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第四章 煤的岩石组成
煤是一种固体可燃有机岩。煤岩学是把煤作为一种有机岩石，以物理方法为主研究媒的物质成分、结构、性质、成因及合理利用的学科。它是煤地质学的一个分支，与古生物学、沉积岩石学、煤地球化学、煤工艺学和石油地质学等学科密切相关。
煤岩学研究始于1830年，英国人赫顿(Hutton)发展了在显微镜下用透射光观察煤薄片的技术，发现了煤中存在着大量的植物结构，并提出了煤是由植物生成的论断。1919年英国人斯托普斯(M.Stapes)用肉眼观察煤时，将宏观煤岩成分分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种类型，并详细描述了它们的特征和性质的差别。1924年波托涅编写了《普通煤岩学概论》一书，第一次提出了“煤岩学\这个术语。1925年德国人斯塔赫(E.Stach)介绍了煤的光片技术，利用反射光观察煤的光片，并使用了油浸物镜研究煤。1928年斯塔赫和屈耳魏恩又发明了粉煤光片。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。
20世纪初期广泛开展煤的显微镜下的观察、研究，使煤岩学逐渐发展形成一门独立的学科。显微镜下研究煤是煤岩学的主要手段。煤的应用领域不断扩大，需求量与日俱增，为使煤得到综合、合理利用，必须加强对煤的物质成分的研究。煤的显微组分、显微类型和煤化作用是煤岩学的主要研究内容。煤岩学在地质学领域和工业中的应用日益广泛。应用煤岩学方法确定的煤岩组成和煤化程度，是评定煤的性质和用途的重要依据，也是研究煤的生成和变质的重要基础。
第一节 宏观煤岩组成
一、宏观煤岩成分
宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组成单位。在国际煤岩学界，宏观煤岩成分称为煤岩类型(Lithotype of coal).指煤层中肉眼可以识别的不同条带，是用肉眼区分煤的岩石分类的基本组成单位。腐植煤煤层通常由镜煤(光亮条带)、亮煤(半光亮条带)、暗煤、(暗淡条带)和丝炭(矿物木炭)组成。根据颜色、光泽、断口、裂隙、硬度等性质，用肉眼可以将煤区分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种宏观煤岩成分。镜煤和丝炭是简单的煤岩成分，而亮煤和暗煤是复杂的煤岩成分。
(一)镜煤( vitrain) 镜煤是颜色最黑、光泽最亮、质地均匀、常具有内生裂隙的宏观煤岩成分。镜煤呈黑色，光泽强，结构均匀，性脆，易碎成小立方块，具贝壳状断口;内生裂隙发育，垂直于条带，裂隙面呈眼球状，有时填充有方解石、黄铁矿薄膜。在煤层中镜煤常呈透镜状或条带状，大多厚度为几毫米到1～2 cm.有时呈线理状夹杂在亮煤或暗煤中，但有明显的分界线。
在成煤过程中，镜煤是由成煤植物的木质纤维组织经凝胶化作用而形成的。显微镜下观察，镜煤的轮廓清楚，质地纯净，显微组成比较单一，是一种简单的宏观煤岩成分。
(二)丝炭(fusain)
丝炭是外观像木炭、颜色灰黑、性脆、具有明显的纤维状结构和微弱的丝绢光泽的宏观煤岩成分。丝炭疏松多孔，性脆易碎，能染指。丝炭按其孔隙和细胞腔内有无填充物而分成硬、软两种丝炭。软丝炭孔内无填充物，疏松多孔，硬度小，性脆易碎，能染指。硬丝炭的空腔常被矿物质所充填，又称为矿化丝炭。矿化丝炭坚硬致密，密度大。在煤层中一般丝炭数量不多，常呈扁平透镜体沿煤的层面分布，大多数厚度1～2 mm至几毫米，有时也能形成不连续的薄层。不同煤化程度煤中所含的丝炭，性质很少变化。其特点是碳含量高，氢含量低，没有黏结性，含油少。因为丝炭孔隙率大，吸氧性强，往往是造成煤自燃的重要因素。
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在成煤过程中，丝炭是由成煤植物的木质纤维组织经丝炭化作用而形成的。在显微镜下观察，丝炭是具有明显的植物细胞结构的丝炭化组织——丝质体和半丝质体。
(三)亮煤(clarain)
亮煤的光泽仅次于镜煤，较脆，内生裂隙也较发育，程度次于镜煤，密度较小，有时也有贝壳状断口。亮煤是最常见的煤岩成分，不少煤层以亮煤为主组成较厚的煤层，甚至整个煤层。亮煤的均匀程度不如镜煤，表面隐约可见微细的纹理，是由镜煤、暗煤(有时还有丝炭)等薄的分层交织组成的。
在显微镜下观察，亮煤的组成复杂。它是在覆水的还原条件下，由植物的木质纤维组织经凝胶化作用，并掺入一些由水或风带来的其他组分和矿物杂质转变而来的，以镜质组为主，还含有数量不等的惰质组和壳质组。
(四)暗煤(durain)
暗煤光泽暗淡，一般呈灰黑色，结构致密或呈粒状，密度大，硬度和韧性都大，断面比较粗糙，一般不发育内生裂隙。在煤层中，暗煤是常见的宏观煤岩成分，一般来讲，在煤层中暗煤分层出现的频率较亮煤和镜煤小，常呈厚薄不等的分层出现，但有时暗煤也有相当厚度的分层而单独成层且延伸很远距离。暗煤与亮煤的主要不同点在于暗煤中含有较多的惰质组和壳质组(见表4-1)。当暗煤中这两种组分的比例发生变化时，对其性质影响很大，一般含壳质组较多的暗煤性质优于含惰质组较多的暗煤。
显微镜下观察，暗煤的组成比较复杂。它是在活水有氧的条件下，富集了壳质组、惰质组或掺入较多的矿物质转变而成的。富含惰质组的暗煤，宏观往往略带丝绢光泽，挥发分低，黏结性差;富含壳质组的暗煤，宏观略带油脂光泽，挥发分和氢含量较高，黏结性较好，且密度较小;含大量矿物质的暗煤，则密度大，灰分产率高，煤质差。
二、烟煤的宏观煤岩类型
宏观煤岩成分是煤的岩石分类的基本单位，其中的镜煤与丝炭一般只以细小的透镜体或者不规则的薄层出现，难以形成独立的分层;亮煤和暗煤虽然分层较厚，但常有互相过渡的现象，分层界限往往不很明确。所以在了解煤层的岩石组成和性质时，如果以宏观煤岩成分作为单位，则不便于进行定量，也不易于了解煤层的全貌，给煤层的划分和描述带来一定的困难。因此，通常根据煤的平均光泽强度、煤岩成分的数量比例和组合情况划分出宏观煤岩类型，作为观察煤层的单位。所谓平均光泽强度是对同一纵剖面上，相同煤化程度的煤而言的。按平均光泽的强弱依次分为:光亮煤、半亮煤、半暗煤及暗淡煤四种基本宏观煤岩类型，根据煤种的\光亮成分\——镜煤和亮煤在分层中的含量及其反映出的总体相对光泽强度，分层划分的厚度一般不小于5 cm(见表4-2)。
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(一)光亮煤
主要由镜煤和亮煤组成，含量大于75%，在四种类型中光泽最强。光亮煤由于成分较均一，条带状结构一般不明显。光亮煤具有贝壳状断口，内生裂隙发育，脆性较大，易破碎。在显微镜下观察，镜质组含量一般在80%以上，显微煤岩类型以微镜煤为主。光亮煤的质量最好，中煤化程度时是最好的炼焦用煤。
(二)半亮煤
镜煤和亮煤含量占50%～75%，常以亮煤为主，由镜煤、亮煤和暗煤组成，也可能夹有丝炭，平均光泽强度较光亮煤稍弱。半亮煤的特点是条带状结构明显，内生裂隙较发育，常具有棱角状或阶梯状断口。半亮煤是最常见的煤岩类型。如华北晚石炭世煤层多半是由半亮煤组成的。显微镜下观察，镜质组含量一般在60%～80%，显微煤岩类型多以微镜煤、微亮煤和微惰煤为主。
(三)半暗煤
镜煤和亮煤的含量占25%～50%，由暗煤及亮煤组成，常以暗煤为主，有时也夹有镜煤和丝炭的线理、细条带和透镜体。半暗煤的特点是光泽比较暗淡，硬度和韧性较大，密度较大，内生裂隙不发育，断口参差不齐。显微镜下观察，镜质组含量为40%～60%，有时即使镜质组含量大于60%，但是由于矿物质含量高，而使煤的相对光泽强度减弱而成为半暗煤。半暗煤的质量多数较差。
(四)暗淡煤
主要由暗煤组成，镜煤和亮煤含量低于25%，有时有少量镜煤、丝炭或夹矸透镜体。暗淡煤光泽暗淡，通常呈块状构造，致密，坚硬，韧性大，密度大，层理不明显，内生裂隙不发育。个别煤田，如青海大通煤田有以丝炭为主组成的暗淡煤。显微镜下观察，镜质组含量低于40%，而惰质组含量可达50%以上，与其他宏观煤岩类型相比，暗淡煤的矿物含量往往最 高，煤质也多数很差。但含壳质组多的暗淡煤的质量较好，密度小。
三、褐煤的宏观煤岩类型 按褐煤的煤化程度由低到高，可将褐煤细分为软褐煤(或土状褐煤)、暗褐煤和亮褐煤三个煤级。其中，暗褐煤和亮褐煤又统称为硬褐煤。亮褐煤的宏观特征接近于烟煤，四种宏观煤岩成分清楚可见，因此可以借用硬煤的宏观分类方法来划分煤岩类型。但软褐煤和暗褐煤的宏观特征与硬煤大不相同，它们无光泽，不能划分出四种宏观煤岩成分，其宏观煤岩类型不同于烟煤和无烟煤。
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国际煤岩学委员会(lCCP)于1993年提出软褐煤煤岩类型分类系统(见表4-3)。该分类系统是根据褐煤组成成分体积分数和结构分出4种煤岩类型组，即基质煤、富木质煤、富丝质煤和富矿物质煤，用来描述软褐煤中独特的岩相单元。每一种煤岩类型组还可根据结构分为煤岩类型，如层状基质煤和非层状基质煤。进一步可按凝胶化作用的程度、颜色、腐植化程度和腐植凝胶含量细分为煤岩类型种，如黄色煤(未凝胶化)、褐色煤(弱凝胶化)和黑色煤(凝胶化)。结构要在新鲜面上观察，颜色应以干燥后(约2 d)的颜色为准。
我国褐煤资源丰富，以中生代的晚侏罗世时期形成的为主，约占全国褐煤储量的4/5左右，主要分布在内蒙古东部与东部三省相连的地区，如扎费诺尔、霍林河、伊敏、大雁等煤田。新生代古近纪和新近纪褐煤储量约占全国褐煤储量的1/5，主要分布于云南省，如昭通、小龙潭、先锋等煤田。软褐煤在褐煤储量中不足20%，但是软褐煤中保存有许多完整的或破碎状的腐植化植物茎干、树桩、树枝、树叶、种子等原始成煤物质以及成因标志，根据褐煤的岩石类型可以推测成煤沼泽环境，即煤相。褐煤是煤化程度最低的煤，所以深入研究软褐煤的岩石类型，对早期煤化作用的认识，丰富和完善成煤作用理论具有重要意义。
第二节 煤的显微组分
在显微镜下才能识别的煤中的基本组成单元，称为显微组分。这个术语1935年由 M.Stapes提出，沿用至今。按其成分和性质煤的显微组分分为有机显微组分和无机显微组 分。由植物残骸转变而成的组分为有机显微组分，而矿物杂质则称为煤中无机显微组分。
显微镜下通常用两种方法鉴定煤片:一种是把煤磨成薄片在透射光下鉴定显微组分的透光色、形态和结构等。在中低阶煤中显微组分有红、黄、棕、黑等各种颜色，易于区别，但到了中高阶煤，吸收指数随着煤级的增高而增加，显微组分逐渐不透明，所以高煤级的煤需要有非常薄的薄片，在挥发分小于25%或20%以下，制备足够薄的薄片是很困难的;薄片不能进行显微组分的定量分析，因为对不透明的惰质组的含量会估值过高，这些原因使煤的薄片研究受到一定的限制。另一种方法是把煤块的表面磨光，在反射光下除了鉴定显微组分的反光色、形态和结构外，还有突起。因为煤中各种显微组分的磨损硬度不同，硬的组分不易磨损、显出突起，软的组分则不显突起。反射光下用油浸物镜代替干物镜时，由于浸油的折光率与制造物镜所用的光学玻璃的折光率相近，使物镜与光片之间形成一个介质均匀的整体，使射人物镜的成像光线增多，减少了有害的反射光，提高了视野中各种显微成分影响的反差
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和清晰度，使之更易于识别。因此反射光下通常用油浸物镜进行观察。相对于煤薄片制作的难度，煤光片和煤砖粉片因其制作方便，得到广泛的应用。
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煤化学 第四章 煤的岩石组成
