1、第1章 煤的种类、特征与生成本章内容 煤的定义：煤是由远古植物残骸没入水中经过生物化学作用，然后被地层覆盖并经过物理化学与化学作用而形成的 有机生物岩。关键词 植物残骸 物质来源 生化、物化、化学作用 进程变化 有机生物岩 产物属性 有机 化学属性 生物岩 矿物属性活化石银杏 1.1 煤的种类和特征 高等植物 腐殖煤（含植物变化很小的组分形成的 残殖煤，如树皮残殖煤、孢子残殖煤）藻煤 由藻类形成 胶泥煤 彻底分解的基质 烛煤 性同蜡烛，点火即燃 煤精 结构细腻，质轻而有韧 性，可雕刻工艺品腐泥煤腐殖残殖煤 腐殖煤与腐泥煤的混合体 低等植物（少量浮游生物）抚顺精煤艺雕威猛的将军大肚能容天下事弥勒
2、佛表1-1 腐殖煤与腐泥煤的主要特征特 征腐殖煤腐泥煤颜 色褐色和黑色，多数为黑色多数为褐色光 泽光亮者居多暗用火柴点火不燃烧燃烧，有沥青气味氢含量/%一般6一般6低温干馏焦油产率/%一般20一般25 1.2 腐殖煤的主要特征和一般特性 腐殖煤是自然界分布最广，蕴藏量最多的煤，以下未加特别 说明，所说的煤均指腐殖煤。根据煤化度的不同，腐殖煤进一步依次划分为四大类：泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤煤化度升高 1.2.1 泥炭 peat 严格地讲，peat并不是煤，而是植物向煤转变的过渡产物。外观棕褐色或黑褐色，富含未分解的植物组织，如根、茎、叶等残留物。原始泥炭含水量高达85%95%。风干后含水25%3
3、5%。1.2.1 泥炭 peat 从物理化学的观点，泥炭是一个以水为分散介质的胶体体系。其胶体性质表现为：（1）能将大量的水吸入微孔结构，而本身并不膨胀；（2）含腐植酸，具有酸性，并有较强的吸附能力。泥炭的有机质:腐殖酸、沥青质、末分解的植物组织和变化不大的植物稳定组分（角质、树脂、抱粉、木栓质）等。泥炭的赋存形态：泥炭是由植物残骸在沼泽中形成的。泥炭的埋藏深度很浅，裸露泥炭上无泥沙覆盖。埋藏泥炭上的泥沙也仅有几十厘米至几十米厚，适宜露天开采。世界上泥炭丰富的国家有俄罗斯、芬兰、爱尔兰、瑞典、加拿大和美国等。我国的泥炭约有270亿吨。泥炭的用途：泥炭用途广泛：气化、液化、焦化原料；制甲醇等化工
4、原料；建材、肥料等。近年来，其开发与利用发展迅速。蔬菜育苗专用泥炭 1.2.2 褐煤 泥炭成岩的初期产物，外观褐色或暗褐色，因而得名。按煤化度与外表特征分为：土状褐煤、暗褐煤和亮褐煤，此外还有一种保存有明显木质结构痕迹的木褐煤。随着煤化度增高，主要在成岩作用压力的影响下，褐煤发生一系列变化：颜色变深，密度增加，硬度变大，腐殖酸含量减少，水分显著降低。褐煤用途广泛，但易破碎与风化，不宜长途运输。内蒙准格尔褐煤 1.2.3 烟煤 煤化度低于无烟煤而高于褐煤，因燃烧时烟多而得名。外观黑色，不含有游离腐殖酸。具有一定的光泽，产物呈明暗交替条带状，烟煤是最重要的腐植煤。按煤化度由低至高，它又可依次划分为
5、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤和贫煤等。气煤、肥煤、焦煤和瘦煤具有粘结性，在干馏时可软化、熔融为塑性体，然后固化收缩生成焦炭，故传统上称为“炼焦煤”，其他则称为“非炼焦用煤”。现代炼焦工业以使用这四种煤为主，但并不局限于这四种煤。1.2.4 无烟煤 煤化度最高的腐殖煤，燃烧时无烟，外观灰黑色，有金属光泽，无明显条带。其碳含量、真密度、硬度、燃点等均达到最大化。主要用途民用、发电燃料；合成氨原料；炭素产品原料；高炉喷吹燃料；冶金脱氧剂、增碳剂等。宝钢3号高炉表1-2 四类腐殖煤的主要特征与区分标志特征与标志泥炭褐煤烟煤无烟煤颜 色棕褐色褐色、黑褐色黑色灰黑色光 泽无大多数无光泽有
6、一定光泽金属光泽外 观有原始植物残体无原始植物残体呈条带状无明显条带在沸腾KOH中棕红-棕黑褐色无色无色在稀HNO3中棕红红色无色无色自然水分多较多较少少密度/gcm-31.101.401.201.451.351.90硬 度很低低较高高燃烧现象有烟有烟多烟无烟成因因素（表现为显微成分组成）变质因素（表现为煤化度）三种成煤假说：煤是和地球一起形成的，有地球就有煤；煤是由岩石变化而来的；煤是由植物残骸形成的。煤由植物形成的证据：常常发现在煤层中有保存完好的古植物化石和由树干变成的煤，有的甚至保留着原来断裂树干的形状;煤层底极多富含植物根化石或痕木化石，证明它曾经是植物生长的土壤；显微镜下观察煤制成
7、的薄片可以直接看到原始植物的木质细胞结构和其他残骸，如孢子、花粉、树脂、角质层和木栓体等；在实验室用树木进行人工煤化试验，可以得到外观和性质与煤类似的人造煤。因此，煤是由植物而且主要是由高等植物转变而来的观点已成为人们的共识。1.3.1 成煤原始物料 约4亿年前起，高等植物新种群出现与繁茂时期，即出现相应的成煤期。高等植物的有机族组成在不同程度上以不同的形式参与成煤。地球历史上共有三个主要造煤期：首先最主要的是距今3.452.8亿年古生代的石炭纪和二叠纪。其次是距今1.95亿年中生代的侏罗纪。距今0.37亿年新生代的第三纪。石炭纪与二叠纪的孢子植物著名的有鳞木、芦木、封印木等 侏罗纪是裸子植物
8、的黄金时代，银杏类、松柏类和苏铁类主宰了地球大地，它们也称为恐龙时代的植物新生代第三纪五彩缤纷的被子植物统治了世界表1-5 植物的有机簇组成/%特征与标志泥炭褐煤烟煤无烟煤颜 色棕褐色褐色、黑褐色黑色灰黑色光 泽无大多数无光泽有一定光泽金属光泽外 观有原始植物残体无原始植物残体呈条带状无明显条带在沸腾KOH中棕红-棕黑褐色无色无色在稀HNO3中棕红红色无色无色自然水分多较多较少少密度/gcm-31.101.401.201.451.351.90硬 度很低低较高高燃烧现象有烟有烟多烟无烟 糖类糖类及其衍生物（碳水化合物）纤维素半纤维素果胶质需氧菌水解厌氧菌发酵需氧菌氧化单糖酸单糖酸厌氧菌还原、缩合
9、CO2+H2O腐植酸参与成煤木质素 木质素芳香酸、脂肪酸需氧菌氧化需氧菌氧化厌氧菌还原、缩合CO2+H2O腐植酸、沥青质成煤需氧菌氧化厌氧菌还原、缩合 蛋白质 脂类化合物 脂类化合物：稳定（对生化作用），基本不变化或很少变化直接参与成煤。这种生物化学作用的多方向性、生物化学作用程度的不一致性，使泥炭的组成出现千差万别，亦造成煤在组成、结构、性质上的复杂性、不均一性。蛋白质需氧菌氧化CO2+H2O+N2+NH3氨基酸成煤厌氧菌还原、缩合需氧菌水解腐植酸植物遗体的堆积植物遗体堆积并转变为泥炭的条件：（1）高等植物持续繁茂生长（2）具有保存植物遗体的场所同时具备这两个条件的场所沼泽。堆积形式：（1）
10、原地堆积 占绝大多数（2）异地堆积 水流搬运也可异地成煤，但一般不具开采价值。沼泽地势平坦低洼，排水不畅，植物繁茂。未被完全分解的植物残骸在其中逐年积累并的泥炭化，天长日久便形成泡软的泥炭。1.3.2 腐殖煤的生成过程 腐殖煤的生成过程称为成煤过程，包括植物遗体堆积到形成无烟煤的全过程。可大致分为两个阶段：泥炭化阶段和煤化阶段1.3.2.1 泥炭化阶段 发生生物化学变化与物理化学变化 A.生物化学变化 此过程相继发生氧化分解和还原聚合两个阶段的变化。第一阶段：氧化分解 未分解全部腐败深水、缺氧聚合空气浅水多氧厌氧菌作用腐殖酸、沥青质植物残骸 需氧菌作用 部分分解 简单有机化合物保留（稳定部分）
11、CO2、H2O、CH4等第二阶段：还原聚合分解产物保留部分未变化部分 还原聚合的重要性 第二阶段对于泥炭化与成煤至关重要。如果氧化反应进行到底，将不再有泥炭生成。幸好在沼泽环境下，第二阶段的发生是必然的，其原因主要在于：(1)泥炭沼泽水的覆盖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空气隔绝，进入弱氧化或还原环境。一般距泥炭沼泽表面0.5 m以下，需氧细菌和真菌等微生物急剧减少，而厌氧细菌则逐步增加。(2)植物遗体转变过程中分解出的气体、液体和微生物新陈代谢的产物促使沼泽中介质的酸度增加，抑制了需氧细菌、真菌的生存和活动。如分解产物中的硫化氢和有机酸的积累就能产生这种作用。(3)植物
12、本身存在的防腐和杀菌成分(如酚类)的逐步积累，不利于 微生物的生存和活动。另外植物的分解产物也有一定的毒性。B.物理化学变化凝胶化作用与丝炭化作用 在泥炭化阶段：氧化与还原、需氧菌和厌氧菌、分解与聚合，这些矛盾的综合作用，对成煤的影响非常复杂，从物理化学的角度看，可归并为两种作用。a.凝胶化作用 植物的主要组分在泥炭化阶段经过生物化学、物理化学变化，形成以腐殖酸和沥青质为主体的胶体物质的过程。其在成岩作用阶段的延续又称为镜煤化作用。b.丝炭化作用 植物的木质纤维组织，主要受氧化作用（遭受森林火灾）而产生贫氢富碳的丝炭化物质过程。其中火灾是偶然现象。a.凝胶化作用 发生条件：停滞和不太深的沼泽水
13、中，弱氧化至还原环境，有厌氧细菌的参与。变化：生化作用 植物 腐殖酸、沥青质 物化作用 吸水膨胀 胶体化 产物：细胞腔基本不膨胀到细胞腔完全消失为两个极端的一系列产物。成煤后：前者 结构镜质体，后者 无结构（基质）镜质体，其间还存在一系列过渡形态的镜质体它的形态各异，但工艺性质接近，故归并为镜质组。缩合 b.丝炭化作用 发生条件：沼泽表面，干燥少水、多氧、需氧菌作用、氧化作 用中断。变化：脱水、脱氢、增碳。产物：丝炭 细胞腔孔壁干净、完整 软丝炭 细胞腔孔壁填充黏土 硬丝炭 成煤后 丝质组 细胞腔孔壁被压碎 碎屑丝炭 对同一植物遗体而言，这两种作用可以交叉进行。凝胶化过程可能因环境改变转入丝炭
14、化作用。经轻度丝炭化作用的物质可因条件改变转入凝胶化。但激烈氧化，彻底丝炭化的物质再也不可能转向凝胶化了。c.泥炭聚积环境对煤质的影响 近海泥炭沼泽受海洋水介质的影响大。内陆泥炭沼泽不受海水影响，与内陆煤田相比，近海煤田一般H高，富氢相组成高，硫高，粘结性煤的粘结性较强，还原程度较高。还原程度可作表征煤性质的第三维坐标解释性质的异常现象。煤的化学组成、性质、结构 变质程度还原程度煤岩组成深圳海滨的现代红树林 1.3.2.2 煤化阶段 始于泥炭被泥沙沉积物覆盖，生化作用逐渐停止，地质化学作用逐渐增强。分为成岩作用和变质作用两个阶段，它们与成煤的关系见下图。死亡植物残骸泥泥 炭炭褐 煤烟 煤无 烟
15、 煤成煤过程泥炭化阶段成岩作用变质作用（变质程度）煤化阶段（煤化程度）A.成岩阶段 无定形的泥炭，因受上覆无机沉积物的巨大压力，逐渐发生压紧、失水、胶体老化硬结等物理和物理化学变化，转变为具有岩石特征的褐煤的过程。条件：深度不大（200400m）的地下，温度60 主要作用因素：压力及压力作用时间 变化：压紧、失水、胶体老化。发生一定程度的分解与缩聚，纤维素、半纤维素、木质素消失，腐殖酸先增后减，H、O减少，C增加。B.变质阶段 褐煤沉降到地壳深处，受长时间地热和高压作用，组成、结构、性质发生变化，转变为烟煤和无烟煤的过程。变质的原因：a温度：主因 由于沉降更深处，受地热梯度影响，煤的温度提高。
16、地热梯度：地壳中每深100m的升温值，向地心为正，平均值为3/100m，但变化不均匀（0.525/100m）。研究表明，存在一个变质临界温度，低于此温度时，压力再高时间再长，也难以变质。一般认为，煤变质所需温度范围如下：褐煤：4050；长焰煤：100；典型烟煤：200；无烟煤：350。b.时间：重要因素 在此指温度与压力作用时间的长短。作用时间影响的重要性表现在：温度相同时，时间长则变质程度高；温度不同时，短时间较高温度与长时间较低温度可达到相同的变质程度。c.压力：次因 压力范围几十至几百兆帕。在压力作用下，煤主要变化是压紧、失水、孔隙率降低，但也略有促进化学变化的作用，如促使芳香稠环的排列
17、出现定向化趋势。变质作用的类型 按变质条件与特征，分为：深成变质、岩浆变质和动力变质三种。（1）深成变质作用 煤沉降在地下较深处，受地热与静压力作用而产生的变质。深成变质作用与地壳大规模的升降活动有关，具广泛的区域性，也称区域变质。正常深成变质作用特点：煤的变质具有垂直分布规律（Hilt定律）即：随深度增加，各煤层煤的挥发分逐渐降低，rank逐渐升高；煤的变质具有水平分布规律，Hilt定律在水平面上的表现。（2）岩浆变质作用 受岩浆高温、挥发性气体及压力影响使煤发生异常变质的作用，变质梯度大、范围小。岩浆直接作用于煤层：温度高、时间短、类似与干馏，严重时产生天然焦；岩浆间接（远程）作用：煤系下
18、隐伏有岩浆侵入体、热作用引起的变质与深成变质迭加，使煤的rank异常升高。（3）动力变质作用 地壳构造运动产生的动压力和热量引起煤变质也是局部现象。1.3.3 主要成煤期与主要煤田 1.3.3.1影响成煤期的主要因素 适宜聚煤作用发生的条件是：温暖潮湿的古气候；高大木本植物大量繁殖堆积的古植物条件；有利于泥炭沼泽形成的古地理条件；缓慢下降的古构造运动条件。同时具备这四方面条件的时间越长，就能形成煤层多、储量大的重要煤田。我国早石炭世古气候略图 1 1一潮湿气候区；一潮湿气候区；2 2一半潮湿气候区；一半潮湿气候区；3 3一拟鳞木植物群分布点；一拟鳞木植物群分布点；4 4一安加拉植物群分布点；一
19、安加拉植物群分布点；5 5一植物群界线；一植物群界线；A A一安加拉植物群；一安加拉植物群；D D一拟鳞木植物群一拟鳞木植物群1.3.3.2 主要聚煤期和主要煤田 A 主要聚煤期 地史上有5个世界性的聚煤期:中、晚石炭世，早二叠世，早、中侏罗世，晚侏罗世一早白垩世和晚世一早第三纪。我国的聚煤期分布有一定的特殊性。晚二叠世、晚第三纪仍有重要煤田，晚白垩世却无重要聚煤作用。我国的聚煤规模以早、中株罗世居首，但从煤质和地理分布来看，石炭纪与二叠纪更为 重要。我国聚煤期连续性较好，地史上基本不聚煤的只有两段：早三叠世一中三叠世，早白垩世晚期一晚白垩世。B 主要煤田 地世界煤炭储量较多的国家有中国、俄罗
20、斯、美国、澳大利亚、印度、德国、南非、加拿大和波兰等，多集中在欧亚大陆、北美洲和大洋洲，南美洲和非洲储量很少。除中国以外的世界主要煤田：美国阿帕拉契亚(石炭纪)，炼焦煤储量占美国的92%;德国鲁尔(石炭纪)，储量超过2000亿t;俄罗斯的通古斯(二叠纪)、坎斯克一阿钦斯克(侏罗纪)煤炭储量均达数干亿吨等。中国的重要煤田 我国石炭纪二叠纪著名煤田有大同、开滦、本溪、淮北、豫西和水城等。晚三叠世较重要的煤田有达县、广元、攀枝花、一平浪、萍乡、资兴等。株罗纪我国最重要的煤田集中分布于新疆北部、甘肃中部一青海北部、陕甘宁盆地和晋北燕山等地区。晚侏罗世早白垩世重要的煤田有鸡西、双鸭山、阜新、铁法和元宝山
21、等。第三纪重要煤田有抚顺、沈北、梅河、黄县、昭通、小龙潭和台湾等。第一章 习题与思考题1.按成煤植物的不同，煤可以划分几大类？其主要特征有何不同？2.按煤化程度，可以将腐植煤分为几大类？它们有那些区分标志？3.主要的成煤期及其代表性植物是什么？低等植物与高等植物的组成有何区别？4.成煤的地质年龄与煤的变质程度是否一致，为什么？5.腐植煤的成煤过程主要分哪两个阶段，各阶段发生的主要变化是什么？6.泥炭化阶段发生的主要生物化学变化有哪几种类型？7.煤的变质因素有那些，对煤的变质程度有何影响？8.煤化度与变质程度有何异同？9.煤的变质类型对成煤有什么意义？10.泥炭的堆积环境对煤质有什么影响？11.凝胶化与丝炭化对煤中显微组分的形成有什么作用？
