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煤化学第四章煤的岩石组成
第四章煤的岩石组成
煤是一种固体可燃有机岩。
煤岩学是把煤作为一种有机岩石,以物理方法为主研究媒的物质成分、结构、性质、成因及合理利用的学科。
它是煤地质学的一个分支,与古生物学、沉积岩石学、煤地球化学、煤工艺学和石油地质学等学科密切相关。
煤岩学研究始于1830年,英国人赫顿(Hutton)发展了在显微镜下用透射光观察煤薄片的技术,发现了煤中存在着大量的植物结构,并提出了煤是由植物生成的论断。
1919年英国人斯托普斯(M.Stapes)用肉眼观察煤时,将宏观煤岩成分分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种类型,并详细描述了它们的特征和性质的差别。
1924年波托涅编写了《普通煤岩学概论》一书,第一次提出了“煤岩学"这个术语。
1925年德国人斯塔赫(E.Stach)介绍了煤的光片技术,利用反射光观察煤的光片,并使用了油浸物镜研究煤。
1928年斯塔赫和屈耳魏恩又发明了粉煤光片。
1935年斯托普斯建议使用煤岩显微组分这一术语,使煤岩学的研究向微观方向前进了一步。
20世纪初期广泛开展煤的显微镜下的观察、研究,使煤岩学逐渐发展形成一门独立的学科。
显微镜下研究煤是煤岩学的主要手段。
煤的应用领域不断扩大,需求量与日俱增,为使煤得到综合、合理利用,必须加强对煤的物质成分的研究。
煤的显微组分、显微类型和煤化作用是煤岩学的主要研究内容。
煤岩学在地质学领域和工业中的应用日益广泛。
应用煤岩学方法确定的煤岩组成和煤化程度,是评定煤的性质和用途的重要依据,也是研究煤的生成和变质的重要基础。
第一节宏观煤岩组成
一、宏观煤岩成分
宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组成单位。
在国际煤岩学界,宏观煤岩成分称为煤岩类型(Lithotypeofcoal).指煤层中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。
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。
根据颜色、光泽、断口、裂隙、硬度等性质,用肉眼可以将煤区分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种宏观煤岩成分。
镜煤和丝炭是简单的煤岩成分,而亮煤和暗煤是复杂的煤岩成分。
(一)镜煤(vitrain)
镜煤是颜色最黑、光泽最亮、质地均匀、常具有内生裂隙的宏观煤岩成分。
镜煤呈黑色,光泽强,结构均匀,性脆,易碎成小立方块,具贝壳状断口;内生裂隙发育,垂直于条带,裂隙面呈眼球状,有时填充有方解石、黄铁矿薄膜。
在煤层中镜煤常呈透镜状或条带状,大多厚度为几毫米到1~2cm.有时呈线理状夹杂在亮煤或暗煤中,但有明显的分界线。
在成煤过程中,镜煤是由成煤植物的木质纤维组织经凝胶化作用而形成的。
显微镜下观察,镜煤的轮廓清楚,质地纯净,显微组成比较单一,是一种简单的宏观煤岩成分。
(二)丝炭(fusain)
丝炭是外观像木炭、颜色灰黑、性脆、具有明显的纤维状结构和微弱的丝绢光泽的宏观煤岩成分。
丝炭疏松多孔,性脆易碎,能染指。
丝炭按其孔隙和细胞腔内有无填充物而分成硬、软两种丝炭。
软丝炭孔内无填充物,疏松多孔,硬度小,性脆易碎,能染指。
硬丝炭的空腔常被矿物质所充填,又称为矿化丝炭。
矿化丝炭坚硬致密,密度大。
在煤层中一般丝炭数量不多,常呈扁平透镜体沿煤的层面分布,大多数厚度1~2mm至几毫米,有时也能形成不连续的薄层。
不同煤化程度煤中所含的丝炭,性质很少变化。
其特点是碳含量高,氢含量低,没有黏结性,含油少。
因为丝炭孔隙率大,吸氧性强,往往是造成煤自燃的重要因素。
在成煤过程中,丝炭是由成煤植物的木质纤维组织经丝炭化作用而形成的。
在显微镜下观察,丝炭是具有明显的植物细胞结构的丝炭化组织——丝质体和半丝质体。
(三)亮煤(clarain)
亮煤的光泽仅次于镜煤,较脆,内生裂隙也较发育,程度次于镜煤,密度较小,有时也有贝壳状断口。
亮煤是最常见的煤岩成分,不少煤层以亮煤为主组成较厚的煤层,甚至整个煤层。
亮煤的均匀程度不如镜煤,表面隐约可见微细的纹理,是由镜煤、暗煤(有时还有丝炭)等薄的分层交织组成的。
在显微镜下观察,亮煤的组成复杂。
它是在覆水的还原条件下,由植物的木质纤维组织经凝胶化作用,并掺入一些由水或风带来的其他组分和矿物杂质转变而来的,以镜质组为主,还含有数量不等的惰质组和壳质组。
(四)暗煤(durain)
暗煤光泽暗淡,一般呈灰黑色,结构致密或呈粒状,密度大,硬度和韧性都大,断面比较粗糙,一般不发育内生裂隙。
在煤层中,暗煤是常见的宏观煤岩成分,一般来讲,在煤层中暗煤分层出现的频率较亮煤和镜煤小,常呈厚薄不等的分层出现,但有时暗煤也有相当厚度的分层而单独成层且延伸很远距离。
暗煤与亮煤的主要不同点在于暗煤中含有较多的惰质组和壳质组(见表4-1)。
当暗煤中这两种组分的比例发生变化时,对其性质影响很大,一般含壳质组较多的暗煤性质优于含惰质组较多的暗煤。
显微镜下观察,暗煤的组成比较复杂。
它是在活水有氧的条件下,富集了壳质组、惰质组或掺入较多的矿物质转变而成的。
富含惰质组的暗煤,宏观往往略带丝绢光泽,挥发分低,黏结性差;富含壳质组的暗煤,宏观略带油脂光泽,挥发分和氢含量较高,黏结性较好,且密度较小;含大量矿物质的暗煤,则密度大,灰分产率高,煤质差。
二、烟煤的宏观煤岩类型
宏观煤岩成分是煤的岩石分类的基本单位,其中的镜煤与丝炭一般只以细小的透镜体或者不规则的薄层出现,难以形成独立的分层;亮煤和暗煤虽然分层较厚,但常有互相过渡的现象,分层界限往往不很明确。
所以在了解煤层的岩石组成和性质时,如果以宏观煤岩成分作为单位,则不便于进行定量,也不易于了解煤层的全貌,给煤层的划分和描述带来一定的困难。
因此,通常根据煤的平均光泽强度、煤岩成分的数量比例和组合情况划分出宏观煤岩类型,作为观察煤层的单位。
所谓平均光泽强度是对同一纵剖面上,相同煤化程度的煤而言的。
按平均光泽的强弱依次分为:
光亮煤、半亮煤、半暗煤及暗淡煤四种基本宏观煤岩类型,根据煤种的"光亮成分"——镜煤和亮煤在分层中的含量及其反映出的总体相对光泽强度,分层划分的厚度一般不小于5cm(见表4-2)。
(一)光亮煤
主要由镜煤和亮煤组成,含量大于75%,在四种类型中光泽最强。
光亮煤由于成分较均一,条带状结构一般不明显。
光亮煤具有贝壳状断口,内生裂隙发育,脆性较大,易破碎。
在显微镜下观察,镜质组含量一般在80%以上,显微煤岩类型以微镜煤为主。
光亮煤的质量最好,中煤化程度时是最好的炼焦用煤。
(二)半亮煤
镜煤和亮煤含量占50%~75%,常以亮煤为主,由镜煤、亮煤和暗煤组成,也可能夹有丝炭,平均光泽强度较光亮煤稍弱。
半亮煤的特点是条带状结构明显,内生裂隙较发育,常具有棱角状或阶梯状断口。
半亮煤是最常见的煤岩类型。
如华北晚石炭世煤层多半是由半亮煤组成的。
显微镜下观察,镜质组含量一般在60%~80%,显微煤岩类型多以微镜煤、微亮煤和微惰煤为主。
(三)半暗煤
镜煤和亮煤的含量占25%~50%,由暗煤及亮煤组成,常以暗煤为主,有时也夹有镜煤和丝炭的线理、细条带和透镜体。
半暗煤的特点是光泽比较暗淡,硬度和韧性较大,密度较大,内生裂隙不发育,断口参差不齐。
显微镜下观察,镜质组含量为40%~60%,有时即使镜质组含量大于60%,但是由于矿物质含量高,而使煤的相对光泽强度减弱而成为半暗煤。
半暗煤的质量多数较差。
(四)暗淡煤
主要由暗煤组成,镜煤和亮煤含量低于25%,有时有少量镜煤、丝炭或夹矸透镜体。
暗淡煤光泽暗淡,通常呈块状构造,致密,坚硬,韧性大,密度大,层理不明显,内生裂隙不发育。
个别煤田,如青海大通煤田有以丝炭为主组成的暗淡煤。
显微镜下观察,镜质组含量低于40%,而惰质组含量可达50%以上,与其他宏观煤岩类型相比,暗淡煤的矿物含量往往最高,煤质也多数很差。
但含壳质组多的暗淡煤的质量较好,密度小。
三、褐煤的宏观煤岩类型
按褐煤的煤化程度由低到高,可将褐煤细分为软褐煤(或土状褐煤)、暗褐煤和亮褐煤三个煤级。
其中,暗褐煤和亮褐煤又统称为硬褐煤。
亮褐煤的宏观特征接近于烟煤,四种宏观煤岩成分清楚可见,因此可以借用硬煤的宏观分类方法来划分煤岩类型。
但软褐煤和暗褐煤的宏观特征与硬煤大不相同,它们无光泽,不能划分出四种宏观煤岩成分,其宏观煤岩类型不同于烟煤和无烟煤。
国际煤岩学委员会(lCCP)于1993年提出软褐煤煤岩类型分类系统(见表4-3)。
该分类系统是根据褐煤组成成分体积分数和结构分出4种煤岩类型组,即基质煤、富木质煤、富丝质煤和富矿物质煤,用来描述软褐煤中独特的岩相单元。
每一种煤岩类型组还可根据结构分为煤岩类型,如层状基质煤和非层状基质煤。
进一步可按凝胶化作用的程度、颜色、腐植化程度和腐植凝胶含量细分为煤岩类型种,如黄色煤(未凝胶化)、褐色煤(弱凝胶化)和黑色煤(凝胶化)。
结构要在新鲜面上观察,颜色应以干燥后(约2d)的颜色为准。
我国褐煤资源丰富,以中生代的晚侏罗世时期形成的为主,约占全国褐煤储量的4/5左右,主要分布在内蒙古东部与东部三省相连的地区,如扎费诺尔、霍林河、伊敏、大雁等煤田。
新生代古近纪和新近纪褐煤储量约占全国褐煤储量的1/5,主要分布于云南省,如昭通、小龙潭、先锋等煤田。
软褐煤在褐煤储量中不足20%,但是软褐煤中保存有许多完整的或破碎状的腐植化植物茎干、树桩、树枝、树叶、种子等原始成煤物质以及成因标志,根据褐煤的岩石类型可以推测成煤沼泽环境,即煤相。
褐煤是煤化程度最低的煤,所以深入研究软褐煤的岩石类型,对早期煤化作用的认识,丰富和完善成煤作用理论具有重要意义。
第二节煤的显微组分
在显微镜下才能识别的煤中的基本组成单元,称为显微组分。
这个术语1935年由M.Stapes提出,沿用至今。
按其成分和性质煤的显微组分分为有机显微组分和无机显微组分。
由植物残骸转变而成的组分为有机显微组分,而矿物杂质则称为煤中无机显微组分。
显微镜下通常用两种方法鉴定煤片:
一种是把煤磨成薄片在透射光下鉴定显微组分的透光色、形态和结构等。
在中低阶煤中显微组分有红、黄、棕、黑等各种颜色,易于区别,但到了中高阶煤,吸收指数随着煤级的增高而增加,显微组分逐渐不透明,所以高煤级的煤需要有非常薄的薄片,在挥发分小于25%或20%以下,制备足够薄的薄片是很困难的;薄片不能进行显微组分的定量分析,因为对不透明的惰质组的含量会估值过高,这些原因使煤的薄片研究受到一定的限制。
另一种方法是把煤块的表面磨光,在反射光下除了鉴定显微组分的反光色、形态和结构外,还有突起。
因为煤中各种显微组分的磨损硬度不同,硬的组分不易磨损、显出突起,软的组分则不显突起。
反射光下用油浸物镜代替干物镜时,由于浸油的折光率与制造物镜所用的光学玻璃的折光率相近,使物镜与光片之间形成一个介质均匀的整体,使射人物镜的成像光线增多,减少了有害的反射光,提高了视野中各种显微成分影响的反差和清晰度,使之更易于识别。
因此反射光下通常用油浸物镜进行观察。
相对于煤薄片制作的难度,煤光片和煤砖粉片因其制作方便,得到广泛的应用。
一、煤的有机显微组分
煤的有机显微组分是指煤在显微镜下能够区别和辨识的最基本有机质的组成成分,是显微镜下能观察到的煤中成煤原始植物残体转变而成的有机成分。
煤不是均一的物质,而是由各种性质不同的组分所组成。
目前国际煤岩学术委员会(lCCP)的有机显微组分分类方案(见表4-4)是侧重于化学工艺性质的分类,常用反射光观察,按其成因和工艺性质的不同划分有机显微组分组,大致可分为镜质组、壳质组(稳定组或类脂组)和惰质组三大类,三个有机显微组分组之间在化学成分和性质上有相当明显的区别。
依据颜色、形态、结构和突起等特征划分有机显微组分。
根据各种成因标志,在有机显微组分中进一步细分出有机显微亚组分,如无结构镜质体分为四个亚组分即均质镜质体、胶质镜质体、基质镜质体和团块镜质体。
有的有机显微组分根据形态和结构特征以及它们所属的植物种类和植物器官,可以进一步划分出若干有机显微组分的种,如结构镜质体可细分为科达树结构镜质体、真菌质结构镜质体、木质结构镜质体、鳞木结构镜质体和封印木结
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