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煤的一般性质

第二章　煤的一般性质

煤作为一种重要的能源和工业原料，它的加工和利用直接关系到国民经济的发展。

研究煤的岩石组成、物理性质、化学性质、固态胶体性质对煤的加工、利用及技术创新、新产品的开发具有重要的实际意义。

第一节　煤的宏观特征和微观特征

一、煤岩学的概念

煤是一种可燃有机岩。

煤岩学是把煤作为一种有机岩石，用岩石学方法研究煤的物质组成、性质和工艺用途，进而确定其成因及合理用途的科学。

煤岩学研究始于1830年，英国人赫顿（Hutton）发展了在显微镜下观察煤薄片的技术，发现了煤中保存着大量植物结构，提出了煤是由植物生成的论断。

1919年英国人斯托普斯（M.Stopes）提出将客观煤岩成分分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭，并详细描述了它们的特征和它们性质的差别。

1924年波托涅编写了《普通煤岩学概论》一书，第一次出现了“煤岩学”这个术语。

1925年斯塔赫（E.Stach）介绍了煤的光片技术，并使用了油浸物镜研究方法。

1928年斯塔赫和屈耳魏恩提出制备粉煤光片的研究方法。

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。

反射率测定方法使煤岩学研究如虎添翼，随着各种型号反射率自动测定仪的研制成功及电子计算机的广泛使用，使煤岩学的发展更加迅速且应用范围更加广阔。

煤岩学的研究内容主要包括：

各种煤的有机组分、无机组分的来源，转变条件，种类和数量；煤中各组分的分布特征、结构和构造；煤的有机组分的性质、形态、分类及工艺用途；煤中有机组分的变质程度和氧化程度等。

煤岩学的研究方法有两种：

宏观研究法和微观研究法。

宏观研究法是用肉眼或放大镜来观察煤，根据煤的颜色、条痕、光泽、硬度、密度、断口等物理性质，确定宏观煤岩成分和宏观煤岩类型，判断煤化程度，初步评定煤的性质和用途。

这种方法是煤岩学研究的基础，具有简便易行等优点，缺点是较粗略。

微观研究法是利用显微镜来观察煤片，识别并研究煤的显微组分的方法。

常用的方法有两种：

一种是在透射光下观察煤的薄片（0.02mm），根据颜色、形态、结构、轮廓等特征鉴别煤的显微组分；另一种方法是在反射光下观察煤的光片（1.5~2cm），根据颜色、形态、结构、轮廓、突起等特征鉴别煤的显微组分。

反射光又分普通反射光和油浸反射光，油浸反射光能消弱光线折射的影响，使显微组分的特征更清晰可辩。

二、煤的宏观特征

1、宏观煤岩成分

宏观煤岩成分指用肉眼可以区分的煤的基本组成单位。

腐植煤的宏观煤岩成分可分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种。

它们具有不同的性质和特征。

（1）镜煤镜煤呈黑色，光泽很强，耀眼。

质地均匀纯净，性脆易碎，常具贝壳状或眼球状断口，内生裂隙发育。

在煤层中含量不多，常呈透镜状或条带状，有时呈线理夹在亮煤或暗煤中间。

在显微镜下观察，镜煤的轮廓清楚、纯净。

主要是由植物的木质纤维组织经过凝胶化作用形成的。

（2）亮煤亮煤呈黑色，光泽强，但次于镜煤。

性质较脆，容易破碎，有时也出现贝壳状断口，内生裂隙发育。

密度较小，均一程度不如镜煤。

亮煤是煤中最常见的宏观煤岩成分，在煤层中常呈较厚的分层或透镜状出现。

在显微镜下观察，亮煤的成分较复杂，主要以镜质组为主，且含不同数量的壳质组和惰质组。

（3）暗煤暗煤呈灰黑色，光泽暗淡、坚硬、密度大，断口不规则，内生裂隙不发育。

在煤层中呈较厚的分层出现或单独成层。

在显微镜下观察，暗煤的镜质组含量较少，壳质组，惰质组和矿物质含量较高。

富含壳质组的暗煤略带油脂光泽；含惰质组较多的暗煤带有丝绢光泽。

而矿物质含量高的暗煤密度大，灰分高。

（4）丝炭丝炭呈灰黑色，外观与木炭相似，质地疏松而多孔，呈纤维状结构，具有丝绢光泽，性脆易碎，能染指。

在煤层中丝炭的含量较少，常呈扁平的透镜体或薄层沿煤层层面分布。

在显微镜下观察，丝炭的植物细胞结构明显，有时能看出植物的年轮。

丝炭是简单的煤岩成分，由植物的木质纤维组织经丝炭化作用形成。

2、宏观煤岩类型

虽然宏观煤岩成分是可以区分的煤岩基本组成单位，但是在煤层中，镜煤和丝炭常以细小的透镜体或不规则的薄层出现，亮煤、暗煤常互相过渡，界线不明显，特别是有些煤层的宏观煤岩成分频繁交替，如果以宏观煤岩成分为单位描述煤层的岩石组成和性质，则不易了解煤层的全貌。

实际工作中，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来划分宏观煤岩类型，用宏观煤岩类型作为观测、描述煤层的单位。

根据煤的平均光泽强度、各种煤岩成分的比例和组合情况划分为光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤和暗淡型煤四种煤岩类型。

（1）光亮型煤外观呈黑色，主要由镜煤和亮煤组成（占75%以上），有时夹暗煤和丝炭的透镜体或薄层，在四种煤岩类型中光泽最强，条带状结构不明显，质地较均一，内生裂隙发育，脆性大，机械强度低，易破碎，常具贝壳状断口。

（2）半亮型煤外观呈黑色，主要以亮煤为主，有时由镜煤、亮煤和暗煤共同组成，也可有少量丝炭，其中镜煤和亮煤占50%~75%，平均光泽比光亮型煤稍弱。

半亮型煤的特点是条带状结构明显，内生裂隙发育，断口为棱角状或阶梯状，是最常见的一种宏观煤岩类型。

（3）半暗型煤外观呈暗黑色，一般由暗煤和亮煤组成，且暗煤为主，有时夹有镜煤和丝炭线理、条带或透镜体，镜煤和暗煤的含量占25%~50%。

半暗型煤的主要特点是光泽较暗淡，硬度和密度较大。

（4）暗淡型煤外观呈浅黑色，主要由暗煤组成，有时出现少量镜煤、亮煤和丝炭，镜煤和亮煤所占比例低于25%。

特点是光泽暗淡，煤质坚硬，密度大，内生裂隙不发育，条带状结构不明显。

研究表明，不同煤层的宏观煤岩类型差异明显，且同一煤层的宏观煤岩类型在横向上也有明显变化。

表2-1示出大同矿区9号煤层的宏观煤岩类型。

表2-1　9号煤层宏观煤岩类型

井田

煤厚

（米）

宏观煤岩类型/%

光亮型煤

半亮型煤

半暗型煤

暗淡型煤

夹石

忻州窑

王村

1.37

1.42

54.74

20.42

19.21

23.94

25.55

12.68

0

24.65

0

18.31

三、煤的微观特征

煤的微观特征是指利用显微镜观察到的煤的各种特征。

我们把在显微镜下能够识别的煤的基本组成成分叫作煤的显微组分。

煤的显微组分可分为有机显微组分和无机显微组分两大类。

1、煤的有机显微组分

有机显微组分是指在显微镜下能识别的有机质的基本单位。

国内外关于有机显微组分的分类方案很多，国际煤岩学会对褐煤和硬煤分别制定了显微组分的分类方案（表2-2，表2-3）。

表2-2　国际褐煤显微组分分类

显微组分组

（GroupMaceral）

显微组分亚组

（MaceralSubgroup）

显微组分

（Maceral）

显微亚组分

（MaceralType）

腐植组

（Huminite）

结构腐植体

（Humotelinite）

结构木质体

（Textinite）

腐木质体

（Ulminite）

结构腐木质体

（Texto-ulminite）

充分分解腐木质体

（Eu-ulminite）

碎屑腐植体

（Humodetrinite）

细屑体（Attrinite）

密屑体（Densinite）

无结构腐植体

（Humocollinite）

凝胶体（Gelinite）

多孔凝胶体

（Porigelinite）

均匀凝胶体

（Levigelinite）

团块腐植体

（Corpohuminite）

鞣质体

（Phlobaphinite）

假鞣质体

（Pseudo-phlobaphinite）

稳定组

（Liptinite）

孢粉体（Sporinite）

角质体（Cutinite）

树脂体（Resinite）

木栓质体（Suberinite）

藻类体（Alginite）

碎屑稳定体

（Liptodetinite）

叶绿素体

（Chlorophyllinite）

沥青质体（Bituminite）

惰质组

（Inertinite）

丝质体（Fusinite）

半丝质体（Semifusinite）

粗粒体（Macrinite）

菌类体（Sclerotinite）

碎屑惰质体

（Inertodetrinite）

表2-3　国际硬煤显微组分分类

显微组分组

（GroupMaceral）

显微组分

（Maceral）

显微亚组分

（Submaceral）

显微组分种

（MaceralVariety）

镜质组

（Vitrinite）

结构镜质体

（Telinite）

结构镜质体-1

（Telinite1）

结构镜质体-2

（Telinite2）

科达树结构镜质体（Cordaitotelinite）

真菌结构镜质体（Fungotelinite）

木质结构镜质体（Xylotelinite）

鳞木结构镜质体（Lepidophytotelinite）

封印木结构镜质体（Sigillariotelinite）

无结构镜质体

（Collinite）

均质镜质体

（Telocollinite）

团块镜质体

（Corpocollinite）

胶质镜质体

（Gelocollinite）

基质镜质体

（Desmocollinite）

镜屑体（Vitrodetrinite）

壳质组

（Exinite）

孢子体

（Sporinite）

薄壁孢子体（Tenuisporinite）

厚壁孢子体（Crassisporinite）

小孢子体（Microsporinite）

大孢子体（Macrosporinite）

角质体（Cutinite）

树脂体（Resinite）

镜质树脂体

（Colloresinite）

木栓质体（Suberinite）

藻类体

（Alginite）

结构藻类体

（Telalginite）

皮拉藻类体（Pila-Alginite）

轮奇藻类体（Reinschia-Alginite）

层类藻类体

（Lamialginite）

荧光体（Fluorinite）

沥青质体（Bituminite）

渗出沥青体

（Exsudatinite）

壳屑体（Liptodetrinite）

惰质组

（Inertinite）

半丝质体

（Semifusinite）

丝质体

（Fusinite）

火焚丝质体

（Pyrofusinite）

氧化丝质体

（Degradofusinite）

粗粒体（Macrinite）

菌类体

（Sclerotinite）

真菌菌类体

（Fungosclerotinite）

密丝组织体（Plectenchyminite）

团块菌类体（Corposclerotinite）

假团块菌类体（Pseudocorposclerotinite）

微粒体（Micrinite）

惰屑体

（Inertodetrinite）

表2-4　中国烟煤显微组分分类（GB/T15588-2001）

显微组分组

（MaceralGroup）

代号

（Symbol）

显微组分

（Symbol）

代号

（Symbol）

显微亚组分

（Submaceral）

代号

（Symbol）

镜质组

（Vitrinite）

V

结构镜质体（Telinire）

T

结构镜质体1（Telinite1）

结构镜质体2（Telinite2）

T1

T2

无结构镜质体

（Collinite）

C

均质镜质体体（Telocollinite）

基质镜质体（Desmocollinite

团块镜质体（CorpocollinitO

胶质镜质体（Gelocollinite）

C1

C2

C3

C4

碎屑镜质体

（Vitrodetrinite）

Vd

半镜质组

（Semivitrinite）

SV

结构半镜质体

ST

无结构半镜质体

SC

均质半镜质体

基质半镜质体

团块半镜质体

SC1

SC2

SC3

碎屑半镜质体

SVd

惰质组

（Inertinite）

I

半丝质体

Sf

丝质体

F

微粒体

Mi

粗粒体

Ma

粗粒体1

粗粒体2

Ma1

Ma2

菌类体

SCl

菌类体1

菌类体2

SCl1

SCl2

碎屑惰质体

ID

壳质组

（Exinite）

E

孢子体

Sp

大孢子体

小孢子体

Sp1

Sp2

角质体

Cu

树脂体

Re

木栓质体

Sub

树皮体

Ba

沥青质体

Bt

渗出沥青体

Ex

荧光体

Fl

藻类体

Alg

结构藻类体

层状藻类体

Alg1

Alg2

碎屑壳质体

Ed

目前，我国只制定了烟煤显微组分分类（表2-4）。

该分类与国际硬煤显微组分分类的差别在于多划出一个过渡组分——半镜质组。

研究表明，半镜质组在性质上更接近镜质组，且随着煤化程度增高，半镜质组与镜质组难以区分。

按镜质组、惰质组和壳质组三种组分来划分显微煤岩组分，有利于描述和辨别煤的组成与性质，更适应煤加工利用工艺的需要。

（1）镜质组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%。

镜质组是在泥炭化作用和成岩作用中，由植物的木质纤维组织，经凝胶化作用形成的。

凝胶化作用一般发生在弱氧化至还原环境中，表现为沼泽中水流停滞，且覆水深度不太大。

凝胶化作用中发生的变化包括两个方面：

一方面是在厌氧细菌的参与下，植物的木质纤维组织发生生物化学变化形成腐植酸、沥青质等；另一方面是植物的木质纤维组织在沼泽水的浸泡下，吸水膨胀，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。

由于沼泽环境的差异，凝胶化作用进行的强烈程度大不相同，产生了结构和形态不同的凝胶化物质。

如果凝胶化作用微弱，植物的细胞壁基本上不膨胀或仅微膨胀，则植物的细胞结构仍保持原始排列规则，细胞腔明显，通常形成木煤体或结构镜质体等显微组分；如果凝胶化作用很强烈，植物的细胞结构全部消失，成为均匀的凝胶体，则形成无结构镜质体或基质镜质体等显微组分；如果凝胶化作用的强度介于上述两种情况之间，植物细胞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。

（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%，惰质组是由植物的木质纤维组织经过丝炭化作用形成的。

人们认为产生丝炭化作用的原因有两种，其一是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。

第二种原因是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。

需要指出的是由于环境等因素的改变，凝胶化作用和丝炭化作用可以交替发生，处于凝胶化作用中的产物都可以发生丝炭化作用，处于丝炭化作用中的产物一般也可以再进行凝胶化作用。

（3）壳质组壳质组在煤中的含量不多，它是由植物有机组分中化学性质稳定的角质层，孢粉、树脂、树腊等保存在煤中而形成的。

在成煤过程中几乎没发生质的变化，其原始形态特征保存完好，显微镜下较容易辩认。

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。

其中镜煤由单一成分组成，镜煤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。

煤岩有机显微组分与宏观煤岩成分之间的关系见图2-1。

图2-1　有机显微组分与宏观煤岩成分之间的关系

2、煤的无机显微组分

煤的无机显微组分是指在显微镜下可以观察到的煤中矿物质。

煤的无机显微组分（矿物质）主要来自于成煤过程中混入煤中的矿物质；另外成煤植物体内的无机成分也可转入煤中成为无机显微组分，但数量很少。

煤中常见的矿物质主要包括：

黏土类矿物、硫化物类矿物、氧化物类矿物和碳酸盐类矿物。

（1）黏土类矿物黏土类矿物是煤中最常见的矿物，所占比例最大，是煤灰分的主要来源。

煤中常见的黏土矿物主要有高岭石、水云母、伊利石、蒙脱石等。

黏土矿物大多呈透镜状，薄层状存在于煤中，也有的以微粒散布在基质中或充填在细胞腔中。

（2）硫化物类矿物硫化物类矿物也是煤中常见矿物，主要有黄铁矿和白铁矿。

黄铁矿是最主要的硫化物类矿物，它常以透镜状、结核状或细粒状存在于煤中，有时充填在细胞腔中。

（3）氧化物类矿物存在于煤中的氧化物类矿物主要有石英、蛋白石、赤铁矿等。

石英的数量最多，且大多为经过机械搬运后沉积的石英碎屑；化学成因的自生石英多以细粒或微粒散布在基质中，也有的呈脉状充填于煤裂隙中。

（4）碳酸盐类矿物煤中常见的碳酸盐类矿物为方解石和菱铁矿。

方解石常呈薄膜充填于煤的裂隙中或层面内。

菱铁矿多呈球状、粒状，分布在基质中。

3、显微煤岩类型

显微煤岩类型是显微镜下所见各组显微组分的典型组合。

国际煤岩学会将显微煤岩类型组别分为微镜煤、微稳定煤、微惰性煤、微亮煤、微镜惰煤、微暗煤和微三组混合煤（见表2-5）。

1966年地质科学院地质矿物研究所张毓爽等提出了我国腐植煤的显微煤岩类型分类方案（见表2-6）。

表2-5　国际显微煤岩类型分类

显微组分组成（不包括矿物）

显微煤岩类型

各组显微组分组成（不包括矿物质）

显微煤岩类型组别

单组分

无结构镜质体＞95%

结构镜质体　＞95%

碎屑镜质体　＞95%

（微无结构镜煤）①

（微结构镜煤）①

V＞95%

微镜煤

孢子体　　＞95%

角质体　　＞95%

树脂体　＞95%

藻类体　＞95%

碎屑壳质体＞95%

微孢子煤

（微角质煤）①

（微树脂煤）①

微藻类煤

E＞95%

微稳定煤

半丝质体　＞95%

丝质体　　＞95%

菌类体　　＞95%

碎屑惰性体＞95%

粗粒体　　＞95%

微半丝煤

微丝煤

（微菌类煤）①

微碎屑惰性煤

（微粗粒煤）①

I＞95%

微惰性煤

双组分

镜质组+孢子体　　＞95%

镜质组+角质体　　＞95%

镜质组+树脂体　　＞95%

镜质组+碎屑壳质体＞95%

微孢子亮煤

微角质亮煤

（微树脂亮煤）①

V+E（L）＞95%

　　微亮煤（L）

镜质组+粗粒体　　＞95%

镜质组+半丝质体　＞95%

镜质组+丝质体　　＞95%

镜质组+菌类体　　＞95%

镜质组+碎屑惰性体＞95%

V+I＞95%

微镜惰煤　

惰性组+孢子体　　＞95%

惰性组+角质体　　＞95%

惰性组+树脂体　　＞95%

惰性组+碎屑壳质体＞95%

微孢子暗煤

（微角质暗煤）①

（微树脂暗煤）①

I+E（L）＞95%

　微暗煤（Ｌ）

三组分

镜质组、惰性组、壳质组＞95%

微暗亮煤

微镜惰壳质煤

微亮暗煤

V＞I，E（L）

E＞I，V

I＞V，E（L）

微三组混合煤　

Ｅ（Ｌ）　　　

①括号中术语尚未通用。

V—镜质组；E（L）—壳质组；I—惰性组。

表2-6　腐植煤的显微煤岩类型分类

N—凝胶化组分；BN—半凝胶化组分；S—丝质化组分；BS—半丝质化组分；

J—角质化组分。

另据资料显示，我国晚石炭世和二叠纪的煤以亮煤型和暗亮煤型为主。

其中丝质亮煤和丝质暗亮煤占大多数。

中生代煤以亮煤型为主，其中纯亮煤和角质亮煤多见。

第三纪绝大部分为亮煤型，其中以角质亮煤和纯亮煤为主。

4、各种显微组分的镜下特征

镜质组的显微镜下特征主要表现为：

在透射光下的颜色由橙色到红色，随煤化程度的增高逐渐加深；透明度随煤化程度的增高而减弱，由透明到半透明；质地均匀，有明显的垂直裂纹。

在普通反射光下，镜质组呈灰色，在油浸反射光下为深灰色，无突起。

惰质组的镜下特征主要表现为：

在透射光下，惰质组呈黑色，不透明。

在普通反射光下呈白色，突起高；在油浸反射光下，为白色到亮黄色。

壳质组的镜下特征主要表现为：

在透射光下，壳质组呈黄色至棕黄色，透明到半透明，外形特殊，轮廓清楚，容易识别。

在普通反射光下，呈深灰色，稍有突起；在油浸反射光下为灰黑色至黑灰色。

镜质组、惰质组、壳质组中各种显微组分的镜下鉴定特征见表2-7。

表2-7　主要显微组分在显微镜下的特征

类

组

组分

显微结构及形态

颜色

分布状态

透射光下

反射光下（油浸）

镜质类

镜质组

结构镜质体

有或多或少的细胞结构

橙红~红色

深灰色

透镜体、碎片、团块等

无结构镜质体

质地均一

橙红色

深灰色

透镜体、碎片、团块等

碎屑镜质体

碎屑＜30μm

红色

深灰色

半镜质组

结构半镜质体

同结构镜质体

棕红~红棕色

灰色

无结构半镜质体

同无结构镜质体

灰色、微突起

碎屑半镜质体

同碎屑镜质体

灰色

丝质类

丝质组

结构丝质体

保存良好的细胞结构

黑色，不透明

白色~亮黄白色，高突起

透镜体、碎片状

无结构丝质体

无细胞结构

黑色，不透明

白色

透镜体，条带状，碎片等

碎屑丝质体

＜30μm，无细胞结构

黑色，不透明

白色

微粒体

极细粒状，＜2μm

黑色，不透明

白色

半丝质组

结构半丝质体

有细胞结构

棕~棕黑色

白灰~灰白色

半丝基质体

无细胞结构

棕~棕黑色

白灰~灰白色

碎屑丝质体

＜30μm

棕~棕黑色

白灰~灰白色

稳定类

稳定组

孢粉体

大孢子为扁环或透镜状，小孢子为小扁环或蛆虫状

黄色

黑灰色

　大孢子分散小孢子多呈群体

角质体

厚度不同的狭长条带内缘呈锯齿状

黄色

黑灰色

　平行堆积

树脂体

椭圆，纺锤形，无结构

黄色

黑灰色

　分散

树皮体

平行条状，叠瓦状或鳞片状

黄色~橙黄色

黑灰色

　密集或分散

不定形体

轮廓清晰，不规则

黄色

黑灰色

　分散

腐泥类

腐泥组

藻类体

有群体细胞结构

黄色、黄褐色或绿黄色

深灰色~黑色

　群体

腐泥基质体

无结构

黄色、黄褐色或绿黄色

深灰色~黑色

煤中常见矿物的鉴定特征见表2-8。

表2-8　反射光下煤中常见矿物的鉴定特征

矿　物

普通反射光下

油浸反射

光下颜色

其他特征

主要产状

颜　色

突　起

表面特征

粘土矿物

暗灰色

不　显

突　起

微粒状

蠕虫状

黑　色

　透镜状、团块状、微粒状充填于胞腔

石　英

深灰色

突　起

很　高

平　整

黑　色

轮廓清晰

　棱角状、半棱角状碎屑，自生石英外形不规则，个别呈自形晶

黄铁矿

浅　黄

白　色

突　起

很　高

平