影响煤质变化的诸要素

影响煤质变化的诸要素

卢仁甫

黔美基础工程公司

摘 要：煤质变化是目前煤田勘探和煤炭开发利用的一个重要课题，影响煤质变化的因素又是一个非常复杂的问题，它对煤田勘探和煤炭开发利用有着重要的指导性意义。通过对多年来煤田地质勘探资料的收集和对实践经验的总结，阐述影响煤质变化的诸要素。

关键词：煤质变化，诸要素，内因，外因，原始的成煤物质、成煤环境；后期的地质条件，地史时代，构造运动，压力，深度，煤层顶、底板，火成岩侵入，温度。

一 概论

地球已有45亿年历史，而煤炭的形成最早也才17亿年。随着地球的衍变和时空的迁移，煤在发生变化。如腐植煤类，煤从泥炭转变成褐煤，褐煤转变成烟煤，烟煤转变成无烟煤；腐泥煤类，煤从腐泥转变成腐泥褐煤，腐泥褐煤转变成腐泥烟煤，腐泥烟煤转变成石煤，这一系列过程叫煤化作用。煤化作用分两种情况。一种是成岩作用，即沉积物的压实、脱水、胶结、以及相应的化学变化过程；另一种是变质作用，即煤经受高温、高压、顶板等因素的影响，其成分、结构、构造发生了质的变化。由于变质作用不同，煤质变化千差万别。不同地区不同时代的煤层煤质不同，同一地区同一时代的煤层煤质也不一样。变质程度不同，煤质各不一样；煤质不一样，用途就不一样；用途不一样，工业指标也就不一样。研究影响煤质变化的诸要素有着深远的现实意义：它不仅对煤田地质与勘探有指导作用，同时对煤炭资源的开发和利用有着重要的指导意义。那么，影响煤质发生变化的要素有哪些呢？这就是下面我要阐述的问题。

二 影响煤质变化的诸要素

影响煤质变化的因素很多，可分为两大类，即内因和外因。内因以煤层本身原始的成煤物质和成煤环境有关。如高等植物在沼泽环境中形成腐植煤或残植煤；高等植物和低等植物占重要地位，在湖、沼过渡的环境中形成腐植腐泥煤；低等植物和少量动物在湖泊或沼泽中积水较深部分形成腐植煤。外因比较复杂。影响煤质变化的外因很多，主要有地史时代，构造运动，压力，煤层顶、底板岩性的差异，火成岩侵入，煤层的埋藏深度，地温等，他们都在不同程度上直接或间接地影响着煤质变化，现分述如下。

（一） 内因

内因是煤质变化的本质因素，它取决于原始的成煤物质和成煤环境。

１、原始的成煤物质：煤主要由植物经泥炭化作用或腐泥化作用，以及后期的成煤作用而形成的。植物有一个进化过程，即从低等的菌藻植物发展为苔藓植物、蕨类植物、裸子植物、被子植物。地史上植物群的发展衍变过程图表—１所示。按成因分类，人们把煤分成三种类型：一种是由高等植物在潮湿的沼泽环境中形成的腐植煤类，可分为腐植煤和残植煤；第二种是主要由高等植物和低等植物在潮湿的湖泊、沼泽过渡的环境中形成的腐植腐泥煤；第三种是主要由低等植物和少量动物在湖泊或沼泽环境中积水较深的

部分形成的腐泥煤。如：元古代～古 生代早泥盆世的菌藻植物，形成高灰 分的腐泥煤（石煤），见于上元古代 至下古生代的各纪的地层中，我国南 方寒武纪的石煤最为重要。志留纪末 期～中泥盆世的裸子植物，仍外于低 等植物时代，高不过一米，无真正的 叶和根，地下茎上长着假根，形成腐 泥煤。见于德国早泥盆世板岩中夹的 镜煤条带，我国见于云南禄劝、广东 台山和秦岭西段。晚泥盆世～晚二叠 世早期的蕨类和种子蕨植物繁盛，特 别是石松植物中的鳞木、封印木，节 蕨植物中的芦木，种子蕨类和苛达树 等，有的植物可高达三十余米，形成 各种大型煤田，为地史上最重要的聚

煤期，以腐植煤、腐植腐泥煤为主。 图表—１ 地史上主要植物群分布示意图 如我国华北晚石炭世和华南晚二叠世

的地层中就含有大量的优质烟煤和无烟煤等。晚二叠世晚期～中生代晚期的裸子植物，由于中生代早期气候干旱，适应能力更强的苏铁纲、银杏纲、松柏纲植物繁盛，形成各种腐植煤、腐植腐泥煤。如我国华北侏罗纪和早白垩世地层中的烟煤。早白垩世晚期～第四系，被子植物繁盛，形成各种腐植煤、腐植腐泥煤。如我国云南第三纪的褐煤。

２、原始的成煤环境：煤的沉积环境分为二大类。一类为陆源环境，如陆源沼泽、湖泊沼泽、湖泊环境。另一类为海、陆过渡环境，如滨海、泻湖沼泽和三角洲沼泽等。

（１）陆源环境：陆源环境的成煤物质主要为淡水植物在还原环境中经泥炭化或腐泥化作用阶段和煤化作用阶段而成的产物。很多易溶物质或易风化的矿物经风化后形成可溶盐雨水冲刷被河流带入大海。如硫铁矿（FeS2）和自然硫在潮湿的空气中易氧化而形成三氧化二铁（Fe2O3）和硫酸亚铁（Fe2SO4），硫酸亚铁（Fe2SO4）易溶于水，雨水冲刷后，降低了残积物中硫的含量。因此，陆源环境中生成的煤炭，硫的含量较低，容易形成低硫煤。

（２）海、陆过渡环境：海、陆过渡环境主要有滨海、泻湖沼泽和三角洲平原沼泽等。海陆过渡的成煤物质主要为咸水植物，有的远海沼泽生长有一定的淡水植物，它们在还原环境中经腐泥化作用阶段和煤化作用阶段而形成煤炭。由于陆地上有大量的可溶盐经过河流流入大海，海水中含有大量的硫酸亚铁（Fe2SO4），硫酸亚铁（Fe2SO4）在还原环境中又生成硫铁矿（FeS2）。因此，远海地段易形成中硫煤，近海地段易形成高硫煤。

（二） 外因

外因是煤质变化的外部条件，即煤化作用阶段的各种地质条件。如地史时代的先后，构造运动的变化，

时植物门类代ZOSDCPTJKRQ被子植物苏铁纲裸子植物银杏纲松柏纲苛达纲种子蕨纲蕨类植物石松纲楔叶纲裸蕨纲苔藓植物菌藻植物

各种外界压力，顶、底板岩性的差异，火成岩浸入，煤层的埋藏深度，地温等。它们分别从不同角度、不同层次、不同程度上直接或间接地影响着煤质的变化。

1、地史时代：众所周知，地史时代对煤质的变化影响很大。成煤时期越早，煤层的变质程度越高；反之越低。煤从泥炭——褐煤——烟煤——无烟煤或的衍变过程，也就是一个地史上从新地层到老地层的衍变过程。目前，地球上最古老的煤层为元古代的石煤；最年轻的煤层为第三系的褐煤，局部地区还发现有第四系的泥炭。它们主要表现在煤的有机质（特别是炭和氢）、挥发份、灰份、发热量等的变化上。从表—1可以看出，煤的有机质变化。干燥无灰基炭（Cdaf）随煤的煤化程度的增高而增加，干燥无灰基氢（Hdaf）随煤的煤化程度的增高而降低。干燥无灰基挥发份（Vdaf）随煤的煤化程度的增高而降低，干燥基灰份（Ad）随煤的煤化程度的增高而增高，收到基低位发热量（Qgr,ad）随煤的煤化程度的增高而降低，煤的视密度（ARD）随煤的煤化程度的增高而增高。因此，地质时代不同，煤层的煤化程度不同，煤层的煤质变化也就不同。

地 史 时 代 元素名称 Cdaf Hdaf Vdaf Ad Qgr,ad ARD Q 泥 炭 50～60 6 ＜70 — — — J、K 褐 煤 60～77 — ＞40～60 ＜40 25088～30944 1. 05～1. 20 P、T 烟 煤 74～92 2. 4～6. 4 ＞10～50 ＜40 30520～37010 1. 20～1. 40 D、C、P 无 烟 煤 90 1. 5～4 ＞3. 5～10 ＜40 32200～36170 1. 35～1. 80 石 煤 — — ＜3. 5 40～90 11200～32000 1. 8～2. 4 单位 % % % % J/g g/cm 3表—1 不同变质阶段的煤中各元素变化对比表

2、构造运动：地应力的作用使地壳发生构造运动，各种岩石发生挤压变形、断裂、破碎，煤层也不另外。可分为同期（沉积）构造运动和后期（成煤）构造运动。同期构造运动发育，沉积旋回振荡频繁，周期短，抑制了植物的生长周期，煤层结构复杂，煤的灰份较高；反之较低。地史上曾发生过多次大型的构造运动，每次构造运动形成各自的构造体系，各种构造体系附近的岩、煤层在不同程度上遭到破坏。由于构造运动压力大，摩擦生热，促使煤变质程度提高。特别是后期构造运动，造成煤、岩层破碎。主要表现在构造复杂地区煤层脱气严重，煤成气（瓦斯）容易富集和失放，在煤矿开采过程中容易出现煤与瓦斯突出事故，同时，煤质变化也比较大。主要表现在几个方面，煤层的灰份（Ad）普遍增高，原因是裂隙发育，大量钙质或铁质等矿物后期充填裂隙所至。如贵昆铁路六盘水～沾益段且午隧道深孔勘探中发现，二叠系上统宣威组所含煤层均属烟煤，因受两条交叉断层的破坏，其原煤灰份（Ad）一般为35.03％，而且午隧道附近余家沟煤矿的原煤灰份一般才27.49％。构造简单地区，煤层气（瓦斯）主要附存在稳定的煤层中，煤成气（瓦斯）不易富集，失放方式简单，按一定规律失放，可通过通风手段控制瓦斯涌出量，一般不易出现煤与瓦斯突出事故，其灰份也较低。

3、压力：影响煤质变化的压力有两种。一种是静压力，它来自上覆岩层的重压，使煤体压缩，压缩时内摩擦产生热量，提高地温，间接地推进煤化作用。虎克（Ｈuck）以及博斯蒂克（Ｂostick）等人模拟煤

变质过程，进行人工煤化实验后（表—２所示），都得出静压力达到一定程度后不再促进煤化作用，甚至是抑制煤的化学变化进程的结论。

压力 （kg/cm2） 0 1000 2000 5000 分 析 项 目 发热量 Ｈr 5.66 5.81 5.90 5.80 （千卡/公斤） 8161 8187 8052 7959 胶 质 层 指 数 X Y wa 2.1 2.6 2.7 2.5 Ａe 10.0 10.3 10.3 10.6 vr 37.5 37.7 37.5 37.4 cr 82.20 82.32 82.63 82.68 45 52 61 — 13 12 13 — 注：此表为卡拉干达光亮型气煤人工加压实验结果。5000kg/cm2压力相当于15公里深度的静压力。 表—2 （据M·B·高里村）

另一种是构造压力，由于构造运动摩擦生热，促使煤变质程度提高。如G·H·泰勒（Tayler）认为，如果无烟煤变成石墨需要600°～800°C的高温，在有强烈的构造应力条件下，无烟煤只需达到300°C的高温就能生成石墨。

４、煤层顶、底板岩性岩相：植物在成煤之前，有一个赖以生存的环境条件，那就是水、土、空气和阳光等，其中的土便成了后来煤层的底板。煤层的底板变化不大，除早期的腐泥煤无明显的底板标志外，煤层底板一般为粘土质泥岩（也叫根土岩），胶体物质（SiO2）含量高，其透气性和透水性都差，有隔水性能，对煤层的煤质变化影响不明显。其后期构造运动产生的沉积漩回，大陆下降而海水上升，因地理差异沉降速度、规模不同，顶板沉积的岩性、岩相变化很大。主要有碎屑岩和化学岩。碎屑岩由于粒度及胶结类型的差异，煤层顶板岩石的透气性和透水性变化大。如：泥质胶结或未胶结的顶板，透气性和透水性较强，钙质或铁质胶结的顶板，透气性和透水性较弱。顶板透气性和透水性强，很多钙、镁、铁等阳离子可以溶液的方式通过孔隙渗透到煤层中，使其煤质发生变化；反之，煤层顶板的透气性和透水性弱，煤质不易发生变化。又如：顶板为化学岩者，在顶板沉积之时，由于钙、镁、铁等阳离子含量较高，煤层中渗入的这些阳离子也相应增高。故贵州省织纳煤田在当地流传着一句话“顶板硬则煤层硬，顶板软则煤层亦软”的说法。因此，煤层的顶板岩性岩相直接影响了煤质的变化程度。

５、火成岩侵入：煤系地层受火成岩侵入直接或间接的影响，煤的变质程度发生改变，煤质也相应地发生了有规律或无规律的变化。分两种情况，一种是煤系地层的下伏地层有岩浆侵入形成岩菇、岩被、岩墙等，使煤层受到区域性热液变质。如西德下萨克森盆地布拉姆舍煤产地，其白垩世和中石炭世含煤岩系中的煤层，由于受下伏岩被侵入体的热液作用，煤中的挥发份、镜质组反射率、固定炭等发生了一系列有规律的增减。另一种是岩浆侵入体直接侵入煤系地层使煤层发生接触变质或热液变质。如中国贵州省的织纳煤田，其上二叠世龙潭煤组局部地段的煤系底部，由于受玄武岩侵入，34号和35号煤层出现烧变现象，其光泽突然变得非常暗淡，挥发份、灰份、固定炭发生了很大的差异性变化。

６、煤层的埋藏深度：煤层的变质程度与它的埋藏深度有关。这是因为煤层埋藏越深，地温越高，煤层受上覆岩层的静压力越大，使煤体压缩，压缩时内摩擦产生热量，

提高地温，直接或间接地推进煤化作用。同一矿区或井田无论是不同煤层（只有在沉积旋回周期差异不大的情况下）还是同一煤层，煤层埋藏越深，挥发份含量越高，炭含量越高，氢含量越低。如贵州省普安县糯东井田17号煤和19号煤层的干燥无灰基挥发份(Vdaf)含量、干燥无灰基炭(Cdaf)含量、干燥无灰基氢(Hdaf)含量变化如表—3所示.。从表—3看出，无论是不同煤层（只有在沉积周期不是很长的情况下）还是同一煤

层，干燥无灰基挥发份(Vdaf)含量和干燥无灰基炭(Cdaf)含量随煤层的埋藏深度有递增倾向、干燥无灰基氢(Hdaf)含量随煤层的埋藏深度呈递减倾向。当地温变化较大时，才会打破这种关系。在此，我想希尔特定律应该是在沉积旋回周期较长、地温变化梯度较大的情况下得出的结论。

地 温 煤 号 (°C) 18 26 17 29 33 41 26 19 29 33 41 26 26 29 33 埋 藏 深 度 （米） 200 400 600 800 1000 400 600 800 1000 400 600 800 分 析 项 目 Vdaf 7.63 7.06 7.71 7.77 6.87 6.48 7.19 7.63 7.38 6.72 8.23 7.5 Cdaf 91.11 — 92.46 — 92.44 — 91.66 — 92.21 89.26 90.92 92.99 Hdaf 3.82 — 3.26 — 3.52 — 3.38 — 3.21 3.58 3.39 3.74 表—3 煤的埋深、地温变化及部分工业分析对照表

７、地温：同一时代的煤层，由于地域和地温的差异，煤层的变质程度不一样，煤层的煤质变化也很大。同一地区的地温异常区，其煤层的变质程度要比没有地温异常的高。如表—3所示，当地温梯度变化较大时，挥发份(Vdaf)含量随煤层的埋藏深度有递减倾向，但干燥无灰基炭(Cdaf)含量仍呈递增倾向，此时干燥无灰基氢(Hdaf)含量随煤层的埋藏深度呈递增倾向。从这里来看，比较符合希尔特定律。

另外，影响煤质变化的因素还有煤层本身的内在组织结构、空气、阳光等，它们对煤质的变化影响不大。特别是空气和阳光，他们只能对地表出露煤层以及接近地表的煤层影响很大，而对埋藏较深或深成煤层来讲几乎没有影响。

三 结论

综上所述，影响煤质变化的因素很多，内因主要与原始成煤物质和成煤环境有关，如成煤物质中的低等植物和高等植物，成煤环境中的陆源沼泽、湖泊，海、陆过渡环境等。外因比较复杂，如地史时代，构造运动，压力，煤层的埋藏深度，火成岩侵入，地温，煤层的顶、底板岩性等。还有些因素对煤质的变化影响较大。比如，影响风氧化带煤层的水、空气和阳光，他们对风氧化带煤层的煤质变化影响很大，可对深部煤层影响较小。到目前为止，我们对风氧化带煤层的开采和利用价值意义还不明显，暂不考虑。虽然已有人想利用风氧化带的煤层来提炼腐植酸，但仍处于初期阶段。所以，影响煤质变化的主要因素有上述两大类，一为内因，主要为原始成煤物质和原始成煤环境；二为外因，即：地史时代、构造运动、压力、煤层的埋藏深度、火成岩侵入、地温、煤层顶、底板岩性等。希望通过对影响煤质变化的诸要素的研究，能对煤田地质与勘探和煤炭资源的开发、利用有一定的指导作用。因本人水平有限，不足之处在所难勉，

请同行朋友批评指正。

参考文献

《古生物教材简明教程》：1981年，地质出版社出版，成都地质学院古生物地史教研室傅英祺、叶鹏遥等编辑； 《煤田地质学》：1979年，地质出版社出版，武汉地质学院煤田教研室杨起、李思田等十余位同志编写；

《构造地质学及地质制图学》：1985年，煤炭工业出版社出版，重庆煤炭工业学校构造地质教研室李永良、李北平编写； 《普通地质学》：1984年，地质出版社出版，地质矿产部教材编辑室夏邦栋主编； 《中国泥煤资源分布之规律及其预测》：1958年，煤炭工业出版社出版，王竹泉先生编写；

《华北地台上古生代含煤地层分布之规律及其古地理》：1959年，煤炭工业出版社出版，王竹泉先生编写； 《矿井地质工作手册》：1986年，煤炭工业出版社出版，柴登榜主编。

《贵州省普安县糯东井田煤矿勘查地质报告》：2005年，贵州省煤田地质局地质勘查研究院，任文林、张辉主编； 《贵昆铁路六沾线新且午隧道深孔勘探地质报告》：2006年，贵州省黔美基础工程公司，卢仁甫编；

作者：卢仁甫

单位：贵州省黔美基础工程公司

通讯地址：贵州省贵阳市中华中路金凤凰大厦A座16楼 邮编：561000 电话：13595793488

电子邮箱：yaocatdai@sina.com

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o2ff.html