煤与含煤岩系课件

第五章煤与含煤岩系煤是可燃有机岩=大量有机物质+少量无机物质第一节:成煤作用一、成煤植物

成煤的原始物质是植物

低等植物-----没有根、茎、叶分化(如菌类、藻类)-----腐泥----腐泥煤高等植物-----有根、茎、叶分化(苔藓、蕨类、裸子和被子)---泥炭---腐植煤二、成煤的必要条件1、植物条件（植物的大量繁殖）2、气候条件（温暖潮湿的气候条件）3、自然地理条件（适合与大面积沼泽化的自然地理条件）4、地壳运动条件（地壳运动总的趋势是不断地缓慢沉降）三、成煤作用（一）泥炭化或腐泥化作用阶段（形成泥炭或腐泥）1．泥炭化作用： 当生长在沼泽中的高等植物死亡之后，其遗体首先堆积在沼泽水体的浅部，由于大气中氧的影响，并在喜氧细菌的作用下，使植物有机组成（主要为木质素、纤维素等）中的一部分遭受一定程度的氧化分解和水解，部分被彻底破坏，变为气体和液体；部分转化为简单的化学性质活泼的化合物。随着沼泽覆水程度的增强及植物遗体的不断堆积加厚，使已部分遭受分解的植物遗体转入沼泽深部，逐渐与空气中的氧隔绝，在厌氧细菌的作用下，其植物遗体中的分解产物之间以及分解产物与未分解的物质相互合成和作用，形成了新的化合物（主要为腐植酸、沥青质等）。这些物质与少量泥砂等物质混合在一起，即形成了泥炭。这一过程为泥炭化作用。2．腐泥化作用 当生活在湖泊、浅海等水体中的低等植物和低等动物死亡之后，在水体表层和下沉到水底的过程中，先遭受一定程度的氧化分解。沉向水底后，由于水层和随后沉积物的覆盖，转入缺氧的还原环境，在厌氧细菌的作用下，低等植物中的蛋白质、脂肪等遭到分解。然后经过化学合成作用，形成一种含水很多的棉絮状胶体物质（富含沥青质）。这些物质与泥砂混合后进一步变化，即形成了腐泥。这一过程为腐泥化作用（二）煤化作用阶段（形成腐植煤或腐泥煤）1、成岩作用：泥炭或腐泥被掩埋后，在温度、压力等影响下，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C↑、氢氧含量减少OH↓，腐植酸含量降低F↓

。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C↑↑

，氢氧OH↓↓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。成煤作用变化产物

原始物质第一阶段第二阶段泥炭化作用或腐泥化作用煤化作用成岩作用变质作用高等植物泥炭褐煤烟煤（长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤）无烟煤低等植物腐泥腐泥煤腐泥煤（3）亮煤。颜色黑，光泽较强，仅次于镜煤，较脆易碎，内生裂隙较发育，比重较小，有时也具贝壳状断口，均一程度较镜煤差，表面隐约可见微细的纹理。在煤层中，亮煤常呈较厚的分层或呈透镜状出现。（4）暗煤：颜色灰黑，光泽暗淡，致密坚硬，韧性较大，密度大，内生裂隙不发育，有时呈粒状结构。在煤层中，暗煤常呈较厚的分层或单独成层。2．宏观煤岩类型（1）光亮型煤：光泽最强.主要由镜煤和亮煤组成,有时夹少量丝炭。由于其成分较均一，一般条带状结构不明显。内生裂隙发育，脆度较大，容易破碎，常具贝壳状断口。（2）半亮型煤。光泽较强，仅次于光亮煤。主要以亮煤为主，有时由镜煤、亮煤和暗煤组成，也可能夹丝炭。最大的特点是条带状结构明显。内生裂隙较发育，较易破碎，常具阶梯状或棱角状断口。半亮煤是最常见的一种煤岩类型。（3）半暗型煤。光泽较弱。由暗煤和亮煤组成，常以暗煤为主，有时夹有镜煤和丝炭的线理、细条带和透镜体，条带状结构较明显，内生裂隙不发育，比较坚硬，韧性较大，密度较大，常具参差状断口。（4）暗淡型煤。光泽十分微弱。主要由暗煤组成，有时夹有少量镜煤、丝炭或矸石透境体。内生裂隙不发育，质地坚硬，韧性大，密度大，常具棱角状或参差状断口。（二）煤的物理性质1．颜色颜色是指煤新鲜表面的自然色彩。煤的颜色与成煤的原始物质、变质程度等有关。腐植煤的颜色，随煤的变质程度增高而变化，如褐煤为褐色、深褐色、黑褐色；烟煤为黑色；无烟煤为灰黑色，常带古铜色或钢灰色彩。腐泥煤颜色较浅，一般为褐色、褐黑色或灰色。2．条痕条痕是煤研成粉末的颜色，也称为粉色。煤的条痕略浅于颜色，但变化又较颜色固定。腐植煤的条痕，随煤的变质程度增高而加深，如褐煤为棕色；烟煤为棕色到黑色；无烟煤为灰黑色。3．光泽光泽是指常光下煤新鲜表面的反光能力。煤的光泽与成煤的原始物质、煤岩成分及变质程度等有关。腐植煤随变质程度的增高光泽增强，如褐煤无光泽或暗沥青光泽；烟煤为沥青光泽、玻璃光泽到金刚光泽；无烟煤为似金属光泽。腐泥煤光泽暗淡。7．裂隙煤中裂隙按成因可分为内生裂隙和外生裂隙两种。（1）内生裂隙。内生裂隙是在煤化作用过程中形成一种裂隙。特点：裂隙垂直或大致垂直于层理面；裂隙面较平坦光滑，往往呈眼球状；通常有大致垂直或斜交两组，其中一组较发育、为主要裂隙组，另一组较稀疏，为次要裂隙组。内生裂隙的发育程度与煤的煤岩类型、煤岩成分、变质程度等有关。一般在光亮型煤中发育、特别是镜煤中最发育。在不同变质程度的煤中，中变质烟煤中最发育，而在褐煤和无烟煤中则不发育。（2）外生裂隙。外生裂隙是煤层形成后，受构造应力的作用而产生的一种裂隙。特点：裂隙以各种角度与煤层层面相交；裂隙面往往有波状、羽毛状的滑动痕迹，但也有较光滑的；裂隙内有时可见到次生矿物或煤屑的充填。由于煤的外生裂隙组的方向与附近断层延展的方向一致，所以研究外生裂隙有助于确定断层的方向。此外，研究外生裂隙对提高回采率，预测煤及瓦斯突出，也具有实际意义。颜色条痕光泽内生裂隙褐煤褐色、深褐色、黑褐色浅棕色、深棕色无光泽或暗沥光泽不发育深棕色沥青光泽长焰煤黑色带褐棕黑色强沥青光泽、弱玻璃光泽不发育到较发育气煤黑色黑色带棕色玻璃光泽很发育肥煤强玻璃光泽焦煤黑色瘦煤贫煤黑色、有时带灰色金刚光泽较发育无烟煤灰黑色，带古铜、钢灰色灰黑色似金属光泽不发育8．导电性导电性是指煤传导电流的能力。通常用电阻率表示。煤的导电性与煤的变质程度有关。一般褐煤的电阻率小；烟煤的电阻率较大，为不良的导体；无烟煤的电阻很小，为良好的导体。此外，煤的导电性还与煤中灰分、水分、煤岩成分及孔隙度等有关，如烟煤中灰分增高，电阻率减小；而无烟煤中灰分增高，电阻率增大。褐煤中由于有大量的水分，所以电阻率较小。二、煤的化学组成和工艺性质（一）煤的元素组成

1．碳（C）碳是煤中有机物质的主要成分，也是煤中最主要的可燃物质。燃烧时每千克碳能发出34.11MJ的热量。因此，一般煤中碳含量越高，煤的发热量就越大。煤中碳含量随煤的变质程度增高而增加。如褐煤中碳含量一般为60～77%，烟煤中碳含量一般为75～92%，而无烟煤中碳含量高达89～98%。煤中碳、氢、氧、氮四种元素组成的百分含量

Cdaf（%）Hdaf（%）Odaf（%）Ndaf（%）褐煤60～776～530～152.5～1烟煤75～925～415～22.2～0.7无烟煤89～984～13～11.5～0.35．硫（S）有害成分。其包括有机硫和无机硫两种。煤中硫含量变化很大，有的小于0.2%，有的则高达15%，一般在0.5～3%之间。与沉积环境有关，近海环境中，含硫量较高；内陆环境中的煤层，含硫量则较低。硫分对煤的加工利用非常有害。煤中全硫（有机硫和无机硫）含量是评价煤质的重要指标。我国现阶段规定：工业用煤全硫不超过3%。根据煤中干燥基全硫含量煤的分级

级别名称代号硫分(St,d)范围%特低硫煤SLS≤0.50低硫分煤LS0.51～1.00低中硫煤LMS1.01～1.50中硫分煤MS1.51～2.00中高硫煤MHS2.01～3.00高硫分煤HS＞3.00根据煤中干燥基磷含量煤的分级

级别名称代号磷分（Pd）范围，%特低磷煤SLP≤0.010低磷分煤LP＞0.010～0.050中磷分煤MP＞0.050～0.100高磷分煤HP＞0.1007．其它元素煤中除上述元素外，还含有锗（Ge）、镓（Ga）、钒（V）、铀（U）、锂（Li）铍（Be）等稀有元素及放射性元素。虽然这些元素煤中含量不高，但由于提取方便，目前已成为世界各国大力研究的新动向，有些国家现已开始从煤中提取这些元素。（二）煤的主要工业指标1.煤的工业分析（1）水分（M）外在水分是在煤的开采、运输、储存及洗选过程中，附着在煤表面的水。它的含量与煤所处的外界条件有关，如煤矿地下水越多，煤的外在水分就越大。内在水分是吸附或凝聚在煤内部毛细孔隙中的水。它的含量与煤质有关，一般煤的变质程度越高，内在水分就越少。不同煤种内在水分百分含量

煤种褐煤烟煤无烟煤水分Minh30～108～12～1水分是煤中的一种有害物质。储存时，水分过多则会加速煤的风化、破碎甚至自燃；运输时，会增加运输负载和费用；燃烧时，会降低煤的发热量。因此，煤中水分越少越好。煤的全水分（外在水分和内在水分的总和）是煤炭产品的计价指标之一。（2）灰分（A）灰分是煤完全燃烧后所剩的残渣。内在矿物质和外来矿物质。(内在矿物质是成煤过程中，植物本身含有的矿物质及由于河流等带进的矿物质参与成煤形成的。这些矿物质很难洗选。外来矿物质是采煤过程中，混入到煤中的顶板、底板及夹石层等岩石碎块。这些矿物质容易除去)。灰分在煤的燃烧和加工利用上，都带来不良的影响。动力用煤，将降低煤的发热量；炼焦用煤，将影响到焦炭的质量，用灰分高的焦炭炼铁，增加焦炭和溶剂的消耗量规定：一般灰分不超过40%，缺煤地区或特殊用煤，适当放宽。根据煤灰分产率的高低煤的分级级别名称代号灰分（Ad）范围，%特低灰煤SLA≤5.00低灰分煤LA5.01～10.00低中灰煤LMA10.01～20.00中灰分煤MA20.01～30.00中高灰煤MHA30.01～40.00高灰分煤HA40.01～50.00(4）固定炭（Fc）在测定挥发分时，残留在坩埚中的固态产物称为焦渣。焦渣减去灰分即为固定碳。固定碳不是煤中固有的成分，而是有机质热分解的残余物。焦渣的形状和特征能初步鉴定煤的粘结性。因此，焦渣也可作为评价煤质的依据。如褐煤和无烟煤的焦渣不粘结，呈粉末状，说明不适于炼焦。而大部分烟煤，特别是肥煤、焦煤，焦渣粘结且膨胀，呈块状，说明适于炼焦。2．煤的工艺性质1)发热量（Q）发热量是指单位重量的煤，完全燃烧时所产生的热量。常用兆焦耳/千克（MJ/kg）表示。与煤的变质程度有关，但也受其它因素的影响，如水分和灰分的增加均可降低煤的发热量。一般煤的发热量从褐煤到焦煤随变质程度的增高而增大；而从焦煤到无烟煤随变质程度的增高而略有减少。这是因为煤的发热量不仅与碳含量有关，而且还受氢含量的影响。发热量是评价煤质的重要标志

不同煤种的发热量煤种褐煤烟煤无烟煤发热量(MJ/kg)25.10～30.5030.50～37.2032.20～36.102）粘结性粘结性是粉碎的煤粒（一般＜0.2mm），在隔绝空气加热后，煤粒相互粘结成焦块的性质。煤的粘结性是煤加工利用的评价指标之一。其测定方法较多，现简述三种方法：⑴粘结性指数（G）粘结性指数是将1克煤样与5克标准无烟煤混合均匀，在850±10℃温度下，加热15分钟，所得焦块在特制的转鼓中转磨，测定焦块的耐磨强度，焦块对外界破坏的抗力大小。即为煤的粘结性指数。粘结性指数能反映出煤的粘结性强弱。其数值越大，粘结性越强。因此，它是我国煤炭分类的重要指标之一。⑵胶质层厚度（Y）胶质层厚度是指煤样在密闭的条件下,加热到350℃,煤中有机质开始分解、软化,形成胶质体，继续加热到510℃，使其重新固结成焦炭为止。在这一过程中，所连续测得的胶质体最大厚度，称为胶质层厚度。胶质层厚度能反映出煤的粘结性强弱，煤的粘结性越强，其胶质层厚度就越大。所以，它也是我国煤炭工业分类的指标之一。（3）奥-阿膨胀度（b）奥亚膨胀度是按规定的方法制成一定规格的煤笔，放在一根标准口径的钢管（膨胀管）内，其上放一根连有记录笔的钢杆（膨胀杆）。将钢管放入已预热至330℃的电炉内，以不低于3℃/min的升温速度进行加热，加热至500～550℃为止。这一过程中，记录膨胀杆的位移曲线，位移曲线的最大距离占煤笔总长度的百分数，即为奥亚膨胀度。奥亚膨胀度也能反映煤的粘结性强弱。因此，它也是我国煤炭分类的指标之一。第三节煤的分类和用途一、煤的工业类型中国煤炭分类国家标准，所采用的分类指标，主要有干燥无灰基挥发分（Vdaf）、粘结性指数（GR·I）、此外还有胶质层最大厚度（Y）、奥亚膨胀度（b）、透光率（PM）、干燥无灰基氢含量（Hdaf）及恒湿无灰基高位发热量（Qgr,maf）。

中国煤炭分类国家标准（GB5751-86）分类方案将煤分成十四个大类、十七个小类无烟\

贫\

贫瘦\

瘦\

焦\

1/3焦\肥\气\

1/2中粘\

弱\

不\

长\

褐煤

二、煤的综合利用燃烧、炼焦、气化、低温干馏、加氢液化等煤气—工业燃料、民用燃料、化工原料氢—合成氨尿素—化肥气化低温焦油—人造液体燃料、化工原料半焦—固体燃料、气化原料低温焦炉气—气体燃料、合成原料低温干馏人造液体—汽油、柴油等化工原料加氢液化工业燃料—发电、机车等，民用燃料煤灰利用—提取稀散元素、放射性元素、制造建筑材料燃烧焦炭冶金工业——炼钢、炼铁化学工业——合成氨、电石焦油轻油—苯、二甲苯、重苯一药品、农药、炸药、染料、合成纤维等酚油—酚、甲酚、二甲酚一药品、农药、染料、塑料、合成纤维等萘油—合成纤维、农药、染料、医药、油漆、彩色胶片等洗油—染料、杀虫剂、防腐剂、医药等蒽油—染料、树脂、药物、橡胶填料等沥青—电极沥青、铺路沥青、建筑沥青焦炉气工业燃料、城市煤气氨—硫酸铵、氯化铵、氨水—化肥粗苯—染料、农药、医药品、合成材料等氢—合成氨、尿素—化肥甲烷—合成材料、化工产品乙烯—合成橡胶、塑料、合成纤维等硫化氢—硫酸、农药、染料等炼焦煤第四节含煤岩系和煤田一、含煤岩系（一）含煤岩系的概念含煤岩系是指一套含有煤层并具有成因联系的沉积岩系。简称煤系。其同义词为含煤建造、含煤地层。为反映含煤岩系中含煤的程度，通常用含煤系数来表示。总含煤系数是煤系中所有煤层的总厚度与含煤岩系总厚度的百分比。用下式表示：K=m/M×100%式中：K—总含煤系数，%；m—煤层总厚度，m；M—含煤岩系总厚度，m。可采含煤系数是煤系中所有可采煤层的总厚度与含煤岩系总厚度的百分比。用下式表示：Kk=mk/M×100%;;式中：Kk—可采含煤系数，%；mk—可采煤层总厚度，m；M—含煤岩系总厚度，m。（二）、含煤岩系的特征1．含煤岩系的岩石特征

沉积岩为主颜色:灰色、灰绿色、灰黑色及黑色的沉积岩组成。岩性:是各种粒度的砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩和煤层，也有石灰岩和砾岩，有时还可见到铝质岩、油页岩、硅质岩和火山碎屑岩等其他:层理比较发育，常含有丰富的植物化石，有时含有动物化石。另外，还常含有菱铁矿结核及泥质、粉砂质等包裹体。2．含煤岩系的煤层特征1）煤层的顶底板（1）顶板直接覆于煤层上部一定距离内的岩层称为顶板。①伪顶直接位于煤层之上，为一层极易跨落的薄层岩石，常随采随落。厚度不大，仅几厘米到数十厘米，岩性多为炭质泥岩、泥岩或页岩等。极易垮落,随采随落.②直接顶通常位于伪顶之上，有的则直接位于煤层之上，1-2m左右，岩性常为砂岩、泥岩及石灰岩等。过一段时间自行垮落,有的人工放顶,充填在采空区。③基本顶（老顶）基本顶俗称“老顶”。一般位于直接顶之上，有时也直接位于煤层之上，为不易垮落的坚硬岩层，通常在煤采出后较长时间内不垮落，往往只是发生大面积的缓慢沉降。厚度较大，岩性多为砂岩，也有石灰岩、砂砾岩等。注意：并不是所有煤层的顶板都可以分为伪顶、直接顶和老顶，有的煤层没有伪顶，只有直接顶和老顶；有的煤层甚至没有伪顶、直接顶，只有老顶。因此，实际工作中要注意这些情况。（2）底板直接位于煤层下部一定距离内的岩层称为底板。①直接底直接位于煤层之下,通常是当初沼泽地生长植物的土壤,其中往往含有植物根部化石,所以又称为根土岩。厚度一般不大，仅数十厘米，岩性以富含炭质的粘土岩最常见，还有泥岩等。如果直接底的岩性是遇水膨胀的粘土岩，则容易引起底板的隆起，轻者影响运输，重者使巷道遭到破坏②基本底（老底）基本底俗称“老底”。通常位于直接底之下。厚度较大，岩性常为砂岩、粉砂岩等。2）煤层的结构根据煤层中有无较稳定的夹石层，可将煤层分为简单结构和复杂结构两种。（1）简单结构煤层煤层中没有呈层状出现的较稳定的夹石层，但可以夹有不少较小的矿物质透境体。反映当初成煤时，沼泽中植物遗体的堆积基本上是连续的。通常厚度较小的煤层往往是简单结构。（2）复杂结构煤层煤层中含有较稳定的夹石层，少者一到两层，多者几层甚至十余层。复杂结构煤层反映当初成煤时，沼泽中植物遗体堆积曾发生一次或多次间歇。通常厚煤层或巨厚煤层往往是复杂结构煤层。3）煤层的厚度煤层厚度是指煤层顶底板之间的垂直距离。根据结构，其可分为总厚度，有益厚度及可采厚度。（1）总厚度它是指煤层顶底板之间各煤分层和夹石层厚度的总和（2）有益厚度它是指煤层顶底板之间各煤分层厚度的总和.（3）可采厚度它是指在现代经济技术条件下,可以开采的煤层或煤分层厚度的总和。一般地区煤层最低可采厚度标准（地下开采）

煤类倾角＜25°25°～45°＞45°炼焦用煤0.70m0.60m0.50m非炼焦用0.80m0.70m0.60m褐煤1.50m1.40m1.30m３）按煤层稳定性质分类＠稳定煤层：厚度变化小，规律明显，结构简单，全区可采或基本可采．＠较稳定煤层：厚度有一定变化，但规律比较明显，结构简单至复杂，全区可采或大部分可采，可采范围厚度变化不大．＠不稳定煤层：厚度变化，无明显规律，结构复杂至极复杂．串珠状，藕节状，扁豆状．＠极不稳定煤层：厚度变化极大，无规律，无法对比．透镜状，鸡窝状等(三)含煤岩系的类型1．近海型含煤岩系这种煤系形成于近海地区，其沉积区一般为滨海平原、滨海三角洲平原、泻湖、海湾及浅海等。这些地区比较广阔，地形较为平坦，煤系中既有海相沉积物，又有陆相沉积物。所以，近海型含煤岩系又称为海陆交替相含煤岩系。近海型含煤岩系的特点：（1）煤系由陆相、过渡相及海相岩层组成。动、植物化石。（2）煤系中沉积物的分选性和磨园度较好，粒度通常较细，成分比较简单。（3）煤系分布面积较广，厚度较小，岩性、岩相比较稳定，标志层较多，煤岩层容易对比。（4）煤系中煤层层数较多，厚度不大，多为薄煤层或