第二章 煤的的形成第二三节2014年

第二部分

第二章：煤的形成第二节第三节

第二节成煤的条件和环境煤炭的生成，必须有气候、生物、地理、地质等条件的相互配合，才能生成具有工业利用价值的煤炭矿藏。这些条件包括：

（1）大量植物的持续繁殖(生物、气候的影响)

（2）植物遗体不能完全氧化－－适合的堆积场所(沼泽、湖泊等)

（3）地质作用的配合（地壳的沉降运动－－形成上覆岩层和顶底板－－多煤层）一、泥炭沼泽的形成

沼泽是在一定的气候、地貌和水文条件下，常年积水或极其潮湿的地段，内有大量植物生长和堆积。（一）沼泽的分类1、按水分补给来源的不同，可划分为三种类型：

低位沼泽：主要由地下水补给、潜水面较高的沼泽；

高位沼泽：主要以大气降水为补给来源的泥炭沼泽；

中位沼泽或过渡沼泽：兼有低位沼泽和高位沼泽的特点，其水源部分由地下水补给，部分又由大气降水补给的沼泽。2、根据沼泽距离海岸的远近，分为近海泥炭沼泽与内陆泥炭沼泽。（1）近海泥炭沼泽①滨海泥炭沼泽:海岸平原或沿海平原。为地势低平向海缓倾的沿海地带。

②三角洲平原泥炭沼泽:河流在入海口处，往往汊流很多，很像三角形，称做三角洲。③红树林泥炭沼泽———红树林泥炭沼泽是一种特殊类型的滨海泥炭沼泽。（2）内陆泥炭沼泽：山间盆地、内陆湖泊等。3、根据水介质的含盐度，沼泽又可分为淡水的、半咸水的和咸水的。（二）泥炭沼泽的演化湖沼演化中泥炭和淤泥形成示意图二、植物遗体的堆积方式（一）原地生成1、指植物遗体在原来生长的沼泽中堆积2、植物遗体略有搬动，但不超出原湖沼范围。（二）异地生成1、植物遗体经过相当距离的搬运后沉积而形成泥炭。2、已经形成泥炭，经过搬运后再沉积而形成的煤。第三节成煤作用过程由高等植物转化为腐植煤要经历复杂而漫长的过程，一般需要几千万年到几亿年的时间。整个成煤作用可划分为两个阶段：即泥炭化作用过程和煤化作用。图示如下：植物泥炭化泥炭成岩作用褐煤变质作用烟煤、无烟煤煤化作用煤化程度的概念：在褐煤向烟煤、无烟煤转化的进程中，由于地质条件和成煤年代的差异，使煤处于不同的转化阶段。煤的这种转化阶段称为煤化程度，有时称为变质程度，或煤级(Rank)。按煤化程度由低到高依次是：褐煤、烟煤（长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤）、无烟煤。1泥炭化作用

泥炭化作用的概念：高等植物死亡后，在生物化学作用下，变成泥炭的过程称为泥炭化作用。在这一阶段，植物首先在微生物作用下，分解和水解为分子量较小的性质活泼的化合物，然后小分子化合物之间相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。植物经泥炭化作用成为泥炭，在两方面发生巨大变化：（1）组织器官（如皮、叶、茎、根等）基本消失，细胞结构遭到不同程度的破坏，变成颗粒细小、含水量极大、呈胶泥状的膏状体－－泥炭；

（2）组成成分发生了很大的变化，如植物中大量存在的纤维素和木质素在泥炭中显著减少，蛋白质消失，而植物中不存在的腐植酸却大量增加，并成为泥炭的最主要的成分之一，通常达到40%以上。微生物的作用

氧化环境中：缺氧时：形成甲烷、醋酸、丁酸脂肪水解脂肪酸和甘油参与成煤木质素苯环类衍生物及大量活性基团参与泥炭化作用蛋白质氨基、氨基酸

沼泽中植物遗体不被充分氧化（1）泥炭沼泽覆水程度的增强和植物遗体堆积厚度的增加，使正在分解的植物遗体逐渐与大气隔绝。（2）微生物在一定的酸碱度环境中才能正常生长，酸性大，喜氧细菌↓，植物结构易保存。（3）有的植物本身就具有防腐和杀菌的成分，不致使植物遭到完全破坏。表2—6植物与泥炭化学组成的比较

元素组成，%有机组成，%植物与泥炭CHNO+S纤维素半纤维素木质素蛋白质沥青腐植酸莎草47.205.611.6139.3750.0020~305~105~100木本植物50.156.201.0542.1050.6020.301~71~30桦川草本泥炭55.876.352.9034.9719.690.7503.5043.58合浦木本泥炭65.466.531.2026.75o.890.390042.88植物变成泥炭后组成的变化泥炭的有机组分（1）腐植酸：高分子羟基芳香羧酸组成的复杂混合物。酸性、呈褐黑。（2）沥青质：合成作用形成，或由树脂，蜡质、孢粉质等转化而来。（3）未分解或未完全分解的纤维素、半纤维素、果胶质和木质素。（4）变化不多的稳定组分，如角膜、树脂和孢粉等。泥炭的特性（1）呈棕褐色或黑褐色不均匀物质。（2）具有胶体的特征（3）能将水吸入其微孔结构，水分达70～90%（4）酸性（5）可作锅炉和煤气发生炉的燃料，或其他化工原料。2煤化作用煤化作用包括成岩作用和变质作用两个连续的过程。2.1成岩作用

泥炭在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下降速度较大时，泥炭将被泥沙等沉积物覆盖。在上覆沉积物的压力作用下，泥炭发生了压紧、失水、胶体老化、固结等一系列变化，微生物的作用逐渐消失，取而代之的是缓慢的物理化学作用。这样，泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤。2.2变质作用

当褐煤层继续沉降到地壳较深处时，上覆岩层压力不断增大，地温不断增高，褐煤中的物理化学作用速度加快，煤的分子结构和组成产生了较大的变化。碳含量明显增加，氧含量迅速减少，腐植酸也迅速减少并很快消失，褐煤逐渐转化成为烟煤。随着煤层沉降深度的加大，压力和温度提高，煤的分子结构继续变化，煤的性质也发生不断的变化，最终变成无烟煤。

变质作用的因素：

促成煤变质作用的主要因素是温度。温度过低（<50～60℃），褐煤的变质就不明显了，如莫斯科煤田早石炭世煤至今已有3亿年以上，但仍处于褐煤阶段。通常认为，煤化程度是煤受热温度和持续时间的函数。温度越高，变质作用的速度越快。因为变质作用的实质是煤分子的化学变化，温度高促进了化学反应速度的提高。变质作用类型：

3、腐泥煤的生成腐泥化作用：在停滞缺氧的滞水盆地中，浮游生物和菌藻类等低等植物死亡后，在缺氧的环境中，由厌氧细菌的作用，低等植物中的蛋白质、碳水化合物、脂肪受到分解，再经聚合和缩合作用，形成一种含水很多的棉絮状胶体物质。这种物质再经过脱水、致密，比重增大，逐渐形成腐泥。腐泥经煤化作用而成腐泥煤。随煤化程度的增加，腐泥煤发生的变化与腐植煤相似。4、瓦斯和煤层气的生成瓦斯突出和瓦斯爆炸是煤炭开采过程中的主要危害形式，但瓦斯又是宝贵的资源。煤中的瓦斯主要是在煤化作用过程中形成的。在煤化作用过程中，煤分子上的侧链和官能团不断分解和脱落，生成低分子气体，即煤层气，其主要成分为甲烷（70%～96%）。在自然条件下，生成1吨褐煤可产生68m3甲烷，生成1吨肥煤、瘦煤、无烟煤分别可产生甲烷230m3、330m3和400m3。

如果煤层周围的围岩不透气，在煤化作用过程中产生的气体或被吸附在煤的孔隙中，或逐渐聚积形成煤层气田。煤层气定义：赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离煤空隙或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤层本身自生自储式非常规天然气。煤层气的特性1、煤层气俗称瓦斯，不可再生优质资源，但也是煤炭开采中的有害气体。2、以甲烷为主，甲烷是国际公认的六种主要温室气体之一。3、煤层气比空气轻，其密度是空气的0.55倍，而煤气、液化石油气是空气的1.5~2.0倍，煤层气中不含CO。成煤作用过程小结成煤作用的阶段原始植物及变化产物成

煤

作

用泥炭化作用或腐泥化作用植物

高等植物低等植物

泥炭腐泥煤化作用成岩作用褐煤腐泥煤变质作用

长焰煤气煤

烟煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤大地构造（地壳运动）：提供成煤作用缓慢而均匀的沉降运动（均衡补偿）和成煤坳陷。地壳的剧烈或过缓沉降运动都不利于厚层泥炭层的形成，植物的堆积和地壳的沉降的平衡，决定泥炭层形成厚度。影响煤性质因素：堆积方式(原地生成的、异地生成的)；形成泥炭的植物群落；沉积环境（浅沼的，湖沼的，微咸水-咸水，富含钙质的）；养分供给（富养分的，贫养分的）；pH值，细菌活动性，硫的供给；氧化还原电位（需氧的，厌氧的）。泥炭沼泽中植物与泥炭层的形成泥炭煤的变质作用类型（一）深成变质作用：指地壳深处，受地热和上复岩系静压力的作用引起的变质作用。希尔特定律：1、煤质的垂直变化同一煤田大致相同的构造条件下，随着煤层埋藏深度的增加，煤的挥发份逐渐减少，变质程度逐渐增加。2、煤质的水平带状分布：平面上的表现形式。（二）岩浆热力变质作用：当岩浆侵入，并穿过或靠近煤层或含煤岩系时，由于岩浆本身带来的高温、挥发性气体和严压力的影响，引起煤变质程度增高的作用。（三）动力变质作用：由于地壳构造变动产生的褶皱和断裂，使煤发生变质的作用。1-正向断层；2-反向断层（门头沟）煤层发生断层的示意图

变质作用的原因（影响因素）➢温度（主要因素）——化学组成和结构变化地热梯度：深度每增加100m，温度升高的值

现代地壳平均地热梯度

2~4ºC煤的变质程度随深度增加递增

☞含煤系的深钻孔

置于密闭高压器

100MPa200℃

长时间无变化

>200℃褐煤

180Mpa

<320℃长时间无变

>320℃

长焰煤

345℃

烟煤性质产物

500℃无烟煤性质产物

☞人工煤化实验

变质作用的原因➢时间——化学变化一般地，成煤时间越长，煤化程度越高，但又不是绝对的☞莫斯科近郊的下石炭纪褐煤☞西伯利亚东部沿海的第三纪烟煤和无烟煤受热温度相同时，变质程度取决于受热时间的长短煤受短时间较高温度的作用或受长时间较低温度（超过变质临界温度）作用，可达到相同的变质程