煤地质学—煤化作用.ppt
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1、2022/12/71第三章第三章 煤化作用煤化作用第1节.煤化作用的阶段第2节.煤化作用的特点第3节.煤化作用的影响因素第4节.煤的变质指标和变质阶段的划分第5节.煤的变质作用类型2022/12/71高等植物从死亡到变成泥炭过程高等植物从死亡到变成泥炭过程 泥炭化作用泥炭化作用低等植物从死亡到变成腐泥过程低等植物从死亡到变成腐泥过程 腐泥化作用腐泥化作用泥泥 炭(腐炭(腐 泥)变成褐煤的过程泥)变成褐煤的过程 成成 岩岩 作作 用用褐煤褐煤 烟煤烟煤 无烟煤的过程无烟煤的过程 变变 质质 作作 用用植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程
2、成煤作用成煤作用高等植物高等植物低等植物低等植物沼泽沼泽 湖泊或浅海湖泊或浅海 泥炭泥炭腐泥腐泥 煤煤褐煤烟煤无烟煤地下地下石墨泥炭(腐泥)化作用成岩作用成岩作用变质作用变质作用煤化作用植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程煤煤褐煤烟煤无烟煤植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程石墨煤煤褐煤烟煤无烟煤植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系
3、列演化过程石墨煤煤褐煤烟煤无烟煤植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程变质作用变质作用石墨煤煤褐煤烟煤无烟煤植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程变质作用变质作用石墨煤煤褐煤烟煤无烟煤植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程变质作用变质作用石墨煤煤褐煤烟煤无烟煤植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程煤化作用变质作用变质作用石墨煤煤褐煤烟煤无烟煤植物从死亡、堆积到转变为
4、煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程泥炭(腐泥)化作用煤化作用变质作用变质作用石墨煤煤褐煤烟煤无烟煤植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程泥炭(腐泥)化作用煤化作用变质作用变质作用石墨煤煤褐煤烟煤无烟煤植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程高等植物高等植物低等植物低等植物泥炭(腐泥)化作用煤化作用变质作用变质作用石墨煤煤褐煤烟煤无烟煤植物从死亡、堆积到转变为煤植物从死亡、堆积到转变为煤所经历的一系列演化过程所经历的一系列演化过程2022/12/
5、72第三章第三章 煤化作用煤化作用第三章第三章 煤化作用煤化作用 煤煤作作为为一一种种可可燃燃有有机机岩岩石石,对对温温度度和和压压力力的的反反应应比比无无机机矿矿物物灵灵敏敏得得多多,由由于于近近代代各各种种指指示示不不同同物物理理化化学学的的煤煤化化作作用用程程度度指指标标测测试试技技术术迅迅速速发发展展,更更加加促促进进人人们们应应用用煤煤化化作作用用的的各各种种特特征征来来研研究究和和解解决决地地质质问问题题,以以及及煤煤炭炭资资源源的加工利用问题。的加工利用问题。近近年年来来煤煤化化作作用用研研究究在在煤煤盆盆地地的的构构造造形形成成与与演演化化中中已已得得到到广广泛泛地地应应用用,
6、例例如如确确定定沉沉积积盆盆地地原原始始边边界界、分分析析盆盆地地形形成成的的古古构构造造格格局局及及演演化化、阐阐明明盆盆地地形形成成后后的的构构造造形形变变、盆盆地地热热演演化化的的研研究究,以以及及确确定定地地层层剥剥蚀蚀厚厚度度、研研究究大大规规模模构构造造形形变变、研研究究推推覆覆构构造造的的形形成成与与演演化化、确确定定断断裂裂变变形形特特征征、研研究究古古地地温温、圈定隐伏侵入体、分析浅层变质作用、找油气及找煤层甲烷资源等。圈定隐伏侵入体、分析浅层变质作用、找油气及找煤层甲烷资源等。2022/12/732022/12/74u 一、煤的成岩作用一、煤的成岩作用u 二、煤的变质作用二
7、、煤的变质作用第一节 煤化作用的阶段2022/12/751、煤的成岩作用、煤的成岩作用 泥泥炭炭形形成成后后,由由于于盆盆地地的的沉沉降降,在在上上覆覆沉沉积积物物的的覆覆盖盖下下被被埋埋藏藏于于地地下下,经经压压实实、脱脱水水、增增碳碳作作用用,游游离离纤纤维维素素消消失失,出出现现了了凝凝胶胶化化组组分分,逐逐渐渐固固结结并并具具有有了了微微弱弱的的反反射射力力,经经过过这这种种物物理理化化学学变变化化转转变变成成年年轻轻褐褐煤煤。这这一一转转变变所所经历的作用称为经历的作用称为煤的成岩作用煤的成岩作用。一、煤的成岩作用2022/12/76 在在成成岩岩作作用用中中,煤煤受受到到复复杂杂的
8、的化化学学煤煤化化作作用用和和物物理理煤煤化作用化作用:(1)化化学学煤煤化化作作用用:主主要要反反映映在在泥泥炭炭内内的的腐腐植植酸酸、腐腐植植质质分分子子侧侧链链上上的的亲亲水水官官能能团团,以以及及环环氧氧数数目目不不断断地地减减少少,形形成成各各种种挥挥发发性性产产物物,并并导导致致碳碳含含量量增增加加,氧氧和和水水分分含含量量减少。减少。一、煤的成岩作用2022/12/77一、煤的成岩作用2022/12/78 (2)物物理理煤煤化化作作用用:主主要要反反映映在在发发生生了了物物理理胶胶体体反反应应,即即成成岩岩凝凝胶胶化化作作用用,从从而而使使未未分分解解或或未未完完全全分分解解的的
9、木木质质纤纤维维组组织织,不不断断转转变变为为腐腐植植酸酸、腐腐植植质质,使使已已经经形形成成的的腐腐植植酸酸、腐腐植植质质变变为为黑黑色色具具有有微微弱弱光光泽泽的的凝凝胶胶化化组组分分。成成岩岩作作用中,丝炭化组分和稳定组分也发生了变化。用中,丝炭化组分和稳定组分也发生了变化。一、煤的成岩作用2022/12/792、煤的变质作用、煤的变质作用 煤煤的的变变质质作作用用是是指指年年轻轻褐褐煤煤,在在较较高高的的温温度度、压压力力及及较较长长地地质质时时间间等等因因素素的的作作用用下下,进进一一步步受受到到物物理理化化学学变变化化,变成变成老褐煤老褐煤(亮褐煤亮褐煤)、烟煤烟煤、无烟煤无烟煤、
10、变无烟煤变无烟煤的过程的过程。(1)化化学学煤煤化化作作用用:表表现现为为腐腐植植物物质质进进一一步步聚聚合合,失失去去大大量量的的含含氧氧官官能能团团,腐腐植植酸酸进进一一步步减减少少,使使腐腐植植物物质质由由酸性变为中性,出现了更多的腐植复合物。酸性变为中性,出现了更多的腐植复合物。二、煤的变质作用2022/12/710 (2)物物理理煤煤化化作作用用:表表现现为为结结束束了了成成岩岩凝凝胶胶化化作作用用,形形成成凝凝胶胶化化组组分分,植植物物残残体体己己不不存存在在,稳稳定定组组分分发发生生沥沥青青化化作作用用,使使叶叶片片表表皮皮蜡蜡质质和和孢孢粉粉质质的的外外层层脱脱去去甲甲氧氧基基
11、,形形成成易易软软化化、塑塑性性强强,具具粘粘结结性性的的沥沥青青质质,并并开开始始具具有有微微弱弱的光泽。的光泽。在在温温度度、压压力力的的继继续续作作用用下下,腐腐植植复复合合物物不不断断发发生生聚聚合合反反应应,使使稠稠环环芳芳香香系系统统不不断断加加大大,侧侧链链减减少少,不不断断提提高高芳芳香香化化程程度度和和分分子子排排列列的的规规则则化化程程度度,变变质质程程度度不不断断提提高高,进而转变为烟煤、无烟煤和变无烟煤。进而转变为烟煤、无烟煤和变无烟煤。二、煤的变质作用一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化二、煤化作用物理二、煤化作用物理化学实质的探讨化学
12、实质的探讨第二节、煤化作用的特点2022/12/7112022/12/712一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化1、煤的成分变化、煤的成分变化(一一)元素组成方面元素组成方面 (1)增碳化趋势)增碳化趋势 随随着着煤煤化化程程度度的的增增加加,煤煤中中挥挥发发物物减减少少,碳碳含含量量增增加加,但但以以褐褐煤煤至至气气煤煤阶阶段段和和无无烟烟煤煤阶阶段段增增高高的的幅幅度度最最大大(图图3.1)。即即由由泥泥炭炭阶阶段段含含有有C、H、O、N、S五五种种主主要要元元素素,演演变变到到无无烟烟煤煤阶阶段段基基本本上上只只含含碳碳一一种种元元素素。因因此此,煤煤化化
13、作作用,又称作用,又称作异种元素的排出过程异种元素的排出过程。一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化(2)氢、氧含量减少)氢、氧含量减少 随随着着煤煤化化程程度度的的增增加加,氢氢、氧氧含含量量减减少少,氢氢含含量量在在碳碳含含量量大大于于87%(Vr为为29%)时时减减少少特特别别急急剧剧,而而氧氧含含量量在在碳含量小于碳含量小于87%时比较显著时比较显著(图图3.2)。(二)原生腐植酸的含量(二)原生腐植酸的含量 原原生生腐腐植植酸酸的的含含量量在在泥泥炭炭与与年年轻轻褐褐煤煤阶阶段段最最高高,随随着着成成岩岩作作用用的的加加强强,腐腐植植酸酸逐逐渐渐变变成成
14、腐腐植植质质,而而到到了了长长焰焰煤煤阶段腐植酸已经完全消失阶段腐植酸已经完全消失(图图3.3)。一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化2022/12/713(三)甲烷生成量的变化(三)甲烷生成量的变化 甲甲烷烷生生成成量量的的变变化化随随着着煤煤化化程程度度的的增增高高而而递递增增(图图3.4)。(四)煤的结构致密化和定向排列的趋势(四)煤的结构致密化和定向排列的趋势 煤煤化化作作用用过过程程实实际际上上是是依依序序排排除除不不
15、稳稳定定结结构构的的过过程程。在在煤煤化化过过程程中中,煤煤的的芳芳香香化化程程度度逐逐渐渐提提高高,芳芳香香族族物物质质逐逐渐渐缩缩合合成成较较大大的的聚聚合合体体,脂脂肪肪族族成成分分逐逐渐渐脱脱落落并并以以挥挥发发物物形式逸出,分子排列逐渐定向化形式逸出,分子排列逐渐定向化(图(图3.5)。一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化2022/12/714一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化
16、过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化2022/12/715一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化2022/12/716煤煤的的结结构构上上主主要要表表现现为为芳芳香香族族稠稠环环体体系系的的缩缩合合度度进进一一步步增增加加,侧侧链链更更加加减减少少,芳芳香香单单元元直直径径加加大大,层层系系间间空空间间减减小小,使使得得顺顺层层面面三三维维的的定定向向排排列列更更加加紧密。紧密。低煤级低煤级高煤级高煤级一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化20
17、22/12/717(五)煤显微组分性质的均一性(五)煤显微组分性质的均一性 在在煤煤化化作作用用的的低低级级阶阶段段,煤煤显显微微组组分分的的光光性性和和化化学学组组成成结结构构差差异异显显著著,也也就就是是说说具具有有不不同同的的煤煤化化作作用用轨轨迹迹(图图3.6)。但但随随着着煤煤化化作作用用的的进进行行,只只是是在在高高变变质质阶阶段段,这这些些差差异异趋趋于于一致一致,变得愈来愈不易区分。,变得愈来愈不易区分。一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化2022/12/718一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的
18、成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化2022/12/7182022/12/7182022/12/718 例如:例如:丝炭化组分中的碳、氢、氧含量在煤化过程丝炭化组分中的碳、氢、氧含量在煤化过程中最为稳定,镜质组分次之,孢子体等最不稳定;中最为稳定,镜质组分次之,孢子体等最不稳定;煤的挥煤的挥发分产率、反射率(图发分产率、反射率(图3.7)以及真比重等的变化梯度以)以及真比重等的变化梯度以壳质组为最大,惰性组最小,到高变质阶段则渐趋一致壳质组为最大,惰性组最小,到高变质阶段则渐趋一致(图(图3.8),煤化过程中各种显微组分吸附水分的能力都煤化过程中各种显微组分吸附水分的能力都逐渐降
19、低,其中以镜质最为显著,但到中变质阶段时彼此逐渐降低,其中以镜质最为显著,但到中变质阶段时彼此已接近一致。此外,煤的粘结性的变化主要取决于镜质和已接近一致。此外,煤的粘结性的变化主要取决于镜质和壳质组,因为惰性组在任何煤化阶段均无粘结性。镜质的壳质组,因为惰性组在任何煤化阶段均无粘结性。镜质的粘结性以肥、焦煤阶段最高;壳质组的粘结性在老褐煤阶粘结性以肥、焦煤阶段最高;壳质组的粘结性在老褐煤阶段开始出现,到焦煤阶段已消失,最大值大致在气煤阶段。段开始出现,到焦煤阶段已消失,最大值大致在气煤阶段。一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化2022/12/719一、煤化过程
20、中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化2022/12/720一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化2 2、煤的性质变化、煤的性质变化(一)煤的工艺性质方面(一)煤的工艺性质方面 (1)随随煤煤化化程程度度的的增增高高,挥挥发发分分逐逐渐渐降降低低(图(图3.9)。)。一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化2022/12/721一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和
21、性质的变化2022/12/7一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化212022/12/7一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化2022/12/7一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化 (2)随随着着煤煤化化程程度度的的增增高高,水水分分自自褐褐煤煤至至焦焦煤煤阶阶段段逐逐渐渐降降低低,在在焦焦、瘦瘦煤煤界界线线上上达达到到最最小小值值,由由瘦瘦煤煤至至无无烟烟煤煤阶阶段段又又略略有有增增加加(图图3.10);发发热热量量值值的的变变化化恰恰与与水水分分相相反反,自自褐褐煤煤至至焦焦煤煤阶阶段段逐逐渐渐增增
22、加加,在在焦焦、瘦瘦煤煤界界线上达到最大值,线上达到最大值,由瘦煤至无烟煤阶段又略有减少由瘦煤至无烟煤阶段又略有减少(图(图3.11)。一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化22 (3)粘结性则以焦、肥煤阶段为最强,)粘结性则以焦、肥煤阶段为最强,这可从胶质层厚这可从胶质层厚度和罗加指数的变化曲线上明显的看出度和罗加指数的变化曲线上明显的看出(图(图3.12、3.13)。)。一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分
23、和性质的变化232022/12/7一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化232022/12/7(二)煤的物理性质方面(二)煤的物理性质方面 煤化过程中,煤的物理性质亦作规律性的变化。煤化过程中,煤的物理性质亦作规律性的变化。(1)随着煤化程度的增高,煤的随着煤化程度的增高,煤的颜色颜色由褐色变为黑色由褐色变为黑色再到黑灰色;粉末则由浅褐色到黑色和深黑色;再到黑灰色;粉末则由浅褐色到黑色和深黑色;(2)随着煤化程度的增高,随着煤化程度的增高,光泽也逐步增强,年轻褐光泽也逐步增强,年轻褐煤一般不具光泽
24、,由老褐煤开始到无烟煤阶段依次出现沥青煤一般不具光泽,由老褐煤开始到无烟煤阶段依次出现沥青光泽、玻璃光泽、金刚光泽和似金属光泽;光泽、玻璃光泽、金刚光泽和似金属光泽;在中变质阶段之在中变质阶段之前,各种煤岩类型之间光泽的差别较大,而到高变质阶段则前,各种煤岩类型之间光泽的差别较大,而到高变质阶段则渐趋一致;渐趋一致;(3)煤的煤的镜质组反射率镜质组反射率随煤化程度的增高而加大,到随煤化程度的增高而加大,到无烟煤阶段尤为明显;无烟煤阶段尤为明显;一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化242022/12/7一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质
25、的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化242022/12/7 (4)随着煤化程度的增高,煤的随着煤化程度的增高,煤的硬度硬度变化也很明显,肥变化也很明显,肥煤和焦煤的硬度最小,无烟煤最大,而长焰煤、气煤与贫煤煤和焦煤的硬度最小,无烟煤最大,而长焰煤、气煤与贫煤的硬度相近,仅次于无烟煤;的硬度相近,仅次于无烟煤;一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化一、煤化过程中煤的成分和性质的变化 (5)脆度)脆度以中变质阶段的焦、以中变质阶段
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