煤田地质学讲义.doc

1、07 地 质 工 程- 1 -煤 田 地 质 学 讲 义绪论1、煤田地质学的概念它是研究煤在地壳中分布、聚集规律的科学。2、煤田地质学简史18 世纪后半叶，蒸气机的广泛应用带来了工业革命，促进了煤炭资源的需求。为了寻找煤炭资源，欧洲许多国家成立了地质调查机构，进行地质找矿。19 世纪末到 20 世纪初，电力、冶金和炼钢等工业飞速发展，加速了对煤炭资源的需求，一些发达国家进行了大规模地质调查，发表了许多煤地质学方面的学术成果。1924 年，德国学者波多涅发表了普通煤岩学概论一书。我国煤地质学的研究起源于鸦片战争。1922 年，中国地质学会成立。新中国成立后，开展了两次大规模煤田预测工作，出版了许

2、多区域性煤田地质著作。目前，煤地质学发展日趋成熟，综合地层学、沉积学等理论，煤地质学的发展仍呈现勃勃生机。3、研究内容成煤的原始物质和植物的堆积环境。泥炭化作用和腐泥化作用。煤化作用及变质作用类型。煤的物理性质。含煤沉积体系。聚煤盆地及聚煤规律。煤的伴生矿产资源（煤层气） 。中国煤田地质特征。4、研究方法结合植物学、沉积学、地层学和构造地质学等理论，利用现代测试技术手段进行综合研究。5、学习的意义掌握煤田分布的规律，可以为预测和开发煤炭资源服务；了解煤的物理化学性质，可以为煤的加工利用及开发新产品服务。第一章 成煤原始物质与堆积环境1、煤的概念：煤是一种固态的可燃有机岩。2、成煤作用的概念：从

3、植物死亡、堆积一直到转变成煤，经历了复杂的生物化学、物理化学及地球化学等一系列变化，这些作用总称为成煤作用。3、成煤作用的两个阶段：第一阶段是腐泥化阶段或泥炭化阶段。在这一阶段，植物的遗体被微生物分解、化合、聚积，低等植物转变为腐泥，高等植物转变为泥炭。第二阶段为煤化作用阶段。由于地壳沉降，植物死亡后形成的泥炭或腐泥埋藏于地下深处，在温度和压力条件下发生固结成岩作用和变质作用。泥炭转变为年轻的褐煤所经历的作用是成岩作用，从年轻的褐煤转变为老褐煤、烟煤和屋檐煤所经历的作用称为变质作用。第一节 成煤物质1、植物的演化与成煤作用的关系：植物是成煤的主要原始物质，因此植物的演化直接影响煤的形成。菌藻类

4、植物时代。太古代到早泥盆世。早期维管植物时代。晚志留世到中泥盆世，水生植物向陆生植物过渡。07 地 质 工 程- 2 -蕨类和古老裸子植物时代。晚泥盆世到晚二叠世，高等植物繁盛时期，典型植物是高大的乔木，聚煤作用强，石炭-二叠纪是第一大聚煤期。裸子植物时代。晚二叠世到中生代，受海西和印支构造运动影响，陆地面积扩大，地形高差明显，侏罗纪和早白垩纪是第二大聚煤期。我国西部侏罗纪煤炭资源是全国煤炭资源总量的 60%左右。被子植物时代。早白垩世到古近纪和新近纪，构造活动强烈，气候分带明显，是第三大聚煤期。2、植物的组成：植物主要由碳水化合物（纤维素、半纤维素和果胶质） 、木质素、蛋白质和脂类化合物组成

5、。低等植物主要由蛋白质和碳水化合物组成，脂类含量较高。高等植物以纤维素、半纤维素和木质素为主。碳水化合物（纤维素、半纤维素和果胶质）：纤维素是构成植物细胞壁的主要物质，易于水解，水解后呈胶体状。木质素：木质素也是构成植物细胞壁的主要物质，比纤维素稳定，不易水解。在沼泽环境中被微生物分解，参与形成腐植质。蛋白质：蛋白质是植物细胞质的主要物质，在植物体中所占比例不大，亲水性强，煤中的 N 和 S 与植物的蛋白质有关。脂类化合物：不溶于水，可溶于有机溶剂。脂类化合物包括脂肪、蜡质、树脂、角质、木栓质和孢粉质。脂肪性质较稳定，分解形成脂肪酸；蜡质、树脂、角质、木栓质性质稳定，孢粉质性质很稳定，能耐一定

6、的温度和酸、碱处理，常保存于煤中。第二节 植物遗体的堆积环境1、沼泽的概念沼泽是地表土壤充分湿润、季节性或长期积水，丛生着喜湿性植物的低洼地段。形成泥炭层堆积的沼泽称泥炭沼泽。它既不是真正的陆地，也不是水体，而是介于二者之间的过渡状态。2、泥炭的形成与积累植物死亡后，经生物化学作用分解、合成和聚积，当有机物堆积量超过分解量时，才会形成泥炭层。泥炭沼泽垂直剖面分三层：表层（氧化环境） 、中间层（过渡海景） 、底层（还原环境） 。3、植物残骸的堆积方式以原地堆积为主，少数是异地堆积。具有工业可采意义的煤层大都是原地堆积。第三节 泥炭沼泽1、泥炭沼泽的类型根据泥炭沼泽的表面形态、水源补给、营养和植被

7、特征，可以分为三种类型：低位泥炭沼泽：低位泥炭沼泽潜水位较高，水源补给充足、营养丰富、植被茂盛。易堆积泥炭层。高位泥炭沼泽：高位泥炭沼泽潜水位较低，水源补给主要依靠降水，营养差，多为草本和苔藓，不利于泥炭层形成。中位泥炭沼泽：中位泥炭沼泽的状态介于上述二者之间。2、泥炭沼泽的发育地段滨海平原。具有低位泥炭沼泽发育环境。内陆的河流、湖泊。山地和高原地段。3、泥炭沼泽形成的方式水域转化为泥炭沼泽，又包括三种模式：浅水缓岸湖转化为泥炭沼泽，植物生长类型具有分带现象，在泥炭形成过程中，湖水不断淤浅，植物类型也相应推移。07 地 质 工 程- 3 -深水陡岸湖转化为泥炭沼泽，浮游植物死亡后，沉入湖底，转

8、化为泥炭。河流转化为泥炭沼泽，类似浅水缓岸湖转化模式。陆地沼泽化地面上封闭的洼地可能形成沼泽。第四节 泥炭的主要组成及性质1、泥炭的化学组成泥炭中除了含有大量的水分外，还包括有机质和矿物质。有机质。包括植物残体和腐植质。泥炭有机质含量是指有机质占泥炭干物质总量的百分比。我国泥炭以草本泥炭为主，有机质含量占 60%左右。有机质中，C：55%，O：35%，H：6%，N：2%，S：0.3%在泥炭有机质中，以稀碱溶液提取的物质称为腐植酸，是泥炭的特征组分，腐植酸不是单一化合物，而是由分子大小不同、结构也不同的羟基芳香羧酸组成的混合物。矿物质泥炭中的矿物质主要来源于风、水流挟带的矿物质通过沉积作用，转化

9、为泥炭的组分。常见的矿物质有石英、次生粘土矿物。元素以硅为主，其次是铁、铝、钙、镁，矿物质的另一来源是植物本身。2、泥炭的物理化学性质分解度：是指植物残体由于腐解作用失去细胞结构物质的相对含量，或者是泥炭中无定形腐植质占有机质的百分含量。含水性有湿度和持水量两种表示方法。泥炭湿度是指泥炭中水分占泥炭总重的百分比。持水量是指泥炭中水分占泥炭干物质重量的百分比。泥炭的比重和容重泥炭的比重一般为 1.4 左右，藓类泥炭较轻，木本泥炭和草本泥炭偏重。无量纲。泥炭在自然状态下的容重称湿容重，干燥后的容重称干容重。单位是 g/cm3结构和颜色泥炭结构疏松多孔，力学稳定性差。苔藓泥炭呈海绵状，草本泥炭呈纤维

10、状，木本泥炭为碎块状。泥炭的颜色与植物、分解度和矿物质有关。例如，苔藓泥炭呈黄色，分解转变为腐植质呈黑色，含蓝铁矿呈蓝色，含菱铁矿呈浅绿色。泥炭的可燃性泥炭具有可燃性，用发热量表示。我国泥炭发热量多在 10-12MJ/Kg。3、泥炭的类型根据植物的组成，泥炭分为草本泥炭、木本泥炭和藓类泥炭。泥炭类型 灰分含量 分解能力 酸碱度 含水量 颜色 弹性草本泥炭 较高 较强 微酸碱性 较少 暗 较差木本泥炭 较低 较弱 少 红褐色 差藓类泥炭 低 弱 酸性 高 淡 强07 地 质 工 程- 4 -第二章 泥炭化作用和腐泥化作用第一节 泥炭化作用1、泥炭化的生物化学变化可分为两个阶段：生物化学分解和生物

11、化学合成。植物残骸中的有机化合物经氧化分解、水解，转化为简单的化学性质活泼的化合物。分解产物之间合成较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质。形成腐植酸的过程或作用称为腐植化作用，腐植化作用不是生物作用，而是在氧化环境中的化学作用。2、凝胶化作用植物在泥炭化过程中经历了腐植化作用后，继而将经历凝胶化作用；凝胶化作用是指植物的主要组成部分在泥炭化过程中经过生物化学变化和物理化学变化，形成以腐植酸和沥青质为主要成分的胶体物质的过程。由于植物的木质素和纤维素在物理化学性质上都属于凝胶体，吸水能力强，在还原环境中逐渐分解，细胞壁先吸水膨胀，胞腔缩小，最后完全丧失细胞结构，形成无结构胶体，或进一步转化为溶胶

12、；当电性、酸碱性、温度变化时，产生胶体化学变化，上述物质形成凝胶状态。因为这一过程既有厌氧生物作用，又有胶体化学作用，所以又称“生物化学凝胶化作用” 。3、丝炭化作用当沼泽表面比较干燥，氧供应充足的情况下，植物细胞壁中的木质素和纤维素在微生物参与下脱氢、脱水，碳含量增加，氧化到一定阶段后植物遗体迅速转入弱氧化或还原环境中，或被泥沙覆盖后中断氧化作用，这个过程称为丝炭化作用。如果丝炭化过程持续进行，将可能导致植物遗体全部分解。当植物遗体存在氧化和还原环境交替变化时，丝炭化和凝胶化作用可能交替进行。需说明的是，当丝炭化作用充分形成丝炭物质后，凝胶化作用也就终止了。第二节 残植化作用残植化作用是泥炭

13、化作用中的一种特殊情况。当泥炭沼泽水流畅通时，在长期供氧充足情况下，不稳定组分被充分分解，被流水带走，稳定组分富集的过程。还有一种情况是，当沼泽潜水面下降，植物遗体没有被水覆盖而强烈氧化，造成稳定组分富集。残植化作用的产物经煤化作用形成残植煤。第三节 腐泥化作用在湖泊、沼泽水深地带、海湾、浅海等水体中，低等植物藻类和浮游生物遗体在还原环境中厌氧微生物的参与下，经过复杂的生物化学变化形成富含水分的有机软泥。这个过程称腐泥化作用。低等植物经分解、缩合和聚合，形成富水棉絮状的胶体物质，经脱水和压实，形成腐泥。腐泥的颜色一般为黄色、暗褐色和黑灰色。第四节 泥炭成分、性质不同的影响因素1、植物群落木本植

14、物富含纤维素和木质素，易形成凝胶化物质，形成的煤以光亮煤为特征；草本植物含有较多的纤维素和蛋白质，不稳定成分分解，稳定组分富集，形成富含稳定组分（壳质组）的煤，氢含量和焦油产出率高；苔藓植物能分泌防腐剂，因此苔藓类泥炭常保留较多的不稳定组分。2、营养供应根据植物生长的营养供应，可分为三种类型：富营养型、中营养型和贫营养型。低位泥炭沼泽常形成富营养型泥炭，高位泥炭沼泽常形成贫营养型泥炭，中位泥炭沼泽常形成中营养型泥炭。3、介质的酸度07 地 质 工 程- 5 -酸度高不利于细菌生存，中性或弱碱性有利于细菌繁殖。富钙的沼泽中，多以石灰岩为基底，喜氧细菌活跃，水生植物为主，形成的煤中 S、N 含量高

15、，可能与硫细菌的强烈活动有关。高位泥炭沼泽中，酸度高，加上藓类可分泌防腐剂（酚类） ，不利于细菌生存，所以植物的细胞结构能保存下来。4、氧化还原条件泥炭的表层处于氧化环境中，容易被氧化形成丝炭；泥炭的底层处于还原环境中，容易形成镜质组煤。第五节 煤的成因分类根据成煤的原始物质和堆积环境，煤分为三类：腐植类：腐植煤、残植煤。高等植物在沼泽环境中形成。腐植腐泥类：腐植腐泥煤。高低等植物混合，在湖泊和沼泽环境中形成。腐泥类：腐泥煤。低等植物和少量动物在湖泊、沼泽深水部位形成。第三章 煤化作用及煤的变质作用类型第一节 煤化作用的阶段和特征1、煤化作用的两个阶段煤的成岩作用泥炭形成后，由于盆地沉降，在上

16、覆沉积物的覆盖下埋藏于地下，经压实、脱水、增碳作用，逐渐固结，经过物理化学作用转变成年轻的褐煤，称为煤的成岩作用。在成岩过程中，木质素和纤维素继续参与形成腐植酸，已形成的腐植质形成凝胶化组分。煤的变质作用年轻的褐煤在较高的温度、压力和较长的时间作用下，进一步发生物理化学变化，变成老褐煤、烟煤、无烟煤和变无烟煤的过程。在这个过程中，腐植质不断发生聚合反应，稠环芳香系统的侧链减少，芳构化程度提高，分子排列更加规则。2、煤化作用特点增碳化趋势。挥发分减少，碳相对含量增加。结构单一化趋势。泥炭阶段含多种官能团，到无烟煤阶段只含缩合芳核，最后演化为石墨。显微组分均一化趋势。具有不可逆性。发展的非线性。结

17、构致密化，定向排列化。第二节 煤化作用的因素1、温度：受地热梯度的影响。2、时间：也是重要因素。3、压力：压力不产生化学反应，但可以使煤的物理结构发生变化。例如孔隙率、水分含量降低，密度增加，有机大分子定向排列，光的反射率增加。第三节 煤化程度指标煤化程度指标，也称煤化指标，煤级指标。常用的煤化程度指标如下：水分。一般情况下，从低煤级到中高煤级，水分减小。挥发分。在烟煤阶段，随煤化程度提高，挥发分降低。镜质组反射率。随煤化程度提高，镜质组反射率增加。07 地 质 工 程- 6 -碳含量。随煤化程度提高，C 在有机质中的相对含量增加。氢含量。从无烟煤到变无烟煤阶段，氢含量降低明显。发热量。发热量

18、与含水量有关，是低煤化阶段煤化程度指标。壳质组荧光性。壳质组荧光性与反射率互为消长，是低煤化程度指标。X 射线衍射。随煤化程度提高，衍射曲线变陡，强度增加。第四节 煤的变质作用类型1、根据热源的类型，煤的变质作用可分为三种类型：深成变质作用。主要是地热引起，又称区域变质作用。岩浆变质作用。由岩浆侵入产生的热变质作用。动力变质作用。由构造运动产生的变质作用。构造运动产生的动压力不直接产生化学反应，而摩擦生热可以加速煤的变质作用。2、希尔特定律德国学者希尔特根据西欧煤田地质规律提出，在地层大致水平的情况下，深度每增加 100米，煤的挥发分降低 2.3%，即煤的变质程度随埋藏深度的增加而提高。第五节

19、 煤的工业分类1、煤的工业分类中的一些基本概念基的概念：基准，前提条件。例如 d,ad,daf,dmmf,ar 分别代表干燥基、空气干燥基，干燥无灰基、干燥无矿物质基和收到基。煤的粘结性。是指煤粒（d50%或硫化物点数15%重叠点数时，该点定为矿物体；其它数据点定为微矿质煤。07 地 质 工 程- 10 -3、显微组分和显微煤岩类型综合分析在目镜中插入网格微尺，以网格微尺某一点作为十字丝，综合前面的统计和判断依据进行统计和分析。三、煤的反射率测定显微光度计四、仪器设备1、自动显微光度计根据灰度值计算出反射率，判断煤化程度、显微组分或煤岩类型。2、扫描电子显微镜：用于研究固体的表面形态。3、核磁

20、共振：特定的原子核在特定的外加磁场中，只吸收特定频率的射频能量。用于研究煤分子的化学结构。芳香度改变，相当于外加磁场改变，被吸收的射频频率也改变。4、电子顺磁共振第五章 含煤沉积体系1、 含煤岩系的概念是指充填于盆地内含有煤层的具有共生关系的沉积总体。含煤岩系的颜色主要由灰色、灰绿色和黑色组成，岩石类型包括砂、泥岩、炭质泥岩、灰岩、煤等。2、 煤层形成的条件煤层的前身是泥炭层，泥炭层的形成和保存与沼泽中的水位密切相关，根据植物遗体的堆积速度和沼泽水面的上升速度对比，可分为三种情况，又称为三种补偿方式：过度补偿、均衡补偿和欠补偿。3、 煤层的结构煤层包含煤分层和岩石夹层，煤层内不含夹石层者称为简

21、单结构煤层，煤层内含夹石层者称为复杂结构煤层。4、 煤层的底板和顶板煤层底板以泥岩、粘土岩最为常见，富含植物根茎化石，俗称根土岩；如果底板为砾岩或石灰岩，则为植物遗体异地沉积。根土岩含有伊利石、蒙脱石、高岭石和其他粘土矿物，呈灰白色。煤层顶板的岩石类型有多种，最常见的是泥岩、砂岩和石灰岩，与沉积环境有关。例如，我国华北石炭二叠纪含煤岩系太原组是海进型充填序列，成煤环境主要为泻湖-障壁岛体系，发育石灰岩顶板。华北地区山西组为海退型充填序列，成煤环境主要为三角洲、河流体系，煤层顶板为湖相泥岩、冲击相砂岩。5、 煤层中的结核、包体和化石顶板为海相沉积物的煤层，煤层中、顶部常见黄铁矿结核，煤层下半部常见硅质结核。泥炭中混入外来漂砾，形成包体。煤层中有时可见到动植物化石。6、 煤层厚度、形态及其控制因素煤层总厚度、有益厚度、可采厚度、可采煤层、厚度级别煤层形态控制因素：泥炭沼泽基底形状、沉积环境（冲积扇、河流、湖泊、三角洲、泻湖-障壁岛） 、同期构造变动（河流或湖泊相碎屑沉积体侵入煤层产生煤层分叉现象、基底发生断裂、褶皱） 、后期构造变动（褶皱、断裂、岩浆侵入、岩溶陷落柱）7、 含煤沉积体系山地冲积扇地带沉积体系成煤特征：扇间、扇内或扇前盆地可形成煤层，侧向连续性差河流沉积体系成煤特征：岸后沼泽和废弃河道有利于形成煤层