煤礦地質(zhì)學第五章煤與含煤巖系

第五章煤與含煤巖系第一節(jié)成煤作用一、成煤植物二、成煤作用三、成煤的必要條件第二節(jié)煤的物質(zhì)組成、性質(zhì)與分類一、煤巖成分和宏觀煤巖類型二、煤的性質(zhì)三、煤的分類第三節(jié)含煤巖系和煤田一、含煤巖系及其類型二、含煤巖系的組成三、煤田、聚煤期及聚煤區(qū)前言煤是怎樣形成的？它有什么特性？中國的煤碳資源主要分部在哪些區(qū)域？煤礦工程技術(shù)人員應(yīng)該學習和掌握有關(guān)煤的一些知識，如成煤作用，煤種，煤層厚度及其穩(wěn)定性，頂板、底板、標志層巖性，煤在地下的賦存情況等。第一節(jié)成煤作用一、成煤植物煤是由植物轉(zhuǎn)變而來的。植物是成煤的原始物質(zhì)。植物分為低等和高等植物。低等植物主要是由單細胞活多細胞構(gòu)成的絲狀和葉片狀植物體。最大特點是沒有根、莖、葉等器官的分化，構(gòu)造比較簡單，多數(shù)生活在水中，如：菌類和藻類；高等植物的最大特點是有根、莖、葉等器官的分化，如：苔蘚植物、蕨類植物、裸子植物、被子植物等。除苔蘚植物外，其它植物常能形成高大喬木，具有粗壯的莖和根。由低等植物形成的煤稱為腐泥煤。由高等植物形成的煤稱為腐植煤〔因其含有大量的腐植酸而得名〕。在自然界中，腐植煤占絕大數(shù)，目前開采的也主要是腐植煤，所以腐植煤是介紹的重點。

二、成煤作用

煤是由植物經(jīng)過漫長的極其復雜的生物化學、物理化學轉(zhuǎn)變而成的。從植物遺體堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊旱囊幌盗醒葑冞^程稱為成煤作用。成煤作用大致分為兩個階段：第一階段，泥炭化階段；第二階段，煤化階段。在泥炭化階段，低等植物及浮游生物遺體經(jīng)泥化作用形成腐泥，高等植物遺體經(jīng)泥化作用形成泥炭；在煤化階段，腐泥轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗝?，泥炭?jīng)煤成巖作用轉(zhuǎn)變?yōu)楹置海置航?jīng)煤變質(zhì)作用變?yōu)闊熋汉蜔o煙煤。褐煤、煙煤、無煙煤均屬腐植煤類?！惨弧衬嗵炕A段1、腐泥化作用低等植物和浮游生物遺體在湖沼、瀉湖和海灣等復原環(huán)境中轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗟纳锘瘜W作用稱為腐泥化作用。2、泥炭化作用當生活在湖泊、淺海等水體中的低等植物和低等動物死亡之后，在水體表層和下沉到水底的過程中，先遭受一定程度的氧化分解。沉向水底后，由于水層和隨后沉積物的覆蓋，轉(zhuǎn)入缺氧的復原環(huán)境，在厭氧細菌的作用下，低等植物中的蛋白質(zhì)、脂肪等遭到分解。然后經(jīng)過化學合成作用，形成一種含水很多的棉絮狀膠體物質(zhì)〔富含瀝青質(zhì)〕。這些物質(zhì)與泥砂混合后進一步變化，即形成了腐泥。這一過程為腐泥化作用。〔一〕植物條件植物是成煤的原始物質(zhì)，沒有植物的生長繁殖，就不可能有煤的形成。因此，植物的大量繁殖是形成煤的根本條件。從地球上生物演化的歷史來看，雖然震旦紀前就已經(jīng)出現(xiàn)了生物，但是煤主要是在最近數(shù)億年內(nèi)植物大量繁殖之后形成的。植物的大量繁殖是從石炭紀開始，特別是石炭紀、二疊紀、侏羅紀、白堊紀及第三紀，植物生長繁茂，種類繁多，森林廣布，對成煤十分有利。因此，伴隨植物界的飛躍，出現(xiàn)了地史上重要的聚煤期，即石炭——二疊紀聚煤期，侏羅——白堊紀聚煤期及第三紀聚煤期。上述三大聚煤期在我國均有聚煤作用發(fā)生。〔二〕氣候條件氣候直接影響植物的生長和分解，只有在溫暖、潮濕的氣候條件下，植物才能大量生長繁殖。同時植物遺體也只有在積水的沼澤等地帶，才能免遭完全氧化分解，逐漸堆積起來。而沼澤的發(fā)育也要求潮濕的氣候。因此，溫暖、潮濕的氣候是形成煤的重要條件。目前傾向于認為濕度是最重要的。只要有足夠的濕度，無論在熱帶、亞熱帶或溫帶、寒帶，都可以發(fā)育泥炭沼澤并形成泥炭層。但相比之下，溫度、潮濕的氣候最有利于煤的形成。〔三〕自然地理條件形成分布面積較廣的煤層，必須要有適宜植物廣泛分布和大量繁殖、又能使植物遺體得以保存的自然地理環(huán)境。自然界中，只有沼澤等具備這種條件。因此，形成煤必須有適于發(fā)育大面積沼澤化的自然地理環(huán)境。沼澤是地表土壤充分濕潤、季節(jié)性或長期性積水的洼地。一般濱海的廣闊平原、內(nèi)陸湖泊、瀉湖海灣、山間或內(nèi)陸盆地、寬廣河谷的河漫灘、河口三角洲平原等，受地殼升降、海水進退的影響，容易發(fā)育成大片沼澤?！菜摹车貧み\動條件形成具有工業(yè)價值的厚煤層，需要有很厚的泥炭層。而泥炭層的堆積和保存與地殼的升降運動有關(guān)。首先泥炭層的堆積，要求地殼不斷緩慢地沉降，其沉降的速度最好與植物遺體堆積的速度大致平衡，這種平衡持續(xù)的時間越長，形成的泥炭層就越厚，否那么就形不成泥炭層或形成的泥炭層較薄。其次，泥炭層的保存也需要地殼不斷沉降。此外，為使一個地區(qū)能形成較多的煤層，又要求地殼在總的沉降過程中發(fā)生屢次小型升降或間歇性沉降。因此，形成煤要求地殼運動總的趨勢是不斷地緩慢沉降。在地殼緩慢沉降過程中，同一地區(qū)，如果其沉降的幅度不同，會造成煤層厚度的變化，出現(xiàn)分叉、變薄、尖滅現(xiàn)象。總之，在地殼開展過程中，只要某個地區(qū)同時具備以上四個條件，而且彼此之間配合的較好，持續(xù)的時間也較長，就能形成具有工業(yè)價值的煤層。如果彼此之間的配合，只是短暫的，雖然也可能形成煤，但不可能形成具有工業(yè)價值的煤層。第二節(jié)煤的物質(zhì)組成、性質(zhì)與分類

不同的煤種有不同的用途，這是由它的化學組成、性質(zhì)所決定的。因此，研究煤的物質(zhì)組成和性質(zhì)，對于評價煤質(zhì)和確定煤的綜合利用，都具有重要的實際意義。一、煤巖成分和宏觀煤巖類型從巖石學觀點來看，煤是一種可燃有機物。像花崗巖是由石英、鉀長石、斜長石礦物組成的一樣，腐植煤是由絲炭、鏡煤、亮煤四種成分組成。這四種成分稱為煤巖成分〔亦稱宏觀煤巖組成〕?！惨弧趁旱暮暧^組成〔腐植煤〕1〕鏡煤：烏黑，色深光強，成分均一，性脆，貝殼狀斷口，輪廓清晰，粘結(jié)性好，礦物雜質(zhì)少，裂隙發(fā)育，大多由結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，均質(zhì)鏡質(zhì)體組成。2〕絲炭：外觀像木炭，顏色黑灰色或淺灰色，纖維狀結(jié)構(gòu)，絲絹光澤，疏松多孔，絲質(zhì)體為主，質(zhì)輕者性脆，易污手，質(zhì)重者，被礦物充填。3〕亮煤：外表隱約可見微細層理，光澤較強，結(jié)構(gòu)不均一4〕暗煤：含殼質(zhì)組多，灰黑色，韌性好，油脂光澤，水介質(zhì)活動性強；含礦物質(zhì)多，煤質(zhì)差；含惰質(zhì)組多成分結(jié)構(gòu)不均一，氧化環(huán)境?！捕澈暧^煤巖類型〔腐植煤〕宏觀煤巖類型光澤鏡煤＋亮煤光亮型煤光澤極強>75%半亮型煤光澤較強75%--50%半暗型煤光澤暗淡50%—25%暗淡型煤光澤極暗<25%▲①煤級和成因類型相同，才能進行光澤強度比照，新鮮面，不考慮具體光澤；②相同煤層中光澤最強的煤巖成分條帶〔鏡煤〕為參考標準，相對光澤；③最小分層厚度為3—10cm，視煤層厚度而定；④每一種光澤類型，據(jù)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)再分。二、煤的性質(zhì)不同的煤，其各種元素的含量和化學結(jié)構(gòu)是不同的，這就造成了煤在化學性質(zhì)和物理性質(zhì)上的差異，并使其在加工利用過程中表現(xiàn)出不同的公藝性質(zhì)?！惨弧趁旱幕瘜W組成1．碳〔C〕煤中有機質(zhì)的主要成分，也是煤燃燒過程中產(chǎn)生熱量的重要元素，每一千克純碳完全燃燒時能放出34.107MJ的熱量。煤中碳含量越多，煤的發(fā)熱量越高。煤中碳含量隨煤的變質(zhì)程度的加深而增加。2．氫〔H〕煤中有機質(zhì)的第二個主要成分，也是煤燃燒過程中產(chǎn)生熱量的主要元素，每一千克氫完全燃燒時能產(chǎn)生143.248MJ的熱量，為碳元素的4.2倍。腐泥煤的氫含量比腐植煤高;氫含量隨著變質(zhì)程度的加深而減少。3．氧〔O〕氧是煤中不可燃的元素，但可以助燃。煤中氧含量隨煤化程度的加深而減少。4．氮〔N〕煤中有機質(zhì)氮含量較少，主要來自植物中的蛋白質(zhì)，也有一局部可能來自細菌活動的產(chǎn)物。一般隨煤化程度加深而略趨于減少。5．硫〔S〕將煤分為六級：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〕煤中的含量極低，一般低于0.1%，最高也不高于1%。其危害極大，如煉焦時可使鋼材具有冷脆性。7．其它元素煤中還存在許多稀有元素及放射性元素，如鍺〔Ge〕鎵〔Ga〕鈾〔U〕釩〔V〕砷〔As〕氯〔Cl〕等?！捕趁旱奈锢硇再|(zhì)煤的物理性質(zhì)：光澤、顏色、硬度、脆度、比重、斷口、裂隙等方面。1、光澤：從土狀〔褐煤〕→從似金屬光澤〔無煙煤〕；2、顏色：褐色〔褐煤〕→黑色〔煙煤〕→鋼灰色〔煙煤〕；3、硬度：中等〔褐煤〕→低〔煙煤〕→高〔無煙煤〕；4、脆度：小〔褐煤〕→大〔煙煤〕→小〔無煙煤〕；5、比重：隨變質(zhì)程度增加，比重也增加；6、斷口：無煙煤；7、裂隙：內(nèi)生裂隙外生裂隙煤化程度光澤顏色條痕褐煤無光澤或暗淡瀝青光澤褐色、深褐色、黒褐色淺棕色、深棕色長焰煤瀝青光澤黑色，帶褐深棕色氣煤強瀝青光澤，玻璃光澤黑色棕黑色肥煤玻璃光澤黑色，帶棕焦煤強玻璃光澤瘦煤黑色貧煤金剛光澤黑色，有時帶灰無煙煤似金屬光澤灰黒色，帶古銅色，鋼灰色灰黒色2腐植煤光澤、顏色、粉色對照表3.煤的密度密度是指單位體積煤的質(zhì)量。單位為g/㎝3。其可分為真密度和視密度兩種。真密度體積不包括煤內(nèi)部的孔隙，而視密度體積那么包括煤內(nèi)部的孔隙。煤的視密度〔曾稱容重〕是煤層儲量計算的重要參數(shù)。一般褐煤的視密度為1.05～1.20；煙煤的視密度為1.20～1.40；無煙煤的視密度為1.35～1.80。4.硬度和脆度煤的硬度是指煤抵抗外來機械作用的能力。按摩氏硬度計，一般煤的硬度介于1-4之間。褐煤和焦煤硬度最小，約為2-2.5；無煙煤硬度最大，接近4。同一煤化程度的煤，暗煤比亮煤、鏡煤硬度大?！踩趁旱墓に囆再|(zhì)1.煤的工業(yè)分析〔1〕水分〔M〕外在水分〔Mf〕－存在煤的大孔隙中，常溫下可烘干。內(nèi)在水分〔Minh〕－存在小毛細管內(nèi)，加熱才失去。全水分〔Mt〕－內(nèi)在水分與外在水分之和。〔2〕灰分〔A〕煤燃燒后剩余的殘渣，來源于煤中的礦物質(zhì)。將煤分為6級：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〕揮發(fā)分〔V〕在隔絕空氣的條件下，將煤在〔900±10〕℃溫度下加熱7分鐘時，煤中的有機質(zhì)和一局部礦物質(zhì)就會分解成氣體和液體〔蒸汽狀態(tài)〕逸出，用逸出物減去煤中的水分即為揮發(fā)分。揮發(fā)分在一定程度上反映了煤中有機質(zhì)的性質(zhì)、煤的變質(zhì)程度，因此它是目前我國煤炭分類的第一指標。根據(jù)揮發(fā)分多少可判斷煤的變質(zhì)程度:泥炭高達70%，褐煤為40%-60%，煙煤為10%-50%，無煙煤小于10%。〔4〕固定碳〔FC〕測定揮發(fā)分時，剩下的不揮發(fā)物質(zhì)稱為焦渣，焦渣減去灰分即為固定碳。固定碳指煤在隔絕空氣的高溫加熱條件下，煤中有機質(zhì)分解的剩余物。2.煤的粘結(jié)性煤的粘結(jié)性是煤?！惨话阒睆叫∮?.2mm〕在隔絕空氣受熱后，能否粘結(jié)其本身或惰性物質(zhì)〔即無粘結(jié)能力的物質(zhì)〕成焦塊的性質(zhì)。煤的結(jié)焦性是煤粒隔絕空氣受熱后，能否生成優(yōu)質(zhì)焦炭的性質(zhì)。煤的粘結(jié)性強是結(jié)焦好的必要條件。3.煤的發(fā)熱量〔Q〕-----指單位質(zhì)量的煤完全燃燒時產(chǎn)生的熱值。中高變質(zhì)階段的煙煤發(fā)熱量最大。低熱值煤中低熱值煤中熱值煤中高熱值煤高熱值煤特高熱值煤三、煤的分類我國煤炭資源豐富，煤種齊全。為了合理利用煤炭資源，特制定了煤炭分類國家標準〔GB5751-86〕(表6-6)。數(shù)碼編號的十位數(shù)表示揮發(fā)分的多少，數(shù)碼越小，揮發(fā)分越少。數(shù)碼編號的個位數(shù)對煙煤表示粘結(jié)性，數(shù)碼越小，粘結(jié)性越差；對無煙煤和褐煤那么表示煤化程度，數(shù)碼越小，煤化程度越高。1.褐煤2.長焰煤3.氣煤4.肥煤5.焦煤6.瘦煤7.貧煤8.無煙煤第三節(jié)含煤巖系和煤田一、含煤巖系及其類型〔一〕含煤巖系的概念含煤巖系是指一套含有煤層并且在成因上有聯(lián)系的沉積巖系，簡稱為煤系，其同義詞有含煤地層、含煤建造。〔二〕含煤巖系類型1、近海型含煤巖系2、內(nèi)陸型含煤巖系二、含煤巖系的組成含煤巖系由煤層和許多其他沉積巖層組成。與煤礦生產(chǎn)關(guān)系最為密切的主要是煤層及其頂板、底板、還有標志層。一、含煤巖系的組成〔一〕煤層1.煤層結(jié)構(gòu)1〕簡單結(jié)構(gòu)2〕復雜結(jié)構(gòu)休息2.煤層厚度1〕總厚度2〕有益厚度3〕最低可采厚度在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟條件下開采的煤層的最小厚度。煤種煤層傾角＜25°25~45°＞45°煉焦用煤非煉焦用煤褐煤0.600.700.800.500.600.700.400.500.60休息3.煤層分類1〕按傾角分類露天開采地下開采近水平煤層<5°<8°緩傾斜煤層5°~10°8°~25°傾斜煤層10°~45°25°~45°急傾斜煤層>45°>45°休息2〕按厚度分類露天開采地下開采薄煤層<3.5m<1.3m

特厚煤層>8.0m休息3〕按煤層穩(wěn)定性分類(1)穩(wěn)定煤層煤層厚度變化很小，規(guī)律明顯，結(jié)構(gòu)簡單至較簡單，全區(qū)可采或根本可采。(2)較穩(wěn)定煤層煤層厚度有一定變化，但規(guī)律較明顯，結(jié)構(gòu)簡單至復雜，全區(qū)可采或大局部可采，可采區(qū)內(nèi)煤厚變化不大。(3)不穩(wěn)定煤層煤層厚度變化較大，無明顯規(guī)律，結(jié)構(gòu)復雜至極復雜。(4)極不穩(wěn)定煤層煤層厚度變化極大，分布不連續(xù)，比照困難。休息〔二〕煤層頂?shù)装?.頂板1〕偽頂指直接覆蓋在煤層之上的薄層巖層。巖性多為炭質(zhì)頁或炭質(zhì)泥巖，厚度一般為幾cm至幾十cm。它極易跨塌，常隨采隨落。2〕直接頂位于偽頂之上或直接位于煤層之上的巖層。巖性多為粉砂巖或泥巖，厚度為1~2m左右。隨采煤回柱后一般能自行跨落，有的經(jīng)人工放頂后也比較容易跨落。直接頂跨落后都充填在采空區(qū)內(nèi)。休息〔3〕根本頂又稱“老頂〞，位于直接頂之上或直接位于煤層之上的巖層。巖性多為砂巖或石灰?guī)r，一般厚度較大，強度也大。根本頂一般采煤后長時期內(nèi)不易自行跨塌，只發(fā)生緩慢下沉。休息2.底板1〕直接底指煤層之下與煤層直接接觸的巖層。它往往是當初沼澤中生長植物的土壤，富含根須化石，所以又稱根土巖。巖性以炭質(zhì)泥巖最常見，厚度不大，常為幾十cm。2〕老底位于直接底之下的巖層。巖性多為粉砂巖或砂巖，厚度較大。休息〔三〕煤系中的標志層巖性比較特殊，容易識別，層位穩(wěn)定或分布規(guī)律明顯，它們與煤層或某些地質(zhì)界線間距比較固定，這樣的巖層稱為標志層，可以用作尋找或比照煤層的標志。休息二、煤田、聚煤期和聚煤區(qū)〔一〕煤田、煤產(chǎn)地、礦田〔井田〕同一地質(zhì)時期形成的含煤巖系根本上連續(xù)分布的廣闊地區(qū)稱為煤田。被后期構(gòu)造改造或剝蝕剩余的一些單獨含煤巖系或面積、儲量較小的煤田稱為煤產(chǎn)地。煤田內(nèi)劃歸一個煤礦開采的局部稱為礦田〔井田〕?！捕持袊饕勖浩贑-PT-JE-N休息〔三〕中國的聚煤區(qū)1、東北聚煤區(qū)2、西北聚煤區(qū)3、華北聚煤區(qū)4、滇藏聚煤區(qū)5、華南聚煤區(qū)〔三〕中國的聚煤區(qū)1．東北聚煤區(qū)又稱東北內(nèi)蒙古晚侏羅世早白堊世聚煤區(qū)。該區(qū)位于陰山構(gòu)造帶以北，包括內(nèi)蒙古東部、黑龍江全部、吉林大部和遼寧北部的廣闊地區(qū)。主要成煤時代為晚侏羅世到早白堊世，其次為古近紀。該區(qū)煤炭資源約占全國煤炭總資源的8%。2．西北聚煤區(qū)又稱西北早、中侏羅世聚煤區(qū)。該區(qū)位于賀蘭山——六盤山一線以西，昆侖山——秦嶺一線以北的廣闊地區(qū)，包括新疆全部，甘肅大部，青