第三章煤的岩石组成
2009-04-《煤化学》讲稿 03 章-煤岩学基础-1
（一）孢子体
孢子和花粉的外孢壁
是孢子植物的繁殖器官，都是由单细胞组成的，一般雌 性的孢子体称为大孢子，雄性的孢子体称为小孢子。 大孢子体一般直径为 0.1～ 3mm， 有时可达 5～10mm， 在煤中被挤压成扁平体，纵切面为封闭的长环状，折曲 处呈钝圆形。 大孢子表面常有瘤状、棒状和刺绣状等各种纹饰。有时3 个或4个大孢子在一起，称为三孢体或四孢体。有些大孢子破 碎成长条带状，其孢壁两边均较光滑，不显锯齿形而区别于角 质层。
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（二）无结构镜质体 在普通显微镜下没有显示植物细胞结构的镜质组分。 它常作为其他各种显微组分碎片和共生矿物的基质胶体 物或填充物。 显微组分 无结构镜质体 显微亚组分 均质镜质体 胶质镜质体 基质镜质体 团块镜质体
20
1
均质镜质体 一般在较厚的镜煤或镜质组层中出现，主要由植物的木 质部和叶等组织经凝胶化作用转变而成， 常呈宽窄不等的条带状和透镜状，均一、纯净，发育垂 直裂纹，具有较正常的反射率，是作为测量反射率以确定煤级 的标准组分；
含碳酸 盐煤样
2
煤的不均一性，对煤的物理化学性质和加工工艺特性均 有很大的影响。 确定煤的岩石组成和煤化程度，是正确评价煤质、确定
煤的合理利用途径的主要依据，也是研究煤的成因和变质程度
的基础。 煤岩学研究方法是在不破坏煤的原生结构、表面性质的 情况下，以物理方法为主，直接对煤的各方面性质进行研究。 优点：制作简单、操作方便、观察测试结果直观、分析 快以及论据充分
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未刻蚀部分
刻蚀部分
SLIDE 42 Telocollinite 均质无结构镜质体 (normal vitrinite of compressed cell wall) which has been etched (right half of particle) to show compressed cell structure (240 microns on long axis) 23
煤岩组分 分子结构
煤岩组分分子结构煤岩是一种由有机质在地质过程中经过压实和热解而形成的岩石。
煤岩的组分主要包括有机质和无机质两部分。
其中，有机质是煤岩的主要组分，占煤岩总质量的50%~90%。
有机质主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成，其分子结构复杂，包括蛋白质、脂肪、糖类、木质素等多种有机物质。
无机质主要由矿物质组成，包括石英、长石、云母、方解石等。
煤岩的有机质主要来源于植物残体和微生物遗体。
在地质过程中，这些有机质经过长时间的压实和热解，逐渐转化为煤岩中的有机质。
煤岩的有机质分子结构复杂，其中包括多种有机物质。
蛋白质是煤岩中的一种重要有机物质，其分子结构由氨基酸组成。
煤岩中的脂肪主要由甘油和脂肪酸组成，其分子结构为三酯。
煤岩中的糖类主要由葡萄糖、木糖、果糖等单糖组成，其分子结构为多糖。
煤岩中的木质素是一种重要的有机物质，其分子结构由苯环和侧链组成。
煤岩的无机质主要由矿物质组成，其分子结构相对简单。
石英是煤岩中的一种重要矿物质，其分子结构为SiO2。
长石是煤岩中的另一种重要矿物质，其分子结构为KAlSi3O8。
云母是煤岩中的一种层状矿物质，其分子结构为K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH)2。
方解石是煤岩中的一种碳酸盐矿物质，其分子结构为CaCO3。
总之，煤岩的组分主要包括有机质和无机质两部分。
有机质是煤岩的主要组分，其分子结构复杂，包括蛋白质、脂肪、糖类、木质素等多种有机物质。
无机质主要由矿物质组成，其分子结构相对简单。
煤岩的组分和分子结构对于煤岩的形成和利用具有重要的意义。
煤矿岩石分类
煤矿岩石分类
煤矿岩石的分类通常基于其物理和地质特征。
以下是一些常见的煤矿岩石分类：
1. 沉积岩：沉积岩是由沉积作用形成的岩石，通常是由砂岩、泥岩、石灰岩等组成。
这些岩石通常具有层理结构，是煤矿中最常见的岩石类型之一。
2. 火成岩：火成岩是由岩浆或熔岩冷却凝固形成的岩石，通常是由花岗岩、玄武岩等组成。
这些岩石通常具有晶粒结构，是煤矿中较为坚硬的岩石类型之一。
3. 变质岩：变质岩是由沉积岩或火成岩经过变质作用形成的岩石，通常是由片麻岩、大理岩等组成。
这些岩石通常具有晶粒结构和变质结构，是煤矿中较为坚硬的岩石类型之一。
这些分类只是煤矿岩石的一些常见类型，实际上还有许多其他类型的岩石，如页岩、砾岩、角砾岩等。
在煤矿开采中，了解岩石的类型和特征对于选择合适的开采方法和设备至关重要。
镜煤、亮煤、暗煤、丝炭区别
煤作为一种岩石，人们用肉眼或在显微镜下，可以看出它在组成、结构和物理性质方面有其不同的特点和差异，从这些标志入手，可把煤划分出许多岩石类型。
用肉眼观察时所作出的划分称为宏观煤岩类型，在显微镜下观察时所作的划分称为显微煤岩类型。
根据成因、化学性质和岩石性质，煤可被区分为腐植煤和腐泥煤。
岩石类型（Lithotype of coal）这一术语是指煤层中用肉眼可以识别的不同条带，是用肉眼区分煤的岩石分类的基本组成单位。
表3-4列出了腐植煤和腐泥煤的煤岩类型及其最重要的特征。
表3-4 烟煤的类型和煤岩类型（据E.Stach1992）腐植煤煤层通常由镜煤（光亮条带）、亮煤（半光亮条带）、暗煤（暗淡条带）、和丝炭（矿物木炭）组成。
其中镜煤和暗煤是简单的煤岩类型，亮煤和暗煤是复杂的煤岩类型。
在光泽强度上丝炭和暗煤是暗淡的，镜煤和亮煤则是光亮的。
（一）镜煤镜煤呈黑色、深黑色，光泽强，明亮如镜，因而得名；是煤中颜色最深、光泽最强的类型。
其质地纯净而均匀，以贝壳状或眼球状断口和垂直的内生裂隙发育为特征，性脆，但脆度次于丝炭，易破碎成棱角状小块，在煤中常呈透镜状或条带状，有时线理状夹在亮煤和暗煤中。
镜煤的颜色、光泽和内生裂隙数目均随煤化程度变化而有规律地变化。
在显微镜下观察，煤镜轮廓清楚，质地纯净，主要是木质纤维组织经过凝胶化作用形成的，也是一种简单的煤岩类型（结构镜质体和均质镜质体等组成）。
镜煤的挥发分和氢含量高，粘结性强，矿物质含量较少。
（二）亮煤亮煤是煤中最常见的煤岩类型。
其光泽仅次于镜煤，性较脆，内生裂隙较发育，密度较小，有时有贝壳状断口。
其均一程度不如镜煤，往往可见细微纹理，在煤层中常呈较厚的分层或透镜状出现。
在显微镜下观察，亮煤的组分也比较复杂，与暗煤相比，亮煤中的镜质组较多，而壳质组和惰质组较少。
亮煤的各种物理、化学和工艺性质多介于镜煤和暗煤之间。
（三）暗煤暗煤的颜色为灰黑、暗黑，光泽暗淡，致密坚硬，韧性较大，密度大，内生裂隙不发育，层理不清晰，断面粗糙，断口呈不规则状或平坦状。
煤的岩石类型
煤的岩石类型
煤是一种由植物残骸经过长时间的压缩和生物作用形成的岩石类型。
根据煤的不同含碳量和形成条件，可以区分出以下几种煤的类型：
1. 褐煤：含水分较高，碳含量较低，通常呈现棕色。
褐煤的形成通常发生在煤矿形成的早期阶段。
2. 焦煤：较高的碳含量，较低的水分含量，呈现黑色。
焦煤适用于冶金工业中的焦炉，用于制造高级炼铁剂，如焦炭。
3. 石煤：含水分很低，碳含量较高，呈现深黑色。
石煤通常发生在煤矿形成的晚期阶段。
4. 岩炭：含碳含量高，水分含量极低，几乎完全由碳组成。
岩炭的质地致密，坚硬，可用作特种炭。
5. 无烟煤：也称为硬煤，一种黑色的含碳量较高的煤炭。
无烟煤燃烧时产生的烟尘少，因此被广泛用作供暖和工业燃料。
这些煤的类型是根据煤中的碳含量、水分含量和形成过程等特征进行分类的。
不同类型的煤在使用上具有不同的特点和应用领域。
煤化学之煤的结构
（2）液态结构 属于中等煤化度烟煤，其特征是芳香层片在一定程
度上定向，并形成包含两个或两个以上层片的微晶。层片 间的交联大大减少，故活动性大。这种煤的孔隙率小，机 械强度低，热解时易形成胶质体。
（3）无烟煤结构 属于无烟煤，其特征是芳香层片增大，定向程度增
大。由于缩聚反应剧烈，使煤体积收缩，故形成大量孔隙。
2、物理结构模型(physical Structure model)
2.1 Hirsch模型 Hirsch模型将不同煤化程度的煤划分为三 种物理结构。
（1）敞开式结构 属于低煤化度烟煤，其特征是芳香层片 (aromatic
layer)小，不规则的“无定形结构”比例较大。芳香层片间 由交联键(crosslink bond)连接，并或多或少在所有方向上 任意取向，形成多孔的立体结构。
1.2.2 官能团 functional group
（2）含硫官能团(sulfur containing functional group )， 如： 硫醇（–SH） 、硫醚（R–S–R）、 二硫化物（–S–S–）
（3）含氮官能团(nitrogen containing functional group )， 如： 吡啶 、喹啉的衍生物 胺基（–NH2）
(1)煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物
煤不是由均一的单体聚合而成，而是由许多结构 相似但又不完全相同的基本结构单元通过桥键连接 而成。结构单元由规则的缩合芳香核与不规则的、 连接在核上的侧链和官能团两部分构成。
(2) 结构单元的核心是缩合芳香核
缩合芳香核为缩聚的芳环、氢化芳环或各种杂环 （含硫、氮），环数随煤化程度的提高而增加。碳含量 为70%～83%时，平均环数为2；碳含量为83%～90% 时，平均环数为3～5；碳含量为大于90%时，环数急剧 增加，碳含量大于95%时，平均环数大于40。煤的芳碳 率，烟煤一般小于0.8，无烟煤则趋近于1。
第3章 煤矿开采基本知识
第二节 矿井开采基本知识
2.普通机械化采煤工作面采煤工艺
普采工艺的主要特点是用采煤机落煤。采煤机 主要有刨煤机和滚筒采煤机2类。滚筒采煤机主要 有单滚筒和双滚筒2种。 （1） 落煤、装煤。普采工作面的落煤与装煤 由采煤机完成。
第二节 矿井开采基本知识
（2） 运煤。普采工作面运煤采用可弯曲刮板 输送机。推移输送机时，利用液压千斤顶将输送机 移到目的地，并使输送机平、直，符合要求。
第一节 矿井地质基本知识
（2） 陷落柱，是指煤系 地层下部可溶性岩石在地下 水溶蚀和重力作用下产生的 坍塌现象。由于坍塌呈圆形 或不甚规则的椭圆形柱状体， 所以称为“陷落柱”，如图。
岩溶陷落柱
第一节 矿井地质基本知识
陷落柱内有大小不等 的煤块、岩块和其他杂质 胶结在一起，不坚硬，有 的有积水、瓦斯等。在水 文地质复杂的矿井中，陷 落柱常是地下水的良好通 道。陷落柱顶板难于管理。
4.综合开拓
综合开拓是指借助于2种或2种以上井筒形式从 地面进入地下，并通过一系列巷道通达矿体（煤层） 的开拓方式。
第二节 矿井开采基本知识
二、 采煤工艺
在采煤工作面内按照一定顺序完成各项工序及 其配合，称为采煤工艺。采煤工艺与回采巷道布置 及其在时间上、空间上的相互配合总称为采煤方法。 我国常见的采煤工艺有爆破采煤（简称炮采）、普 通机械化采煤（简称普采）、综合机械化采煤（简 称综采）、综采放顶煤等。
逆断层
平推断层
（3）平推断层，是指两盘沿断层面作水平方 向相对位移的断层，如图（平推断层）。
第一节 矿井地质基本知识
3.冲蚀、陷落柱和岩浆侵入
（1） 冲蚀，是指成煤后水流侵蚀了煤层、 顶板甚至底板，而过后又被砂石充填的现象，又 称冲刷带。有的还在煤层内形成包裹体，如图 （冲蚀和冲刷包裹体）。
煤相研究
浅沼相（A）＝镜质体A（有结构的）+半丝质体+丝质体；
湖沼-浅沼相（B）＝镜质体B（无结构的）+粗粒体； 湖沼相（C）＝粘土+石英+藻类体+碎屑壳质体+碎屑惰性体+矿物质 含沥青质基质。
煤相平面分布分析
编制煤的灰分含量、硫含量、TPI、GI等参数平面分布图
煤相分析意义
煤层形成机理 煤层对比 煤质分带预测 煤层气研究 层序地层研究
煤层中的层序边界
层序边界位于20 cm 厚的泻湖相页岩到粉砂岩层之下。这一岩层相当于 Archerfield 障壁滩砂岩的向陆沉积。因此，这一岩层代表了海侵体系域的向岸显示。
微三合煤、微碳矿质岩、富 孢子体和/或藻类体
浅沼的
湖-浅沼的
湖沼的
微镜煤
微亮煤
微三合煤 富孢子体
微镜煤
微三合煤、微碳矿质岩、富孢 子体和/或藻类体
巴西Santa Rita-Charqucadas 煤田SR1、SR2和SR3煤层形成时期的主要沉积环境
由Diessel (1986)提出的结构保存指数(TPI)和凝胶化指数(GI)已
浅沼相（A）＝镜质体A（有结构的）+半丝质体+丝质体；
湖沼-浅沼相（B）＝镜质体B（无结构的）+粗粒体； 湖沼相（C）＝粘土+石英+藻类体+碎屑壳质体+碎屑惰性体+矿物质含
沥青质基质。
D 开阔沼泽
湖沼
75％
湖沼－浅沼 50％
1 （T+F）/D
15％ 浅沼 5％ 潮湿森林沼泽T 4 1 T/F 1/4
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结性越差。
煤中各种显微组分工艺性质的差异在其它一些方
面也有体现。例如：干馏时或加氢液化时，壳质组的
煤气产率和焦油产率最高，较容易液化，镜质组次之
，而惰质组属惰性组分，很难液化，所以用于液化使 用的煤，应选择惰质组含量低的煤。
第三节
煤岩学的研究方法
宏观研究法和显微研究法
一、煤岩显微组分的分离和富集
（2）另一方面植物组织在沼泽水的浸泡immersion下
吸水膨胀swell，发生胶体化学变化，使细胞腔逐渐缩小，
直至失去细胞结构成为凝胶体。 植物组织经凝胶化作用并经煤化作用后形成凝胶化组 分（镜质组）。镜质组是煤中最主要煤岩组分，含量60 －80％，甚至90％。
镜质组（vitrinite又称凝胶化组分）的形成
一、煤的有机显微组分
指在显微镜下能识别的有机质的基本单位。（60多种）。
根据结构、性质相似的原则，又可将其分组（类） 国内外关于有机显微组分的分类方案很多见（表2-2，表23，2-4）
腐植煤的有机显微组分包括： 镜质组vitrinite 惰质组inertinite 壳质组exinite 。
1、镜质组：透射光transmission light下呈透明
二、 煤中的矿物质——无机显微成分
煤的无机显微成分主要是指粘土矿物、黄铁矿、石英、 方解石等，在显微镜下可以进行区分。 粘土类矿物Clay minerals;：高岭石kaolinite，伊利石， 水云母，… 硫化物类矿物sulfide minerals ：黄铁矿pyrite，白铁矿， … 碳酸盐类矿物carbonate minerals ：方解石calcite，菱铁 矿，… 氧化物类矿物oxide minerals ：石英quartz，… 硫酸盐类矿物sulphate minerals ：石膏gypsum，…
二、宏观煤岩组成
2、宏观煤岩类型
通常根据煤的平均光泽强度、各种煤岩成分的比例和组合
情况将煤划分为光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤和暗淡型煤四 种煤岩类型。宏观煤岩类型实质上是在煤层中的自然共生组合
。只有煤化程度相同的煤才能进行比较。
第三节 煤的显微组分
煤的显微组分(macerals, micropetrological constituents)，是指煤在显微镜下能能够区别和辨识 的基本组成成分。按其成分和性质，可分为： 有机显微组分：在显微镜下能观察到的煤中成煤原 始植物组织转变而成的显微组分。 无机显微组分：在显微镜下能观察到的无机矿物质。
氢含量和挥发分减少，密度和反射率增大。
另外还可看出，随着煤化程度的增高，各种显微
组分的化学组成，物理性质的差异在逐渐缩小。
2、工艺性质
黏结性是炼焦煤的一个重要工艺性质。在煤热解
过程中，镜质组和壳质组表现出良好的黏结性，是炼
焦过程中的活性组分；惰质组在热解过程中既不软化， 也不产生胶质体，因此不具有黏结性，属于惰性组分。 所以，当煤化程度相同时，煤中镜质组、壳质组含量 越高，煤的黏结性越好，煤中惰质组含量越高煤的黏
1、分离方法：一般先手选、粉碎解理、再筛选、最后用密 度法精选。 充分解理，将共生在煤颗粒中的不同显微组分分散开来， 才能有效分离。机械研磨是解理的主要方法。 10-2μ m 2、分离步骤 初步分离（手选、筛选） 精细分离 二、煤岩分析样品的制备方法 粉煤光片、块煤光片、煤岩薄片、光薄片
四、煤岩显微组分的反射率 五、煤岩学定量分析方法
角质体cutin
镜煤
亮煤
暗煤
丝炭
凝胶化组分
稳 定 组 分
丝炭化组分
研究表明，煤的有机显微组分与煤的宏观煤岩成分 关系非常密切。如镜煤成分单一，基本上全部由镜 质组组成；丝炭基本上全由惰质组组成；亮煤和暗 煤由三种显微组分以不同的比例组合而成，亮煤中 镜质组含量较多，暗煤中惰质组和壳质组含量较高 。它们之间的关系见图2-1。
（2）微观方法microscopical method －用显微镜研究煤 ： 透射光、反射光
透射光下transmission light：薄片slice/thin coal
sections 2×2 cm，厚 0.02 mm。 根据颜色colour、形态
form和结构constructure识别显微煤岩组分
3. 在煤质评价方面的应用 从煤岩学的观点考虑，影响煤质的因素主要有煤岩组成和 煤化程度。研究表明，同一煤系煤化程度相同的煤层，由于煤 岩组成不同，煤的工艺性质出现明显差异。例如：鹤岗煤田兴 山矿处于不同埋藏深度的上、下部煤层的挥发分值出现一定异 常，呈现上部挥发分值低于下部的情况，与正常规律相背离。 为了查明异常的原因，测定了煤岩岩相组成及镜质组反射率，
另外，利用煤岩学方法评定煤的可选性也是非常重要的。 实验表明，煤的可选性与煤中矿物的成因、成分、粒度、数
量及赋存状态关系密切，如果煤中矿物的粒度大、数量少、分布
集中、与煤中有机质的密度差异大，矿物质与煤中有机质就容易 分离，则煤的可选性就好。相反，如果煤中的矿物质粒度小，数
量多，均匀分布于煤的有机质中或充填于有机质细胞腔中，虽经
三、煤岩各种显微组分的化学组成和工艺性质
1、化学组成 研究表明，同一种煤中各种显微组分（镜质 组、惰质组、壳质组）的化学组成、物理性质都有较大差异，呈 规律性变化；另外，随煤化程度的增高，同一种显微组分（镜质 见表2-10从表中可见， A、同一煤化程度的煤中： 碳含量：惰质组最高，壳质组次之，镜质组最低；
没有遭受生物化学作用的破坏而保存在煤中，经煤化作用后
转化为壳质组。 壳质组：透射光下透明transparent到半透明translucent， 呈黄色或橙红色salmon pink，轮廓profile清晰，外形特殊。 普通反射光下大多有突起，呈深灰色，油浸反射光下－灰黑 色或黑灰色。
煤中常见的壳质组分有：
腔显著缩小或基本被凝胶化物质充填，则形成木质镜煤体等显
微组分。 这些经过凝胶化作用形成的产物，不仅在形态特征上存 在差异，而且它们的物理、化学性质也存在差别，但是它们的 工艺性质却比较接近。
3、壳质组（ exinite又称稳定组）的成因
壳质组又称稳定组，是由成煤植物中化学稳定性强的组 织器官转化而来的。在泥炭化作用阶段，因化学稳定性强，
通过凝胶化作用gelation形成。成煤植物的组织在气 流闭塞、积水较深的沼泽环境下（多水缺氧） ， 产生极 其复杂的变化。主要发生两方面的变化 （1）一方面是植物组织tissue在微生物作用下，发生：
分解decomposition
水解hydrolyzation 化合combination形成新的化合物并破坏植物组织 器官的细胞结构；
组或惰质组或壳质组）的化学组成、物理性质也发生规律性变化。
氢含量：壳质组最高，镜质组次之，惰质组最低；
密度： 惰质组最高，镜质组次之，壳质组最低； 挥发分：壳质组的最高，镜质组第二，惰质组最低；
反射率：惰质组最大，镜质组次之，壳质组最小。
B、不同煤化程度的煤中，随着煤化程度增高，各种显
微组分（镜质组、惰质组、壳质组）的碳含量增加，第四节煤岩学的应用
煤岩学自创立以来，在生产中的应用日益广泛，已在煤田
地质、选煤、炼焦、煤质评价和煤分类方面发挥了重要作用。 1. 在选煤中的应用
选煤：去除煤中矿物杂质的过程。
洗选后的煤称为精煤 精煤中灰分、硫、磷等有害杂质的含量必须降到能满足各 种工业用煤的质量要求。要达到此目的，需要选择适易的选煤 方法并制定科学的工艺流程。 目前，选煤方法、工艺流程确定的主要依据是煤的可选性 评价结果，如试验数据，可选性曲线等。
transparent到半透明translucent，呈黄色或橙红色 salmon pink ，较均一，不含或少含矿物质，见垂直裂纹。
普通反射光下general reflection light呈灰色，油浸反射光
下呈深灰色，无突起。 镜质组是煤中最主要的显微组分，我国多数地区煤 中镜质组的含量为60~80% 由植物的木质纤维组织，经凝胶化作用形成的。
micropetrological constituents、判断煤的性质；
反射光下reflection light / reflected light ：光片 (polished briquet) 直径 2 cm，厚1.5-2 cm 圆柱体。在普 通反射光或油浸物镜oil immersion objectives下，根据颜 色、形态、结构、突起、反光性等特征识别煤岩组分、 判断煤的性质。 光片分为煤光片polished block和粉光片（砖光片） polished briquet 。
腐植酸、沥青质
2、惰质组：惰质组也是煤中比较常见的一种显微组分， 惰质组在煤中的含量约为10%~~20%由植物的木质纤维组织经 过丝炭化作用形成的。 透射光下呈黑色，不透明。反射光下突起高，呈白色，
油浸反射光时呈亮白色。
惰质组（inertinite又称丝质组）的成因 惰质组是通过丝炭化作用形成。 两种原因： 其一：最初发生在多氧少水的氧化环境中，植物有机组分在 微生物作用下失去被氧化的原子团而脱水、脱氢，碳含量相对增 加，经过氧化作用后，植物残骸转入覆水较深的弱氧化以至还原 环境，或被泥砂覆盖与空气隔绝，再经过煤化作用转变为惰质组 的显微组分。 其二：沼泽中生长的植物发生火灾后，植物残体被烧焦，变 成类似木炭的炭化物质，它们沉入地下转变成惰质组显微组分。 由于成因、堆积环境、堆积方式等因素的影响，有的惰质组 分细胞壁完整，细胞结构清晰，如丝质体等；有的惰质组显微组 分细胞中填充有黏土矿物；还有的细胞壁破裂为碎屑，虽然它们 的形态特征差异很大，但它们的工艺性质却很相似。