簡介:2024/4/3,1,第三章煤化作用,第1節(jié)煤化作用的階段第2節(jié)煤化作用的特點(diǎn)第3節(jié)煤化作用的影響因素第4節(jié)煤的變質(zhì)指標(biāo)和變質(zhì)階段的劃分第5節(jié)煤的變質(zhì)作用類型,2024/4/3,1,高等植物從死亡到變成泥炭過程→泥炭化作用低等植物從死亡到變成腐泥過程→腐泥化作用泥炭(腐泥)變成褐煤的過程→成巖作用褐煤→煙煤→無煙煤的過程→變質(zhì)作用,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,成煤作用,高等植物低等植物,,沼澤,湖泊或淺海,泥炭腐泥,,煤褐煤→煙煤→無煙煤,地下,,,,,,石墨,泥炭(腐泥)化作用,成巖作用,變質(zhì)作用,,煤化作用,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,煤化作用,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,泥炭(腐泥)化作用,煤化作用,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,泥炭(腐泥)化作用,煤化作用,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,高等植物低等植物,泥炭(腐泥)化作用,煤化作用,,變質(zhì)作用,,石墨,煤褐煤→煙煤→無煙煤,植物從死亡、堆積到轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列演化過程,2024/4/3,2,第三章煤化作用,第三章煤化作用,煤作為一種可燃有機(jī)巖石,對溫度和壓力的反應(yīng)比無機(jī)礦物靈敏得多,由于近代各種指示不同物理化學(xué)的煤化作用程度指標(biāo)測試技術(shù)迅速發(fā)展,更加促進(jìn)人們應(yīng)用煤化作用的各種特征來研究和解決地質(zhì)問題,以及煤炭資源的加工利用問題。近年來煤化作用研究在煤盆地的構(gòu)造形成與演化中已得到廣泛地應(yīng)用,例如確定沉積盆地原始邊界、分析盆地形成的古構(gòu)造格局及演化、闡明盆地形成后的構(gòu)造形變、盆地?zé)嵫莼难芯浚约按_定地層剝蝕厚度、研究大規(guī)模構(gòu)造形變、研究推覆構(gòu)造的形成與演化、確定斷裂變形特征、研究古地溫、圈定隱伏侵入體、分析淺層變質(zhì)作用、找油氣及找煤層甲烷資源等。,2024/4/3,3,2024/4/3,4,,一、煤的成巖作用二、煤的變質(zhì)作用,第一節(jié)煤化作用的階段,2024/4/3,5,,1、煤的成巖作用泥炭形成后,由于盆地的沉降,在上覆沉積物的覆蓋下被埋藏于地下,經(jīng)壓實(shí)、脫水、增碳作用,游離纖維素消失,出現(xiàn)了凝膠化組分,逐漸固結(jié)并具有了微弱的反射力,經(jīng)過這種物理化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成年輕褐煤。這一轉(zhuǎn)變所經(jīng)歷的作用稱為煤的成巖作用。,一、煤的成巖作用,2024/4/3,6,,在成巖作用中,煤受到復(fù)雜的化學(xué)煤化作用和物理煤化作用(1)化學(xué)煤化作用主要反映在泥炭內(nèi)的腐植酸、腐植質(zhì)分子側(cè)鏈上的親水官能團(tuán),以及環(huán)氧數(shù)目不斷地減少,形成各種揮發(fā)性產(chǎn)物,并導(dǎo)致碳含量增加,氧和水分含量減少。,一、煤的成巖作用,2024/4/3,7,,一、煤的成巖作用,2024/4/3,8,,(2)物理煤化作用主要反映在發(fā)生了物理膠體反應(yīng),即成巖凝膠化作用,從而使未分解或未完全分解的木質(zhì)纖維組織,不斷轉(zhuǎn)變?yōu)楦菜?、腐植質(zhì),使已經(jīng)形成的腐植酸、腐植質(zhì)變?yōu)楹谏哂形⑷豕鉂傻哪z化組分。成巖作用中,絲炭化組分和穩(wěn)定組分也發(fā)生了變化。,一、煤的成巖作用,2024/4/3,9,,2、煤的變質(zhì)作用煤的變質(zhì)作用是指年輕褐煤,在較高的溫度、壓力及較長地質(zhì)時間等因素的作用下,進(jìn)一步受到物理化學(xué)變化,變成老褐煤亮褐煤、煙煤、無煙煤、變無煙煤的過程。(1)化學(xué)煤化作用表現(xiàn)為腐植物質(zhì)進(jìn)一步聚合,失去大量的含氧官能團(tuán),腐植酸進(jìn)一步減少,使腐植物質(zhì)由酸性變?yōu)橹行?,出現(xiàn)了更多的腐植復(fù)合物。,二、煤的變質(zhì)作用,2024/4/3,10,,(2)物理煤化作用表現(xiàn)為結(jié)束了成巖凝膠化作用,形成凝膠化組分,植物殘體己不存在,穩(wěn)定組分發(fā)生瀝青化作用,使葉片表皮蠟質(zhì)和孢粉質(zhì)的外層脫去甲氧基,形成易軟化、塑性強(qiáng),具粘結(jié)性的瀝青質(zhì),并開始具有微弱的光澤。在溫度、壓力的繼續(xù)作用下,腐植復(fù)合物不斷發(fā)生聚合反應(yīng),使稠環(huán)芳香系統(tǒng)不斷加大,側(cè)鏈減少,不斷提高芳香化程度和分子排列的規(guī)則化程度,變質(zhì)程度不斷提高,進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)闊熋骸o煙煤和變無煙煤。,二、煤的變質(zhì)作用,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,第二節(jié)、煤化作用的特點(diǎn),2024/4/3,11,2024/4/3,12,,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,1、煤的成分變化一元素組成方面(1)增碳化趨勢隨著煤化程度的增加,煤中揮發(fā)物減少,碳含量增加,但以褐煤至氣煤階段和無煙煤階段增高的幅度最大(圖31)。即由泥炭階段含有C、H、O、N、S五種主要元素,演變到無煙煤階段基本上只含碳一種元素。因此,煤化作用,又稱作異種元素的排出過程。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,(2)氫、氧含量減少隨著煤化程度的增加,氫、氧含量減少,氫含量在碳含量大于87(VR為29)時減少特別急劇,而氧含量在碳含量小于87時比較顯著(圖32)。(二)原生腐植酸的含量原生腐植酸的含量在泥炭與年輕褐煤階段最高,隨著成巖作用的加強(qiáng),腐植酸逐漸變成腐植質(zhì),而到了長焰煤階段腐植酸已經(jīng)完全消失(圖33)。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,13,(三)甲烷生成量的變化甲烷生成量的變化隨著煤化程度的增高而遞增(圖34)。(四)煤的結(jié)構(gòu)致密化和定向排列的趨勢煤化作用過程實(shí)際上是依序排除不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的過程。在煤化過程中,煤的芳香化程度逐漸提高,芳香族物質(zhì)逐漸縮合成較大的聚合體,脂肪族成分逐漸脫落并以揮發(fā)物形式逸出,分子排列逐漸定向化(圖35)。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,14,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,15,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,16,煤的結(jié)構(gòu)上主要表現(xiàn)為芳香族稠環(huán)體系的縮合度進(jìn)一步增加,側(cè)鏈更加減少,芳香單元直徑加大,層系間空間減小,使得順層面三維的定向排列更加緊密。,低煤級,高煤級,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,17,(五)煤顯微組分性質(zhì)的均一性在煤化作用的低級階段,煤顯微組分的光性和化學(xué)組成結(jié)構(gòu)差異顯著,也就是說具有不同的煤化作用軌跡(圖36)。但隨著煤化作用的進(jìn)行,只是在高變質(zhì)階段,這些差異趨于一致,變得愈來愈不易區(qū)分。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,18,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,18,2024/4/3,18,2024/4/3,18,例如絲炭化組分中的碳、氫、氧含量在煤化過程中最為穩(wěn)定,鏡質(zhì)組分次之,孢子體等最不穩(wěn)定;煤的揮發(fā)分產(chǎn)率、反射率(圖37)以及真比重等的變化梯度以殼質(zhì)組為最大,惰性組最小,到高變質(zhì)階段則漸趨一致(圖38),煤化過程中各種顯微組分吸附水分的能力都逐漸降低,其中以鏡質(zhì)最為顯著,但到中變質(zhì)階段時彼此已接近一致。此外,煤的粘結(jié)性的變化主要取決于鏡質(zhì)和殼質(zhì)組,因?yàn)槎栊越M在任何煤化階段均無粘結(jié)性。鏡質(zhì)的粘結(jié)性以肥、焦煤階段最高;殼質(zhì)組的粘結(jié)性在老褐煤階段開始出現(xiàn),到焦煤階段已消失,最大值大致在氣煤階段。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,19,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,20,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2、煤的性質(zhì)變化(一)煤的工藝性質(zhì)方面(1)隨煤化程度的增高,揮發(fā)分逐漸降低(圖39)。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,21,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,21,2024/4/3,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,2024/4/3,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,(2)隨著煤化程度的增高,水分自褐煤至焦煤階段逐漸降低,在焦、瘦煤界線上達(dá)到最小值,由瘦煤至無煙煤階段又略有增加(圖310);發(fā)熱量值的變化恰與水分相反,自褐煤至焦煤階段逐漸增加,在焦、瘦煤界線上達(dá)到最大值,由瘦煤至無煙煤階段又略有減少(圖311)。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,22,(3)粘結(jié)性則以焦、肥煤階段為最強(qiáng),這可從膠質(zhì)層厚度和羅加指數(shù)的變化曲線上明顯的看出(圖312、313)。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,23,2024/4/3,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,23,2024/4/3,(二)煤的物理性質(zhì)方面煤化過程中,煤的物理性質(zhì)亦作規(guī)律性的變化。(1)隨著煤化程度的增高,煤的顏色由褐色變?yōu)楹谏俚胶诨疑环勰﹦t由淺褐色到黑色和深黑色;(2)隨著煤化程度的增高,光澤也逐步增強(qiáng),年輕褐煤一般不具光澤,由老褐煤開始到無煙煤階段依次出現(xiàn)瀝青光澤、玻璃光澤、金剛光澤和似金屬光澤;在中變質(zhì)階段之前,各種煤巖類型之間光澤的差別較大,而到高變質(zhì)階段則漸趨一致;(3)煤的鏡質(zhì)組反射率隨煤化程度的增高而加大,到無煙煤階段尤為明顯;,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,24,2024/4/3,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,24,2024/4/3,(4)隨著煤化程度的增高,煤的硬度變化也很明顯,肥煤和焦煤的硬度最小,無煙煤最大,而長焰煤、氣煤與貧煤的硬度相近,僅次于無煙煤;,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,(5)脆度以中變質(zhì)階段的焦、瘦煤為最大(圖314);,25,2024/4/3,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,(6)內(nèi)生裂隙數(shù)呈曲線變化,最大值在焦煤階段(圖315);(7)煤的顯微鏡下的特征也隨煤化程度的增高而變化。透明度逐漸降低,反射率增強(qiáng),各顯微組分差異變小;,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,26,2024/4/3,(8)煤的導(dǎo)電性在煙煤階段增長很慢,電阻率常為2000200歐姆米,而無煙煤則增長很快,電阻率常為5001歐姆米(圖316)。,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,27,2024/4/3,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,一、煤化過程中煤的成分和性質(zhì)的變化,27,2024/4/3,煤化過程中,煤的化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)的變化是既有區(qū)別又有聯(lián)系的。也就是說“化學(xué)煤化作用”和“物理煤化作用”基本上是平行進(jìn)行的,但也不也完全一致。煤化作用不同階段物理化學(xué)變化的表現(xiàn)1煤的成巖階段2成巖和變質(zhì)作用過渡的老褐煤階段3煤變質(zhì)作用階段,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,,四次煤化作用躍變(煙煤和無煙煤階段),二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,28,2024/4/3,1煤的成巖階段在煤的成巖階段,絲炭組分和穩(wěn)定組分的物理化學(xué)變化不太明顯,而其他腐植物質(zhì)卻發(fā)生明顯的物理化學(xué)變化。(1)物理變化表現(xiàn)在煤發(fā)生物理膠體反應(yīng)(成巖凝膠化作用),未分解的木質(zhì)素和纖維素不斷轉(zhuǎn)變成腐植酸和腐植質(zhì),而腐植酸和腐植質(zhì)又逐漸變成黑色具光澤的鏡質(zhì)組。(2)化學(xué)變化表現(xiàn)在縮合成分子量更大的腐植酸和腐植質(zhì),側(cè)鏈上的親水官能團(tuán)如羥基(OH),羧基(COOH),甲氧基(OCH3)、羰基(C0)以及環(huán)氧的數(shù)目不斷減少,析出大量的水分和二氧化碳、甲烷,導(dǎo)致碳含量增高,水分和氧含量較快地減少。,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,29,2024/4/3,2成巖和變質(zhì)作用過渡的老褐煤階段(1)物理變化在成巖和變質(zhì)作用過渡的老褐煤階段,腐植物質(zhì)的成巖凝膠化作用已結(jié)束,即鏡質(zhì)組分全部生成,已沒有未變化的植物殘余成分存在。(2)化學(xué)變化穩(wěn)定組分開始發(fā)生瀝青化,首先是蠟質(zhì)葉片表層和孢子花粉外層脫去甲氧基,生成石油型烴類,即易軟化、強(qiáng)塑性和具粘結(jié)性的瀝青,并使這些穩(wěn)定組分開始具有反射力。從化學(xué)變化上說,此時腐植物質(zhì)分子由于進(jìn)一步聚合,失去大量酸性官能團(tuán),如羥基(COOH)和甲氧基(OCH3),使腐植物質(zhì)由酸性向中性轉(zhuǎn)變,愈來越多地成為腐植復(fù)合物。很明顯,在老褐煤階段,煤的“巖石質(zhì)變”已經(jīng)完成,而化學(xué)質(zhì)變的重要指標(biāo)腐植酸含量雖急劇減少,但卻未完全消失,只是到褐煤和煙煤的分界線上,溶于堿的腐植酸才完全消失。,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,30,2024/4/3,2024/4/3,31,,3煤變質(zhì)作用階段1四次煤化作用躍變①第一次躍變發(fā)生在長焰煤開始階段CDAF=75%80%,VDAF=43%,鏡質(zhì)組反射率06),它與石油開始形成階段相當(dāng)。本次躍變的特點(diǎn)是瀝青化作用的發(fā)生,隨煤化程度的提高,各種含氧官能團(tuán)逐漸脫落,在=06%以前主要以析出CO2和H2O為特征;當(dāng)煤化作用達(dá)到05%06%階段,芳香核稠環(huán)上開始脫落脂肪族和脂肪族官能團(tuán)和側(cè)鏈,形成以甲烷為主的揮發(fā)物,于是開始了生成瀝青質(zhì)的瀝青化作用。,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,2024/4/3,32,,(1)四次煤化作用躍變②第二次躍變出現(xiàn)在肥煤到焦煤階段(約CDAF=87%,VDAF=29%,13)。躍變的的發(fā)生是因煤中甲烷的大量逸出,從而釋放出大量的氫所造成的。本階段開始,由于富氫的側(cè)鏈和鍵的大量縮短及減少,使煤的比重下降到最小值。在壓力作用下,煤的顯微孔隙度逐漸縮小,水分減少。到焦煤階段(CDAF=89%,VDAF=20%,17),腐植凝膠基本完成了脫水作用,水分和孔隙度都達(dá)到了最低值,發(fā)熱量則升高到最大值。自第二次躍變后,殼質(zhì)組與鏡質(zhì)組在顏色、突起、反射率等方面的差異愈加變小,難以區(qū)分。,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,2024/4/3,33,,(1)四次煤化作用躍變③第三次躍變發(fā)生于煙煤變?yōu)闊o煙煤階段CDAF=91%,VDAF=8%,25)。煤化作用的第三次躍變以后,就進(jìn)入無煙煤化作用和半石墨化作用的階段,它代表了煤化作用的最終階段,其產(chǎn)物是無煙煤和變無煙煤的形成。,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,2024/4/3,34,,(1)四次煤化作用躍變④第四次躍變?yōu)闊o煙煤與變無煙煤的分界CDAF=935%,HDAF25,VDAF=40%,鏡質(zhì)組反射率4,35)。本階段和初期煤化作用階段相比有較多的不同化學(xué)煤化作用方面主要表現(xiàn)為氫含量與氫碳原子比的急劇下降。碳含量隨埋藏深度的增加也明顯增大,同時芳香單元的芳香度和縮合度也急劇增加。,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,2024/4/3,35,,④第四次躍變物理煤化作用方面硬度增大、光澤增強(qiáng),到變無煙煤時幾乎呈金屬淺黃色光澤,宏觀上微層理已不明顯;在光學(xué)特征上變化更為明顯,即在非偏光下,無煙煤與變無煙煤都更加顯示出均質(zhì)性的特征,在正交偏光下,主要顯微組分又可顯出差異,角質(zhì)組和孢子體達(dá)到了最大反射率,且雙反射率也較高,惰質(zhì)組的最大反射率約等于或低于鏡質(zhì)組的反射率。鏡質(zhì)組的最大反射率在無煙煤階段以后有時可以超過惰質(zhì)組。,二、煤化作用物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的探討,2024/4/3,36,,無煙煤階段鏡質(zhì)組反射率隨著煤化作用進(jìn)一步增高,進(jìn)入變無煙煤以后,由于最小反射率迅速減小,雙反射率急劇加大。,36,2024/4/3,37,,第三節(jié)煤化作用的影響因素,溫度、壓力和時間是影響煤化作用的重要因素,其中溫度是煤化作用的主要因素。此外放射性元素蛻變的影響也值得注意。,1、溫度因素的重要性2、地?zé)岷偷販靥荻?、煤化(變質(zhì))作用所需的溫度,一、溫度的影響,,地殼的等溫面以及地溫梯度,巖石導(dǎo)熱性能對煤化梯度的影響,38,2024/4/3,2024/4/3,39,,1、溫度因素的重要性,1930年GROPP和BODE曾將泥炭或年輕褐煤置于密閉的容器內(nèi),在1000個大氣壓的條件下逐漸加熱,在相當(dāng)長的時間內(nèi)試樣并無變化;但當(dāng)溫度高過200℃時,試祥開始變化,最終轉(zhuǎn)變?yōu)槊夯^深的褐煤。兩年后再度進(jìn)行試驗(yàn),在1800個大氣壓,溫度低于320℃的條件下,雖然時間持續(xù)很久也未能使褐煤進(jìn)一步變化,但當(dāng)溫度升到320℃時,褐煤就轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂虚L焰煤的產(chǎn)物,當(dāng)溫度升高到345℃時,所得的產(chǎn)物就具有典型煙煤的性質(zhì)。溫度再進(jìn)一步增高到500℃時,產(chǎn)物則具有無煙煤的特性。試驗(yàn)不僅說明溫度和壓力是煤化作用的重要影響因素,而且還進(jìn)一步證明了與壓力相比,溫度是促進(jìn)煤變質(zhì)的主導(dǎo)因素。,1、溫度因素的重要性,2024/4/3,39,1、溫度因素的重要性,表32,2024/4/3,40,隨著沉降深度的變化,溫度的增加使得煤化作用程度提高,因此煤化作用的演化決定于煤的受熱史。煤化程度增高的速度,有人稱為“煤級梯度”或“煤化梯度”。它首先決定于地區(qū)的地?zé)釛l件,即地?zé)崽荻茸兓?。地溫梯度深度每增加一百米,溫度增高的?shù)值。,2、地?zé)岷偷販靥荻?2、地?zé)岷偷販靥荻?2、地?zé)岷偷販靥荻?2024/4/3,41,(1)地殼的等溫面由于地殼結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造各處有異,各種熱源分布的不均一性,因而地?zé)釄龅奶攸c(diǎn)也不一樣。首先表現(xiàn)在地殼的等溫面并不是一個理想的平面,而是起伏不平的曲面,其次是地殼各處的地溫梯度各有差異,等溫面的間隔往往也不相同?,F(xiàn)代地殼平均地溫梯度為3℃/100米,但其變化范圍可由05℃/100米到25℃/100米。我國華北某地的地溫梯度為33℃/100。,2、地?zé)岷偷販靥荻?2024/4/3,42,(2)巖石導(dǎo)熱性能對煤化梯度的影響地?zé)釛l件相類似的地區(qū),由于下伏和共生巖石的導(dǎo)熱性能不同,對于煤化梯度的影響也不相同。巖石的導(dǎo)熱性首先決定于巖石本身的熱導(dǎo)率,也還受到巖石的孔隙、裂隙、溶洞、構(gòu)造破壞程度等的影響。例聯(lián)邦德國薩爾煤田某鉆孔(圖319),在穿過近200M的砂巖帶時,明顯可見各項(xiàng)煤化指標(biāo),如無灰基水分、干燥無灰基發(fā)熱量、干燥無灰基碳含量和平均油浸反射率,都幾乎處于停滯狀態(tài)。這主要是因?yàn)樯皫r具有良好熱導(dǎo)率,地溫在砂巖中擴(kuò)散較快,因而相對溫差小。,2、地?zé)岷偷販靥荻?2024/4/3,43,2、地?zé)岷偷販靥荻?2、地?zé)岷偷販靥荻?圖319,2024/4/3,44,近年來,由于應(yīng)用地質(zhì)地球物理方法研究地?zé)釄鲎兓?,用圍巖礦化推測古地溫及用熱動力模擬計(jì)算煤化溫度,得出煤化作用所需的溫度比早先僅根據(jù)人工煤化實(shí)驗(yàn)所推斷的溫度(如生成煙煤的溫度為300℃500℃,生成無煙煤的溫度大于500℃)要低得多的結(jié)論,認(rèn)為古生代煙煤在100℃200℃的溫度下即可形成,如果作用時間足夠長的話,還可形成無煙煤。根據(jù)文獻(xiàn)中提供的一些主要煤田的資料(表33),轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌夯A段的煤所需的溫度大致為褐煤40℃50℃;長焰煤一般30%,鏡質(zhì)組的發(fā)熱量主要決定于水分的含量。隨著水分的降低,發(fā)熱量大致成比例地增高。因此發(fā)熱量也和水分一樣,是褐煤及低煤化煙煤階段的煤化指標(biāo)。,一、煤化程度指標(biāo),2024/4/3,58,(3)氫含量煤中氫含量一般小于6%。由于煤的芳香族稠環(huán)中富氫官能團(tuán)和側(cè)鏈隨煤化程度的增高而逐漸脫落,從而析出甲烷,并且在無煙煤階段的析出量最大,氫含量減少得最為明顯,可由4%降至1%。因此,氫含量是無煙煤和變無煙煤階段較敏感的煤化指標(biāo)。,一、煤化程度指標(biāo),2024/4/3,59,(4)碳含量隨著煤化程度的增高,因芳香族稠環(huán)中官能團(tuán)和側(cè)鏈的不斷脫落使碳含量相應(yīng)地增高。從肥煤到貧煤的階段內(nèi),碳含量僅從87%增加到91%,在軟褐煤和暗褐煤階段的變化也不明顯。從亮褐煤到接近氣煤與肥煤分界的階段及無煙煤階段,碳含量的變化較為明顯,可作為煤化程度指標(biāo)。,一、煤化程度指標(biāo),一、煤化程度指標(biāo),(5)灰分煤的灰分不是煤中的固有成分,而是煤在規(guī)定條件下完全燃燒后的殘留物。它是煤中礦物質(zhì)在一定條件下經(jīng)一系列分解、化合等復(fù)雜反應(yīng)而形成的,是煤中礦物質(zhì)的衍生物。煤的灰分產(chǎn)率與礦物質(zhì)含量間有一定的相關(guān)關(guān)系,可以用灰分來估算煤中礦物質(zhì)含量。煤質(zhì)研究中由于灰分與其他特性,如含碳量、發(fā)熱量、結(jié)渣性、活性及可磨性等有不同的依賴關(guān)系。因此,煤中灰分是一項(xiàng)在煤質(zhì)特性和利用研究中起重要作用的指標(biāo)。,一、煤化程度指標(biāo),2024/4/3,60,2024/4/3,61,(6)揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率是最常用的兩個煤化程度指標(biāo)。①在氣肥煤到瘦煤的煤化階段中,鏡質(zhì)組反射率隨芳香稠環(huán)縮合程度的增加而增高。由于鏡質(zhì)組反射率和揮發(fā)分都與鏡質(zhì)組結(jié)構(gòu)單元的芳構(gòu)化程度有關(guān),因此鏡質(zhì)組反射率的增高與揮發(fā)分降低的程度幾乎相同。故在肥煤到貧煤階段,鏡質(zhì)組反射率和揮發(fā)分是良好的煤化程度指標(biāo)。,一、煤化程度指標(biāo),2024/4/3,62,②在氣肥煤階段之前,煤中析出的氣體以CO2和H2O為主,此階段鏡質(zhì)組反射率與揮發(fā)分變化不明顯且不規(guī)則。③無煙煤階段,揮發(fā)分含量已很少,變化不大;鏡質(zhì)組反射率自貧煤以后,由于煤化作用增加了芳環(huán)族單元層排列的有序性,它仍是良好的煤化程度指標(biāo)。但隨著煤化程度的進(jìn)行,煤的光學(xué)各向異性也增大,因此影響了反射率測定的精度。在變無煙煤階段,鏡質(zhì)組的最小反射率反應(yīng)更為靈敏。,一、煤化程度指標(biāo),2024/4/3,63,(6)揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率,與其他各種煤化指標(biāo)相比,鏡質(zhì)組反射率指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)如下首先,表現(xiàn)在隨煤化程度的加深具有明顯現(xiàn)律性單向變化,變化規(guī)律有較好的重現(xiàn)性和可比性;其次,該指標(biāo)的變化值能較精確地加以確定,測定的技術(shù)方法簡便、易行;鏡質(zhì)組反射率指標(biāo)不受煤巖成分、灰分、煤樣代表性的影響,而且受還原程度的影響也很小。,一、煤化程度指標(biāo),2024/4/3,64,(6)揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率,在應(yīng)用上,鏡質(zhì)組反射率指標(biāo)也存在一定局限性首先,在低煤化階段,由于芳香度和縮合度變化較小,因此鏡質(zhì)組反射率的變化量值反應(yīng)不靈敏;其次,在粉煤和分散有機(jī)物的制樣中,難以消除不同顯微組分的誤測;此外,氫含量對鏡質(zhì)組反射率有一定影響,富氫的鏡質(zhì)組反射率值偏低,在高煤化作用階段,特別從無煙煤階段以后到變無煙煤階段,鏡質(zhì)組反射率值相當(dāng)離散,雙反射率明顯增大,因此影響該指標(biāo)應(yīng)用的準(zhǔn)確性。,一、煤化程度指標(biāo),2024/4/3,65,(7)X射線衍射曲線煤化作用的增高,使鏡煤的芳香族稠環(huán)逐漸排列規(guī)則化。因此,當(dāng)X射線透過時,會產(chǎn)生不同程度的衍射。隨著煤化程度的提高,衍射曲線從平穩(wěn)到陡,強(qiáng)度也愈來愈大。,一、煤化程度指標(biāo),圖323,2、接觸變質(zhì)煤對于接觸變質(zhì)煤來說,由于變質(zhì)過程中巖漿和礦化水往往與煤發(fā)生化學(xué)反應(yīng),所以其指標(biāo)的變化常與深成變質(zhì)煤不一致。表現(xiàn)在①煤的粘結(jié)性遭到破壞;②在長焰煤至貧煤階段,接觸變質(zhì)煤的水分偏高,但在無煙煤階段反而偏低;,2024/4/3,66,一、煤化程度指標(biāo),③煤的發(fā)熱量,揮發(fā)分產(chǎn)率和氫含量偏低;④煤的比重在褐煤至肥煤階段偏低,在焦煤至無煙煤階段反而偏高;⑤煤的顯微硬度隨著遠(yuǎn)離火成巖而降低。,2024/4/3,67,一、煤化程度指標(biāo),3區(qū)域熱力變質(zhì)煤對于因受地殼深處巖漿源的影響而變質(zhì)的區(qū)域熱力變質(zhì)煤而言,其變質(zhì)指標(biāo)的變化基本上與深成變質(zhì)煤相近,但在焦煤至無煙煤階段,其碳含量較小,粘結(jié)性較差,電阻率較低。4動力變質(zhì)煤由于地殼強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動而引起的動力熱變質(zhì)煤的某些物理、化學(xué)指標(biāo)與深成變質(zhì)煤有區(qū)別,水分明顯偏低
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