所。三角洲朵叶废弃之后，低平的地势也成为良好的成煤场所。障壁岛泻湖沉积体系的成煤特征： 由障壁后泻湖淤浅沼泽化形成的煤层，其长轴平行于沉积走向，即平行障壁岛砂体延伸方向，煤层分布较广泛，但由于成煤前的古地形及周期或成煤后期潮道的影响，厚度变化较大，煤层硫分含量较高。第8章 聚煤盆地及煤聚积规律1. 聚煤作用：指在古植物、古气候、古地理和古构造等有利的条件下，泥炭聚集而最终形成煤矿床的作用。聚煤规律：指的是由于古植物发育与演化、古气候、古地理和古构造的综合

24、作用和影响，聚煤作用总是在盆地的一定部位发生，在时空上表现出的规律性特征。2. 聚煤盆地：是地史期聚煤作用广泛发育的沉积盆地。聚煤盆地的形成条件：1.植物遗体的大量堆积是聚煤作用发生的物质基础。2.古气候是植物繁衍、植物残体泥炭化和保存的前提条件。3.适宜的沉积古地理环境为沼泽发育、植物繁殖和泥炭聚积提供了天然场所。4.古构造是作用于聚煤盆地诸因素中的主导因素。聚煤盆地的形成和聚煤作用的发生是古气候，古植物，古地理和古构造等地质因素综合作用的结果。3.聚煤盆地类型及成煤特征：（一）拗陷型聚煤盆地： 拗陷型聚煤盆地含煤岩系的岩性岩相和含煤性比较稳定； 煤层发育比较广泛、稳定，易于对比；陆源区和含

25、煤沉积区相对高差不大 大型拗陷聚煤盆地内部常常发育次一级隆起和拗陷。（二）断陷型聚煤盆地：含煤岩系向盆缘断裂一侧倾斜和增厚；盆地的充填序列一般为双层结构，划分为下、上含煤组，分别代表断陷聚煤盆地的不同演化阶段 煤层和煤层组沿走向形成富煤带，沿倾向与盆缘冲积扇带呈犬牙交错 断陷型聚煤盆地中常形成巨厚煤层 含煤岩系的岩性岩相变化剧烈，对比困难；（三）构造-侵蚀型聚煤盆地：4. 盆地的超覆扩张和退缩分化：5. 含煤沉积古地理类型：（1）浅海型：这种类型多出现在早古生代，多为开阔的浅海环境。因为那时高等植物尚未发展起来，只有低等植物菌、藻类在浅海环境下繁殖，死亡后在一定条件下形成了石煤。沉积物以浅海相

26、为主，煤层多形成于泥质沉积之上，而煤层上覆为碳酸盐沉积，旋回结构十分清楚。煤为腐泥煤，有机组分为菌、藻类，含硫分、灰分含量较高。典型例子是陕南早寒武世含煤岩系、南方分布较广的早古生代含石煤的煤系等。（2）陆表海型陆表海是属于海盆地还是近海盆地或过渡型盆地一直存在不同看法。多数学者把陆表海和陆缘海都归属于浅海。陆表海(或内陆海,陆内海,大陆海)是位于大陆内部或陆棚内部的、低坡度的、范围广阔的、浅水海洋盆地。陆表海应该属于一种特殊的盆地类型，盆地的基底是陆壳，在发生海侵时属于海洋盆地，而海水退出时则暴露为陆或呈现为适宜植物繁盛的沼泽环境。在海水进退的高频率变化的过程中发生成煤作用，因此形成海相沉积

27、（如海相石灰岩）与过渡相沉积及陆相沉积等相交互、旋回十分清楚的含有煤层的一套沉积岩系。煤层可能形成于海退过程中，也可能形成于海侵过程中。（3）近海型近海型一般指在海岸线附近地区，沉积区比较广阔，地形比较简单，海平面变化对沉积影响很大，是海与陆共同作用的区域。总体上应属于海陆过渡区。其特点是形成的煤系分布广、岩性岩相比较稳定、旋回结构清楚且易于对比、含煤性较好。还可以进一步划分为滨海平原型、滨海三角洲型、障壁泻湖型、滨海-扇三角洲型等。（4）内陆型指远离海洋的大陆区和山间区。内陆型的聚煤古地理类型是比较复杂的。其岩性、岩相以及含煤性相差较大，对比也比较困难。还可以进一步划分为内陆盆地型、山间盆地型、山间谷地型、冲积扇型和扇三角洲型等。6. 富煤带是指同一煤炭剖面中煤层发育较好、相对富集的块段，在空间上呈带状分布的特点。即是说的是出现于一定的古地理、古构造部位的煤层相对富集带。富煤中心是指在富煤带内煤层总厚较大的部位或聚煤作用长期持续发育的部位，也称富煤带最富的部位。富煤单元指同一层煤层相对较厚而稳定分布部位，在空间上具有一定的形态和方向性。亦即：指含煤盆地发展演化的某一阶段，古地理、古构造最有利于泥炭堆积而形成较厚的部位。富煤带（中心、单元）的展布特点：富煤带（或富煤中心、单元）的空间展布形式或样式多种多