煤矿床
煤矿床
一、煤矿床的概念、特点和主要用途
煤(coal)是指在沼泽盆地中堆积的大量植物（包括高等植物和低等植物）的遗体残骸，经过沉积成岩作用形成的固态可燃矿产。根据成煤植物性质不同可分为2类：①腐殖煤，由高等植物在沼泽盆地中形成，包括褐煤、烟煤和无烟煤等；②腐泥煤，由低等植物在湖沼中形成，包括藻煤、石煤等。
煤矿床产于一定时代沼泽相或湖沼过渡相黑或灰黑沉积岩系内，分布面积广，层位稳定，产状与相邻沉积岩层一致。矿体多呈层状或似层状，亦可呈凸镜状或豆荚状，矿石以块状、薄层状构造为主，煤层中的有机组分极易氧化，经氧化的部分主要是一些粘土矿物，当煤层出露地表或近地表分布时，常见白粘土线。
煤的用途方面，首先是人类最主要的燃料之一，其次又是一种十分重要的化工原料，例如，通过煤的热解作用得到的煤焦油、煤气等，煤是化肥、人造化学纤维、塑料、医药等工业的重要原料，从煤灰中可以回收稀有元素，煤中有机成分可以改良农田土壤。近年来，人们用
煤灰与粘土混合烧制砖瓦，既经济又减少了环境污染。我国煤炭资源十分丰富，储量和产量均居于世界前三名，在能源结构中占有很大的比例，是国民经济建设中的重要资源。
二、煤的形成条件及成煤作用
（一）成煤条件
形成有经济价值的煤层必须具备以下几个条件：
（1）植物条件  煤是植物遗体变成的，有了植物才有成煤的可能。从全球煤的形成历史看，只有在植物大量繁殖时期才有大规模煤层的形成，如我国的石炭纪-二叠纪、侏罗纪和第三纪分别是孢子植物、裸子植物和被子植物繁殖的极盛时期，相应地也是最主要的3个聚煤时期。
（2）气候条件  潮湿、温暖的气候最有利于植物的生长和繁殖，但也有些煤形成于较冷的潮湿环境中，如冈瓦纳大陆的二叠纪煤。潮湿气候又加快植物的腐烂，同时迅速被沼泽水淹没，使植物遗体与大气水隔开，避免遭完全氧化而得以保存。
（3）地理条件  形成大面积的煤层必须具备发生大面积沼泽化的自然地理条件；宽缓的低洼地区最为理想，主要有滨海平原、内陆大湖泊、宽广河谷、大河口三角洲、海湾泻湖和山间盆地等。
（4）构造条件  地壳保持长时期平稳缓慢下降是形成较厚煤层的重要构造条件，地壳下降速度与植物埋藏和聚积速度大致平衡最为理想。同一沼泽中能形成多个煤层的条件是地壳在总体下降过程中能发生多次升降或间歇性下降。
（二）成煤作用
从植物遗体转化成煤，主要经历以下2个阶段成矿作用过程。
1. 泥炭-腐泥化作用
植物遗体转化为泥炭是在微生物参与下发生的一个非常复杂的生物化学作用过程。早期植物遗体在沼泽浅部多氧环境下，植物的组成部分中有些被彻底分解，变成气体和水分；另一部分在微生物的作用下分解成简单的有机化合物；未遭受分解的部分，特别是稳定组分被保留。接下来，在沼泽水的覆盖下出现缺氧，早期保留下来的植物成分经厌氧细菌的分
解及早期分解产物的化学合成作用转化为腐殖酸、腐殖酸盐类及沥青等；这些合成物质与部分分解的和尚未分解的植物遗体，同沼泽中的泥质混合在一起形成泥炭。
有些低等植物如藻类等机体以脂肪和蛋白质为主，繁殖在湖泊或较深的沼泽中，死亡后遗体下沉水底，经分解形成腐泥。腐泥与泥炭不同，腐泥中沥青质多，泥炭中腐殖质多。
2. 煤化作用
由泥炭向褐煤、烟煤和无烟煤的转变称为煤化作用。煤化作用包括先后进行的成岩作用和变质作用。
沼泽中堆积的泥炭和腐泥被泥沙等沉积物覆盖后标志着煤化作用的开始。在上覆沉积物静压力作用下，泥炭层发生压实、脱水、孔隙度减少和增碳等一系列变化，逐渐固结、煤化而转变成比重较大，较致密的褐煤。这一过程即为煤化中的成岩作用过程（图10-1）。
当褐煤层继续受到地壳下降运动的影响而逐渐埋深时，温度和压力也不断增加，引起煤层内部分子结构、物理化学性质等方面的变化，表现在结构更紧密、密度增大，并产生了粘结性，颜变深至黑，光泽增强，腐殖酸消失，碳质增加，褐煤逐渐变成烟煤。褐煤变
成烟煤的过程是一种浅变质过程。烟煤进一步变质就成了无烟煤、无烟煤呈致密块状，硬度大，金属光泽，具导电性。
图 10-1  从植物到煤的转变示意图（转引自冯钟燕，1984）
三、煤的物质组成及煤的分类
1．煤的物质组成
煤的化学组成可分为有机质和无机质两大类，其中有机质主要为碳、氢、氧、氮等元素组成的化合物，是组成煤的主体部分；无机质包括水分和矿物，是影响煤质量的有害组分。
煤的主要成分及特征如下：
（1）碳，是煤中最主要的成分和最主要的可燃物质。煤中碳含量越高，发热量越大，煤质也越好。通常碳含量随着煤变质程度的加深而增高。
遗体残骸是什么意思（2）氢，在煤中含量较少，但比较重要，其燃烧热相当于同重量碳的4.2倍。煤中氢含量一般随变质程度加深而减少。
（3）氧，含量变化较大，并随着煤化程度加深而减少，风化煤层中氧含量明显增高。
（4）氮，煤中氮含量较少，主要来自成煤植物中的蛋白质。
（5）硫，是煤中最有害的杂质，燃烧生成SO2既腐蚀金属设备，又污染环境。焦炭中混入硫，严重影响钢材质量。煤中无机硫以黄铁矿、石膏等形式存在。
（6）磷，是煤中另一主要的有害杂质，以磷灰石和微量有机磷存在于煤中。炼铁时，焦炭中的磷进入生铁中使钢铁性能变脆。
此外煤中还有砷、氯、汞、硒及氟等有害杂质，总体含量少，但局部集中时也易造成环境
污染。
2．煤的分类
煤是一种固体可燃矿产，同时又是一种复杂的沉积岩。可以从煤岩学和工业用途等进行分类。
（1）煤岩学分类：通过研究煤的物质成分、结构构造、物理化学性质等将煤分成以下4类：
镜煤  黑、光泽强、质匀、性脆、具贝壳状断口，垂直层理方向裂隙发育。成分中凝胶化物质一般在95％以上，挥发分和含氢量高，灰分低，粘结性强。含镜煤较多的烟煤宜炼焦。
亮煤  黑但颜比镜煤稍浅，光泽较强，仅次于镜煤，性较脆，有时具贝壳状断口，均一程度较镜煤差，隐约可见微细层理。成分由多量凝胶化物质与少量形态分子组成。亮煤可用于炼焦。
暗煤  灰黑，光泽暗淡，坚硬，致密，韧性较大，断口呈不规则状，不显层理，成分中凝胶化物质较少，矿物质含量较多，形态分子多而复杂。暗煤不适合单独炼焦。
丝煤  暗黑，具纤维状结构和丝绢光泽，形如天然木炭，硬度小，脆性大，染手，成分中丝炭的植物组织、细胞结构保存完整，细胞腔常被矿物填充，碳含量高，氢含量低，灰分高，不宜炼焦。
（2）工业分类：根据工业用途的不同，我国将煤分为10大类，除褐煤和无烟煤之外，某余8种统称为烟煤，其主要特征和用途如下：
褐煤  颜多呈褐，光泽暗淡，有时可见到木质结构，比重最轻，含碳量及发热量较低，含水分较多，挥发分大于40％，无粘结性。一般用于化工和民用。
长焰煤  在烟煤中煤化程度最低，呈褐黑，沥青光泽，燃烧时有较长的火苗，挥发分大于40％，胶质厚度在0~5mm之间，粘结性差，主要用于燃料及化工工业中干馏焦油。
气煤  为低煤化烟煤，黑，弱玻璃光泽，挥发分大于30％，胶质厚度5~25mm，粘结性较强，加热时能产生大量气体和较多的焦油，是制造煤气的优质原料，也是良好的炼焦配煤。
肥煤  为中等煤化的烟煤，黑，玻璃光泽，挥发分在25％左右，加热时产生较多的胶质体，胶质最大厚度大于25mm，粘结性最强，是炼焦配煤的主要煤种。
焦煤  为中等煤化的烟煤，黑，玻璃光泽，挥发分大于14%~30%，胶质最大厚度25~28mm，粘结性和出焦量均较好，是炼焦炭的最好用煤。
瘦煤  属高等煤化烟煤，黑，强玻璃光泽，挥发分14%~20%，胶质厚度0~12mm，粘结性弱，主要作炼焦配煤。
贫煤  是煤化程度最高的一种烟煤，灰黑，具极强玻璃光泽，挥发分大于10%~20%，加热时不产生胶质体，无粘结性，燃烧火焰短，多为动力或民用煤。
弱粘煤  属低-中等煤化的烟煤，挥发分大于20%~37%，加热时仅能产生少量胶质体，粘结性很弱，胶质厚度0~9mm，作燃料及气化煤原料。
不粘煤  属低-中等煤化的烟煤，挥发分大于20%~37%，无黏结性，作动力、民用气化用煤。
无烟煤  是煤化程度及变质程度最高的煤种，呈灰黑，似金属光泽，硬度和比重在所有煤种中最大，火力耐久，含碳高而含氢最低，挥发分0~10%，为民用煤及化工用煤。
四、煤层和煤系
1．煤层
煤层(coal bed)是自然界中植物遗体聚集层经过成煤作用后形成的可燃有机岩层，是人们开采和利用的对象。煤层由煤与混入的矿物质或夹石组成。在含煤岩系正常层序中，直接伏于煤层下面的沉积表层称为煤层的底板；直接盖在煤层上面的沉积岩层称为煤层的顶板。
图10-2 煤层厚度及顶底板示意图
（转引自袁见齐等，1985）
煤层底板主要是沼泽相的粘土岩，泥质岩和粉砂岩。底板中多富含植物根化石或痕木化石，表明它曾经是成煤植物生长的土壤。煤层顶板岩石由于沉积环境的不同可分为主要的两类，即湖泊相的泥质岩、粉砂岩和浅海相的石灰岩和泥质岩；前者常含丰富的植物枝、叶化石，后者常保存较多的正常海相动物化石。
煤层的厚度是指顶底板之间的垂直距离（图10-2），目前按煤层可采厚度分为薄煤层（小于1.3m）、中厚煤层（1.3~3.5m）、厚煤层（大于3.5m）。
煤层分不含夹石层的简单结构煤层和含夹石层的复杂结构煤层。
复杂结构煤层中夹石层少者几层，多者十几层至几十层。夹石层的岩性主要有炭质泥岩、泥质岩、砂岩，其次有粘土岩、石灰岩和砂岩，有时可见到油页岩、菱铁矿层、火山碎屑岩等，造成复杂结构煤层形成的原因主要是地壳总体匀速下降过程中出现多次快慢反复，打破了成煤过程中的均衡速率体系；其次由于间歇性气候变化，雨水增多，较多的泥沙搬
运到沼泽中，破坏成煤环境。
2．含煤岩系
含煤岩系是指聚煤盆地中的一套含有煤层的沉积岩系，简称煤系，也有人称为含煤建造。通常具有以下特点：①是一套黑、灰黑为主的沉积岩，包括砾岩、砂岩、泥质岩和煤层，有时也见灰岩、粘土岩、火山碎屑岩等；②煤的沉积环境主要是沼泽，因而煤系中一般都含有沼泽相沉积建造；③具明显的旋回结构，即在剖面上可见到岩性、岩相等按一定规律交替出现；④含丰富的植物化石，且多集中于煤层附近，底板多见根化石，顶板多为叶化石。
根据含煤岩系沉积时的不同环境，可分为近海型煤系和内陆型煤系两类。
（1）近海型煤系：近海型煤系的沉积区，地形多比较简单，主要为滨海平原、泻湖、海湾及浅海等。这类地区地壳多发生频繁的升降运动，即使幅度较小，也可引起较大面积的海进和海退，浅海和陆相沼泽相交替出现。近海型煤系分布面积广，岩相稳定，岩石组合较简单，旋回较清楚，煤层也稳定，对比容易，我国华北石炭-二叠纪及华南晚二叠世煤系，均为重要的近海型煤系（图10-3）。

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