第三章煤的巖石組成與應(yīng)用

主要內(nèi)容：（1）煤巖組成的研究方法（2）宏觀煤巖成分和宏觀煤巖類型第一節(jié)宏觀煤巖組成

一、煤巖學(xué)的概念1、什么是煤巖學(xué)

Coalpetrology/petrography？

用巖石學(xué)的觀點(diǎn)和方法研究煤的組成和性質(zhì)。

2、煤巖學(xué)研究方法（1）宏觀方法macroscopicalmethod－用肉眼nakedeye或放大鏡magnifier/magnifyingglass觀察煤，根據(jù)其顏色colour

、條痕色striationcolour、光澤luster、裂隙fissure/crack和斷口fracture等，識別煤巖類型lithotype、判斷煤的性質(zhì)。

（2）微觀方法microscopicalmethod

－用顯微鏡研究煤：透射光、反射光

透射光下transmissionlight：薄片slice/thincoalsections2×2cm，厚0.02mm。根據(jù)顏色colour、形態(tài)form和結(jié)構(gòu)constructure識別顯微煤巖組分micropetrologicalconstituents、判斷煤的性質(zhì)；

反射光下reflection

light/reflected

light：光片(polishedbriquet)

直徑2cm，厚1.5-2cm圓柱體。在普通反射光或油浸物鏡oilimmersion

objectives下，根據(jù)顏色、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、突起、反光性等特征識別煤巖組分、判斷煤的性質(zhì)。

光片分為煤光片polishedblock和粉光片（磚光片）polishedbriquet

。二、宏觀煤巖組成1、宏觀煤巖成分用肉眼可以區(qū)分的煤的基本組成單位。腐植煤的宏觀煤巖成分可分為鏡煤、亮煤、暗煤和絲炭四種。它們具有不同的性質(zhì)和特征。鏡煤和絲炭一般僅以細(xì)小的透鏡體或不連續(xù)的薄層出現(xiàn)，難以形成獨(dú)立的分層。亮煤和暗煤雖然分層較厚，但常常又有相互過渡的現(xiàn)象，分界線不太明顯。

2、宏觀煤巖類型通常根據(jù)煤的平均光澤強(qiáng)度、各種煤巖成分的比例和組合情況將煤劃分為光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤和暗淡型煤四種煤巖類型。宏觀煤巖類型實(shí)質(zhì)上是在煤層中的自然共生組合。只有煤化程度相同的煤才能進(jìn)行比較。第三節(jié)煤的顯微組分

煤的顯微組分(macerals,micropetrologicalconstituents)，是指煤在顯微鏡下能能夠區(qū)別和辨識的基本組成成分。按其成分和性質(zhì)，可分為：

有機(jī)顯微組分：在顯微鏡下能觀察到的煤中成煤原始植物組織轉(zhuǎn)變而成的顯微組分。

無機(jī)顯微組分：在顯微鏡下能觀察到的無機(jī)礦物質(zhì)。一、煤的有機(jī)顯微組分指在顯微鏡下能識別的有機(jī)質(zhì)的基本單位。（60多種）。根據(jù)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相似的原則，又可將其分組（類）國內(nèi)外關(guān)于有機(jī)顯微組分的分類方案很多見（表2-2，表2-3，2-4）

腐植煤的有機(jī)顯微組分包括：

鏡質(zhì)組vitrinite

惰質(zhì)組inertinite

殼質(zhì)組exinite。

1、鏡質(zhì)組：透射光transmissionlight下呈透明transparent到半透明translucent，呈黃色或橙紅色salmonpink

，較均一，不含或少含礦物質(zhì)，見垂直裂紋。普通反射光下generalreflection

light呈灰色，油浸反射光下呈深灰色，無突起。鏡質(zhì)組是煤中最主要的顯微組分，我國多數(shù)地區(qū)煤中鏡質(zhì)組的含量為60~80%由植物的木質(zhì)纖維組織，經(jīng)凝膠化作用形成的。（2）另一方面植物組織在沼澤水的浸泡immersion下吸水膨脹swell，發(fā)生膠體化學(xué)變化，使細(xì)胞腔逐漸縮小，直至失去細(xì)胞結(jié)構(gòu)成為凝膠體。植物組織經(jīng)凝膠化作用并經(jīng)煤化作用后形成凝膠化組分（鏡質(zhì)組）。鏡質(zhì)組是煤中最主要煤巖組分，含量60－80％，甚至90％。

鏡質(zhì)組（vitrinite又稱凝膠化組分）的形成

通過凝膠化作用gelation形成。成煤植物的組織在氣流閉塞、積水較深的沼澤環(huán)境下（多水缺氧），產(chǎn)生極其復(fù)雜的變化。主要發(fā)生兩方面的變化

（1）一方面是植物組織tissue在微生物作用下，發(fā)生：分解decomposition

水解hydrolyzation

化合combination形成新的化合物并破壞植物組織器官的細(xì)胞結(jié)構(gòu)；腐植酸、瀝青質(zhì)2、惰質(zhì)組：惰質(zhì)組也是煤中比較常見的一種顯微組分，惰質(zhì)組在煤中的含量約為10%~~20%由植物的木質(zhì)纖維組織經(jīng)過絲炭化作用形成的。透射光下呈黑色，不透明。反射光下突起高，呈白色，油浸反射光時呈亮白色。惰質(zhì)組（inertinite又稱絲質(zhì)組）的成因

惰質(zhì)組是通過絲炭化作用形成。兩種原因：其一：最初發(fā)生在多氧少水的氧化環(huán)境中，植物有機(jī)組分在微生物作用下失去被氧化的原子團(tuán)而脫水、脫氫，碳含量相對增加，經(jīng)過氧化作用后，植物殘骸轉(zhuǎn)入覆水較深的弱氧化以至還原環(huán)境，或被泥砂覆蓋與空氣隔絕，再經(jīng)過煤化作用轉(zhuǎn)變?yōu)槎栀|(zhì)組的顯微組分。

其二：沼澤中生長的植物發(fā)生火災(zāi)后，植物殘體被燒焦，變成類似木炭的炭化物質(zhì)，它們沉入地下轉(zhuǎn)變成惰質(zhì)組顯微組分。由于成因、堆積環(huán)境、堆積方式等因素的影響，有的惰質(zhì)組分細(xì)胞壁完整，細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰，如絲質(zhì)體等；有的惰質(zhì)組顯微組分細(xì)胞中填充有黏土礦物；還有的細(xì)胞壁破裂為碎屑，雖然它們的形態(tài)特征差異很大，但它們的工藝性質(zhì)卻很相似。由于沼澤環(huán)境的差異，凝膠化作用進(jìn)行的強(qiáng)烈程度大不相同，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)和形態(tài)不同的凝膠化物質(zhì)。如果凝膠化作用微弱，植物的細(xì)胞壁基本上不膨脹或僅微膨脹，則植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)仍保持原始排列規(guī)則，細(xì)胞腔明顯，通常形成木煤體或結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體等顯微組分；如果凝膠化作用很強(qiáng)烈，植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)全部消失，成為均勻的凝膠體，則形成無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體或基質(zhì)鏡質(zhì)體等顯微組分；如果凝膠化作用的強(qiáng)度介于上述兩種情況之間，植物細(xì)胞腔顯著縮小或基本被凝膠化物質(zhì)充填，則形成木質(zhì)鏡煤體等顯微組分。這些經(jīng)過凝膠化作用形成的產(chǎn)物，不僅在形態(tài)特征上存在差異，而且它們的物理、化學(xué)性質(zhì)也存在差別，但是它們的工藝性質(zhì)卻比較接近。注意：由于環(huán)境等因素的改變，凝膠化作用和絲炭化作用可以交替發(fā)生，處于凝膠化作用中的產(chǎn)物都可以發(fā)生絲炭化作用，處于絲炭化作用中的產(chǎn)物一般也可以再進(jìn)行凝膠化作用。

3、殼質(zhì)組（exinite又稱穩(wěn)定組）的成因

殼質(zhì)組又稱穩(wěn)定組，是由成煤植物中化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的組織器官轉(zhuǎn)化而來的。在泥炭化作用階段，因化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，沒有遭受生物化學(xué)作用的破壞而保存在煤中，經(jīng)煤化作用后轉(zhuǎn)化為殼質(zhì)組。

殼質(zhì)組：透射光下透明transparent到半透明translucent，呈黃色或橙紅色salmonpink，輪廓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。煤中常見的殼質(zhì)組分有：孢子體sporophyte；花粉體pollen

樹脂體rosin；角質(zhì)體cutin

木栓體phellem等殼質(zhì)組在透射光下透明transparent到半透明translucent

，呈現(xiàn)黃色到橙紅色salmonpink

，輪廓清楚，外形特殊；在反射光下呈現(xiàn)深灰色，大多數(shù)有突起。鏡煤凝膠化組分亮煤暗煤絲炭穩(wěn)定組分絲炭化組分研究表明，煤的有機(jī)顯微組分與煤的宏觀煤巖成分關(guān)系非常密切。如鏡煤成分單一，基本上全部由鏡質(zhì)組組成；絲炭基本上全由惰質(zhì)組組成；亮煤和暗煤由三種顯微組分以不同的比例組合而成，亮煤中鏡質(zhì)組含量較多，暗煤中惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量較高。它們之間的關(guān)系見圖2-1。二、煤中的礦物質(zhì)——無機(jī)顯微成分

煤的無機(jī)顯微成分主要是指粘土礦物、黃鐵礦、石英、方解石等，在顯微鏡下可以進(jìn)行區(qū)分。

粘土類礦物Clayminerals;：高嶺石kaolinite，伊利石，水云母，…

硫化物類礦物sulfide

minerals：黃鐵礦pyrite，白鐵礦，…

碳酸鹽類礦物carbonate

minerals：方解石calcite，菱鐵礦，…

氧化物類礦物oxide

minerals

：石英quartz，…

硫酸鹽類礦物sulphate

minerals

：石膏gypsum，…

三、煤巖各種顯微組分的化學(xué)組成和工藝性質(zhì)1、化學(xué)組成研究表明，同一種煤中各種顯微組分（鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組）的化學(xué)組成、物理性質(zhì)都有較大差異，呈規(guī)律性變化；另外，隨煤化程度的增高，同一種顯微組分（鏡質(zhì)組或惰質(zhì)組或殼質(zhì)組）的化學(xué)組成、物理性質(zhì)也發(fā)生規(guī)律性變化。見表2-10從表中可見，A、同一煤化程度的煤中：碳含量：惰質(zhì)組最高，殼質(zhì)組次之，鏡質(zhì)組最低；氫含量：殼質(zhì)組最高，鏡質(zhì)組次之，惰質(zhì)組最低；密度：惰質(zhì)組最高，鏡質(zhì)組次之，殼質(zhì)組最低；揮發(fā)分：殼質(zhì)組的最高，鏡質(zhì)組第二，惰質(zhì)組最低；反射率：惰質(zhì)組最大，鏡質(zhì)組次之，殼質(zhì)組最小。

B、不同煤化程度的煤中，隨著煤化程度增高，各種顯微組分（鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組）的碳含量增加，氫含量和揮發(fā)分減少，密度和反射率增大。另外還可看出，隨著煤化程度的增高，各種顯微組分的化學(xué)組成，物理性質(zhì)的差異在逐漸縮小。

2、工藝性質(zhì)黏結(jié)性是煉焦煤的一個重要工藝性質(zhì)。在煤熱解過程中，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組表現(xiàn)出良好的黏結(jié)性，是煉焦過程中的活性組分；惰質(zhì)組在熱解過程中既不軟化，也不產(chǎn)生膠質(zhì)體，因此不具有黏結(jié)性，屬于惰性組分。所以，當(dāng)煤化程度相同時，煤中鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組含量越高，煤的黏結(jié)性越好，煤中惰質(zhì)組含量越高煤的黏結(jié)性越差。煤中各種顯微組分工藝性質(zhì)的差異在其它一些方面也有體現(xiàn)。例如：干餾時或加氫液化時，殼質(zhì)組的煤氣產(chǎn)率和焦油產(chǎn)率最高，較容易液化，鏡質(zhì)組次之，而惰質(zhì)組屬惰性組分，很難液化，所以用于液化使用的煤，應(yīng)選擇惰質(zhì)組含量低的煤。第三節(jié)煤巖學(xué)的研究方法宏觀研究法和顯微研究法一、煤巖顯微組分的分離和富集1、分離方法：一般先手選、粉碎解理、再篩選、最后用密度法精選。充分解理，將共生在煤顆粒中的不同顯微組分分散開來，才能有效分離。機(jī)械研磨是解理的主要方法。10-2μm2、分離步驟初步分離（手選、篩選）精細(xì)分離二、煤巖分析樣品的制備方法粉煤光片、塊煤光片、煤巖薄片、光薄片四、煤巖顯微組分的反射率五、煤巖學(xué)定量分析方法第四節(jié)煤巖學(xué)的應(yīng)用煤巖學(xué)自創(chuàng)立以來，在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，已在煤田地質(zhì)、選煤、煉焦、煤質(zhì)評價和煤分類方面發(fā)揮了重要作用。

1.在選煤中的應(yīng)用選煤：去除煤中礦物雜質(zhì)的過程。洗選后的煤稱為精煤精煤中灰分、硫、磷等有害雜質(zhì)的含量必須降到能滿足各種工業(yè)用煤的質(zhì)量要求。要達(dá)到此目的，需要選擇適易的選煤方法并制定科學(xué)的工藝流程。目前，選煤方法、工藝流程確定的主要依據(jù)是煤的可選性評價結(jié)果，如試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可選性曲線等。另外，利用煤巖學(xué)方法評定煤的可選性也是非常重要的。實(shí)驗(yàn)表明，煤的可選性與煤中礦物的成因、成分、粒度、數(shù)量及賦存狀態(tài)關(guān)系密切，如果煤中礦物的粒度大、數(shù)量少、分布集中、與煤中有機(jī)質(zhì)的密度差異大，礦物質(zhì)與煤中有機(jī)質(zhì)就容易分離，則煤的可選性就好。相反，如果煤中的礦物質(zhì)粒度小，數(shù)量多，均勻分布于煤的有機(jī)質(zhì)中或充填于有機(jī)質(zhì)細(xì)胞腔中，雖經(jīng)破碎，礦物質(zhì)與煤中有機(jī)質(zhì)也難以分離開，則煤的可選性差。利用顯微鏡觀察煤的光片，能直觀地了解煤中礦物的種類、數(shù)量、粒度大小和賦存狀態(tài)等，根據(jù)觀察到的“信息”可對煤的可選性作出評價，并為選擇合理的破碎粒度、制定選煤工藝和流程提供技術(shù)依據(jù)。

2.在配煤煉焦方面的應(yīng)用用煤巖學(xué)方法預(yù)測焦炭質(zhì)量指導(dǎo)配煤煉焦是煤巖學(xué)發(fā)展史上的一個重大成就。這種方法被公認(rèn)是比較好的配煤方法，現(xiàn)在世界各國已被廣泛采用。配煤煉焦的理論基礎(chǔ)是：

1）煤中鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組屬于活性物質(zhì)，在熱解過程中能熔融并產(chǎn)生活性鍵成分，具有黏結(jié)性；而惰質(zhì)組為惰性成分，在熱解過程中不能熔融，不產(chǎn)生活性鍵成分，不具備黏結(jié)性。

2）活性成分的質(zhì)量差別很大，不僅不同煤化程度的煤差別大，即使同一種煤，所含的活性成分的質(zhì)量也有差別。

3）惰性成分也是不可缺少的，缺少或過剩都對配煤煉焦不利，都會導(dǎo)致焦炭質(zhì)量下降。所以說，一個比較好的配煤方案，實(shí)際上是各種活性組分和一定質(zhì)量的惰性組分比例恰當(dāng)?shù)慕M合。通過觀測、統(tǒng)計各種煤巖顯微組分的含量及測定鏡質(zhì)組反射率，并使用適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ嬎?、試?yàn)、作圖，找出煉焦配煤的最佳配比，預(yù)測焦炭質(zhì)量。

3.在煤質(zhì)評價方面的應(yīng)用從煤巖學(xué)的觀點(diǎn)考慮，影響煤質(zhì)的因素主要有煤巖組成和煤化程度。研究表明，同一煤系煤化程度相同的煤層，由于煤巖組成不同，煤的工藝性質(zhì)出現(xiàn)明顯差異。例如：鶴崗煤田興山礦處于不同埋藏深度的上、下部煤層的揮發(fā)分值出現(xiàn)一定異常，呈現(xiàn)上部揮發(fā)分值低于下部的情況，與正常規(guī)律相背離。為了查明異常的原因，測定了煤巖巖相組成及鏡質(zhì)組反射率，表明上、下部煤層的煤化程度基本相同，但是下部煤層鏡煤含量高，而暗煤、絲炭、半絲炭較上部明顯偏低。4.在煤分類中的應(yīng)用（正在發(fā)展中）目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的煤炭分類方案大多是使用反映煤化程度和反映煤工藝性質(zhì)的指標(biāo)作為分類依據(jù)，比如：使用揮發(fā)分、碳含量、氫含量、發(fā)熱量等表示煤化程度；使用黏結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)層厚度、奧亞膨脹度、羅加指數(shù)、自由膨脹序數(shù)，葛金焦型等表示煤的工藝性質(zhì)（黏結(jié)性、結(jié)焦性）。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對煤的研究逐漸深化，對煤的認(rèn)識更加深刻，而且煤的加工、利用途徑更加廣闊，各種工業(yè)用煤對煤質(zhì)的要求更加嚴(yán)格，現(xiàn)有分類已不能完全滿足工業(yè)應(yīng)用的需要，所以，不斷有人提出采用煤巖學(xué)參數(shù)對煤進(jìn)行重新分類，如20世紀(jì)70年代以來，俄羅斯、美國、澳大利亞、加拿大、印度等國都分別提出了以煤巖學(xué)參數(shù)為分類指標(biāo)的煤炭分類方案，這些新的煤炭分類法對煤的區(qū)別更加精細(xì)，實(shí)際上也是對常規(guī)煤炭分類的非常重要的補(bǔ)充。

5.在煤田地質(zhì)方面的應(yīng)用（1）研究煤的成因類型和成煤環(huán)境煤是由植物演變而成的，在煤中保存著許多植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和植物的原始組分。如果是低等植物形成的煤，在煤片中可觀察到藻類體等顯微組分；如果是高等植物形成的煤，則可觀察到孢子、花粉、角質(zhì)層、樹脂等顯微組分，進(jìn)而可確定煤的成因類型。在沼澤中，植物遺體的堆積環(huán)境決定了凝膠化作用或絲炭化作用的形式，所以根據(jù)煤中各種顯微組分的含量可推測成煤環(huán)境。例如：美國伊利諾斯煤田賓夕法尼亞系的Springfield和Herrin煤層的成煤環(huán)境就可用鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的比值加以說明。研究表明，這兩層煤的鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的比值與沼澤距古河道的遠(yuǎn)近有關(guān)。在靠近古河道處，沼澤水位高，氧氣不充足，泥炭不易暴露和氧化，主要發(fā)生凝膠化作用，所以煤中的鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組比值較高（12-27）；在遠(yuǎn)離河道處（10km~20km），沼澤水位低，氧氣充足，泥炭易暴露和氧化，絲炭化作用顯著，煤的鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組比值較?。?-11）。（2）確定煤化程度研究表明，鏡質(zhì)組反射率隨煤化程度的增高而增大，而且鏡質(zhì)組反射率與揮發(fā)分、碳含量等可反映煤化程度的指標(biāo)相比較，它受煤的巖相組成的影響小，是判定煤化程度的比較理想的指標(biāo)。（圖2-2）（3）在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用煤和石油都是生物遺體形成的沉積礦產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，油氣形成的階段與煤中鏡質(zhì)組反射率存在對應(yīng)關(guān)系。例如：在我國，當(dāng)鏡質(zhì)組反射率為0.3%~0.7%