煤地質(zhì)學—-煤化作用

1、2024/3/19,1,第三章 煤化作用,第1節(jié).煤化作用的階段第2節(jié).煤化作用的特點第3節(jié).煤化作用的影響因素第4節(jié).煤的變質(zhì)指標和變質(zhì)階段的劃分第5節(jié).煤的變質(zhì)作用類型,2024/3/19,1,高等植物從死亡到變成泥炭過程 → 泥炭化作用低等植物從死亡到變成腐泥過程 → 腐泥化作用泥 炭（腐 泥）變成褐煤的過程 → 成 巖 作 用褐煤 → 煙煤 →無煙煤的過程 →

2、 變 質(zhì) 作 用,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,成煤作用,高等植物低等植物,,沼澤,湖泊或淺海,泥炭腐泥,,煤褐煤→煙煤→無煙煤,地下,,,,,,石墨,泥炭（腐泥）化作用,成巖作用,變質(zhì)作用,,煤化作用,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,石墨,煤褐煤→煙煤→

3、無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,煤

4、化作用,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,泥炭（腐泥）化作用,煤化作用,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,泥炭（腐泥）化作用,煤化作用,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,高等植物低等植物,泥炭（腐泥）化作用,煤化作用,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐

5、煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,2024/3/19,2,第三章 煤化作用,第三章 煤化作用,煤作為一種可燃有機巖石，對溫度和壓力的反應比無機礦物靈敏得多，由于近代各種指示不同物理化學的煤化作用程度指標測試技術迅速發(fā)展，更加促進人們應用煤化作用的各種特征來研究和解決地質(zhì)問題，以及煤炭資源的加工利用問題。 近年來煤化作用研究在煤盆地的構(gòu)造形成與演化中已得到廣泛地應用，例如確定沉積盆地原始邊

6、界、分析盆地形成的古構(gòu)造格局及演化、闡明盆地形成后的構(gòu)造形變、盆地熱演化的研究，以及確定地層剝蝕厚度、研究大規(guī)模構(gòu)造形變、研究推覆構(gòu)造的形成與演化、確定斷裂變形特征、研究古地溫、圈定隱伏侵入體、分析淺層變質(zhì)作用、找油氣及找煤層甲烷資源等。,2024/3/19,3,2024/3/19,4,,一、煤的成巖作用 二、煤的變質(zhì)作用,第一節(jié) 煤化作用的階段,2024/3/19,5,,1、煤的成巖作用 泥炭形成后，由于盆地的沉降，在

7、上覆沉積物的覆蓋下被埋藏于地下， 經(jīng)壓實、脫水、增碳作用，游離纖維素消失，出現(xiàn)了凝膠化組分，逐漸固結(jié)并具有了微弱的反射力，經(jīng)過這種物理化學變化轉(zhuǎn)變成年輕褐煤。這一轉(zhuǎn)變所經(jīng)歷的作用稱為煤的成巖作用。,一、煤的成巖作用,2024/3/19,6,,在成巖作用中，煤受到復雜的化學煤化作用和物理煤化作用： （1）化學煤化作用：主要反映在泥炭內(nèi)的腐植酸、腐植質(zhì)分子側(cè)鏈上的親水官能團，以及環(huán)氧數(shù)目不斷地減少，形成各種揮發(fā)性產(chǎn)物，并導致碳

8、含量增加，氧和水分含量減少。,一、煤的成巖作用,2024/3/19,7,,一、煤的成巖作用,2024/3/19,8,,（2）物理煤化作用：主要反映在發(fā)生了物理膠體反應，即成巖凝膠化作用，從而使未分解或未完全分解的木質(zhì)纖維組織，不斷轉(zhuǎn)變?yōu)楦菜?、腐植質(zhì)，使已經(jīng)形成的腐植酸、腐植質(zhì)變?yōu)楹谏哂形⑷豕鉂傻哪z化組分。成巖作用中，絲炭化組分和穩(wěn)定組分也發(fā)生了變化。,一、煤的成巖作用,2024/3/19,9,,2、煤的變質(zhì)作用 煤的

9、變質(zhì)作用是指年輕褐煤，在較高的溫度、壓力及較長地質(zhì)時間等因素的作用下，進一步受到物理化學變化，變成老褐煤(亮褐煤)、煙煤、無煙煤、變無煙煤的過程。 （1） 化學煤化作用：表現(xiàn)為腐植物質(zhì)進一步聚合，失去大量的含氧官能團，腐植酸進一步減少，使腐植物質(zhì)由酸性變?yōu)橹行?，出現(xiàn)了更多的腐植復合物。,二、煤的變質(zhì)作用,2024/3/19,10,,（2）物理煤化作用：表現(xiàn)為結(jié)束了成巖凝膠化作用，形成凝膠化組分，植物殘體己不存在，

10、穩(wěn)定組分發(fā)生瀝青化作用，使葉片表皮蠟質(zhì)和孢粉質(zhì)的外層脫去甲氧基，形成易軟化、塑性強，具粘結(jié)性的瀝青質(zhì)，并開始具有微弱的光澤。 在溫度、壓力的繼續(xù)作用下，腐植復合物不斷發(fā)生聚合反應，使稠環(huán)芳香系統(tǒng)不斷加大，側(cè)鏈減少，不斷提高芳香化程度和分子排列的規(guī)則化程度，變質(zhì)程度不斷提高，進而轉(zhuǎn)變?yōu)闊熋骸o煙煤和變無煙煤。,二、煤的變質(zhì)作用,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,第二節(jié)、煤化作用的特點,2

11、024/3/19,11,2024/3/19,12,,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,1、煤的成分變化(一) 元素組成方面 （1）增碳化趨勢 隨著煤化程度的增加，煤中揮發(fā)物減少，碳含量增加，但以褐煤至氣煤階段和無煙煤階段增高的幅度最大（圖3.1）。即由泥炭階段含有C、H、O、N、S五種主要元素，演變到無煙煤階段基本上只含碳一種元素。因此，煤化作用，又稱作異種元素的排出過程。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化

12、,（2）氫、氧含量減少 隨著煤化程度的增加，氫、氧含量減少，氫含量在碳含量大于87%（Vr為29%）時減少特別急劇，而氧含量在碳含量小于87%時比較顯著（圖3.2）。（二）原生腐植酸的含量 原生腐植酸的含量在泥炭與年輕褐煤階段最高，隨著成巖作用的加強，腐植酸逐漸變成腐植質(zhì)，而到了長焰煤階段腐植酸已經(jīng)完全消失（圖3.3）。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)

13、的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,13,（三）甲烷生成量的變化 甲烷生成量的變化隨著煤化程度的增高而遞增（圖3.4）。（四）煤的結(jié)構(gòu)致密化和定向排列的趨勢 煤化作用過程實際上是依序排除不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的過程。在煤化過程中，煤的芳香化程度逐漸提高，芳香族物質(zhì)逐漸縮合成較大的聚合體，脂肪族成分逐漸脫落并以揮發(fā)物形式逸出，分子排列逐漸定向化（圖3.5）。,一、煤化過程中煤的

14、成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,14,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,15,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,16,煤的結(jié)構(gòu)上主要表現(xiàn)為芳香族稠環(huán)體系的縮合度進一步增加，側(cè)鏈更加減少，芳香單元直徑加大，層系間空間減小，使得順層面三維的定向排列更

15、加緊密。,低煤級,高煤級,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,17,（五）煤顯微組分性質(zhì)的均一性 在煤化作用的低級階段，煤顯微組分的光性和化學組成結(jié)構(gòu)差異顯著，也就是說具有不同的煤化作用軌跡（圖3.6）。但隨著煤化作用的進行，只是在高變質(zhì)階段，這些差異趨于一致，變得愈來愈不易區(qū)分。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,18,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤

16、的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,18,2024/3/19,18,2024/3/19,18,例如：絲炭化組分中的碳、氫、氧含量在煤化過程中最為穩(wěn)定，鏡質(zhì)組分次之，孢子體等最不穩(wěn)定；煤的揮發(fā)分產(chǎn)率、反射率（圖3.7）以及真比重等的變化梯度以殼質(zhì)組為最大，惰性組最小，到高變質(zhì)階段則漸趨一致（圖3.8） ，煤化過程中各種顯微組分吸附水分的能力都逐漸降低，其中以鏡質(zhì)最為顯著，但到中變質(zhì)階段時彼此已接近一致。此外，煤的粘結(jié)性的變化主要取決于

17、鏡質(zhì)和殼質(zhì)組，因為惰性組在任何煤化階段均無粘結(jié)性。鏡質(zhì)的粘結(jié)性以肥、焦煤階段最高；殼質(zhì)組的粘結(jié)性在老褐煤階段開始出現(xiàn)，到焦煤階段已消失，最大值大致在氣煤階段。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,19,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,20,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2、煤的性質(zhì)變化（一）煤的工藝性質(zhì)方面

18、 （1）隨煤化程度的增高，揮發(fā)分逐漸降低（圖3.9）。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,21,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,21,2024/3/19,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/3/19,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,（2）隨著煤化程度的增高，水分自褐煤至焦煤階段逐漸降低，在焦、瘦煤界線上

19、達到最小值，由瘦煤至無煙煤階段又略有增加（圖3.10）；發(fā)熱量值的變化恰與水分相反，自褐煤至焦煤階段逐漸增加，在焦、瘦煤界線上達到最大值，由瘦煤至無煙煤階段又略有減少（圖3.11）。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,22,（3）粘結(jié)性則以焦、肥煤階段為最強，這可從膠質(zhì)層厚度和羅加指數(shù)的變化曲線上明顯的看出（圖3.12、3.13）。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的

20、變化,23,2024/3/19,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,23,2024/3/19,（二）煤的物理性質(zhì)方面 煤化過程中，煤的物理性質(zhì)亦作規(guī)律性的變化。 （1）隨著煤化程度的增高，煤的顏色由褐色變?yōu)楹谏俚胶诨疑环勰﹦t由淺褐色到黑色和深黑色； （2）隨著煤化程度的增高，光澤也逐步增強，年輕褐煤一般不具光澤，由老褐煤開始到無煙煤階段

21、依次出現(xiàn)瀝青光澤、玻璃光澤、金剛光澤和似金屬光澤；在中變質(zhì)階段之前，各種煤巖類型之間光澤的差別較大，而到高變質(zhì)階段則漸趨一致； （3）煤的鏡質(zhì)組反射率隨煤化程度的增高而加大，到無煙煤階段尤為明顯；,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,24,2024/3/19,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,24,2024/3/19,（4）隨著煤化程度的增高，煤的硬度變化也很明顯，肥煤和焦煤的硬

22、度最小，無煙煤最大，而長焰煤、氣煤與貧煤的硬度相近，僅次于無煙煤；,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,（5）脆度以中變質(zhì)階段的焦、瘦煤為最大（圖3.14）；,25,2024/3/19,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,（6）內(nèi)生裂隙數(shù)呈曲線變化，最大值在焦煤階段（圖3.15 ）；（7）煤的顯微鏡下的特征也隨煤化程度的增高而變化。透明度逐漸降低，反射率增強，各顯

23、微組分差異變??；,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,26,2024/3/19,（8） 煤的導電性在煙煤階段增長很慢，電阻率常為2000—200歐姆-米，而無煙煤則增長很快，電阻率常為50—0.1歐姆-米（圖3.16）。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,27,2024/3/19,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,27,2024/3/19,煤化過程中，煤的化學組

24、成和物理結(jié)構(gòu)的變化是既有區(qū)別又有聯(lián)系的。也就是說“化學煤化作用”和“物理煤化作用”基本上是平行進行的，但也不也完全一致。 煤化作用不同階段物理—化學變化的表現(xiàn) 1.煤的成巖階段 2.成巖和變質(zhì)作用過渡的老褐煤階段 3.煤變質(zhì)作用階段,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,,四次煤化作用躍變（煙煤和無煙煤階段）,

25、二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,28,2024/3/19,1.煤的成巖階段 在煤的成巖階段，絲炭組分和穩(wěn)定組分的物理—化學變化不太明顯，而其他腐植物質(zhì)卻發(fā)生明顯的物理—化學變化。（1）物理變化表現(xiàn)在煤發(fā)生物理膠體反應（成巖凝膠化作用），未分解的木質(zhì)素和纖維素不斷轉(zhuǎn)變成腐植酸和腐植質(zhì)，而腐植酸和腐植質(zhì)又逐漸變成黑色具光澤的鏡質(zhì)組。（2）化學變化

26、表現(xiàn)在縮合成分子量更大的腐植酸和腐植質(zhì)，側(cè)鏈上的親水官能團如羥基（-OH），羧基（-COOH），甲氧基（-OCH3）、羰基（=C=0）以及環(huán)氧的數(shù)目不斷減少，析出大量的水分和二氧化碳、甲烷，導致碳含量增高，水分和氧含量較快地減少。,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,29,2024/3/19,2.成巖和變

27、質(zhì)作用過渡的老褐煤階段 （1）物理變化：在成巖和變質(zhì)作用過渡的老褐煤階段，腐植物質(zhì)的成巖凝膠化作用已結(jié)束，即鏡質(zhì)組分全部生成，已沒有未變化的植物殘余成分存在。 （2）化學變化：穩(wěn)定組分開始發(fā)生瀝青化，首先是蠟質(zhì)葉片表層和孢子花粉外層脫去甲氧基，生成石油型烴類，即易軟化、強塑性和具粘結(jié)性的瀝青，并使這些穩(wěn)定組分開始具有反射力。從化學變化上說，此時腐植物質(zhì)分子由于進一步聚合，失去大量酸性官能團，如

28、羥基（—COOH）和甲氧基（—OCH3），使腐植物質(zhì)由酸性向中性轉(zhuǎn)變，愈來越多地成為腐植復合物。很明顯，在老褐煤階段，煤的“巖石質(zhì)變”已經(jīng)完成，而化學質(zhì)變的重要指標—腐植酸含量雖急劇減少，但卻未完全消失，只是到褐煤和煙煤的分界線上，溶于堿的腐植酸才完全消失。,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,30,2024/3/19,2024/3/19

29、,31,,3.煤變質(zhì)作用階段(1)四次煤化作用躍變：① 第一次躍變： 發(fā)生在長焰煤開始階段(Cdaf＝75％~80％，Vdaf＝43％，鏡質(zhì)組反射率 = 0.6%），它與石油開始形成階段相當。本次躍變的特點是瀝青化作用的發(fā)生，隨煤化程度的提高，各種含氧官能團逐漸脫落，在 ＝0.6％以前主要以析出CO2和H2O為特征；當煤化作用達到 = 0.5％~0.6％階段，芳香核稠環(huán)上開始脫

30、落脂肪族和脂肪族官能團和側(cè)鏈，形成以甲烷為主的揮發(fā)物，于是開始了生成瀝青質(zhì)的瀝青化作用。,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,2024/3/19,32,,（1）四次煤化作用躍變：② 第二次躍變： 出現(xiàn)在肥煤到焦煤階段（約Cdaf＝87％，Vdaf＝29％， = 1.3%）。躍變的的發(fā)生是因煤中甲烷的大量逸出，從而釋放出大量的氫所造成的。本階段開始，由于富氫的側(cè)鏈和鍵的大量縮短及減少，使煤的比重下降到最小值。在壓力作

31、用下，煤的顯微孔隙度逐漸縮小，水分減少。到焦煤階段（Cdaf＝89％，Vdaf＝20％， = 1.7% ），腐植凝膠基本完成了脫水作用，水分和孔隙度都達到了最低值，發(fā)熱量則升高到最大值。自第二次躍變后，殼質(zhì)組與鏡質(zhì)組在顏色、突起、反射率等方面的差異愈加變小，難以區(qū)分。,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,2024/3/19,33,,（1）四次煤化作用躍變：③ 第三次躍變： 發(fā)生于煙煤變?yōu)闊o煙煤階段(Cdaf＝91

32、％，Vdaf＝8％， = 2.5%）。煤化作用的第三次躍變以后，就進入無煙煤化作用和半石墨化作用的階段，它代表了煤化作用的最終階段，其產(chǎn)物是無煙煤和變無煙煤的形成。,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,2024/3/19,34,,（1）四次煤化作用躍變：④ 第四次躍變： 為無煙煤與變無煙煤的分界(Cdaf＝93.5％，Hdaf=2.5%, Vdaf＝4.0％，鏡質(zhì)組反射率

33、= 4%， = 3.5%）。 本階段和初期煤化作用階段相比有較多的不同： 化學煤化作用方面：主要表現(xiàn)為氫含量與氫碳原子比的急劇下降。碳含量隨埋藏深度的增加也明顯增大，同時芳香單元的芳香度和縮合度也急劇增加。,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,2024/3/19,35,,④ 第四次躍變： 物理煤化作用方面：硬度增大、光澤增強，到變無煙煤時幾乎呈金屬淺黃色光澤，宏觀上微層理已不明顯；

34、在光學特征上變化更為明顯，即在非偏光下，無煙煤與變無煙煤都更加顯示出均質(zhì)性的特征，在正交偏光下，主要顯微組分又可顯出差異，角質(zhì)組和孢子體達到了最大反射率，且雙反射率也較高，惰質(zhì)組的最大反射率約等于或低于鏡質(zhì)組的反射率。鏡質(zhì)組的最大反射率在無煙煤階段以后有時可以超過惰質(zhì)組。,二、煤化作用物理—化學實質(zhì)的探討,2024/3/19,36,,無煙煤階段鏡質(zhì)組反射率隨著煤化作用進一步增高，進入變無煙煤以后，由于最小反射率迅速減小，雙反射率急劇加大

35、。,36,2024/3/19,37,,第三節(jié) 煤化作用的影響因素,溫度、壓力和時間是影響煤化作用的重要因素，其中溫度是煤化作用的主要因素。此外放射性元素蛻變的影響也值得注意。,1、溫度因素的重要性2、地熱和地溫梯度3、煤化（變質(zhì)）作用所需的溫度,一、溫度的影響,,地殼的等溫面以及地溫梯度,巖石導熱性能對煤化梯度的影響,38,2024/3/19,2024/3/19,39,,1、溫度因素的重要性,1930年Gropp和Bode曾將泥

36、炭或年輕褐煤置于密閉的容器內(nèi)，在1000個大氣壓的條件下逐漸加熱，在相當長的時間內(nèi)試樣并無變化；但當溫度高過200℃時，試祥開始變化，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槊夯^深的褐煤。兩年后再度進行試驗，在1800個大氣壓，溫度低于320℃的條件下，雖然時間持續(xù)很久也未能使褐煤進一步變化，但當溫度升到320℃時，褐煤就轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂虚L焰煤的產(chǎn)物，當溫度升高到345℃時，所得的產(chǎn)物就具有典型煙煤的性質(zhì)。溫度再進一步增高到500℃時，產(chǎn)物則具有無煙煤的特性。

37、 試驗不僅說明溫度和壓力是煤化作用的重要影響因素，而且還進一步證明了與壓力相比，溫度是促進煤變質(zhì)的主導因素。,1、溫度因素的重要性,2024/3/19,39,1、溫度因素的重要性,表 3-2,2024/3/19,40,隨著沉降深度的變化，溫度的增加使得煤化作用程度提高，因此煤化作用的演化決定于煤的受熱史。煤化程度增高的速度，有人稱為“煤級梯度”或“煤化梯度”。它首先決定于地區(qū)的地熱條件，即地熱梯度變化。 地溫梯

38、度：深度每增加一百米，溫度增高的數(shù)值。,2、地熱和地溫梯度,2、地熱和地溫梯度,2、地熱和地溫梯度,2024/3/19,41,（1）地殼的等溫面：由于地殼結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造各處有異，各種熱源分布的不均一性，因而地熱場的特點也不一樣。首先表現(xiàn)在地殼的等溫面并不是一個理想的平面，而是起伏不平的曲面，其次是地殼各處的地溫梯度各有差異，等溫面的間隔往往也不相同。 現(xiàn)代地殼平均地溫梯度為3℃ /100米，但其變化范圍可由0.5℃

39、 /100米到25℃ /100米。我國華北某地的地溫梯度為3.3 ℃ /100 。,2、地熱和地溫梯度,2024/3/19,42,（2）巖石導熱性能對煤化梯度的影響 地熱條件相類似的地區(qū)，由于下伏和共生巖石的導熱性能不同，對于煤化梯度的影響也不相同。 巖石的導熱性首先決定于巖石本身的熱導率，也還受到巖石的孔隙、裂隙、溶洞、構(gòu)造破壞程度等的影響。 例: 聯(lián)邦德國薩爾煤田某鉆

40、孔（圖3.19），在穿過近200m的砂巖帶時，明顯可見各項煤化指標，如無灰基水分、干燥無灰基發(fā)熱量、干燥無灰基碳含量和平均油浸反射率，都幾乎處于停滯狀態(tài)。這主要是因為砂巖具有良好熱導率，地溫在砂巖中擴散較快，因而相對溫差小。,2、地熱和地溫梯度,2024/3/19,43,2、地熱和地溫梯度,2、地熱和地溫梯度,圖 3.19,2024/3/19,44,近年來，由于應用地質(zhì)—地球物理方法研究地熱場變化，用圍巖礦化推測古地溫及用熱動力模擬計算

41、煤化溫度，得出煤化作用所需的溫度比早先僅根據(jù)人工煤化實驗所推斷的溫度（如生成煙煤的溫度為300℃-500℃ ，生成無煙煤的溫度大于500℃）要低得多的結(jié)論，認為古生代煙煤在100℃-200℃的溫度下即可形成，如果作用時間足夠長的話，還可形成無煙煤。 根據(jù)文獻中提供的一些主要煤田的資料（表3-3），轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌夯A段的煤所需的溫度大致為：褐煤40℃-50℃ ；長焰煤一般<100℃ ；煉焦煤（包括氣煤、肥煤、

42、焦煤和瘦煤）一般<200 ℃ ；無煙煤一般不超過350℃ 。,3、煤化（變質(zhì)）作用所需的溫度,2024/3/19,45,2024/3/19,46,3、煤化（變質(zhì)）作用所需的溫度,但是受熱持續(xù)時間和不同古地熱史的影響，特定的煤化程度與精確的最大溫度之間的關系較難確定。 前蘇聯(lián)學者提出，受熱50Ma，頓巴斯煤田的受熱溫度 與煤化程度的關系（表3-4）：,表 3-4,2024/3/19,47,3、煤化（變質(zhì)）

43、作用所需的溫度,1.靜壓力2.構(gòu)造壓力（動壓力）,二、壓力的影響,,壓 力,2024/3/19,48,1.靜壓力,靜壓力：來自上覆巖層的壓力。靜壓力可導致巖石和煤體積的壓縮。在壓縮時由于內(nèi)摩擦也會放出熱量，提高地溫，從而間接地推進煤化作用，但是這已經(jīng)屬于溫度因素的影響了。 近年來，在不同壓力下的煤化實驗更加確認了靜壓力對化學煤化作用的抑制作用。這是由于正常煤化作用所需的壓力顯然不太大，當靜壓力超過這個數(shù)字后

44、，從煤的有機結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈上脫出瓦斯更加困難。 壓力因素雖阻礙化學反應，但引起煤的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。如靜壓力使煤的孔隙率和水分降低、密度增加，還促使芳香族稠環(huán)平行于層面做有規(guī)則的排列。,2024/3/19,49,前蘇聯(lián)學者列文施琴（1963）對卡拉干達煤田按5MPa/min遞增的速度進行加壓實驗，直到高達相當于地下15km處的500MPa的壓力，煤的Vdaf,Cdaf,Hdaf和Y值都未發(fā)生變化。,表 3-5,2024

45、/3/19,50,1.靜壓力,2024/3/19,51,,2.構(gòu)造壓力,構(gòu)造壓力：指由于地殼運動產(chǎn)生的構(gòu)造擠壓力和剪切應力。 構(gòu)造應力對煤的物理變化有強烈影響。如某些褶皺地區(qū)，出現(xiàn)了水分含量異常低的低變質(zhì)煤，可能是強烈的水平擠壓力作用的結(jié)果。 在煤化作用的最后階段，特別是變無煙煤的形成階段，煤化作用除了高溫和壓力作用外，剪切應力的作用亦較為明顯。在構(gòu)造應力作用下，剪切與拉伸能使芳香族單元層沿石墨形成的方向更加

46、排列有序，這樣在半石墨化、石墨化階段表現(xiàn)的更為明顯。,2024/3/19,52,三、時間的影響,溫度和壓力持續(xù)作用于煤的時間長短，也是影響煤化作用的重要因素。在相同的溫度條件下，受熱時間越長，煤的變質(zhì)程度越高；長時間的低溫作用（超過60℃）也能起到短時間的高溫作用的效果（圖3.20、3.21）。,2024/3/19,53,三、時間的影響,溫度、時間與煤化程度的關系,圖 3.20,圖 3.21,2024/3/19,54,第四節(jié) 煤化程度指

47、標和變質(zhì)階段劃分,煤化程度指標簡稱煤化指標，又稱煤級指標，指可作為衡量煤的變質(zhì)程度的物理和化學指標。由于煤化作用是個復雜的過程，不同煤化階段中各種指標變化的顯著性各不相同，因此對于一定煤化階段往往具有不同的煤化程度指標。 水分、發(fā)熱量、氫含量、碳含量、揮發(fā)分（化學指標）及鏡質(zhì)組反射率、X射線衍射曲線（物理指標）等。 實踐表明，應該選擇那些在煤化過程中變化顯著、規(guī)律性清楚的指標，而且還應注意針對不同階段或不

48、同變質(zhì)類型的煤選擇不同的指標。,2024/3/19,55,表 3-6,2024/3/19,56,一、 煤化程度指標,1、深成變質(zhì)煤（1）水分 在褐煤與尚未壓固的低煤化階段，由于上覆巖層壓力，使得煤中的孔隙度很快降低，親水官能團分解，水分迅速減少。如軟褐煤階段，埋深每增加100m，水分降低4％。因此，水分是低煤化階段的較敏感的煤化程度指標。,圖 3.22 煤化過程中水分 與揮發(fā)分的關系,2024

49、/3/19,57,（2） 發(fā)熱量 在褐煤及低煤化煙煤階段(Vdaf >30％)，鏡質(zhì)組的發(fā)熱量主要決定于水分的含量。隨著水分的降低，發(fā)熱量大致成比例地增高。因此發(fā)熱量也和水分一樣，是褐煤及低煤化煙煤階段的煤化指標。,一、 煤化程度指標,2024/3/19,58,（3）氫含量 煤中氫含量一般小于6％。由于煤的芳香族稠環(huán)中富氫官能團和側(cè)鏈隨煤化程度的增高而逐漸脫落，從而析出甲烷，并且在無煙煤階段的析出量最大

50、，氫含量減少得最為明顯，可由4％降至1％。因此，氫含量是無煙煤和變無煙煤階段較敏感的煤化指標。,一、 煤化程度指標,2024/3/19,59,（4）碳含量 隨著煤化程度的增高，因芳香族稠環(huán)中官能團和側(cè)鏈的不斷脫落使碳含量相應地增高。 從肥煤到貧煤的階段內(nèi)，碳含量僅從87％增加到91％，在軟褐煤和暗褐煤階段的變化也不明顯。 從亮褐煤到接近氣煤與肥煤分界的階段及無煙煤階段，碳含量的變化較為明顯，可作

51、為煤化程度指標。,一、 煤化程度指標,一、 煤化程度指標,（5）灰分 煤的灰分不是煤中的固有成分，而是煤在規(guī)定條件下完全燃燒后的殘留物。它是煤中礦物質(zhì)在一定條件下經(jīng)一系列分解、化合等復雜反應而形成的，是煤中礦物質(zhì)的衍生物。 煤的灰分產(chǎn)率與礦物質(zhì)含量間有一定的相關關系，可以用灰分來估算煤中礦物質(zhì)含量。 煤質(zhì)研究中由于灰分與其他特性，如含碳量、發(fā)熱量、結(jié)渣性、活性及可磨

52、性等有不同的依賴關系。因此，煤中灰分是一項在煤質(zhì)特性和利用研究中起重要作用的指標。,一、 煤化程度指標,2024/3/19,60,2024/3/19,61,（6）揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率 揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率是最常用的兩個煤化程度指標。 ① 在氣肥煤到瘦煤的煤化階段中，鏡質(zhì)組反射率隨芳香稠環(huán)縮合程度的增加而增高。由于鏡質(zhì)組反射率和揮發(fā)分都與鏡質(zhì)組結(jié)構(gòu)單元的芳構(gòu)化程度有關，因此鏡質(zhì)組反射率的增高與揮發(fā)分降低的程度幾乎相

53、同。故在肥煤到貧煤階段，鏡質(zhì)組反射率和揮發(fā)分是良好的煤化程度指標。,一、 煤化程度指標,2024/3/19,62,② 在氣肥煤階段之前，煤中析出的氣體以CO2和H2O為主，此階段鏡質(zhì)組反射率與揮發(fā)分變化不明顯且不規(guī)則。 ③ 無煙煤階段，揮發(fā)分含量已很少，變化不大；鏡質(zhì)組反射率自貧煤以后，由于煤化作用增加了芳環(huán)族單元層排列的有序性，它仍是良好的煤化程度指標。但隨著煤化程度的進行，煤的光學各向異性也增大，因此影響了反射率測定的精度。在

54、變無煙煤階段，鏡質(zhì)組的最小反射率反應更為靈敏。,一、 煤化程度指標,2024/3/19,63,（6）揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率,與其他各種煤化指標相比，鏡質(zhì)組反射率指標的優(yōu)點如下： 首先，表現(xiàn)在隨煤化程度的加深具有明顯現(xiàn)律性單向變化，變化規(guī)律有較好的重現(xiàn)性和可比性； 其次，該指標的變化值能較精確地加以確定，測定的技術方法簡便、易行； 鏡質(zhì)組反射率指標不受煤巖成分、灰分、煤樣代表性的影響，而且受還原程度的影響也很小。,一、 煤化程度指標,

55、2024/3/19,64,（6）揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率,在應用上，鏡質(zhì)組反射率指標也存在一定局限性： 首先，在低煤化階段，由于芳香度和縮合度變化較小，因此鏡質(zhì)組反射率的變化量值反應不靈敏； 其次，在粉煤和分散有機物的制樣中，難以消除不同顯微組分的誤測； 此外，氫含量對鏡質(zhì)組反射率有一定影響，富氫的鏡質(zhì)組反射率值偏低，在高煤化作用階段，特別從無煙煤階段以后到變無煙煤階段，鏡質(zhì)組反射率值相當離散，雙反射率明顯增大，因此影響該指標應用的準

56、確性。,一、 煤化程度指標,2024/3/19,65,（7） X射線衍射曲線 煤化作用的增高，使鏡煤的芳香族稠環(huán)逐漸排列規(guī)則化。因此，當X射線透過時，會產(chǎn)生不同程度的衍射。隨著煤化程度的提高，衍射曲線從平穩(wěn)到陡，強度也愈來愈大。,一、 煤化程度指標,圖 3.23,2、接觸變質(zhì)煤 對于接觸變質(zhì)煤來說，由于變質(zhì)過程中巖漿和礦化水往往與煤發(fā)生化學反應，所以其指標的變化常與深成變質(zhì)煤不一致。 表現(xiàn)在：

57、 ①煤的粘結(jié)性遭到破壞； ②在長焰煤至貧煤階段，接觸變質(zhì)煤的水分偏高，但在無煙煤階段反而偏低；,2024/3/19,66,一、 煤化程度指標,③煤的發(fā)熱量，揮發(fā)分產(chǎn)率和氫含量偏低；④煤的比重在褐煤至肥煤階段偏低，在焦煤至無煙煤階段反而偏高；⑤煤的顯微硬度隨著遠離火成巖而降低。,2024/3/19,67,一、 煤化程度指標,3.區(qū)域熱力變質(zhì)煤 對于因受地殼深處巖漿源的影

58、響而變質(zhì)的區(qū)域熱力變質(zhì)煤而言，其變質(zhì)指標的變化基本上與深成變質(zhì)煤相近，但在焦煤至無煙煤階段，其碳含量較小，粘結(jié)性較差，電阻率較低。4.動力變質(zhì)煤 由于地殼強烈構(gòu)造運動而引起的動力熱變質(zhì)煤的某些物理、化學指標與深成變質(zhì)煤有區(qū)別，水分明顯偏低，孔隙度小而密度大。,2024/3/19,68,一、 煤化程度指標,2024/3/19,69,一、 煤化程度指標,表 3—7,根據(jù)在顯微鏡下或油浸中測定鏡質(zhì)組最大反射率的數(shù)值，

59、可將低、中、高變質(zhì)的煤進一步劃分為八個變質(zhì)階段，即0—Ⅶ 階段，與按化學工藝性質(zhì)劃分的八個工業(yè)牌號大致相當。每個變質(zhì)階段按反射率的強弱又可再分為三個小階段（表3—8 ），分別以1、2、3表示，寫在階段代號的右下角，其中1變質(zhì)較低，2與標準煤樣相當，3變質(zhì)較高。 地質(zhì)科學院曾用硒光電池法測定了鏡煤的最大反射率，確定了腐植煤的變質(zhì)階段。從褐煤至無煙煤，劃分出了八個主要變質(zhì)階段（0—Ⅶ）、三個過渡變質(zhì)階段（Ⅱ—Ⅲ、Ⅲ—Ⅳ

60、、Ⅳ—Ⅴ）,共十一個階段（表3—9）。,二、 煤變質(zhì)階段的劃分,二、 煤變質(zhì)階段的劃分,2024/3/19,70,二、 煤變質(zhì)階段的劃分,2024/3/19,71,表3—8,二、 煤變質(zhì)階段的劃分,表 3—9,2024/3/19,72,2024/3/19,73,根據(jù)引起煤變質(zhì)的熱源及其作用方式和變質(zhì)特征，可將煤變質(zhì)作用劃分為三種類型：,第五節(jié) 煤的變質(zhì)作用類型,深成變質(zhì)作用巖漿變質(zhì)作用動力變質(zhì)作用,,區(qū)域巖漿熱力變質(zhì)作用,接觸變質(zhì)作

61、用,2024/3/19,74,,深成變質(zhì)作用：是指煤在地面下較深處受到地熱和上覆巖系靜壓力作用所發(fā)生的變質(zhì)作用。因其對煤的影響最廣泛，也稱為“區(qū)域變質(zhì)作用”。 又因深成變質(zhì)作用主要是由地熱引起，故又稱為“地熱變質(zhì)作用”。但作為深成變質(zhì)熱源的地熱，在地殼各處是不同的。,一、深成變質(zhì)作用,2024/3/19,75,,（一） 影響地熱的因素 地熱來源于原始地球殘余熱、化學反應熱、潮汐磨擦熱、放射性元素蛻變熱以及重物

62、質(zhì)位移熱，其中尤以后兩種重要。 影響地熱的分布除了熱源不同外，還有大地構(gòu)造特征、構(gòu)造斷裂破壞程度、巖石導熱性、巖漿巖性質(zhì)和活動特征，以及地下水活動特征等。這些因素將造成各地區(qū)地溫梯度的差異，從而必然導致各地煤變質(zhì)梯度的差異。 煤的變質(zhì)梯度：是指煤在地殼恒溫層之下每加深100米煤變質(zhì)程度增高的幅度。煤的變質(zhì)梯度常以煤中可燃基揮發(fā)分減少的數(shù)值（△Vdaf）表示，亦稱揮發(fā)分梯度；或以鏡質(zhì)組的反射率增高的數(shù)值表示

63、（ △Rmax），稱為鏡質(zhì)組反射率梯度。,一、深成變質(zhì)作用,2024/3/19,76,,一、深成變質(zhì)作用,不同煤田地溫梯度不同，揮發(fā)分梯度也不一樣。如山西陽泉、大同煤田的揮發(fā)分梯度為1.4%~3.3%，豫西煤田揮發(fā)分梯度為2%~3%，魯中煤田為4%等。,表 3-10,表 3-11,2024/3/19,77,,一、深成變質(zhì)作用,地溫梯度不同導致變質(zhì)程度相同的煤處于不同沉降深度。,圖 3.24,2024/3/19,78,,一、深成變質(zhì)作用,

64、（二） 深成變質(zhì)的特點 1、希爾特定律 地熱是由地表向地下深處逐漸增高的，因而在深成變質(zhì)過程中，煤的變質(zhì)程度也是沿煤系垂直剖面由淺處向深處逐漸增高的。德國學者希爾特在研究德國、法國、英國諸煤田煤質(zhì)變化的基礎上，提出：在地層大體水平的條件下，煤的揮發(fā)分每百米降低約2.3%，即煤的變質(zhì)程度隨埋藏深度的加深而增高——希爾特定律。,2024/3/19,79,,一、深成變質(zhì)作用,希爾特定律是普遍存在的，但由于局部火成巖

65、的侵入、構(gòu)造變動、煤的成因類型或煤巖類型等因素的影響，也會使煤質(zhì)發(fā)生異常變化。如徐州晚古生代煤田的Vdaf值隨深度加深而增高，這是因為下部太原組煤為腐泥煤，含藻類體達70%，故使Vdaf值比其上部的煤還高，Y值也高。,表 3-12 徐州煤田煤的揮發(fā)分隨深度加深而增高,2024/3/19,80,,一、深成變質(zhì)作用,（二） 深成變質(zhì)的特點 2、煤變質(zhì)的分帶性 在煤的深成變質(zhì)過程中，由于煤系下部煤層或煤組經(jīng)受高于

66、上部的溫度及壓力，因而下部煤的變質(zhì)程度也較上部煤的變質(zhì)程度為高。這種煤質(zhì)隨沉降深度呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，即為煤質(zhì)的垂直分帶。 如德國魯爾煤田石炭紀煤系，在其垂直剖面上，自下而上分為4個煤化程度不同的煤級帶：長焰煤-氣煤帶；氣煤帶；肥煤帶；焦煤、瘦煤及貧煤、無煙煤帶。我國雞西中生代煤系，煤質(zhì)分帶自上而下為低變質(zhì)、低中變質(zhì)及中變質(zhì)三個帶，極為明顯。,2024/3/19,81,,一、深成變質(zhì)作用,（二） 深成變質(zhì)的特點

67、 2、煤變質(zhì)的分帶性 煤質(zhì)垂直分帶的明顯程度與分帶的寬窄，主要決定于煤的變質(zhì)梯度，變質(zhì)梯度的大小又取決于地熱梯度和煤本身的特征。 一般來說，地熱梯度大，揮發(fā)分梯度和變質(zhì)梯度也大，因而引起相同煤質(zhì)變化所需要的沉降深度也就愈小，煤質(zhì)的垂直分帶就窄。如果考慮到受熱時間的延長會使煤質(zhì)變化所需的深度變得更小，煤質(zhì)垂直分帶則更窄。,2024/3/19,82,一、深成變質(zhì)作用,（二） 深成變質(zhì)的特點 2、煤

68、變質(zhì)的分帶性 煤質(zhì)特點對揮發(fā)分梯度也有明顯影響，因此不同變質(zhì)程度的煤，其揮發(fā)分梯度各異，以中變質(zhì)煤的變質(zhì)梯度最大，因而其分帶明顯。,圖 3.25,2024/3/19,83,煤變質(zhì)的水平分帶是垂直分帶性的一種表現(xiàn)，由于地殼構(gòu)造運動的影響，同一煤田內(nèi)同一煤層或煤組在形成和形變過程中沉降深度不同，這就表現(xiàn)在煤系本身厚度變化和煤系上覆巖系厚度變化的不相同。因此，同一煤層或煤組所經(jīng)受的變質(zhì)程度不同，反映在平面上就構(gòu)成煤質(zhì)的水平帶狀分

69、布特征。,圖 3.26,2024/3/19,84,一、深成變質(zhì)作用,（二） 深成變質(zhì)的特點 3、煤系上覆巖系厚度與深成變質(zhì) 影響煤變質(zhì)的沉降深度，除了煤系本身厚度所代表的沉降深度外，上覆巖系厚度代表的后期沉降同樣也影響煤的變質(zhì)。 我國華北晚古生代聚煤盆地煤系厚度一般較薄，它所代表的沉降深度不足以形成不同的煤種。但煤系形成后的繼續(xù)沉降（即上覆巖系厚度所代表的沉降），是形成煤變質(zhì)分帶的原因之一