第二章 煤的的形成第二三節(jié)2014年

第二部分

第二章：煤的形成第二節(jié)第三節(jié)

第二節(jié)成煤的條件和環(huán)境煤炭的生成，必須有氣候、生物、地理、地質(zhì)等條件的相互配合，才能生成具有工業(yè)利用價值的煤炭礦藏。這些條件包括：

（1）大量植物的持續(xù)繁殖(生物、氣候的影響)

（2）植物遺體不能完全氧化－－適合的堆積場所(沼澤、湖泊等)

（3）地質(zhì)作用的配合（地殼的沉降運動－－形成上覆巖層和頂?shù)装澹嗝簩樱┮?、泥炭沼澤的形?/p>

沼澤是在一定的氣候、地貌和水文條件下，常年積水或極其潮濕的地段，內(nèi)有大量植物生長和堆積。（一）沼澤的分類1、按水分補給來源的不同，可劃分為三種類型：

低位沼澤：主要由地下水補給、潛水面較高的沼澤；

高位沼澤：主要以大氣降水為補給來源的泥炭沼澤；

中位沼澤或過渡沼澤：兼有低位沼澤和高位沼澤的特點，其水源部分由地下水補給，部分又由大氣降水補給的沼澤。2、根據(jù)沼澤距離海岸的遠近，分為近海泥炭沼澤與內(nèi)陸泥炭沼澤。（1）近海泥炭沼澤①濱海泥炭沼澤:海岸平原或沿海平原。為地勢低平向海緩傾的沿海地帶。

②三角洲平原泥炭沼澤:河流在入海口處，往往汊流很多，很像三角形，稱做三角洲。③紅樹林泥炭沼澤———紅樹林泥炭沼澤是一種特殊類型的濱海泥炭沼澤。（2）內(nèi)陸泥炭沼澤：山間盆地、內(nèi)陸湖泊等。3、根據(jù)水介質(zhì)的含鹽度，沼澤又可分為淡水的、半咸水的和咸水的。（二）泥炭沼澤的演化湖沼演化中泥炭和淤泥形成示意圖二、植物遺體的堆積方式（一）原地生成1、指植物遺體在原來生長的沼澤中堆積2、植物遺體略有搬動，但不超出原湖沼范圍。（二）異地生成1、植物遺體經(jīng)過相當(dāng)距離的搬運后沉積而形成泥炭。2、已經(jīng)形成泥炭，經(jīng)過搬運后再沉積而形成的煤。第三節(jié)成煤作用過程由高等植物轉(zhuǎn)化為腐植煤要經(jīng)歷復(fù)雜而漫長的過程，一般需要幾千萬年到幾億年的時間。整個成煤作用可劃分為兩個階段：即泥炭化作用過程和煤化作用。圖示如下：植物泥炭化泥炭成巖作用褐煤變質(zhì)作用煙煤、無煙煤煤化作用煤化程度的概念：在褐煤向煙煤、無煙煤轉(zhuǎn)化的進程中，由于地質(zhì)條件和成煤年代的差異，使煤處于不同的轉(zhuǎn)化階段。煤的這種轉(zhuǎn)化階段稱為煤化程度，有時稱為變質(zhì)程度，或煤級(Rank)。按煤化程度由低到高依次是：褐煤、煙煤（長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤）、無煙煤。1泥炭化作用

泥炭化作用的概念：高等植物死亡后，在生物化學(xué)作用下，變成泥炭的過程稱為泥炭化作用。在這一階段，植物首先在微生物作用下，分解和水解為分子量較小的性質(zhì)活潑的化合物，然后小分子化合物之間相互作用，進一步合成新的較穩(wěn)定的有機化合物，如腐植酸、瀝青質(zhì)等。植物經(jīng)泥炭化作用成為泥炭，在兩方面發(fā)生巨大變化：（1）組織器官（如皮、葉、莖、根等）基本消失，細胞結(jié)構(gòu)遭到不同程度的破壞，變成顆粒細小、含水量極大、呈膠泥狀的膏狀體－－泥炭；

（2）組成成分發(fā)生了很大的變化，如植物中大量存在的纖維素和木質(zhì)素在泥炭中顯著減少，蛋白質(zhì)消失，而植物中不存在的腐植酸卻大量增加，并成為泥炭的最主要的成分之一，通常達到40%以上。微生物的作用

氧化環(huán)境中：缺氧時：形成甲烷、醋酸、丁酸脂肪水解脂肪酸和甘油參與成煤木質(zhì)素苯環(huán)類衍生物及大量活性基團參與泥炭化作用蛋白質(zhì)氨基、氨基酸

沼澤中植物遺體不被充分氧化（1）泥炭沼澤覆水程度的增強和植物遺體堆積厚度的增加，使正在分解的植物遺體逐漸與大氣隔絕。（2）微生物在一定的酸堿度環(huán)境中才能正常生長，酸性大，喜氧細菌↓，植物結(jié)構(gòu)易保存。（3）有的植物本身就具有防腐和殺菌的成分，不致使植物遭到完全破壞。表2—6植物與泥炭化學(xué)組成的比較

元素組成，%有機組成，%植物與泥炭CHNO+S纖維素半纖維素木質(zhì)素蛋白質(zhì)瀝青腐植酸莎草47.205.611.6139.3750.0020~305~105~100木本植物50.156.201.0542.1050.6020.301~71~30樺川草本泥炭55.876.352.9034.9719.690.7503.5043.58合浦木本泥炭65.466.531.2026.75o.890.390042.88植物變成泥炭后組成的變化泥炭的有機組分（1）腐植酸：高分子羥基芳香羧酸組成的復(fù)雜混合物。酸性、呈褐黑。（2）瀝青質(zhì)：合成作用形成，或由樹脂，蠟質(zhì)、孢粉質(zhì)等轉(zhuǎn)化而來。（3）未分解或未完全分解的纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)和木質(zhì)素。（4）變化不多的穩(wěn)定組分，如角膜、樹脂和孢粉等。泥炭的特性（1）呈棕褐色或黑褐色不均勻物質(zhì)。（2）具有膠體的特征（3）能將水吸入其微孔結(jié)構(gòu)，水分達70～90%（4）酸性（5）可作鍋爐和煤氣發(fā)生爐的燃料，或其他化工原料。2煤化作用煤化作用包括成巖作用和變質(zhì)作用兩個連續(xù)的過程。2.1成巖作用

泥炭在沼澤中層層堆積，越積越厚，當(dāng)?shù)貧は陆邓俣容^大時，泥炭將被泥沙等沉積物覆蓋。在上覆沉積物的壓力作用下，泥炭發(fā)生了壓緊、失水、膠體老化、固結(jié)等一系列變化，微生物的作用逐漸消失，取而代之的是緩慢的物理化學(xué)作用。這樣，泥炭逐漸變成了較為致密的巖石狀的褐煤。2.2變質(zhì)作用

當(dāng)褐煤層繼續(xù)沉降到地殼較深處時，上覆巖層壓力不斷增大，地溫不斷增高，褐煤中的物理化學(xué)作用速度加快，煤的分子結(jié)構(gòu)和組成產(chǎn)生了較大的變化。碳含量明顯增加，氧含量迅速減少，腐植酸也迅速減少并很快消失，褐煤逐漸轉(zhuǎn)化成為煙煤。隨著煤層沉降深度的加大，壓力和溫度提高，煤的分子結(jié)構(gòu)繼續(xù)變化，煤的性質(zhì)也發(fā)生不斷的變化，最終變成無煙煤。

變質(zhì)作用的因素：

促成煤變質(zhì)作用的主要因素是溫度。溫度過低（<50～60℃），褐煤的變質(zhì)就不明顯了，如莫斯科煤田早石炭世煤至今已有3億年以上，但仍處于褐煤階段。通常認為，煤化程度是煤受熱溫度和持續(xù)時間的函數(shù)。溫度越高，變質(zhì)作用的速度越快。因為變質(zhì)作用的實質(zhì)是煤分子的化學(xué)變化，溫度高促進了化學(xué)反應(yīng)速度的提高。變質(zhì)作用類型：

3、腐泥煤的生成腐泥化作用：在停滯缺氧的滯水盆地中，浮游生物和菌藻類等低等植物死亡后，在缺氧的環(huán)境中，由厭氧細菌的作用，低等植物中的蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪受到分解，再經(jīng)聚合和縮合作用，形成一種含水很多的棉絮狀膠體物質(zhì)。這種物質(zhì)再經(jīng)過脫水、致密，比重增大，逐漸形成腐泥。腐泥經(jīng)煤化作用而成腐泥煤。隨煤化程度的增加，腐泥煤發(fā)生的變化與腐植煤相似。4、瓦斯和煤層氣的生成瓦斯突出和瓦斯爆炸是煤炭開采過程中的主要危害形式，但瓦斯又是寶貴的資源。煤中的瓦斯主要是在煤化作用過程中形成的。在煤化作用過程中，煤分子上的側(cè)鏈和官能團不斷分解和脫落，生成低分子氣體，即煤層氣，其主要成分為甲烷（70%～96%）。在自然條件下，生成1噸褐煤可產(chǎn)生68m3甲烷，生成1噸肥煤、瘦煤、無煙煤分別可產(chǎn)生甲烷230m3、330m3和400m3。

如果煤層周圍的圍巖不透氣，在煤化作用過程中產(chǎn)生的氣體或被吸附在煤的孔隙中，或逐漸聚積形成煤層氣田。煤層氣定義：賦存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離煤空隙或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤層本身自生自儲式非常規(guī)天然氣。煤層氣的特性1、煤層氣俗稱瓦斯，不可再生優(yōu)質(zhì)資源，但也是煤炭開采中的有害氣體。2、以甲烷為主，甲烷是國際公認的六種主要溫室氣體之一。3、煤層氣比空氣輕，其密度是空氣的0.55倍，而煤氣、液化石油氣是空氣的1.5~2.0倍，煤層氣中不含CO。成煤作用過程小結(jié)成煤作用的階段原始植物及變化產(chǎn)物成

煤

作

用泥炭化作用或腐泥化作用植物

高等植物低等植物

泥炭腐泥煤化作用成巖作用褐煤腐泥煤變質(zhì)作用

長焰煤氣煤

煙煤肥煤焦煤瘦煤貧煤無煙煤大地構(gòu)造（地殼運動）：提供成煤作用緩慢而均勻的沉降運動（均衡補償）和成煤坳陷。地殼的劇烈或過緩沉降運動都不利于厚層泥炭層的形成，植物的堆積和地殼的沉降的平衡，決定泥炭層形成厚度。影響煤性質(zhì)因素：堆積方式(原地生成的、異地生成的)；形成泥炭的植物群落；沉積環(huán)境（淺沼的，湖沼的，微咸水-咸水，富含鈣質(zhì)的）；養(yǎng)分供給（富養(yǎng)分的，貧養(yǎng)分的）；pH值，細菌活動性，硫的供給；氧化還原電位（需氧的，厭氧的）。泥炭沼澤中植物與泥炭層的形成泥炭煤的變質(zhì)作用類型（一）深成變質(zhì)作用：指地殼深處，受地?zé)岷蜕蠌?fù)巖系靜壓力的作用引起的變質(zhì)作用。希爾特定律：1、煤質(zhì)的垂直變化同一煤田大致相同的構(gòu)造條件下，隨著煤層埋藏深度的增加，煤的揮發(fā)份逐漸減少，變質(zhì)程度逐漸增加。2、煤質(zhì)的水平帶狀分布：平面上的表現(xiàn)形式。（二）巖漿熱力變質(zhì)作用：當(dāng)巖漿侵入，并穿過或靠近煤層或含煤巖系時，由于巖漿本身帶來的高溫、揮發(fā)性氣體和嚴壓力的影響，引起煤變質(zhì)程度增高的作用。（三）動力變質(zhì)作用：由于地殼構(gòu)造變動產(chǎn)生的褶皺和斷裂，使煤發(fā)生變質(zhì)的作用。1-正向斷層；2-反向斷層（門頭溝）煤層發(fā)生斷層的示意圖

變質(zhì)作用的原因（影響因素）?溫度（主要因素）——化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)變化地?zé)崽荻龋荷疃让吭黾?00m，溫度升高的值

現(xiàn)代地殼平均地?zé)崽荻?/p>

2~4oC煤的變質(zhì)程度隨深度增加遞增

?含煤系的深鉆孔

置于密閉高壓器

100MPa200℃

長時間無變化

>200℃褐煤

180Mpa

<320℃長時間無變

>320℃

長焰煤

345℃

煙煤性質(zhì)產(chǎn)物

500℃無煙煤性質(zhì)產(chǎn)物

?人工煤化實驗

變質(zhì)作用的原因?時間——化學(xué)變化一般地，成煤時間越長，煤化程度越高，但又不是絕對的?莫斯科近郊的下石炭紀褐煤?西伯利亞東部沿海的第三紀煙煤和無煙煤受熱溫度相同時，變質(zhì)程度取決于受熱時間的長短煤受短時間較高溫度的作用或受長時間較低溫度（超過變質(zhì)臨界溫度）作用，可達到相同的變質(zhì)程