煤地質學

煤田質概念　研究煤殼布、聚集規律科。

煤田質簡史　紀半葉，蒸廣泛工業革命，促進了煤炭資源的需求。為了尋找煤炭資源，歐洲許多國家成立了地質調查機構，進行地質找礦。　19世紀末到20世紀初，電力、冶金和鍊鋼等工業飛速發展，加速了對煤炭資源的需求，一些發達國家進行了大規模地質調查，發表了許多煤地質學方面的學術成果。1924年，德國學者波多涅發表了《普通煤岩學概論》一書。我國煤地質學的研究起源於鴉片戰爭。　1922年，中國地質學會成立。新中國成立后，開展了兩次大規模煤田預測工作，出版了許多區域性煤田地質著作。目前，煤地質學發展日趨成熟，綜合地層學、沉積學等理論，煤地質學的發展仍呈現勃勃生機。

①煤始質植堆積環境。　②泥炭化腐泥化。　③煤化及質類型。　④煤質。　⑤含煤沉積系。　⑥聚煤盆及聚煤規律。　⑦煤伴礦產資源（煤層氣）。　⑧中國煤田地質特徵。

結合植物學、沉積學、地層學和構造地質學等理論，利用現代測試技術手段進行綜合研究。

掌握煤田分佈的規律，可以為預測和開發煤炭資源服務；了解煤的物理化學性質，可以為煤的加工利用及開發新產品服務。

1、煤的概念：煤是一種固態的可燃有機岩。

2、成煤作用的概念：從植物死亡、堆積一直到轉變成煤，經歷了複雜的生物化學、物理化學及地球化學等一系列變化，這些作用總稱為成煤作用。

3、成煤作用的兩個階段：第一階段是腐泥化階段或泥炭化階段。在這一階段，植物的遺體被微生物分解、化合、聚積，低等植物轉變為腐泥，高等植物轉變為泥炭。第二階段為煤化作用階段。由於地殼沉降，植物死亡后形成的泥炭或腐泥埋藏於地下深處，在溫度和壓力條件下發生固結成岩作用和變質作用。泥炭轉變為年輕的褐煤所經歷的作用是成岩作用，從年輕的褐煤轉變為老褐煤、煙煤和無煙煤所經歷的作用稱為變質作用。

1、植物的演化與成煤作用的關係：植物是成煤的主要原始物質，因此植物的演化直接影響煤的形成。　①菌藻類植物時代。太古代到早泥盆世。　②早期維管植物時代。晚志留世到中泥盆世，水生植物向陸生植物過渡。　③蕨類和古老裸子植物時代。晚泥盆世到晚二疊世，高等植物繁盛時期，典型植物是高大的喬木，聚煤作用強，石炭-二疊紀是第一大聚煤期。　④裸子植物時代。晚二疊世到中生代，受海西和印支構造運動影響，陸地面積擴大，地形高差明顯，侏羅紀和早白堊紀是第二大聚煤期。我國西部侏羅紀煤炭資源是全國煤炭資源總量的60%左右。　⑤被子植物時代。早白堊世到古近紀和新近紀，構造活動強烈，氣候分帶明顯，是第三大聚煤期。

2、植物的組成

植物主要由碳水化合物（纖維素、半纖維素和果膠質）、木質素、蛋白質和脂類化合物組成。低等植物主要由蛋白質和碳水化合物組成，脂類含量較高。高等植物以纖維素、半纖維素和木質素為主。

①碳水化合物（纖維素、半纖維素和果膠質）

纖維素是構成植物細胞壁的主要物質，易於水解，水解后呈膠體狀。

②木質素

木質素也是構成植物細胞壁的主要物質，比纖維素穩定，不易水解。在沼澤環境中被微生物分解，參與形成腐植質。

③蛋白質

蛋白質是植物細胞質的主要物質，在植物體中所佔比例不大，親水性強，煤中的N和S與植物的蛋白質有關。

④脂類化合物

不溶於水，可溶於有機溶劑。脂類化合物包括脂肪、蠟質、樹脂、角質、木栓質和孢粉質。脂肪性質較穩定，分解形成脂肪酸；蠟質、樹脂、角質、木栓質性質穩定，孢粉質性質很穩定，能耐一定的溫度和酸、鹼處理，常保存於煤中。

1、沼澤的概念

沼澤是地表土壤充分濕潤、季節性或長期積水，叢生著喜濕性植物的低洼地段。形成泥炭層堆積的沼澤稱泥炭沼澤。它既不是真正的陸地，也不是水體，而是介於二者之間的過渡狀態。

2、泥炭的形成與積累

植物死亡后，經生物化學作用分解、合成和聚積，當有機物堆積量超過分解量時，才會形成泥炭層。泥炭沼澤垂直剖面分三層：表層（氧化環境）、中間層（過渡海景）、底層（還原環境）。

3、植物殘骸的堆積方式

以原地堆積為主，少數是異地堆積。具有工業可采意義的煤層大都是原地堆積。

泥炭沼澤

1、泥炭沼澤的類型

根據泥炭沼澤的表面形態、水源補給、營養和植被特徵，可以分為三種類型：

①低位泥炭沼澤

低位泥炭沼澤潛水位較高，水源補給充足、營養豐富、植被茂盛。易堆積泥炭層。

②高位泥炭沼澤

高位泥炭沼澤潛水位較低，水源補給主要依靠降水，營養差，多為草本和苔蘚，不利於泥炭層形成。

③中位泥炭沼澤

中位泥炭沼澤的狀態介於上述二者之間。

2、泥炭沼澤的發育地段

①濱海平原。具有低位泥炭沼澤發育環境。

②內陸的河流、湖泊。

③山地和高原地段。

3、泥炭沼澤形成的方式

①水域轉化為泥炭沼澤，又包括三種模式：

淺水緩岸湖轉化為泥炭沼澤，植物生長類型具有分帶現象，在泥炭形成過程中，湖水不斷淤淺，植物類型也相應推移。

深水陡岸湖轉化為泥炭沼澤，浮游植物死亡后，沉入湖底，轉化為泥炭。

河流轉化為泥炭沼澤，類似淺水緩岸湖轉化模式。

②陸地沼澤化

地面上封閉的窪地可能形成沼澤。

第四節 泥炭的主要組成及性質

1、泥炭的化學組成

泥炭中除了含有大量的水分外，還包括有機質和礦物質。

①有機質。包括植物殘體和腐植質。

泥炭有機質含量是指有機質占泥炭干物質總量的百分比。我國泥炭以草本泥炭為主，有機質含量佔60%左右。

有機質中，C：55%，O：35%，H：6%，N：2%，S：0.3%

在泥炭有機質中，以稀鹼溶液提取的物質稱為腐植酸，是泥炭的特徵組分，腐植酸不是單一化合物，而是由分子大小不同、結構也不同的羥基芳香羧酸組成的混合物。

②礦物質

泥炭中的礦物質主要來源於風、水流挾帶的礦物質通過沉積作用，轉化為泥炭的組分。常見的礦物質有石英、次生粘土礦物。元素以硅為主，其次是鐵、鋁、鈣、鎂，礦物質的另一來源是植物本身。

2、泥炭的物理化學性質

①分解度：是指植物殘體由於腐解作用失去細胞結構物質的相對含量，或者是泥炭中無定形腐植質佔有機質的百分含量。

②含水性

有濕度和持水量兩種表示方法。泥炭濕度是指泥炭中水分佔泥炭總重的百分比。持水量是指泥炭中水分佔泥炭干物質重量的百分比。

③泥炭的比重和容重

泥炭的比重一般為1.4左右，蘚類泥炭較輕，木本泥炭和草本泥炭偏重。無量綱。

泥炭在自然狀態下的容重稱濕容重，乾燥后的容重稱干容重。單位是g/cm

④結構和顏色

泥炭結構疏鬆多孔，力學穩定性差。苔蘚泥炭呈海綿狀，草本泥炭呈纖維狀，木本泥炭為碎塊狀。

泥炭的顏色與植物、分解度和礦物質有關。例如，苔蘚泥炭呈黃色，分解轉變為腐植質呈黑色，含藍鐵礦呈藍色，含菱鐵礦呈淺綠色。

⑤泥炭的可燃性

泥炭具有可燃性，用發熱量表示。我國泥炭發熱量多在10-12MJ/Kg。

3、泥炭的類型

根據植物的組成，泥炭分為草本泥炭、木本泥炭和蘚類泥炭。

第二章 第一節 泥炭化作用

1、泥炭化的生物化學變化可分為兩個階段：生物化學分解和生物化學合成。

①植物殘骸中的有機化合物經氧化分解、水解，轉化為簡單的化學性質活潑的化合物。

②分解產物之間合成較穩定的有機化合物，如腐植酸、瀝青質。形成腐植酸的過程或作用稱為腐植化作用，腐植化作用不是生物作用，而是在氧化環境中的化學作用。

2、凝膠化作用

植物在泥炭化過程中經歷了腐植化作用后，繼而將經歷凝膠化作用；凝膠化作用是指植物的主要組成部分在泥炭化過程中經過生物化學變化和物理化學變化，形成以腐植酸和瀝青質為主要成分的膠體物質的過程。由於植物的木質素和纖維素在物理化學性質上都屬於凝膠體，吸水能力強，在還原環境中逐漸分解，細胞壁先吸水膨脹，胞腔縮小，最後完全喪失細胞結構，形成無結構膠體，或進一步轉化為溶膠；當電性、酸鹼性、溫度變化時，產生膠體化學變化，上述物質形成凝膠狀態。因為這一過程既有厭氧生物作用，又有膠體化學作用，所以又稱“生物化學凝膠化作用”。

3、絲炭化作用

當沼澤表面比較乾燥，氧供應充足的情況下，植物細胞壁中的木質素和纖維素在微生物參與下脫氫、脫水，碳含量增加，氧化到一定階段后植物遺體迅速轉入弱氧化或還原環境中，或被泥沙覆蓋后中斷氧化作用，這個過程稱為絲炭化作用。

如果絲炭化過程持續進行，將可能導致植物遺體全部分解。

當植物遺體存在氧化和還原環境交替變化時，絲炭化和凝膠化作用可能交替進行。需說明的是，當絲炭化作用充分形成絲炭物質后，凝膠化作用也就終止了。

第二節 殘植化作用

殘植化作用是泥炭化作用中的一種特殊情況。當泥炭沼澤水流暢通時，在長期供氧充足情況下，不穩定組分被充分分解，被流水帶走，穩定組分富集的過程。還有一種情況是，當沼澤潛水面下降，植物遺體沒有被水覆蓋而強烈氧化，造成穩定組分富集。

殘植化作用的產物經煤化作用形成殘植煤。

第三節 腐泥化作用

在湖泊、沼澤水深地帶、海灣、淺海等水體中，低等植物藻類和浮游生物遺體在還原環境中厭氧微生物的參與下，經過複雜的生物化學變化形成富含水分的有機軟泥。這個過程稱腐泥化作用。

低等植物經分解、縮合和聚合，形成富水棉絮狀的膠體物質，經脫水和壓實，形成腐泥。腐泥的顏色一般為黃色、暗褐色和黑灰色。

第四節 泥炭成分、性質不同的影響因素

1、植物群落

木本植物富含纖維素和木質素，易形成凝膠化物質，形成的煤以光亮煤為特徵；草本植物含有較多的纖維素和蛋白質，不穩定成分分解，穩定組分富集，形成富含穩定組分（殼質組）的煤，氫含量和焦油產出率高；苔蘚植物能分泌防腐劑，因此苔蘚類泥炭常保留較多的不穩定組分。

2、營養供應

根據植物生長的營養供應，可分為三種類型：富營養型、中營養型和貧營養型。

低位泥炭沼澤常形成富營養型泥炭，高位泥炭沼澤常形成貧營養型泥炭，中位泥炭沼澤常形成中營養型泥炭。

3、介質的酸度

酸度高不利於細菌生存，中性或弱鹼性有利於細菌繁殖。

富鈣的沼澤中，多以石灰岩為基底，喜氧細菌活躍，水生植物為主，形成的煤中S、N含量高，可能與硫細菌的強烈活動有關。

高位泥炭沼澤中，酸度高，加上蘚類可分泌防腐劑（酚類），不利於細菌生存，所以植物的細胞結構能保存下來。

4、氧化還原條件

泥炭的表層處於氧化環境中，容易被氧化形成絲炭；泥炭的底層處於還原環境中，容易形成鏡質組煤。

根據成煤的原始物質和堆積環境，煤分為三類：

①腐植類：腐植煤、殘植煤。高等植物在沼澤環境中形成。

②腐植腐泥類：腐植腐泥煤。高低等植物混合，在湖泊和沼澤環境中形成。

③腐泥類：腐泥煤。低等植物和少量動物在湖泊、沼澤深水部位形成。

第三章 煤化作用及煤的變質作用類型

第一節 煤化作用的階段和特徵

1、煤化作用的兩個階段

①煤的成岩作用

泥炭形成后，由於盆地沉降，在上覆沉積物的覆蓋下埋藏於地下，經壓實、脫水、增碳作用，逐漸固結，經過物理化學作用轉變成年輕的褐煤，稱為煤的成岩作用。在成岩過程中，木質素和纖維素繼續參與形成腐植酸，已形成的腐植質形成凝膠化組分。

②煤的變質作用

年輕的褐煤在較高的溫度、壓力和較長的時間作用下，進一步發生物理化學變化，變成老褐煤、煙煤、無煙煤和變無煙煤的過程。在這個過程中，腐植質不斷發生聚合反應，稠環芳香系統的側鏈減少，芳構化程度提高，分子排列更加規則。

2、煤化作用特點

①增碳化趨勢。揮發分減少，碳相對含量增加。

②結構單一化趨勢。泥炭階段含多種官能團，到無煙煤階段只含縮合芳核，最後演化為石墨。

③顯微組分均一化趨勢。

④具有不可逆性。

⑤發展的非線性。

⑥結構緻密化，定向排列化。

第二節 煤化作用的因素

1、溫度：受地熱梯度的影響。

2、時間：也是重要因素。

3、壓力：壓力不產生化學反應，但可以使煤的物理結構發生變化。例如孔隙率、水分含量降低，密度增加，有機大分子定向排列，光的反射率增加。

第三節 煤化程度指標

煤化程度指標，也稱煤化指標，煤級指標。常用的煤化程度指標如下：

①水分。一般情況下，從低煤級到中高煤級，水分減小。

②揮發分。在煙煤階段，隨煤化程度提高，揮發分降低。

③鏡質組反射率。隨煤化程度提高，鏡質組反射率增加。

④碳含量。隨煤化程度提高，C在有機質中的相對含量增加。

⑤氫含量。從無煙煤到變無煙煤階段，氫含量降低明顯。

⑥發熱量。發熱量與含水量有關，是低煤化階段煤化程度指標。

⑦殼質組熒光性。殼質組熒光性與反射率互為消長，是低煤化程度指標。

⑧X射線衍射。隨煤化程度提高，衍射曲線變陡，強度增加。

第四節 煤的變質作用類型

1、根據熱源的類型，煤的變質作用可分為三種類型：

①深成變質作用。主要是地熱引起，又稱區域變質作用。

②岩漿變質作用。由岩漿侵入產生的熱變質作用。

③動力變質作用。由構造運動產生的變質作用。構造運動產生的動壓力不直接產生化學反應，而摩擦生熱可以加速煤的變質作用。

2、希爾特定律

德國學者希爾特根據西歐煤田地質規律提出，在地層大致水平的情況下，深度每增加100米，煤的揮發分降低2.3%，即煤的變質程度隨埋藏深度的增加而提高。

1、煤的工業分類中的一些基本概念

①基的概念：基準，前提條件。例如d,ad,daf,dmmf,ar分別代表乾燥基、空氣乾燥基，乾燥無灰基、乾燥無礦物質基和收到基。

②煤的粘結性。是指煤粒（d<0.2mm）在隔絕空氣加熱后能否粘結其本身或惰性物質形成塊的能力。

③煤的結焦性。是指煤粒隔絕空氣加熱后能否生成優質焦炭的性質。

④煤的全水分。是煤的外在水分（表面水）和內在水分之和。外在水是空氣中乾燥失去的水分，剩下的是內在水。

⑤揮發分。空氣乾燥基煤樣在900℃條件下隔絕空氣加熱7分鐘后減少的質量扣除水和二氧化碳的質量。常用乾燥無灰基揮發分表示。Vdaf/%

⑥灰分：空氣乾燥基煤樣加熱到815℃完全燃燒后殘餘物的質量。

⑦彈筒發熱量。是指單位質量的煤在充有過量氧氣的彈筒中燃燒，最終產物為25的二氧化碳、氧氣、氮氣、硝酸、硫酸、液態水和固態灰時放出的熱量。

⑧高位發熱量。是指單位質量的煤在充有過量氧氣的彈筒中燃燒，最終產物為25的二氧化碳、氧氣、氮氣、二氧化硫、液態水和固態灰時放出的熱量。其數值等於彈筒發熱量扣除硝酸和硫酸的形成熱。

⑨低位發熱量。是指單位質量的煤在充有過量氧氣的彈筒中燃燒，最終產物為25的二氧化碳、氧氣、氮氣、二氧化硫、氣態水和固態灰時放出的熱量。其數值等於高位發熱量扣除水的汽化熱。

2、煤的用途

火力發電31%，工業鍋爐31%，民用20%，煉焦8%，蒸汽機4%，煤化工3%，出口3%

3、煤的工業分類依據

根據煤化程度指標（揮發分等）和熱加工工藝性質（粘結性、發熱量等）。

4、中國煤炭分類表及說明

①煤的數碼編號說明：十位數表示乾燥無灰基揮發分的大小，個位數表示它的粘結性大小。十位數字大，表示揮發分高；個位數字大，表示粘結性高。

②無煙煤分類：3個編號。

③煙煤分類：24個編號

揮發分10-20%，20-28%，28-37%，37%以上，分別為低、中、中高和高揮發分。

粘結指數G 0-5，5-20，20-50，50-65，65以上，分別為不粘、弱粘、中低粘、中高粘和強粘結性。

④褐煤分類：2個編號

⑤中國煤的分類

14大類：褐煤、長焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、氣煤、氣肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤、貧煤和無煙煤。

17小類

5、煤的可選性及評價方法

①選煤的概念

利用煤與礦物雜質物理化學性質的不同，設法除去礦物雜質，提高煤質量規格的過程。

②選煤方法

主要是重力選煤，利用煤與礦物雜質密度的不同，採用跳汰選煤或重介質洗煤。

③煤的可選性

把礦物雜質從煤中分離出來達到工業用煤要求的難易程度。用±0.1臨近密度物產率表示。

④評價方法

篩分試驗和浮沉試驗。

煤岩學

第一節 宏觀煤岩組成及煤的物理性質

1、宏觀煤岩成分：肉眼可以區分的煤的基本組成單位。

①鏡煤。顏色深黑，光澤最強，貝殼狀斷口，內生裂隙發育，呈條帶狀或透鏡狀，由植物的木質纖維組織經凝膠化作用形成，是一種簡單的宏觀煤岩成分。

②絲炭。顏色灰黑，纖維狀結構，絲絹光澤，疏鬆多孔，被礦物充填后堅硬緻密，比重較大，由植物的木質纖維組織經絲炭化作用形成，也是一種簡單的宏觀煤岩成分。

③亮煤。亮煤是複雜的宏觀煤岩成分，由植物的木質纖維組織經凝膠化作用，並摻入一些由風或水帶來的礦物雜質形成。光澤和亮度僅次於鏡煤，斷面平坦，內生裂隙不如鏡煤發育，常呈較厚分層，是最常見的宏觀煤岩成分。

④暗煤。暗煤是複雜的宏觀煤岩成分，富含殼質組、惰質組或礦物質，光澤暗淡，灰黑色，緻密堅硬，比重大，韌性大，不易破碎，斷面粗糙，一般不發育內生裂隙。較為常見。

2、宏觀煤岩類型

按宏觀煤岩成分組合及其反映出來的平均光澤強度劃分為4種宏觀煤岩類型。

①光亮煤。主要由鏡煤和亮煤組成（大於80%）。

②半亮煤。亮煤和鏡煤佔多數（50-80%）。

③半暗煤。亮煤和鏡煤佔20-50%，硬度、韌性、比重較大。

④暗淡煤。鏡煤與亮煤小於20%，硬度、韌性、比重大。

二、煤的物理性質

1、光學性質

①顏色：表色、粉色、體色、反射色、反射熒光色

表色指普通白光照射下煤表面反射的顏色。

粉色指煤研成粉末或用鋼針刻劃煤表面形成條痕的顏色。又稱條痕色。

體色指把煤表面磨光，在顯微鏡下觀察反射光的顏色。

反射熒光色：把煤表面磨光，用藍光或紫外光激發后呈現的顏色。

②光澤。煤的新鮮斷面的反光能力。與煤成因、煤岩成分、煤化程度和風化程度有關。鏡煤→亮煤→暗煤→絲炭，光澤減弱。隨煤級增高，光澤增強。

③反射率、折射率和吸收率

煤的反射率是在垂直照明條件下，煤岩組分磨光面的反射光強度與入射光強度之比。

煤的折射率是在光線入射煤的界面時，入射角和折射角的正弦之比。

煤的吸收率是被吸收的光能與入射光能量之比。

2、機械性質

①硬度。抵抗硬物壓入表面的能力，分為刻劃硬度、壓痕硬度和磨損硬度。

刻劃硬度指用標準礦物刻劃煤得到的相對硬度。

壓痕硬度指用專門的儀器測定的煤的顯微硬度。

抗磨硬度指用煤磨光面上耐磨阻力的大小表示的硬度。

②脆度。物體受外力作用后破碎的性質。脆度大，韌性差，與硬度不直接相關。焦煤脆度最大。

③可磨性。研磨的難易程度。煤的可磨性係數指風乾狀態下將相同重量的標準煤樣和試驗煤樣由相同粒度研磨到相同細度所消耗的能量比。

④壓縮性。煤在恆溫加壓下體積變化的百分數。

⑤斷口。煤受力后斷開的截面。

⑥比重、密度。

⑦比表面積。每克煤具有的總表面積。M2/g

可採用濕潤法、BET法、Langmuir等溫吸附法、氣相色譜法。褐煤和無煙煤比表面積最大。

⑧孔隙率。煤中孔隙和裂隙總體積與煤總體積之比，又稱孔隙度。

⑨導電性。通常用電阻率表示。與煤化程度、水、礦物質、孔隙度和風化程度有關。

⑩磁性。煤是抗磁性物質。

⑾導熱性。煤的比熱介於水和礦物之間。水比熱大，礦物比熱小。

三、煤中的裂隙

1、內生裂隙：凝膠化物質在溫度、壓力作用下均勻收縮產生內張力而形成的裂隙。與層理面垂直發育兩組。

2、外生裂隙：後期構造應力作用的產物，與層理面呈不同角度相交，裂隙內有煤屑。

四、煤的結構與構造

1、煤的結構分為原生結構和次生結構。原生結構指煤化作用過程中未經構造運動作用形成的煤結構。次生結構指煤層遭受構造運動后的結構，包括碎裂、碎粒、縻棱結構。

2、煤的構造

煤作為一種沉積岩，具有沉積構造，包括層理、波痕等；有些不具有層理特徵，呈塊狀構造。原生構造經構造運動后產生次生構造，如滑動鏡面、鱗片狀構造、揉皺構造等。

第二節 煤的顯微組成

一、煤的有機顯微組分

1、鏡質組。由植物的木質纖維組織在還原條件下經凝膠化作用形成。鏡質組分為結構鏡質體、無結構鏡質體和碎屑鏡質體。保存有植物細胞結構的稱為結構鏡質體，沒有植物細胞結構的稱為無結構鏡質體，呈碎屑狀分佈的稱為碎屑鏡質體。

2、惰質組。又稱絲質組，是木質纖維組織在氧化環境下經絲炭化作用形成。C含量高，芳構化程度高，較硬，反射率高，揮發分低，無粘結性。

3、殼質組。又稱穩定組，類脂組。殼質組還有大量脂肪族成分，氫含量高，加熱時產生大量的焦油和氣體。粘結性較差或沒有，具有熒光性。

二、煤的無機顯微組分

1、煤中礦物質來源

①原生礦物。植物通過根吸收的礦物質。

②同生礦物。由風、水攜帶與泥炭同時沉積的礦物質。

③後生礦物。煤層形成后，由於水或岩漿的侵入形成於煤體內的礦物。

2、煤中礦物質種類

粘土礦、碳酸鹽礦、氧化物、硫化物、氫氧化物等。

第三節 煤岩學應用

1、根據煤層剖面、生物化石、煤核可以推斷煤層沉積史。

2、根據煤層形成曲線可以推斷沉積歷史。

3、利用同等深度不同變質程度可以推斷構造運動史。

第四節 煤岩學研究方法

一、宏觀研究方法

肉眼觀察煤層剖面，繪製煤岩柱狀圖，描述分層名稱、厚度、結構、構造、礦物質等。

二、顯微研究方法

1、顯微煤岩組分定量

煤粒d≤1mm，平均d=0.8mm

2cm 顆粒數約為25×25=625

2cm

測量步距0.6mm時，測量點數是33×33=1089。統計原則：以目鏡十字絲交點下組分進行統計，十字絲交點下沒有顯微組分的不統計。判斷原則：如果十字絲交點落在組分邊界時，按充滿某個象限的組分參與統計。

2、顯微煤岩類型定量

目鏡插入網格微尺，網格數20，網格尺寸0.5mm×0.5mm，測量步距0.6mm。統計原則：網格與煤粒交叉點數在10個以上時參與統計。數據點的判斷原則：①礦物點數<20%且無硫化物時，該數據點定為顯微煤岩；②礦物點數>50%或硫化物點數>15%重疊點數時，該點定為礦物體；③其它數據點定為微礦質煤。

3、顯微組分和顯微煤岩類型綜合分析

在目鏡中插入網格微尺，以網格微尺某一點作為十字絲，綜合前面的統計和判斷依據進行統計和分析。

三、煤的反射率測定

顯微光度計

四、儀器設備

1、自動顯微光度計

根據灰度值計算出反射率，判斷煤化程度、顯微組分或煤岩類型。

2、掃描電子顯微鏡：用於研究固體的表面形態。

3、核磁共振：特定的原子核在特定的外加磁場中，只吸收特定頻率的射頻能量。用於研究煤分子的化學結構。芳香度改變，相當於外加磁場改變，被吸收的射頻頻率也改變。

4、電子順磁共振

第五章 含煤沉積體系

1、含煤岩系的概念

是指充填於盆地內含有煤層的具有共生關係的沉積總體。含煤岩系的顏色主要由灰色、灰綠色和黑色組成，岩石類型包括砂、泥岩、炭質泥岩、灰岩、煤等。

2、煤層形成的條件

煤層的前身是泥炭層，泥炭層的形成和保存與沼澤中的水位密切相關，根據植物遺體的堆積速度和沼澤水面的上升速度對比，可分為三種情況，又稱為三種補償方式：過度補償、均衡補償和欠補償。

3、煤層的結構

煤層包含煤分層和岩石夾層，煤層內不含夾石層者稱為簡單結構煤層，煤層內含夾石層者稱為複雜結構煤層。

4、煤層的底板和頂板

煤層底板以泥岩、粘土岩最為常見，富含植物根莖化石，俗稱根土岩；如果底板為礫岩或石灰岩，則為植物遺體異地沉積。根土岩含有伊利石、蒙脫石、高嶺石和其他粘土礦物，呈灰白色。

煤層頂板的岩石類型有多種，最常見的是泥岩、砂岩和石灰岩，與沉積環境有關。例如，我國華北石炭二疊紀含煤岩系太原組是海進型充填序列，成煤環境主要為瀉湖-障壁島體系，發育石灰岩頂板。華北地區山西組為海退型充填序列，成煤環境主要為三角洲、河流體系，煤層頂板為湖相泥岩、衝擊相砂岩。

5、煤層中的結核、包體和化石

頂板為海相沉積物的煤層，煤層中、頂部常見黃鐵礦結核，煤層下半部常見硅質結核。

泥炭中混入外來漂礫，形成包體。

煤層中有時可見到動植物化石。

6、煤層厚度、形態及其控制因素

煤層總厚度、有益厚度、可采厚度、可採煤層、厚度級別

煤層形態控制因素：泥炭沼澤基底形狀、沉積環境（沖積扇、河流、湖泊、三角洲、瀉湖-障壁島）、同期構造變動（河流或湖泊相碎屑沉積體侵入煤層產生煤層分叉現象、基底發生斷裂、褶皺）、後期構造變動（褶皺、斷裂、岩漿侵入、岩溶陷落柱）

7、含煤沉積體系

山地沖積扇地帶沉積體系成煤特徵：扇間、扇內或扇前盆地可形成煤層，側向連續性差

河流沉積體系成煤特徵：岸后沼澤和廢棄河道有利於形成煤層

湖泊沉積體系成煤特徵：湖泊淤淺過程中，沉積粒度下細上粗

三角洲沉積體系成煤特徵：上三角洲平原地帶，近河岸由於決口扇沉積而出現煤層分岔和灰分增高現象，多形成低硫煤；下三角洲平原，受海水和潮汐影響明顯，煤層頂板多為海相沉積，硫分含量高。

瀉湖-障壁島沉積體系成煤特徵：瀉湖淤淺沼澤化形成煤層，厚度變化較大，煤層硫分含量較高。

第六章 聚煤盆地與聚煤規律

1、根據聚煤盆地的形成條件，分為凹陷型聚煤盆地，斷陷型聚煤盆地和構造侵蝕型聚煤盆地。

①我國華北石炭二疊紀聚煤盆地是一個比較典型的波狀凹陷型聚煤盆地。盆地南側是秦嶺-大別山構造帶，盆地北側是陰山構造帶，總體是一個西北向東南方向緩傾斜的簸箕狀盆地，呈現“東西向分帶，南北向遷移”的格局。

②斷陷型聚煤盆地。由斷裂作用和斷塊沉陷作用形成。

③侵蝕型聚煤盆地。基底為具有剝蝕面的凹地。

2、聚煤盆地的演化

①聚煤盆地的演化受古植物、古氣候、古地理和古構造的影響。

②盆地內存在不均勻沉降現象。

③聚煤盆地在構造運動、海水進退和氣候影響下，具有側向遷移現象。

涉及的辭彙：海進、海退、海退退覆、超覆、進積（海退時）、退積（海進時）、沉積基準面

3、聚煤規律

在古植物、古氣候、古地理和古構造影響下，聚煤作用總是發生於盆地中的一定部位，在時空上表現出一定的規律性。

①富煤帶。指煤層發育較好、相對富集的塊段，在空間上具有帶狀分佈的特點。

②富煤中心。富煤帶內煤層厚度較大的部位。

一般情況下，大型盆地富煤帶呈圓形或橢圓形，受地質構造控制時沿構造線延展方向展布。

4、成煤作用研究

受海水影響的煤中，硫含量高，黃鐵礦含量高，富集雲母、白雲石、方解石和磷灰石等礦物。

具有海相頂板的煤層，由於是深水環境，暗煤發育。

第七章 煤的伴生礦產資源

第一節 油頁岩

油頁岩中的有機物質幾乎完全由藻類遺體組成，油頁岩的形成環境主要為靜水沉積還原環境。

第二節 煤層氣

1 煤炭資源的概念

具有開採價值的煤炭儲層稱為煤炭資源。

2 煤炭資源的分級

按照認識和掌握的程度，分為2個級別：保有儲量和預測儲量。根據1997年統計資料，保有儲量為1萬億噸，1000米以淺的預測儲量為1.8萬億噸，1000米以淺的煤炭資源總量為2.8萬億噸；2000米以淺的預測儲量為4.6萬億噸，2000米以淺的資源總量為5.6萬億噸。

3 煤炭資源的分區

根據地理位置，分為4個區：華北區，西北區，東北區和華南區。

①華北區：煤炭資源量排第一，佔全國的50%。覆蓋的省份：長江以北的中原地帶，北到內蒙古。煤系地層以侏羅紀和石炭二疊紀地層為主，煤階以長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤為主。

②西北區：煤炭資源量排第二，佔全國的35%。覆蓋的省份：新疆、甘肅和寧夏。煤系地層以侏羅紀地層為主，煤階以長焰煤為主。

③東北區：煤炭資源量排第三，佔全國的7%。覆蓋的省份：東北三省。煤系地層以白堊紀地層為主，煤階以褐煤為主。

④華南區：煤炭資源量排第四，佔全國的6.8%。覆蓋的省份：長江以南的省份，主要是雲南、貴州、四川、江西和湖南等。煤系地層以二疊紀地層為主，煤階以氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤為主。

4 按省份排名：新疆1.9萬億噸，內蒙古1.4萬億噸，山西0.6萬億噸，陝西0.3萬億噸，貴州0.2萬億噸。

煤層氣資源的概念

具有經濟開發價值的煤層氣儲層稱為煤層氣資源。

煤層氣資源的分級

按照認識和掌握的程度，分為3個等級：探明儲量、預測儲量和遠景資源量。

探明儲量是指已經進行勘探開發實驗，已經全部掌握資料的儲量。

預測儲量是指已經掌握部分資料，計算得出的資源量。

遠景儲量是指根據地質規律、物探資料，利用統計學或類比的辦法估計的資源量。

根據1997年資料，全國煤層甲烷含量≥4M/T，埋深2000m以淺的煤層氣資源總量為14萬億M，其中，預測儲量為1萬億M，遠景資源量為13萬億M。

煤層氣資源的分區

按照地理位置，分為4個區：華北區，華南區，東北區和西北區。

①華北區：9.5萬億M，排第一。

②華南區：4.1萬億M，排第二。

③東北區：0.4萬億M，排第三。

④西北區：0.2萬億M，排第四。

按省份排名

：山西，貴州，陝西，甘肅和河南。

煤層氣資源量的計算

式中：——煤層氣資源量；M

——計算面積；M

——煤層厚度；M

——煤的視密度；T/ M

——煤層無水基瓦斯含量。M/T

中國煤層氣資源的含氣性評價

含氣性評價的4個參數

含氣量，瓦斯濃度，資源丰度和含氣飽和度。

含氣量：是指1噸煤中的瓦斯含量。M/T

瓦斯濃度：是指甲烷分子占氣體分子總量的百分比。

資源丰度：是指從地理分佈看，每平方公裡面積範圍內的資源量。M/KM

含氣飽和度：是指由於某些煤層內含水，導致實際含氣量低於同等溫度和空隙壓力條件下的無水基飽和含氣量，實際含氣量與無水基飽和含氣量之比為含氣飽和度。

中國煤層氣含氣性評價

①含氣量：華南>東北>華北>西北

②瓦斯濃度都接近90%。

③資源丰度：西北>東北>華北>華南

④含氣飽和度：東北>華南>華北>西北

就煤層氣資源評價而言，資源丰度的意義更重要。厚度大而含氣量低的煤層同樣具有開發價值，使用資源丰度指標作為唯一指標，可以避免多重指標產生的不協調矛盾。

四、中國煤層氣資源的地面開發簡述

中國的煤層氣開發始於上個世紀90年代中期。90年代以前，中國將礦井瓦斯看作是影響煤礦安全生產的有害氣體；90年代以後，中國成立了中聯煤層氣有限公司，與美國煤層氣開發公司合作，開發中國的煤層氣。90年代中期，首先在山西沁水聚氣區打了第一口井，進行煤層氣開發實驗，以後相繼在內蒙古、新疆、東北、安徽、貴州等地進行煤層氣開發實驗。從開發的效果來看，山西省煤層氣開發效果較好，其它地方較差。原因很多，其中主要的原因是煤層氣的賦存和運移環境差異較大，山西沁水聚氣區與美國的煤層氣聚氣區有相似性，可以直接利用美國的煤層氣開發經驗和技術，而其他地方地質條件差異大，開採的效果不理想。中國不僅是煤炭大國，也是煤層氣大國，煤層氣資源量佔世界第三，有著巨大的開發潛力。

第三節 伴生微量元素

煤中微量元素的聚集決定於成煤原始物質組成、成煤環境，以及經歷的物理化學和地球化學作用。煤中微量元素的富集基本是化學和物理的吸附作用，即成煤物質分解所形成的腐殖酸和腐植質具有很高的吸附能力；金屬有機絡合作用也影響元素富集和遷移。成煤環境中酸鹼度和電位值也影響元素的聚集和分散。煤中微量元素的富集受接觸變質作用和區域變質作用的影響。

第四節 碳瀝青

碳瀝青是油氣演化系列的產物，由早古生代菌藻類低等生物遺體在滯流水環境下堆積，隨埋藏深度和地溫的增加，有機質形成油氣，輕質部分逸散，重質部分形成碳瀝青。

古地理構造和聚煤期

早古生代繼承了新元古代的古構造輪廓。早古生代經歷了加里東構造運動，在中國東南部形成北東向加里東地槽，中國東南部產生早古生代腐泥質石煤；秦嶺和陰山廣大地區隆起，為華北石炭二疊紀聚煤盆地形成了良好的基底條件。早古生代末期，中國東南形成加里東期武夷雲開褶皺，揚子陸塊增生。

晚古生代大部分繼承了早古生代的構造輪廓，華北地區仍處於隆起剝蝕狀態。泥盆紀開始海侵，到晚石炭紀，海水漫及華北陸塊，形成濱海含煤建造，華南為碳酸鹽岩建造。二疊紀時，內蒙古-大興安嶺海槽閉合、隆起，華北地區成為過渡相和陸相含煤沉積體系，華南仍為廣海碳酸鹽岩建造。晚古生代海西運動，中國的天山、祁連山、秦嶺和大興安嶺地槽褶皺回返，形成東西走向巨大山系，秦嶺-崑崙以北廣大地區隆起，並轉化為內陸環境；東南沿海大陸增生；形成“南海北陸”古地理面貌。

晚古生代末到早中生代早期的三疊紀印支運動，改變了中國“南海北陸”的局面，西北“雪山海槽”全部褶皺隆起，陸地向西南方向增生，海水退至中國西南西藏一帶，長江中下游和華南大部分由淺海轉為陸地，中國南北陸地連為一體。

印支運動以後，中國東部形成北北東向巨大隆起和凹陷帶，以大興安嶺、太行山、武陵山為界，西部發育晚三疊紀和早中侏羅紀大型聚煤盆地，內陸湖泊相沉積；東部的華北地區發育早中侏羅紀小型凹陷煤盆地，華南發育晚三疊狹長海灣成煤環境，東北發育晚侏羅紀和早白堊紀斷陷和凹陷煤盆地。

侏羅紀和白堊紀期間的燕山運動之後，北京附近的燕山褶皺隆起，大興安嶺、太行山和雪峰山以西的內陸盆地相對穩定，如鄂爾多斯、四川、准葛爾、塔里木等盆地在中生代期間連續接受河、湖相沉積，盆地外圍是古生代地槽，上述一線以東，構造活動強烈，發育大量北東向褶皺斷裂和小型斷陷，並伴隨東南沿海一帶岩漿侵入和火山運動。

新生代以來的造山運動是第三紀的喜馬拉雅山構造運動，在印度板塊的擠壓下，中國西南強烈褶皺隆起。

早古生代煤形成於濱海-淺海環境，為菌藻類轉化成的腐泥煤；晚古生代以濱海環境為主，中、新生代以內陸盆地為主。

主要聚煤期的古氣候：

1、晚古生代聚煤期

二疊紀植物分區明顯。我國大部分為亞熱帶濕潤氣候帶，發育華夏植物群；東北和西北發育溫帶半潮濕安加拉植物群，藏南發育溫帶和冷溫帶半潮濕岡瓦那植物群，華北地區為亞熱帶半潮濕氣候；晚二疊紀時，華北地區南部為溫暖潮濕氣候，發育煤層和紫斑泥岩，西北和華北大部氣候乾燥。

2、中生代聚煤期

三疊紀時，西北和華北為溫帶半潮濕氣候。

早中侏羅紀時，古地中海海洋氣團東進，西北氣候濕潤，降雨量增加，為重要的聚煤盆地；

晚侏羅紀到早白堊紀時，南方為熱帶、亞熱帶乾旱氣候，沉積紅層；陰山以北為溫帶氣候；東北受太平洋影響，濕潤多雨，植物繁茂，為斷陷煤盆地。

3、新生代聚煤期

新生代以來，我國從北向南依次為暖溫帶、亞熱帶和熱帶，隨青藏高原隆起，歐亞大陸內地乾燥；受太平洋和印度洋影響，東北和西南發育第三紀聚煤盆地。

中國煤的埋藏地質條件

1、東北區

含煤地層主要是晚侏羅紀-早白堊紀，聚煤盆地的形成大多與中國東部大規模的斷陷作用有關，使盆地呈現半地塹或地塹式構造。這些斷陷盆地都是在隆起的基礎上發育，經常成群出現。

2、華北區

自中奧陶世以後，華北地區經過長期剝蝕，地台穩定期的海侵作用廣泛發生，晚古生代近海型煤系遍布全區。上石炭-下二疊統為主要含煤層段；上二疊統累計厚度近千米，僅淮南一帶上石盒子組仍含可採煤層。中生代和新生代，隨著地台解體，內部塊斷運動加強，構造東、西分異明顯，沉積盆地及聚煤區域自西向東規模變小。

3、西北區

印支運動期后，即三疊紀之後，在西北形成早中侏羅紀山間聚煤盆地。燕山和喜山運動使煤層埋深增加。

4、南方區

雲貴川保存大量古生代煤。

楊起（1919-2010），1943年畢業於西南聯合大學。1946年北京大學研究生畢業。中國科學院院士，中國地質大學教授，主編《中國煤田地質學》、《煤田地質學》等教材，創辦我國第一個煤田地質學專業。

韓德馨（1918-2009），1942年畢業於西南聯合大學，1943－1945年北京大學研究所進行研究工作。1950年畢業於美國密歇根大學研究院。中國礦業大學教授，中國工程院院士，主編的《中國煤田地質學》、《中國煤岩學》等專著和教材