煤矿地质学5煤、煤层、煤系、煤田

第五章煤、煤层、煤系、煤田煤是一种沉积作用形成的可燃有机岩，是地质历史时期的古植物遗体经过复杂的生物化学和物理化学作用转变而成的。因此对煤的物质组成和性质进行研究是合理、充分利用煤炭资源的前提，煤炭资源的分布和赋存状态直接影响着煤炭资源的开采。所以，研究煤的成因、性质，掌握煤层、煤系的形成和赋存状态有着重要的意义。第一节煤一、煤的形成（一）成煤的原始物质植物：低等植物：菌类和藻类低等生物最后形成腐泥煤。高等植物：形成腐植煤（二）煤的形成过程植物从死亡及其遗体堆积到转变成煤的一系列演变过程，称为成煤作用。分为两个阶段1.腐泥化及泥炭化作用阶段腐泥化作用

对象：菌藻类低等植物

环境：水体较深的滞流贫氧环境

反应：还原、合成等化学作用

产物：腐泥、软泥、残体、原生沥青质

泥炭化作用

对象：高等植物遗体

环境：沼泽、泥炭沼泽

反应：氧化、还原、合成

产物：植物残体＋腐植酸2.煤化阶段

由于地壳沉降运动，使沉积物不断增厚泥炭或腐泥被埋到地下深处，在地热和上覆沉积物质静压力的作用下，泥炭转变为腐植煤或腐泥转变为腐泥煤，这种物理化学作用过程称为煤化阶段。分为成岩作用和变质作用。（1）成岩作用（2）变质作用地壳继续下降，褐煤在地下受相对较高的温度、压力等因素的影响。煤中有机质分子重新排列，聚合程度增高，使煤的内被分子结构，物理性质、化学成分和工艺进一步发生改变。出现了粘结性，光泽增强，碳含量增加。这个过程称为煤的变质作用。从而形成不同煤种的煤。（三）煤的形成条件形成具有开采价值的煤层必须具备下列四个条件：（一）植物条件：（二）气候条件：潮湿、温暖的气候对成煤最有利。（三）自然地理条件：形成分布面积较广的煤层，必须有适于发生大面积沼泽化的自然地理条件。（四）地壳运动条件：1、泥炭层的聚积，要求地壳发生缓慢下降，下降速度=植物遗体聚积速度。2、泥炭层的保存并转变成煤层，要求地壳大幅度的沉降。3、为了使同一地区形成较多的煤层，要求地壳在总的下降过程中发生多次的升降或间歇性的下降。（四）煤的变质作用1.变质因素（1）温度：最主要的因素（2）压力：次要因素（3）时间2.煤的变质作用类型（1）深成变质作用（2）岩浆变质作用（3）动力变质作用二、煤的化学成分和工艺性质（一）煤的元素组成煤是由有机质和无机质混合组成的，有机质是煤的主要组成部分，有机质主要有C、H、O、N四种元素组成。1）碳：煤的基本结构单元中最重要的元素。2）氢：煤中第二重要元素，它是煤结构单元中侧链上的组成元素。3）氧：也是组成煤的重要元素之一。4）氮：含量较少，一般不超过3%5）硫：可分为有机硫和无机硫两部分。通常测定的是煤中的全硫（SQ），即有机硫和无机硫的总和。6）磷：煤中有害组分。7）其他元素：煤中尚含有砷、氯等有害元素，以及锂、铍、钒、铀等有益伴生元素。达到工业品位，可用于电子工业、原子及宇航等尖端科学技术。（二）煤的工业指标1.水分1、水分的来源：植物本身水，泥炭堆积吸水，煤化脱水，地下水，开采、运输中掺入

2、水在煤中的存在状态

①外在水分（Mf）:大毛细管（d>200nm）中的游离水②内在水分（Minh）:存在d<200nm中的吸附水(100℃

)Minh≈Mad（空气干燥基水分）煤样全水分是评价煤炭质量和使用价值的指标，分析煤样水分是评定煤质、判断煤变质程度的指标3、煤中水对工业利用的影响

水分含量多，能加速煤的风化、破碎、甚至造成自然发火，降低煤的发热量等。2.煤的灰分

1、灰分的概念

煤中可燃质完全燃烧，煤中矿物质在一定温度下产生分解、化合等复杂反应后剩下的残渣。2、矿物质对煤加工利用的影响1）造成运输和贮存的浪费；2）降低了焦炭的质量和炼钢锅炉效率；3）降低了煤的发热量，增加了灰渣处理量；4）煤灰利用，提取Ga、Ge、V、Ti

3、影响煤灰分的因素1）煤岩成分、煤岩类型2）原生矿物、同生矿物、后生矿物3）人为因素4、灰分划分等级（Ad%）特低灰煤低灰煤中灰煤富灰煤高灰煤3.挥发分（Vdaf）:在隔绝空气的条件下，将煤加热到850℃从煤中有机物质分解出来的液体和气体产物称为挥发分。煤中挥发分随变质程度的增高而减少，它是评价煤质和进行煤的分类的重要依据。由于煤的挥发分与水分和矿物质无关，所以常以煤的可燃基（煤的总量减去水分和灰分）煤级HM1HM2CYQMFMJMSMPMWY3WY2WY1Vdaf%65~5555~4848~4040~3636~2628~1820~1416~1010~6.56.5~3.5<3.5表2-15不同煤级煤的挥发分变化范围4.固定碳（C）:煤中有机质分解后的不挥发物质。在测量挥发分时，残留在坩埚的固态产物—焦渣。

固定碳=焦渣-灰分5.发热量单位重量的煤完全燃烧时放出的热量。单位焦耳/克（J/g）煤的发热量常用指标有高位发热量（Qgr，ad）、干燥基（无水煤样）高位发热量（Qgr，d）、可燃基（无水无灰煤样）高位发热量（Qgr，daf）和应用基（应用煤样）低位发热量（Qnet，ar）6.胶质层厚度（Y）煤的粘结性越强，其胶质层厚度越大。因此胶质层厚度的大小可以反映煤的粘结性的强弱，另外也是我国煤分类方案的主要指标之一。三、煤的物理性质煤的物理性质是指煤的宏观特征。包括颜色、条痕、光泽、硬度、脆性、相对密度、断口、裂隙、等性质。与成煤原始物质、成煤环境及煤的变质程度有关。四、煤岩成分和煤岩类型（一）宏观煤岩成分

宏观煤岩成分是用肉眼可以区分出的煤的基本组成单位，包括镜煤、丝炭、亮煤和暗煤。镜煤和丝炭是简单的煤岩成分，亮煤和暗煤是复杂的煤岩成分。1）镜煤镜煤的颜色深黑，光泽强，是煤岩成分中颜色最深、光泽最强的成分。它质地纯净，结构均一，轮廓清楚，具贝壳状断口，常有垂直条带的内生裂隙。镜煤性脆、易碎成棱角状小块。在煤层中、镜煤常呈透镜状或条带状，条带厚度一般几毫米至1-2厘米，也有小于1毫米的线理，个别有几十厘米厚的透镜体。2）丝炭外观像木炭，颜色黑灰色或深灰色，具明显的纤维状结构和丝绢状光泽。丝炭疏松多孔、质轻性脆易碎、能染指。丝炭的胞腔有时被矿物质充填，称矿化丝炭，坚硬而致密，密度大。在煤层中，丝炭常呈扁平的透镜体沿煤层的层面分布，厚度多为1~毫米至几毫米，有时能形成不连续的薄层。个别地区，丝炭层的厚度可达几十厘米甚至几米。3）亮煤亮煤的光泽仅次于镜煤，一般呈黑色，较脆易碎，但断面比较平坦。亮煤的均一程度不如镜煤，表面隐约可见微细的层理。较纯净的亮煤有时也可见内生裂隙，但不如镜煤发育。在煤层中，亮煤是最常见的宏观煤岩成分，常呈较厚的分层，有时甚至组成整个煤层。4）暗煤暗煤的光泽暗淡，一般呈灰黑色，致密坚硬、韧性好，不易破碎，断面比较粗糙，一般无内生裂隙。在煤层中，暗煤是常见的宏观煤岩成分，常呈厚薄不等的分层，也可组成整个煤层。（二）宏观煤岩类型

宏观煤岩成分一般的厚度都比较小，在描述煤层、确定煤的组成和性质，进行煤层对比时都十分不便。我们观察煤层时可以发现，各种煤岩成分的组合是有一定规律性的，造成煤层中有光亮的分层，也有暗淡的分层，这些分层的厚度一般为十几厘米至几十厘米，在层理方向上比较稳定，这些分层实际上就是光泽类型，也即宏观煤岩类型。宏观煤岩类型可划分为四种，即光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤和暗淡型煤。宏观煤岩类型的划分是根据煤中光亮成分，即镜煤和亮煤在分层中的含量及其反映出来的总体光泽强度来确定的。1）光亮型煤：镜煤和亮煤的含量＞75%，光泽很强。由于成分比较均一，故常呈均一状或不明显的线理状结构。内生裂隙发育，脆度大，易破碎，常具贝壳状断口。显微镜下观察，镜质组含量一般在80%以上，显微煤岩类型以微镜煤为主。2）半亮型煤：镜煤和亮煤的含量为75%~50%，光泽较强。常以亮煤为主，夹有暗煤和丝炭，条带状结构明显，常具阶梯状或棱角状断口。显微镜下观察，镜质组含量一般在60～80%之间，显微煤岩类型以微镜煤、微亮煤和微镜惰煤为主。半亮型煤是煤中最常见的宏观煤岩类型。3）半暗型煤：镜煤和亮煤的含量50%~25%，光泽较弱。镜煤和丝炭多呈细条带、线理状和透镜状分布，暗煤较多。断口参差不齐，硬度、韧性和密度都较大。显微镜下观察、镜质组含量为30%~60%，显微煤岩类型复杂。半暗型煤也是煤中常见的宏观煤岩类型。4）暗淡型煤：镜煤和亮煤的含量＜25%，光泽暗淡。常以暗煤为主，有时夹镜煤、亮煤的细条带、线理或透镜体。暗淡煤通常为致密块状，坚硬，韧性大、密度大、不易破碎。也有丝炭含量高的暗淡煤和壳质组含量高的暗淡煤，性质与一般暗淡煤有较大差别。显微镜下观察，镜质组的含量一般＜30%，而惰质组、壳质组和矿物杂质的含量高。暗淡型煤的煤质一般都很差，灰分通常大于30%。五、煤的工业分类及综合利用（一）煤的工业分类根据Vdaf、Hdaf、G、Y、b等指标把我国的煤从褐煤到无烟煤共划分为14大类和17小类。WY，PM，PS，SM，JM，FM，1/3JM，QF，QM，1/2中粘煤，RN，BN，CY，HM（二）各类煤的基本特征和主要用途六、煤尘爆炸性和煤的自然倾向性（一）煤尘指在矿井生产过程中产生的煤的微粒。危害：①引起煤肺病，严重损害人体健康。②发生爆炸（二）煤的自然倾向性暴露在空气中的煤，由于自身氧化放热导致温度升高，若所放热量不能及时散失，在一定的蓄热条件下温度可以达到煤的着火点，引起燃烧。影响因素：①煤的变质程度②煤的水分③煤岩组分④煤的含硫量⑤煤的粒度⑥其他：煤的瓦斯含量，煤、油共生煤层的含油量，煤的孔隙度、导热性等。第二节煤层煤多以层状地质体的形态赋存于地下，并与上下岩层有截然的分界面。所以，将由上下两个层面限制的煤及其间所夹的矸石层称为煤层。一、煤层形态1.层状煤层在一个井田范围内是连续的，厚度变化不大2.似层状煤层层位比较稳定，不完全连续或大致连续，煤层厚度变化较大，无一定的规律性。3.不规则状煤层层位不稳定，基本不连续，分叉、尖灭现象较普遍；煤层厚度变化大，无规律可循二、煤层的顶、底板1.顶板2.底板三、煤层结构1、煤层的结构简单结构煤层：煤层中不含矸石或局部含不稳定的矸石复杂结构煤层：煤层中含多层矸石层1、煤层厚度分级薄煤层：≦1.30m中厚煤层：1.31~3.50m厚煤层：>3.50m特厚煤层：﹥8m四、煤层厚度及其变化原因2、煤层厚度类型总厚度：煤+夹矸有益厚度：纯煤可采厚度：经济技术条件最低可采厚度：煤种、产状、资源、开采方式（二）煤层厚度变化的原因引起煤层厚度变化的原因很多，归纳起来分为原生变化和后生变化1.原生变化指在构成煤层顶板岩层的沉积物堆积之前，由于泥炭层受各种地质作用的影响而导致煤层形态和厚度的变化。2.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引起的煤层形态和煤层厚度的变化。（1）沉积环境及古地形对煤厚的影响泥炭沼泽基地不平对煤厚的影响。古地形因素所造成的煤厚变化具有的特点是：①煤层底板常常高低起伏，而顶板却较平整；②底板凹处的煤层厚，凸处则薄；③在煤层与底板岩石接触的界面上，可以看到煤层被底板截断的现象，以及上下煤分层呈超覆关系。由泥炭沼泽基底不平所引起的煤层厚度变化（2）沼泽基地不均衡沉降对煤厚的影响①沉降速度一致，厚煤层②基底沉降速度快，造成泥炭层阶段性堆积，还可以出现煤层分叉，变薄甚至尖灭。③基底沉降速度慢，泥炭层被剥蚀风化，难以形成厚煤层（3）同生冲蚀对煤厚的影响是指煤层顶板形成之前，泥炭层堆积过程中遭受到河流、海浪等的冲蚀而造成煤厚变换。①泥炭沼泽中常发育河流，规模较小，煤层受冲蚀的面积一般不大，冲蚀深度也小，很少切断煤层，冲蚀作用向沼泽中心减弱乃至消失。②在滨岸沼泽中，泥炭层常遭海水的冲蚀，这种规模一般较大，有时在一定范围内能使煤层几乎完全缺失，或煤区块块分布，且方向不定。后生变化对煤厚的影响（1）河流的后生冲饰对煤厚的影响煤层顶板或含煤建造形成之后，由于地壳上升和河流的发育，煤层遭到河流的剥蚀。破坏规模可以很大，以致形成几十米、几百米乃至数千米的薄煤带或无煤带，成为某些煤田影响煤厚变化的主要地质因素。（2）构造变动对煤厚的影响1）褶皱构造引起的煤厚变化，煤层受水平挤压应力，则在褶皱轴部煤厚变大，翼部煤层变薄（图a）。煤层受垂向应力，煤层在煤层在背斜轴部和两翼部位变薄，在向斜轴部增厚（图b）。水平挤压应力作用引起的煤层厚度变化垂向力作用引起的煤层厚度变化(a)(b)2）断裂构造变动为主引起的煤厚变化主要表现为出现断层无煤带或煤层沿断裂面两侧的变薄或加厚带。一般说来，张性、张扭性断层由于引张拖曳作用而使煤层变薄（图c）。而在压性、压扭性断裂面两侧，则可能由于逆掩重叠或挤压聚集而使煤层增厚（图d）.图c图d褶皱和断裂并举的构造变动所引起的煤厚变化。使煤层形态呈现非常复杂的面貌，增厚、变薄、中断、分叉等现象频繁，煤层常呈透镜状、藕节状、马尾状等。（3）岩浆侵入对煤层的影响岩浆的侵入使煤层形态和煤层厚度发生很大变化，并使煤层结构和煤质受到变化。

顺煤层侵入的岩床，对煤层破坏影响大，垂直或斜交侵入的岩墙，对煤层的破坏范围较小。（4）岩溶陷落柱对煤厚的影响含煤岩系的下伏有石灰岩、白云岩等可溶性岩层时，地下水长期溶蚀，形成岩溶洞穴，发育一定程度时，上覆岩系由于重力作用，逐渐跨落，形成陷落柱。

危害：破坏煤层的连续性煤炭储量受到损失开采工作比较困难总之：煤层厚度的变化常常是多因素复合作用的结果，且这些因素不是孤立存在的。我们在研究煤层厚度变化时还要善于从煤层形态和厚度变化特征入手，从多种因素中分析其内在联系和找出主导因素，从而掌握煤厚变化规律。五、煤层厚度变化对煤矿生产的影响及处理煤层是煤矿开采的对象。煤厚变化是影响煤矿生产的重要地质原因之一（一）煤层厚度变化对煤矿生产的影响1.影响采掘部署2.影响回采计划，造成采掘工作被动3.巷道掘进率增高，回采率降低4，降低矿井或采区的服务年限（二）煤矿生产过程中对煤厚变化的处理方法1.掘进过程中对煤厚变化的处理方法2.回采过程中对煤厚变化的处理方法六、煤的风化及煤层的风氧化带含煤岩系形成以后，由于地壳运动和风化剥蚀，使煤层局部出露地表或位于地下浅部，经受温度变化及大气和水的作用，发生物理、化学性质或工艺性质的改变。煤遭受风化后，氧含量增高，湿度增加，挥发份增高，粘结性、胶质层厚度、发热量和焦油率等均降低。一般把接近地表浅处煤的物理性质和化学性质都发生了变化的煤层地段，称为煤层的风化带；把风化带之下煤的物理性质和化学性质发生变化不大的煤层地段称为次风化带。风化带和次风化带合称为氧化带。第三节煤系一、煤系煤系：一定地质时期连续沉积形成的一套含有煤层并具有成因联系的沉积岩系。又称含煤岩系、含煤地层、含煤建造。二、煤系的特点：1、岩性主要为灰、灰绿及灰黑色的沉积岩组成。2、煤系中沉积岩岩性主要为砾岩、各种粒度的砂岩、粉砂岩、泥岩和煤组成，石灰岩也比较常见，砂岩中以石英砂岩和长石砂岩为主。3、不同时代、不同地区的含煤岩系，其岩系组合相差很大。4、煤系的名称：（1）采用形成时代命名：华北C、P纪煤系；（2）用煤系发育良好、研究较早的地区命名。因此同一时代形成的煤系在不同地区，常有不同的地区性名称。三、煤系的类型1、近海型煤系：沉积区往往是滨海平原或海边的泻湖、海湾以及浅海。这些地区发育大片沼泽。煤系中既有海相沉积岩层，又有陆相沉积岩层。因此这种煤系又称海陆交互煤系。特点：①煤系有陆相、过度相及海相岩层组成。常含动植物化石②煤系中碎屑岩沉积物的分选性和磨圆度较好。粒度较细，成分简单③煤系分布广，厚度小，岩性、岩相比较稳定，标志层较多④煤层层数较少，厚度较小。含s量较高⑤旋回结构明显，岩性从上到下有细变粗，岩相则有陆相到海相我国晚古生代煤系，一般为近海型煤系，如华北石炭二叠纪煤系及华南玩二叠纪煤系等2、内陆型煤系：（1）河床相或湖滨三角洲相各种粒度的砂岩；（2）河漫滩相的粉砂岩；（3）沼泽相的泥炭和煤层；（4）湖泊相的泥岩、粉砂岩。特点：①煤系有陆相岩层组成。常含植物化石②煤系中碎屑岩沉积物的分选性和磨圆度较差。粒度较粗，成分复杂③煤系分布小，厚度大，岩性、岩相变化较大，煤岩层不易对比④煤层层数较多，厚度较大。含s量较低⑤旋回结构不明显我国中生代煤系，一般为内陆型煤系，如华北大同、北京及东北北票等地的早中侏罗世煤系等。第四节煤田一、煤田的概念煤田：同一地史发展过程中形成的煤系经后期改变所保留下来的，比较连续分布的广大地区。煤产地：煤田中由于后期构造影响而分隔开的一些单独部分，或是某些面积和储量较小的含煤盆地。煤产地又叫煤矿区。煤田或煤产地又划分为若干矿区，一个矿区又划分为若干井田开采。二、中国煤田概述我国的六大聚煤区：

华北石炭二叠纪聚煤区、华南二叠纪聚煤区、东北侏罗白垩纪聚煤区、西北侏罗纪聚煤区、台湾古近纪、新近纪聚煤区、西藏滇西中生代及古近纪、新近纪聚煤区。（一）华北石炭二叠纪聚煤期我国最大的聚煤期，储量约占全国煤炭储量的1/2,且勘探、开发程度高。北界为阴山、燕山及长白山东段，南界为秦岭、伏牛山、大别山及张八岭，西界为贺兰山、六盘山；东临黄海、渤海，遍及14个省、市、自治区，即京、津、晋、冀、鲁、豫的全部，辽、吉、内蒙的南部。甘、宁东部，陕、苏、皖北部。1、中石炭统本溪组（C2b）

一般厚20—50米，总的趋势是北厚南薄，本溪一带厚100—60米，而平顶山、淮南地区则缺失这一时期的沉积。本溪组不是主要含煤层位，煤层薄且不稳定，仅局部可采。2、上石炭统太原组（C3t）

岩性以砂岩、粉砂岩和泥岩为主，间夹灰岩，煤层和少量砾岩，全区厚度0—719米，一般70—100米。以山西为中心向南向北减薄，向东、向西加厚。东部增厚区中心在淮北一带，厚度大于200米，西部增厚区在贺兰山一带，最厚可达700余米。3、下二叠统下部山西组（P11）煤系厚度变化规律：东厚西薄、北厚南薄。一般厚40—130米，陆相沉积占优势。根据岩性岩相组合仍然可划分三个带（与太原组相同）北带：以陆相地层为主，大多数地区不是主要含煤地层。中带：主要的含煤地层，煤层厚度较大而且稳定。为河床湖泊、沼泽相。南带：煤层厚度减薄，常为较稳定的煤层。为过渡相沉积。4