煤矿地质学 第五章 煤与含煤岩系课件

1、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

2、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

3、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。（二）煤化阶段泥炭或腐植煤转变为褐煤、烟煤、无烟煤、超无烟煤的物理化学变化称为煤化作用。煤化作用分为煤成岩作用和煤变质作用两个阶段1. 成岩作用 泥炭形成后，由于地壳运动的影响，使其沉降到地壳较深处，在上覆泥砂等沉积物的压力作用下，泥炭逐渐被压紧、脱水、固结，趋于致密。同时，泥炭中有机质的分子结构和化学成分也发生一定变化，其中碳含量增加、氢氧含量减少，腐植酸含量降低。

4、泥炭转变为褐煤，这一过程为成岩作用。 腐泥形成后，经成岩作用，转变为腐泥煤。2.变质作用 褐煤形成后，当地壳继续下降，使其沉降到地壳更深处，在温度和压力的作用下，褐煤内部的分子结构、物理性质、化学性质等发生变化，碳含量进一步增加，氢氧含量继续减少，光泽增强，密度增大，挥发分逐渐减少，腐植酸完全消失。褐煤转变为烟煤、无烟煤。这一过程为变质作用。 腐泥煤形成后，经变质作用，使煤的变质程度不断提高，形成高变质的腐泥煤。三、成煤的必要条件 煤的形成并不是偶然的，它是受一定条件控制的。资料表明，自然界煤的分布无论从时间上和空间上都是不均衡的。综合起来，煤的形成必须具备以下条件：植物条件 、气候条件 、自

5、然地理条件 、地壳运动条件 。 （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

6、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，否则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

7、的沉降过程中发生多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，在地壳发展过程中，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。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

8、）。（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：表面隐约可见微细层理，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、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

9、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，也有一部分可能来自细

10、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

11、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，而视密度体积则包括煤内部的孔隙。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1.051.20；烟煤的视密度为1.201.40；无烟煤的视密度为1.351.80。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。

12、 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。（3）挥发分（V） 在隔绝空气的条件下，将煤在（90010）温度下加热7分钟时，煤中的有机质和一部分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%

13、-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，煤中有机质分解的残余物。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，

14、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； 对无烟煤和褐煤则表示煤化程度，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

15、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25254545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 45 45休息 2）按厚度分类 露天开采 地下开采 薄煤层 3.5m 10m 3.5-8.0m 特厚煤层 8. 0m 休息 3）按煤层稳定性分类 (1)稳定煤层 煤层

16、厚度变化很小，规律明显，结构简单至较简单，全区可采或基本可采。 (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，全区可采或大部分可采，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，对比困难。 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12m左右。 随采煤回柱后一般能自行跨落，有的经人工放顶后也

17、比较容易跨落。直接顶跨落后都充填在采空区内。休息（3）基本顶 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。 基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

18、寻找或对比煤层的标志。 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基本上连续分布的广大地区称为煤田。 被后期构造改造或剥蚀残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部分称为矿田（井田）。（二）中国主要聚煤期 C-P T-J E-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大地区。 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大地区，包括新疆全部，甘肃大部，青海北部，宁夏和内蒙古西部。 成煤时代为石炭纪和早、中侏罗纪，以早、中侏罗纪成煤作用最强，尤其是新疆境内含煤性最好。 该区煤炭资源量巨大，约占全国总量的33%。3华北聚煤区3华北聚煤区 又称华北石炭二叠纪聚煤区，这是我国最重要的聚煤区。 其范围为贺兰山构造带以东，秦岭构造带以北