第三章煤的岩石组成

第三章煤的岩石组成与应用

主要内容：（1）煤岩组成的研究方法（2）宏观煤岩成分和宏观煤岩类型第一节宏观煤岩组成

一、煤岩学的概念1、什么是煤岩学

Coalpetrology/petrography？

用岩石学的观点和方法研究煤的组成和性质。

2、煤岩学研究方法（1）宏观方法macroscopicalmethod－用肉眼nakedeye或放大镜magnifier/magnifyingglass观察煤，根据其颜色colour

、条痕色striationcolour、光泽luster、裂隙fissure/crack和断口fracture等，识别煤岩类型lithotype、判断煤的性质。

（2）微观方法microscopicalmethod

－用显微镜研究煤：透射光、反射光

透射光下transmissionlight：薄片slice/thincoalsections2×2cm，厚0.02mm。根据颜色colour、形态form和结构constructure识别显微煤岩组分micropetrologicalconstituents、判断煤的性质；

反射光下reflection

light/reflected

light：光片(polishedbriquet)

直径2cm，厚1.5-2cm圆柱体。在普通反射光或油浸物镜oilimmersion

objectives下，根据颜色、形态、结构、突起、反光性等特征识别煤岩组分、判断煤的性质。

光片分为煤光片polishedblock和粉光片（砖光片）polishedbriquet

。二、宏观煤岩组成1、宏观煤岩成分用肉眼可以区分的煤的基本组成单位。腐植煤的宏观煤岩成分可分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种。它们具有不同的性质和特征。镜煤和丝炭一般仅以细小的透镜体或不连续的薄层出现，难以形成独立的分层。亮煤和暗煤虽然分层较厚，但常常又有相互过渡的现象，分界线不太明显。

2、宏观煤岩类型通常根据煤的平均光泽强度、各种煤岩成分的比例和组合情况将煤划分为光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤和暗淡型煤四种煤岩类型。宏观煤岩类型实质上是在煤层中的自然共生组合。只有煤化程度相同的煤才能进行比较。第三节煤的显微组分

煤的显微组分(macerals,micropetrologicalconstituents)，是指煤在显微镜下能能够区别和辨识的基本组成成分。按其成分和性质，可分为：

有机显微组分：在显微镜下能观察到的煤中成煤原始植物组织转变而成的显微组分。

无机显微组分：在显微镜下能观察到的无机矿物质。一、煤的有机显微组分指在显微镜下能识别的有机质的基本单位。（60多种）。根据结构、性质相似的原则，又可将其分组（类）国内外关于有机显微组分的分类方案很多见（表2-2，表2-3，2-4）

腐植煤的有机显微组分包括：

镜质组vitrinite

惰质组inertinite

壳质组exinite。

1、镜质组：透射光transmissionlight下呈透明transparent到半透明translucent，呈黄色或橙红色salmonpink

，较均一，不含或少含矿物质，见垂直裂纹。普通反射光下generalreflection

light呈灰色，油浸反射光下呈深灰色，无突起。镜质组是煤中最主要的显微组分，我国多数地区煤中镜质组的含量为60~80%由植物的木质纤维组织，经凝胶化作用形成的。（2）另一方面植物组织在沼泽水的浸泡immersion下吸水膨胀swell，发生胶体化学变化，使细胞腔逐渐缩小，直至失去细胞结构成为凝胶体。植物组织经凝胶化作用并经煤化作用后形成凝胶化组分（镜质组）。镜质组是煤中最主要煤岩组分，含量60－80％，甚至90％。

镜质组（vitrinite又称凝胶化组分）的形成

通过凝胶化作用gelation形成。成煤植物的组织在气流闭塞、积水较深的沼泽环境下（多水缺氧），产生极其复杂的变化。主要发生两方面的变化

（1）一方面是植物组织tissue在微生物作用下，发生：分解decomposition

水解hydrolyzation

化合combination形成新的化合物并破坏植物组织器官的细胞结构；腐植酸、沥青质2、惰质组：惰质组也是煤中比较常见的一种显微组分，惰质组在煤中的含量约为10%~~20%由植物的木质纤维组织经过丝炭化作用形成的。透射光下呈黑色，不透明。反射光下突起高，呈白色，油浸反射光时呈亮白色。惰质组（inertinite又称丝质组）的成因

惰质组是通过丝炭化作用形成。两种原因：其一：最初发生在多氧少水的氧化环境中，植物有机组分在微生物作用下失去被氧化的原子团而脱水、脱氢，碳含量相对增加，经过氧化作用后，植物残骸转入覆水较深的弱氧化以至还原环境，或被泥砂覆盖与空气隔绝，再经过煤化作用转变为惰质组的显微组分。

其二：沼泽中生长的植物发生火灾后，植物残体被烧焦，变成类似木炭的炭化物质，它们沉入地下转变成惰质组显微组分。由于成因、堆积环境、堆积方式等因素的影响，有的惰质组分细胞壁完整，细胞结构清晰，如丝质体等；有的惰质组显微组分细胞中填充有黏土矿物；还有的细胞壁破裂为碎屑，虽然它们的形态特征差异很大，但它们的工艺性质却很相似。由于沼泽环境的差异，凝胶化作用进行的强烈程度大不相同，产生了结构和形态不同的凝胶化物质。如果凝胶化作用微弱，植物的细胞壁基本上不膨胀或仅微膨胀，则植物的细胞结构仍保持原始排列规则，细胞腔明显，通常形成木煤体或结构镜质体等显微组分；如果凝胶化作用很强烈，植物的细胞结构全部消失，成为均匀的凝胶体，则形成无结构镜质体或基质镜质体等显微组分；如果凝胶化作用的强度介于上述两种情况之间，植物细胞腔显著缩小或基本被凝胶化物质充填，则形成木质镜煤体等显微组分。这些经过凝胶化作用形成的产物，不仅在形态特征上存在差异，而且它们的物理、化学性质也存在差别，但是它们的工艺性质却比较接近。注意：由于环境等因素的改变，凝胶化作用和丝炭化作用可以交替发生，处于凝胶化作用中的产物都可以发生丝炭化作用，处于丝炭化作用中的产物一般也可以再进行凝胶化作用。

3、壳质组（exinite又称稳定组）的成因

壳质组又称稳定组，是由成煤植物中化学稳定性强的组织器官转化而来的。在泥炭化作用阶段，因化学稳定性强，没有遭受生物化学作用的破坏而保存在煤中，经煤化作用后转化为壳质组。

壳质组：透射光下透明transparent到半透明translucent，呈黄色或橙红色salmonpink，轮廓profile清晰，外形特殊。普通反射光下大多有突起，呈深灰色，油浸反射光下－灰黑色或黑灰色。煤中常见的壳质组分有：孢子体sporophyte；花粉体pollen

树脂体rosin；角质体cutin

木栓体phellem等壳质组在透射光下透明transparent到半透明translucent

，呈现黄色到橙红色salmonpink

，轮廓清楚，外形特殊；在反射光下呈现深灰色，大多数有突起。镜煤凝胶化组分亮煤暗煤丝炭稳定组分丝炭化组分研究表明，煤的有机显微组分与煤的宏观煤岩成分关系非常密切。如镜煤成分单一，基本上全部由镜质组组成；丝炭基本上全由惰质组组成；亮煤和暗煤由三种显微组分以不同的比例组合而成，亮煤中镜质组含量较多，暗煤中惰质组和壳质组含量较高。它们之间的关系见图2-1。二、煤中的矿物质——无机显微成分

煤的无机显微成分主要是指粘土矿物、黄铁矿、石英、方解石等，在显微镜下可以进行区分。

粘土类矿物Clayminerals;：高岭石kaolinite，伊利石，水云母，…

硫化物类矿物sulfide

minerals：黄铁矿pyrite，白铁矿，…

碳酸盐类矿物carbonate

minerals：方解石calcite，菱铁矿，…

氧化物类矿物oxide

minerals

：石英quartz，…

硫酸盐类矿物sulphate

minerals

：石膏gypsum，…

三、煤岩各种显微组分的化学组成和工艺性质1、化学组成研究表明，同一种煤中各种显微组分（镜质组、惰质组、壳质组）的化学组成、物理性质都有较大差异，呈规律性变化；另外，随煤化程度的增高，同一种显微组分（镜质组或惰质组或壳质组）的化学组成、物理性质也发生规律性变化。见表2-10从表中可见，A、同一煤化程度的煤中：碳含量：惰质组最高，壳质组次之，镜质组最低；氢含量：壳质组最高，镜质组次之，惰质组最低；密度：惰质组最高，镜质组次之，壳质组最低；挥发分：壳质组的最高，镜质组第二，惰质组最低；反射率：惰质组最大，镜质组次之，壳质组最小。

B、不同煤化程度的煤中，随着煤化程度增高，各种显微组分（镜质组、惰质组、壳质组）的碳含量增加，氢含量和挥发分减少，密度和反射率增大。另外还可看出，随着煤化程度的增高，各种显微组分的化学组成，物理性质的差异在逐渐缩小。

2、工艺性质黏结性是炼焦煤的一个重要工艺性质。在煤热解过程中，镜质组和壳质组表现出良好的黏结性，是炼焦过程中的活性组分；惰质组在热解过程中既不软化，也不产生胶质体，因此不具有黏结性，属于惰性组分。所以，当煤化程度相同时，煤中镜质组、壳质组含量越高，煤的黏结性越好，煤中惰质组含量越高煤的黏结性越差。煤中各种显微组分工艺性质的差异在其它一些方面也有体现。例如：干馏时或加氢液化时，壳质组的煤气产率和焦油产率最高，较容易液化，镜质组次之，而惰质组属惰性组分，很难液化，所以用于液化使用的煤，应选择惰质组含量低的煤。第三节煤岩学的研究方法宏观研究法和显微研究法一、煤岩显微组分的分离和富集1、分离方法：一般先手选、粉碎解理、再筛选、最后用密度法精选。充分解理，将共生在煤颗粒中的不同显微组分分散开来，才能有效分离。机械研磨是解理的主要方法。10-2μm2、分离步骤初步分离（手选、筛选）精细分离二、煤岩分析样品的制备方法粉煤光片、块煤光片、煤岩薄片、光薄片四、煤岩显微组分的反射率五、煤岩学定量分析方法第四节煤岩学的应用煤岩学自创立以来，在生产中的应用日益广泛，已在煤田地质、选煤、炼焦、煤质评价和煤分类方面发挥了重要作用。

1.在选煤中的应用选煤：去除煤中矿物杂质的过程。洗选后的煤称为精煤精煤中灰分、硫、磷等有害杂质的含量必须降到能满足各种工业用煤的质量要求。要达到此目的，需要选择适易的选煤方法并制定科学的工艺流程。目前，选煤方法、工艺流程确定的主要依据是煤的可选性评价结果，如试验数据，可选性曲线等。另外，利用煤岩学方法评定煤的可选性也是非常重要的。实验表明，煤的可选性与煤中矿物的成因、成分、粒度、数量及赋存状态关系密切，如果煤中矿物的粒度大、数量少、分布集中、与煤中有机质的密度差异大，矿物质与煤中有机质就容易分离，则煤的可选性就好。相反，如果煤中的矿物质粒度小，数量多，均匀分布于煤的有机质中或充填于有机质细胞腔中，虽经破碎，矿物质与煤中有机质也难以分离开，则煤的可选性差。利用显微镜观察煤的光片，能直观地了解煤中矿物的种类、数量、粒度大小和赋存状态等，根据观察到的“信息”可对煤的可选性作出评价，并为选择合理的破碎粒度、制定选煤工艺和流程提供技术依据。

2.在配煤炼焦方面的应用用煤岩学方法预测焦炭质量指导配煤炼焦是煤岩学发展史上的一个重大成就。这种方法被公认是比较好的配煤方法，现在世界各国已被广泛采用。配煤炼焦的理论基础是：

1）煤中镜质组和壳质组属于活性物质，在热解过程中能熔融并产生活性键成分，具有黏结性；而惰质组为惰性成分，在热解过程中不能熔融，不产生活性键成分，不具备黏结性。

2）活性成分的质量差别很大，不仅不同煤化程度的煤差别大，即使同一种煤，所含的活性成分的质量也有差别。

3）惰性成分也是不可缺少的，缺少或过剩都对配煤炼焦不利，都会导致焦炭质量下降。所以说，一个比较好的配煤方案，实际上是各种活性组分和一定质量的惰性组分比例恰当的组合。通过观测、统计各种煤岩显微组分的含量及测定镜质组反射率，并使用适当的方法计算、试验、作图，找出炼焦配煤的最佳配比，预测焦炭质量。

3.在煤质评价方面的应用从煤岩学的观点考虑，影响煤质的因素主要有煤岩组成和煤化程度。研究表明，同一煤系煤化程度相同的煤层，由于煤岩组成不同，煤的工艺性质出现明显差异。例如：鹤岗煤田兴山矿处于不同埋藏深度的上、下部煤层的挥发分值出现一定异常，呈现上部挥发分值低于下部的情况，与正常规律相背离。为了查明异常的原因，测定了煤岩岩相组成及镜质组反射率，表明上、下部煤层的煤化程度基本相同，但是下部煤层镜煤含量高，而暗煤、丝炭、半丝炭较上部明显偏低。4.在煤分类中的应用（正在发展中）目前，国内外现有的煤炭分类方案大多是使用反映煤化程度和反映煤工艺性质的指标作为分类依据，比如：使用挥发分、碳含量、氢含量、发热量等表示煤化程度；使用黏结指数、胶质层厚度、奥亚膨胀度、罗加指数、自由膨胀序数，葛金焦型等表示煤的工艺性质（黏结性、结焦性）。随着科学技术的不断发展，人们对煤的研究逐渐深化，对煤的认识更加深刻，而且煤的加工、利用途径更加广阔，各种工业用煤对煤质的要求更加严格，现有分类已不能完全满足工业应用的需要，所以，不断有人提出采用煤岩学参数对煤进行重新分类，如20世纪70年代以来，俄罗斯、美国、澳大利亚、加拿大、印度等国都分别提出了以煤岩学参数为分类指标的煤炭分类方案，这些新的煤炭分类法对煤的区别更加精细，实际上也是对常规煤炭分类的非常重要的补充。

5.在煤田地质方面的应用（1）研究煤的成因类型和成煤环境煤是由植物演变而成的，在煤中保存着许多植物的细胞结构和植物的原始组分。如果是低等植物形成的煤，在煤片中可观察到藻类体等显微组分；如果是高等植物形成的煤，则可观察到孢子、花粉、角质层、树脂等显微组分，进而可确定煤的成因类型。在沼泽中，植物遗体的堆积环境决定了凝胶化作用或丝炭化作用的形式，所以根据煤中各种显微组分的含量可推测成煤环境。例如：美国伊利诺斯煤田宾夕法尼亚系的Springfield和Herrin煤层的成煤环境就可用镜质组和惰质组的比值加以说明。研究表明，这两层煤的镜质组和惰质组的比值与沼泽距古河道的远近有关。在靠近古河道处，沼泽水位高，氧气不充足，泥炭不易暴露和氧化，主要发生凝胶化作用，所以煤中的镜质组与惰质组比值较高（12-27）；在远离河道处（10km~20km），沼泽水位低，氧气充足，泥炭易暴露和氧化，丝炭化作用显著，煤的镜质组与惰质组比值较小（5-11）。（2）确定煤化程度研究表明，镜质组反射率随煤化程度的增高而增大，而且镜质组反射率与挥发分、碳含量等可反映煤化程度的指标相比较，它受煤的岩相组成的影响小，是判定煤化程度的比较理想的指标。（图2-2）（3）在地质勘探中的应用煤和石油都是生物遗体形成的沉积矿产。研究发现，油气形成的阶段与煤中镜质组反射率存在对应关系。例如：在我国，当镜质组反射率为0.3%~0.7%