矿山地质学第7章 煤与含煤岩系

目录绪论第一章地球圈层构造第二章矿物第三章地质作用与三大岩类第四章地史学基本知识第五章地质构造第六章主要地质图件第七章煤与含煤岩系第八章矿床简述第九章工程地质与水文地质第十章煤矿主要地质因素第十一章地质勘查与储量分类第十二章矿山地质工作第十三章常见地质灾害§7-1煤的形成§7-2煤的特性§7-3煤的分类及用途§7-4含煤岩系§7-5我国煤炭资源状况第七章煤与含煤岩系矿山地质学山东科技大学地球科学与工程学院编制目录绪论第一章地球圈层构造第二章矿物第三章地质作用与三大岩类第四章地史学基本知识第五章地质构造第六章主要地质图件第七章煤与含煤岩系第八章矿床简述第九章工程地质与水文地质第十章煤矿主要地质因素第十一章地质勘查与储量分类第十二章矿山地质工作第十三章常见地质灾害§7-1煤的形成一、成煤的原始物质植物低等植物高等植物腐泥煤D前腐殖煤C-P蕨类T-J裸子E-N被子二、成煤作用

成煤作用—从植物遗体堆积到转变成煤的一系列 演变过程。包括：泥炭化作用煤化作用（一）泥炭化作用阶段

1.腐泥化作用—低等植物和浮游生物遗体在湖泊和海湾环境中转变成腐泥的生物化学作用。环境：深水物质：蛋白质、脂肪产物：富水絮状胶体（腐胶质）2.泥炭化作用—高等植物遗体在泥炭沼泽中经历复杂的生物化学和物理化学变化转变成泥炭的过程。

环境：沼泽物质：纤维素、木质素产物：腐殖酸、沥青①氧化环境的表层沼泽②中间层③还原环境的底层在沼泽的表层，因空气流通，温度较高，含有大量的需氧性细菌的微生物，植物遗体经过氧化分解和水解作用，一部分彻底破坏，转变成气体和水分而逸去；一部分分解为较简单的有机化合物；难以分解的部分继续保留下来。随着植物遗体的堆积和分解，从沼泽的表层到底层，氧化环境逐渐转化为还原环境。这时氧化分解作用逐渐减弱，在厌氧细菌的参与下，发生了分解产物之间的合成作用和分解产物与未分解的植物遗体之间的相互作用，形成了新的合成物质——腐植酸和沥青质等。

植物组成部分在不同的转变条件下形成成分和性质不同的物质：

（1）弱氧化～还原条件下发生凝胶化作用，形成腐殖酸和沥青质，成为凝胶化组分。

凝胶化作用是在沼泽中，水体较为停滞，不太深的覆水条件下。一方面进行生物化学变化，厌氧细菌将木质素、纤维素分解，形成腐植酸和沥青质；另一方面进行胶体化学变化，木质素组织在水浸泡下吸水膨胀，消失细胞壁和细胞腔。（2）在强氧化条件下，发生丝炭化作用，产生丝炭组分。丝炭化物质的形成是由于氧化作用和脱氢、脱水作用。它是在沼泽覆水程度起了变化，当沼泽表面变得比较干燥，氧的供给较为充分的条件下发生的。氧化过程中有机物质在微生物参与下，由于失去被氧化的原子团而脱氢、脱水，碳含量相对增加。当氧化到一定阶段后，植物遗体迅速转入覆水较深的弱氧化～还原条件下，或被泥砂所覆盖与空气隔绝中断了氧化作用，随后在煤化过程中转变成丝炭。（3）残殖化作用凝胶化作用和丝炭化作用的产物在介质水流畅通，氧充足条件下，被充分分解破坏，并被流水带走，稳定组分大量富集的过程。（二）煤化作用阶段

煤化作用－泥炭或腐泥转变成褐煤、烟煤、无烟煤、超无烟煤的物理化学变化过程。包括：煤成岩作用煤变质作用1.煤成岩作用

由泥炭或腐泥在温度压力作用下转变成褐煤的过程—煤成岩作用。

生物化学变化→物理化学变化

受压脱水胶结褐煤形成时温度约40~50℃

2.煤变质作用

褐煤在地下较高的温度和压力作用下，转变成烟煤、无烟煤的地球化学作用—煤变质作用。

表现在煤的成分、结构发生一系列变化：

最为突出的是煤中的腐植酸全部消失，出现了黏结性，光泽增强，碳含量增加。这时褐煤逐渐变质转化为烟煤。

烟煤的形成温度约100℃

烟煤因燃烧时冒烟而得名，一般为黑色，光泽较强，密度稍大。在变质过程中，由于地质条件的不同，温度、压力的差异及煤受热持续时间的不同，导致不同变质程度的烟煤产生。通常按变质程度由低到高将烟煤分为六个阶段，即长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤贫煤烟煤的用途最广，化工、炼焦、动力、民用均可，是不可缺少的资源。

三、成煤的必要条件（一）植物条件—繁盛（二）气候条件—温暖潮湿（三）地理条件—适宜于大面积沼泽化（四）地壳运动条件1.均衡2.快速沉降3.控制气候、古地理、古植物条件§7-2煤的特性一、煤岩成分和煤岩类型（一）宏观煤岩成分1．丝炭

颜色灰黑，形如木炭，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽。丝炭疏松多孔，硬度小，脆度大，易染指。在煤层中多呈1～2mm厚的扁平透镜体沿层理面断续分布，分布广，但数量不多，一般不单独成层。丝炭的挥发分产率和氢含量低，没有黏结性。因空隙度大，吸氧性强，极易发生氧化和自燃。性脆易碎，易形成煤尘。2．镜煤

煤中颜色最黑，光泽如镜，所以称为镜煤。镜煤结构均一，贝壳状断口和垂直内生裂隙发育，易破碎成棱角状的小块。镜煤的挥发分产率和氢含量高，黏结性也强。在煤层中不单独成分层，1～2mm厚，常呈透镜体状和带状散布于亮煤中，或呈细线理状散布于暗煤中。3．暗煤颜色灰黑，光泽暗淡，所以称为暗煤。致密坚硬，相对密度较大，韧性也大，一般层理不清晰，断面粗糙。暗煤的成分相当复杂，含矿物质也较多，对煤质影响较大。暗煤在煤层中占的比例较大，可以形成较厚的分层或单独成层。4．亮煤

颜色灰黑，光泽较强，虽不如镜煤，但仍很明亮，所以称为亮煤。亮煤较脆，易碎，内生裂隙较发育，相对密度较小，均一程度不如镜煤。亮煤的各种性质多介于镜煤和暗煤之间。亮煤在煤层中占有的比例较大，也可以形成较厚的分层或单独成层。

（二）宏观煤岩类型宏观煤岩类型是根据煤的平均光泽强度、煤岩组分和数量比例划分的，作为评价观测煤的基本单位，便于了解煤的全貌。在划分时是在同一剖面内按煤的平均光泽强度划分的。1.光亮型煤由镜煤和亮煤组成，光泽很强。条带状结构不明显，常具贝壳状断口，内生裂隙发育，脆度较大，易碎，黏结性强。中变质的光亮型煤是最好的冶金用煤。2.半亮型煤

以亮煤为主（约占50%），由镜煤、亮煤、暗煤组成，也夹有丝炭。光泽仅次于光亮型煤，条带状结构明显，内生裂隙发育，常具阶梯状断口，中变质的半亮型煤黏结性也较好。为最常见的宏观煤岩类型。

3.半暗型煤

由暗煤、亮煤组成，以暗煤为主（约占50%），有时也加有镜煤和丝炭。光泽较暗，硬度、韧性、相对密度均较大，内生裂隙不发育，断口参差不齐。4.暗淡型煤主要由暗煤组成，有时也夹有镜煤和丝炭。光泽微弱，结构致密，不显层理，质地坚硬，内生裂隙不发育，韧性大，断口呈参差状。矿物质含量高，因而煤质较差。§6-2煤的特性二、煤的性质（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）

将硫分为六级（GB/T15224.2-2004）：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1.颜色和条痕褐色-黑色-灰色-钢灰色2.煤的光泽沥青光泽-玻璃光泽-金刚光泽-似金属光泽变质程度越高，光泽越强3.煤的密度（1）真密度－单位体积质量（不含孔隙）（2）视密度－单位体积质量（含孔隙）（3）相对密度－与同体积水的质量之比。煤的颜色煤化程度光泽颜色条痕褐煤无光泽或暗淡沥青光泽褐色、深褐色、黒褐色浅棕色、深棕色长焰煤沥青光泽黑色，带褐深棕色气煤强沥青光泽、弱玻璃光泽黑色棕黑色肥煤玻璃光泽黑色，带棕焦煤强玻璃光泽瘦煤黑色贫煤金刚光泽黑色，有时带灰无烟煤似金属光泽灰黒色，带古铜色，钢灰色灰黒色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。同一煤化程度的煤，暗煤比亮煤、镜煤硬度大。5.煤的导电性褐煤－电阻率低中变质煤－电阻率高高变质煤－电阻率低，为良导体（三）煤的工艺性质1.煤的工业分析（1）水分（M）化合水游离水

外在水分（Mf）－存在煤的大孔隙中，常温下可风干内在水分（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。（2）灰分（A）煤燃烧后剩余的残渣，来源于煤中的矿物质。按动力煤灰分高低将煤分为6级：特低灰煤、低灰分煤、低中灰煤、中灰分煤、中高灰煤、高灰分煤。

（3）挥发分（V）

在隔绝空气的条件下，将煤在（900±10）°C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，泥炭的挥发分可高达70%，褐煤为40%～60%，烟煤为10%～50%，无烟煤小于10%。（4）固定碳（FC）

测定碳的挥发分时，剩下的不挥发物质称为焦渣，焦渣减去灰分即位固定碳。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.煤的黏结性

煤的黏结性是煤粒（一般直径小于0.2mm）在隔绝空气受热后，能否黏结其本身或惰性物质（即无黏结能力的物质）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。煤的黏结性强是结焦好的必要条件。

煤的黏结性和结焦性与煤的变质程度、煤岩成分、煤的氧化程度及煤中矿物质含量有密切关系。褐煤、无烟煤几乎没有黏结性，中变质的肥煤和焦煤的黏结性最好。亮煤和镜煤的黏结性比丝炭、暗煤强。煤被氧化后，其黏结性减弱，有的甚至完全消失。煤中矿物质过高，其黏结性变差。我国煤炭分类国家标准对烟煤采用黏结性指数（GR.I或简计为G）、胶质层厚度（Y）、及奥—阿膨胀度（b）三个指标进行细分类。一般G值越大，Y值越大，都反映煤的黏结性越强。b值越大，反映煤的结焦性越强。煤的结焦性是炼焦用煤不可缺少的重要工艺性质。但对低温干馏、气化或燃烧用煤等工业，则要求煤的黏结性越低越好，有的甚至不需要黏结性。３．煤的发热量（Ｑ）煤发热量是指单位质量的煤完全燃烧时所产生热值。煤的发热量与煤的变质程度有关。中高变质阶段的烟煤发热量最大。根据煤的发热量（Qgr.d）将煤分为5级：特低热值煤低热值煤中热值煤高热值煤特高热值煤§7-3煤的分类及用途

我国煤炭资源丰富，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（GB5751-2009）(表7-4p125)。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黏结性，数码越小，黏结性越差；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§7-4含煤岩系一、含煤岩系及其类型（一）含煤岩系聚煤时期形成的一套含有煤层的沉积岩系。时间上：空间上：（二）煤系的类型1.近海型煤系

亦称海陆交替相含煤岩系。这类煤系形成于近海地区，地形简单、平坦、广阔，因此容易发生大范围的海侵海退。海侵时形成海相地层，海退时形成陆相地层。近海型煤系特点：（1）煤系分布广；（2）岩性、岩相稳定，标志层多，煤层容易对比；（3）碎屑成分单一，分选好，圆度高，粒度细；（4）煤层层数多，单层厚度小，煤系厚度不大；（5）煤层结构简单；（6）含黄铁矿，硫分高。2.内陆型煤系

亦称陆相含煤岩系。这类煤系形成于距海较远的地区，往往是在内陆的一些小盆地中发育而成的，所以煤系中没有海相地层，全为陆相地层。特点：（1）煤系分布局限；（2）岩性、岩相变化大，标志层少，煤层对比困难；（3）碎屑物成分复杂，分选差，圆度低，粒度粗；（4）煤层层数少，单层厚度大，煤系厚度大；（5）煤层结构复杂，含夹石多。二、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＜25°25~45°＞45°炼焦用煤非炼焦用煤褐煤0.600.700.800.500.600.700.400.500.603.煤层分类（1）按倾角煤层

露天开采

地下开采近水平煤层

<5°<8°缓倾斜煤层5°~10°8°~25°倾斜煤层10°~45°25°~45°急倾斜煤层>45°>45°（2）按厚度

煤层露天开采地下开采薄煤层<3.5m<1.3m

中厚煤层3.5～10m1.3～3.5m

厚煤层>10m3.5～8.0m

特厚煤层>8.0m（3）按煤层稳定性

稳定煤层

煤层厚度无变化或虽有变化但规律明显，全区可采或基本可采。

较稳定煤层

煤层厚度有一定变化，但规律较明显，全区可采或大部分可采，可采区内煤厚变化不大。

不稳定煤层

煤层厚度变化较大，无明显规律。极不稳定煤层

煤层厚度变化很大，呈复杂形状（鸡窝状）在划分时，采用定量标准表7-8（p127）

《矿井地质规程》（煤炭工业出版社，1984，5）指出：在定量评定煤层稳定性时，薄煤层以煤层可采性指数为主要指标，煤厚变异系数为辅助指标；中厚及厚煤层以煤厚变异系数为主要指标，煤层可采性指数为辅助指标。据此，可定量划分煤层稳定类型（表7-8）。煤层可采性指数Km是表示评定区可采煤层所占比例的参数，其计算公式如下：式中Km—煤层可采性指数；

n—评定区内所有参加评定的见煤点数；

n′—见煤点总数n中煤厚大于或等于最低可采 标准的见煤点数。煤厚变异系数γ是反映评定区内煤层厚度变化偏离平均厚度的参数，其计算公式如下： 式中γ—煤厚变异系数。%；

S—煤厚变化标准差，mi—每个见煤点的实测煤厚，m；m—评定区内的平均煤厚，m；n—参加评定的见煤点数。（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。岩性多为炭质页岩或炭质泥岩，厚度一般为几cm至几十cm。它极易跨塌，常随采随落。所以它都混杂在原煤里，增加了煤的含矸率。（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1～2m左右。随采煤回柱后一般能自行跨落，有的经人工放顶后也比较容易跨落。直接顶跨落后都充填在采空区内。（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。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。（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，可以用作寻找或对比煤层。三、煤田、聚煤时期（一）煤田

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。（二）煤产地

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。（三）矿田（井田）煤田内划归一个煤矿开采的部分。（四）中国主要聚煤时期

C-P;T-J;E-N§7-5我国煤炭资源状况一、我国煤炭资源分布特点1.煤炭资源储量总量1886亿吨，占全球总量的12.6%；总体特点是资源丰富但勘探程度低，经济可采储量较少。煤炭后备储量相当紧张。人均占有量较低。2.地理分布极不均衡，东少西多、南少北多晋、陕、蒙3省的资源量占全国总量的83.9%3.地质构造特征受控于大地构造单元：主要含煤区位于地台、褶皱系中的稳定地块或已经固结的古生代褶皱带上，少量位于活动大陆边缘。如：C-P含煤区受华北、华南两地台控制；J-K含煤区主要受华北地台、天山-兴蒙褶皱系控制；E-N含煤区受环太平洋构造带控制，后者又兼受喜马拉雅构造带控制。中新生代含煤区受现代构造形迹的控制，晚古生代含煤区也受现代构造形迹的改造。我国聚煤区的分布图3.我们的聚煤区（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

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，阴山构造带以南的广大地区，包括山西、山东、河南全部，甘肃、宁夏东部，内蒙古、辽宁、吉林南部，陕西、河北大部，以及苏北、皖北。该区内石炭—二叠纪煤田分布最广，储量最多，占全区储量的80%以上。其次为早、中侏罗纪煤田，其中以内蒙古东胜，陕西神木、榆林、黄陵、彬县最为著称。尤其是东胜—神木煤田，储量之大，煤质之好，为世界罕见！此外在山东黄县、山西繁峙有古近纪煤田分布。该区煤炭资源量约占全国总量的53%，全国石炭—二叠纪煤炭资源量的85%在该区内。（4）滇藏聚煤区又称滇藏中、新生代聚煤区。该区位于昆仑山系以南，龙门山—大雪山—哀牢山一线以西，包括西藏全境，青海南部，川西和滇西地区。该区主要成煤时代为二叠纪和新近纪，早石炭世、晚三叠世和晚白垩世含煤岩系虽有分布，但含煤性差。该区煤炭资源贫乏，约占全国总量的0.1%。（5）华南聚煤区又称华南晚三叠世聚煤区。该区位于秦岭、大别山以南，龙门山、大雪山、哀牢山以东，包括贵州、广西、广东、海南、湖南、江西、浙江、福建全部，云南、四川、湖北大部，以及苏皖两省南部，其范围跨越十三个省（区）。该区成煤时代较多，早石炭世、早二叠世、晚二叠世、晚三叠世、早侏罗世纪及新近纪均有煤系生成。