第1章 煤的外表特征和生成

第一章煤的外表特征和生成

主要內(nèi)容：

（1）煤的種類和外表特征（2）煤是如何形成的？煤的定義：煤是由遠(yuǎn)古植物殘骸沒入水中經(jīng)過生物化學(xué)作用，然后被地層覆蓋并經(jīng)過物理化學(xué)與化學(xué)作用而形成的有機(jī)生物巖。關(guān)鍵詞：第一節(jié)煤的種類和外表特征1植物的演化及種類

按進(jìn)化論的觀點(diǎn)，植物是由低級向高級逐步演化的，植物界傳統(tǒng)劃分為四大類：藻菌植物低等植物苔蘚植物蕨類植物高等植物種子植物一、煤的成因類型2低等植物和高等植物的特點(diǎn)

低等植物：是由單細(xì)胞和多細(xì)胞構(gòu)成的絲狀體或葉狀體植物，沒有根、莖、葉等器官的分化。高等植物：進(jìn)化論認(rèn)為，高等植物由低等植物長期進(jìn)化而來，構(gòu)造復(fù)雜，有根、莖、葉的區(qū)別。低等植物——地衣低等植物——蘑菇高等植物——華南毛蕨高等植物——松樹3煤的種類和外表特征表1-1腐植煤與腐泥煤的主要特征煤化度：煤在成煤諸因素共同作用下所達(dá)到的化學(xué)成熟程度（即煤化程度）二、腐植煤的外表特征1泥炭嚴(yán)格地講，泥炭并不是煤，而是植物向煤轉(zhuǎn)變的過渡產(chǎn)物。外觀棕褐色或黑褐色，無光澤，質(zhì)地柔軟且不均勻，富含未分解的植物組織，如根、莖、葉等殘留物。原始泥炭含水量高達(dá)85%~95%。風(fēng)干后含水25%~35%。泥炭的有機(jī)質(zhì)：（1）腐殖酸。它是泥炭最主要的有機(jī)成分，是一種由高分子羥基羧酸組成的復(fù)雜混合物膠體，具有酸性。（2）瀝青質(zhì)。它指可用苯、甲醇等有機(jī)溶劑抽提出的有機(jī)物，部分由樹脂和樹蠟轉(zhuǎn)化而成，部分由植物組分的還原產(chǎn)物通過合成反應(yīng)生成。（3）未分解或尚未完全分解的植物族組成，包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠質(zhì)等。（4）變化不大的植物穩(wěn)定組分，如角質(zhì)、樹脂、孢子等。從物理化學(xué)的觀點(diǎn)，泥炭是一個(gè)以水為分散介質(zhì)的膠體體系。其膠體性質(zhì)表現(xiàn)為：（1）能將大量的水吸入微孔結(jié)構(gòu)，而本身并不膨脹；（2）含腐植酸，具有酸性，并有較強(qiáng)的吸附能力。泥炭用途：泥炭用途廣泛：氣化、液化、焦化原料；制甲醇等化工原料；建材、肥料等。泥炭的賦存形態(tài)：泥炭是由植物殘骸在沼澤中形成的。泥炭的埋藏深度很淺，裸露泥炭上無泥沙覆蓋。埋藏泥炭上的泥沙也僅有幾十厘米至幾十米厚，適宜露天開采。世界上泥炭豐富的國家有俄羅斯、芬蘭、愛爾蘭、瑞典、加拿大和美國等。我國的泥炭約有270億噸。2褐煤褐煤成巖的初期產(chǎn)物，外觀褐色或黑褐色，因而得名。隨著煤化度增高，主要在成巖作用壓力的影響下，褐煤發(fā)生一系列變化：顏色變深，密度增加，硬度變大，腐殖酸含量減少，水分顯著降低。德國、澳大利亞等國有豐富的褐煤資源。我國已探明的保有儲量約1400億t，占全國煤炭儲量的17%。分布于東北、西北、西南和華北等地。用途：適宜成型作氣化原料；可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)城市煤氣，焦油產(chǎn)率6.0%～8.5%；制成油煤漿后催化加氫，褐煤有機(jī)質(zhì)的80%可以轉(zhuǎn)化成氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)品，油收率約占35%；經(jīng)溶劑抽提所得褐煤蠟(又名蒙旦蠟)，具有熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性好、防水性強(qiáng)、導(dǎo)電性低、耐酸、強(qiáng)度高和表面光亮等特性，可用作表面活性劑、表面光亮劑、疏水劑、色素溶劑和吸油介質(zhì)等。但褐煤易風(fēng)化破碎，故一般不宜長途運(yùn)輸。3煙煤煙煤呈黑色，水分含量較少，因燃燒時(shí)煙多而得名。一般煙煤具有不同程度的光澤，絕大多數(shù)呈明暗交替條帶狀。所有的煙煤都是比較致密的，真密度較高(1.20～1.45g/cm3)，硬度亦較大。煙煤是自然界最重要，分布最廣，儲量最大，品種最多的煤種。按煤化度由低至高，我國將其劃分為長焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、氣煤、氣肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤和貧煤等。在煙煤中，氣煤、氣肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤都具有不同程度的黏結(jié)性，是煉焦的主要原料煤，故稱之為煉焦煤；除此以外的其他煤沒有或基本沒有黏結(jié)性，只能用于低溫干餾、造氣或動力燃料等。4無煙煤煤化度最高的腐殖煤，燃燒時(shí)無煙，外觀灰黑色，有金屬光澤，無明顯條帶。其碳含量、真密度、硬度、燃點(diǎn)等均達(dá)到最大化。主要用途：民用、發(fā)電燃料；合成氨原料；炭素產(chǎn)品原料；高爐噴吹燃料；冶金脫氧劑、增碳劑等。一、成煤的原始物質(zhì)1三種成煤假說：煤是和地球一起形成的，有地球就有煤；煤是由巖石變化而來的；煤是由植物殘骸形成的。煤由植物形成的證據(jù)：常常發(fā)現(xiàn)在煤層中有保存完好的古植物化石和由樹干變成的煤，有的甚至保留著原來斷裂樹干的形狀;煤層底極多富含植物根化石或痕木化石，證明它曾經(jīng)是植物生長的土壤；顯微鏡下觀察煤制成的薄片可以直接看到原始植物的木質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和其他殘骸，如孢子、花粉、樹脂、角質(zhì)層和木栓體等；在實(shí)驗(yàn)室用樹木進(jìn)行人工煤化試驗(yàn)，可以得到外觀和性質(zhì)與煤類似的人造煤。因此，煤是由植物而且主要是由高等植物轉(zhuǎn)變而來的觀點(diǎn)已成為人們的共識。第二節(jié)煤的生成2植物的演化3地質(zhì)年代與主要成煤植物地質(zhì)年代：

地質(zhì)學(xué)家綜合了地層層序、生物演化、地殼運(yùn)動等因素，把地質(zhì)歷史劃分為很多階段，每個(gè)大階段又劃分為次級階段，這樣就產(chǎn)生了地質(zhì)年代單位。常用的地質(zhì)年代單位主要有代、紀(jì)、世。國際通用的地層系統(tǒng)與地質(zhì)年代的關(guān)系如表1-3所示；該表參照1989年國際地質(zhì)聯(lián)合會(ICS)的地球地層表，列出了相應(yīng)的成煤植物及主要煤種開始生成的地質(zhì)年代。

4植物的有機(jī)族組成從化學(xué)的觀點(diǎn)看，植物的有機(jī)族組成可以分為四類，即糖類及其衍生物、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和脂類化合物。（1）糖類及其衍生物糖類及其衍生物含有碳、氫、氧三種元素，常用的通式Cn（H2O）m

包表示，被稱為碳水化合物，括纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等。a纖維素纖維素是組成植物細(xì)胞壁的主要成分，是一種高分子的碳水化合物，屬于多糖；其鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)可用通式

表示。分子結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。纖維素在生長著的植物體內(nèi)很穩(wěn)定，但植物死亡后，需氧細(xì)菌通過纖維素水解酶的催化作用可將纖維素水解為單糖，后者進(jìn)一步氧化則分解為。在沼澤環(huán)境缺氧時(shí)，厭氧細(xì)菌使纖維素發(fā)酵生成無論是水解產(chǎn)物還是發(fā)酵產(chǎn)物，它們都可與植物的其他分解產(chǎn)物縮合形成更復(fù)雜的物質(zhì)參與成煤，或成為微生物的營養(yǎng)來源。b半纖維素半纖維素也是植物細(xì)胞壁的組成部分，也是多糖，其結(jié)構(gòu)多種多樣，例如多維戊糖就是其中的一種。它們也能在微生物作用下分解成單糖：

這種單糖后續(xù)變化和纖維素的情況類似。c果膠質(zhì)果膠質(zhì)是不穩(wěn)定的，在泥炭形成的開始階段，即可因生物化學(xué)作用水解成一系列的單糖和糖醛酸，進(jìn)一步分解可形成脂肪酸類物質(zhì)而參與成煤。（2）木質(zhì)素木質(zhì)素主要分布在高等植物的細(xì)胞壁中，包圍著纖維素并填滿其間隙，以增加莖部的堅(jiān)固性。木質(zhì)素是具有芳香結(jié)構(gòu)的化合物，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，至今還不能用一個(gè)結(jié)構(gòu)式來表示。但已知它具有一個(gè)芳香核，帶有側(cè)鏈并含有甲氧基（）、、、-O-和

等多種官能團(tuán)。木質(zhì)素的組成因植物的種類而異，目前已查明有三種類型的單體如表1-5所:針葉樹的松柏醇落葉樹的芥子醇喬木的－香豆醇木質(zhì)素的單體以不同的鏈連接成三度空間的大分子，因而比纖維素穩(wěn)定，不易水解。但在多氧的情況下，經(jīng)微生物的作用易氧化成芳香酸和脂肪酸而參與成煤。木質(zhì)素是成煤的主要植物成分。（3）蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是構(gòu)成植物細(xì)胞原生質(zhì)的主要物質(zhì)，也是有機(jī)體生命起源最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)是一種無色透明半流動狀態(tài)的膠體，由許多不同的氨基酸分子縮合而成的復(fù)雜高分子化合物。蛋白質(zhì)的元素組成有碳、氫、氧、氮、硫等元素，煤中的氮和硫元素可能來自成煤植物中的蛋白質(zhì)。植物死亡后，蛋白質(zhì)在氧化條件下可分解為氣態(tài)產(chǎn)物。在泥炭沼澤中，它可水解生成氨基酸。如氨基酸與糖類縮合則生成結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的腐殖物質(zhì)參與成煤。（4）脂類化合物脂類化合物通常指不溶于水，而溶于苯、醚和氯仿等有機(jī)溶劑的一類有機(jī)化合物，包括脂肪、樹脂、蠟質(zhì)、角質(zhì)、木栓質(zhì)和孢粉質(zhì)等。a脂肪脂肪屬于長鏈脂肪酸的甘油脂。低等植物含脂肪較多，如藻類含脂肪可達(dá)20%。高等植物一般僅含1%～2%，且多集中在植物的孢子或種子中。

脂肪受生物化學(xué)作用可被水解，生成脂肪酸和甘油，前者參與成煤作用。在天然條件下，脂肪酸具有一定的穩(wěn)定性，因此從泥炭或褐煤的抽提瀝青中能發(fā)現(xiàn)脂肪酸。b樹脂樹脂是植物生長過程中的分泌物，當(dāng)植物受創(chuàng)時(shí)，不斷分泌出膠狀的樹脂來保護(hù)傷口。高等植物中的針狀植物含樹脂最多。低等植物不含樹脂。

樹脂的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，不受微生物破壞，也不溶于有機(jī)酸，因此能較好地保存在煤中。我國撫順第三紀(jì)褐煤中的“琥珀”就是由植物的樹脂演變而成的。c樹蠟樹蠟的化學(xué)性質(zhì)類似于脂肪，但比脂肪更穩(wěn)定。它呈薄層覆于植物的葉、莖和果實(shí)表面，以防止水分的過度蒸發(fā)和微生物的侵入。其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，遇強(qiáng)酸也不易分解。在泥炭和褐煤中經(jīng)?？砂l(fā)現(xiàn)樹蠟。d角質(zhì)角質(zhì)是角質(zhì)膜的主要成分，其含量可達(dá)50%以上。植物的葉、嫩枝、幼芽和果實(shí)的表皮常常覆蓋著角質(zhì)膜，作用亦是防止水分的過度蒸發(fā)和微生物的侵入。角質(zhì)是脂肪酸脫水或聚合的產(chǎn)物，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能較好的保持在煤中。e木栓質(zhì)木栓質(zhì)將植物的木栓組織浸透以提高其抵抗微生物作用腐爛變質(zhì)的能力。在木栓中木栓質(zhì)約含25%～50%。木栓質(zhì)的主要成分是脂肪醇酸、二羧酸、碳原子數(shù)大于20的長鏈羧酸和醇類?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能保持在煤中。f孢粉質(zhì)孢粉質(zhì)是構(gòu)成植物繁殖器官孢子、花粉外壁的主要有機(jī)成分，具有脂肪—芳香族網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，耐酸耐堿且不溶于有機(jī)溶劑，并可耐較高的溫度而不發(fā)生分解，常完好的保存在煤中。脂類化合物的共同特點(diǎn)是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此能較完整地保存在煤中。5成煤原始物質(zhì)對煤質(zhì)的影響成煤植物的性質(zhì)及其對成煤的影響,不同種類的植物，同種植物的不同部分，有機(jī)族組分的百分含量均不同。例如，木本植物各部分的有機(jī)族組成差別甚大，如表1-4所示。除了植物的有機(jī)化合物組成外，植物有機(jī)質(zhì)的元素組成也影響著成煤特征和煤的利用。構(gòu)成植物有機(jī)質(zhì)的元素種類雖少，但含量大，主要有碳、氫、氧、氮4種元素(表l-6)。表1-4植物的有機(jī)組成%低等植物中蛋白質(zhì)、脂類化合物含量較高，由低等植物形成的煤中氫含量較高。在高等植物形成的煤中，如果成煤植物殘骸以植物的莖、根等木質(zhì)纖維組織為主，煤氫含量就較低；如果成煤植物殘骸中角質(zhì)、木栓質(zhì)、樹脂、孢粉等脂類化合物較多，煤的氫含量就較高。

煤的組成、性質(zhì)的差異，影響煤的工業(yè)利用，所以，煤的原始物質(zhì)是影響煤質(zhì)的重要因素之一。二成煤過程

成煤過程是指從植物死亡，遺體堆積知道轉(zhuǎn)變成煤所經(jīng)歷的一系列演變過程。1成煤條件（1）古植物條件植物是成煤的物質(zhì)基礎(chǔ)，只有植物大量繁殖的時(shí)期才是成煤的有利時(shí)期。在植物發(fā)展史上只有當(dāng)植物演化發(fā)展到一定階段，即有高大的木本植物大量繁殖堆積，才能廣泛形成有工業(yè)意義的煤層。（2）氣候條件氣候?qū)Τ擅旱挠绊懼饕憩F(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，氣候能影響植物的繁殖，只有溫暖、潮濕的氣候環(huán)境最適宜植物的生長繁殖。其次，氣候控制著泥炭沼澤的發(fā)育。所以，溫暖、潮濕的氣候條件最適宜成煤。當(dāng)年平均降水量<年平均蒸發(fā)量低洼地區(qū)少數(shù)沼澤化當(dāng)年平均降水量>年平均蒸發(fā)量低洼地區(qū)大范圍沼澤化（3）自然地理?xiàng)l件泥炭沼澤是發(fā)生聚煤作用的良好古地理環(huán)境。沼澤

植物死亡后被水掩蓋，避免植物全部氧化。氣候濕潤，適宜植物的生長、繁殖。（4）地殼運(yùn)動條件主要表現(xiàn)在：①地殼運(yùn)動對自然地理環(huán)境起控制作用。當(dāng)?shù)貧ぐl(fā)生沉降運(yùn)動時(shí)，可以使近海平原或內(nèi)陸洼地積水，形成沼澤。沼澤的面積大小，覆水深度、演化過程都受地殼運(yùn)動控制。②泥炭層的堆積要求地殼發(fā)生緩慢的下降。下降的速度最好與植物殘骸堆積的速度大致平衡（水層厚度2m），這種平衡持續(xù)的時(shí)間越長，形成的煤層也越厚。下降的速度>植物殘骸堆積的速度——植物生長繁殖受限下降的速度<植物殘骸堆積的速度——植物遺體氧化破壞2成煤過程(1)腐泥煤的生成低等植物的遺體經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成腐泥的過程腐泥化作用。腐泥化作用形成的環(huán)境和條件：低等植物和浮游生物水體較深：湖泊、積水較深的沼澤、海灣、淺海等還原環(huán)境：厭氧細(xì)菌作用作用：蛋白質(zhì)、脂肪等分解再聚合、縮合產(chǎn)物：富含水的有機(jī)軟泥（腐泥）氣態(tài)產(chǎn)物：富含氫的液態(tài)和固態(tài)瀝青質(zhì)物質(zhì)—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。(2)腐植煤的生成

腐殖煤的生成過程稱為成煤過程，包括植物遺體堆積到形成無煙煤的全過程?？纱笾路譃閮蓚€(gè)階段：泥炭化作用和煤化作用①泥炭化作用

泥炭化作用是指高等植物遺體經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)變化和物理化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成泥炭的過程。

生物化學(xué)變化與物理化學(xué)變化a生物化學(xué)變化此過程相繼發(fā)生氧化分解和還原聚合兩個(gè)階段的變化。第一階段氧化分解

纖維素—單糖木質(zhì)素—芳香酸和脂肪酸蛋白質(zhì)—氨基酸第二階段氧化分解還原聚合

纖維素、果膠—丁乙酸等蛋白質(zhì)—氨基酸脂肪—脂肪酸腐殖酸鹽、硫化氫、二氧化碳、甲烷等表1—7植物與泥炭化學(xué)組成的比較

元素組成，%有機(jī)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

植物轉(zhuǎn)變成泥炭后，蛋白質(zhì)消失了，木質(zhì)素、纖維素等減少，而產(chǎn)生了植物中沒有的大量腐殖酸。元素組成中，泥炭的碳含量和氮含量有所增加，而氧含量減少。b物理化學(xué)變化

在泥炭化階段：氧化與還原、需氧菌和厭氧菌、分解與聚合，這些矛盾的綜合作用，對成煤的影響非常復(fù)雜，從物理化學(xué)的角度看，可歸并為兩種作用。凝膠化作用植物的主要組分在泥炭化階段經(jīng)過生物化學(xué)、物理化學(xué)變化，形成以腐殖酸和瀝青質(zhì)為主體的膠體物質(zhì)的過程。其在成巖作用階段的延續(xù)又稱為鏡煤化作用。絲炭化作用植物的木質(zhì)纖維組織，主要受氧化作用（遭受森林火災(zāi)）而產(chǎn)生貧氫富碳的絲炭化物質(zhì)過程。其中火災(zāi)是偶然現(xiàn)象。

凝膠化作用

絲炭化作用②煤化作用始于泥炭被泥沙沉積物覆蓋，生化作用逐漸停止，地質(zhì)化學(xué)作用逐漸增強(qiáng)。分為成巖作用和變質(zhì)作用兩個(gè)階段，它們與成煤的關(guān)系見下圖。

a成巖作用

無定形的泥炭沉積之后由于地殼持續(xù)下降，因受上覆無機(jī)沉積物的巨大壓力，逐漸發(fā)生壓緊、失水、膠體老化硬結(jié)等物理和物理化學(xué)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袔r石特征的褐煤的過程。條件：深度不大（200～400m）的地下，溫度<60℃主要作用因素：壓力及壓力作用時(shí)間變化：壓緊、失水、膠體老化。發(fā)生一定程度的分解與縮聚，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素消失，腐殖酸不斷降低至消失，H、O減少，C增加。b變質(zhì)作用

褐煤沉降到地殼深處，受長時(shí)間地?zé)岷透邏鹤饔茫M成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變?yōu)闊熋汉蜔o煙煤的過程。變化：脫水、脫羧、脫CH4、縮聚，分子內(nèi)排列規(guī)則化，分子量增加。元素組成和含量發(fā)生變化，碳含量進(jìn)一步增加，氧氫含量進(jìn)一步減少。揮發(fā)分和水分的含量減少，腐殖酸完全消失。光澤度增強(qiáng)、密度增加。變質(zhì)的原因：

溫度：主因

時(shí)間：重要因素在此指溫度與壓力作用時(shí)間的長短。作用時(shí)間影響的重要性表現(xiàn)在：溫度相同時(shí)，時(shí)間長則變質(zhì)程度高；溫度不同時(shí)，短時(shí)間較高溫度與長時(shí)間較低溫度可達(dá)到相同的變質(zhì)程度。

壓力：次因壓力范圍幾十至幾百兆帕。在壓力作用下，煤主要變化是壓緊、失水、孔隙率降低，但也略有促進(jìn)化學(xué)變化的作用，如促使芳香稠環(huán)的排列出現(xiàn)定向化趨勢。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(tuán)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。什么是沼澤?

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。

沼澤的分類（1）按水分補(bǔ)給來源的不同，可劃分為三種類型：低位沼澤、高位沼澤、中位沼澤低位沼澤：主要由地下水和地表水補(bǔ)給；水質(zhì)微酸性到中性，富含礦物質(zhì)和無機(jī)鹽，且有地表水?dāng)y帶的泥沙沉積。泥炭灰分含量高，干燥基灰分一般大于7%。成煤環(huán)境對煤質(zhì)的影響高位沼澤：主要以大氣降水為補(bǔ)給來源的泥炭沼澤；水中礦物質(zhì)含量低，形成泥炭灰分含量低，干燥基灰分一般低于5%。中位沼澤或過渡沼澤：