3 煤化作用及煤变质作用类型

⑥煤的物理、工艺性质发生转折：耐磨性、焦化流动性、粘
结性、内生裂隙数目等都达到极大值，内面积、湿润热等达到 最小值。称为煤化作用转折。
2016/5/22
22
二、煤化作用特点
第二次煤化跃变（Ⅱ）特点：
⑦第二次跃变的结果--煤化台阶：壳质组与镜质组在颜色、
突起、反射率等的差异愈加变小。因此，壳质组从Vdaf=29 ％～22％这一阶段的明显变化又称为煤化台阶。 ⑧生油→生气：本阶段与油气形成的深成阶段后期(即热裂 解气开始形成阶段)相当，石油烃转化为气体烃，因此它对
剪切带 剪切带
5500
狄南阶 14°-18° 2°-5° 康德罗兹砂岩 5°-0° 法门阶
1°-3°
6000 1.0
弗拉斯+吉维特灰岩 基底石英岩 2.0 3.0 4.0
5.0 6.0 反射率 /％
7.0
8.0
9.0
图3-5 原西德北部闵斯特兰1号钻孔中的镜质组反射率 随深度而增加（据M.和R.Teichmuller，1979）
Gropp和Bode的试验不仅说明温度和压力是煤化的因素， 而且还进一步证明了与压力相比，温度是更重要的因素。
2016/5/22 30
一 、温度
温度对于在成煤过程中的化学反应有决定性的作用。 随着地层加深，地温升高，煤的变质程度就逐渐加深。高
温作用的时间愈长，煤的变质程度愈高，反之亦然。在温
度和时间的同时作用下，煤的变质过程基本上是化学变化 过程。在其变化过程中所进行的化学反应是多种多样的， 包括脱水、脱羧、脱甲烷、脱氧和缩聚等。
第三章 煤化作用及煤变质作用类型
植物 遗体
泥 炭 泥炭化 作用
褐
煤
烟 成岩 作用
煤
无 烟 煤 变 质 作 作 用 用
煤 成 煤 作 用
化
图 7-1 成煤作用的阶段划分
成煤作用的阶段划分
第三章 煤化作用及煤变质作用类型
煤化作用的阶段与特征 煤化作用的影响因素
煤的变质作用类型
2016/5/22
28
第二节 煤化作用的影响因素
温度、压力和时间是促使煤变化的 重要因素，其中温度是煤化作用的主要 因素。
2016/5/22
29
一 、温度
1930年 Gropp 和 Bode曾将泥炭或低煤化褐煤置于密闭的容 器内，在1000个大气压的条件下逐渐加热，在相当长的时间内 试样并无变化；但当温度高过 200℃ 时，试祥开始变化，最终 转变为煤化较深的褐煤。两年后再度进行试验，在1800个大气 压，温度低于 320℃ 的条件下，虽然时间持续很久也不能使褐 煤进一步变化，但当温度升到 320℃ 时，褐煤就转变为具有长 焰煤的特点，当温度升高到 346℃ 时，所得的产物就具有典型 烟煤的性质。温度再进一步增高到 500℃ 时，产物则具有无烟 煤的特性。
2016/5/22
24
二、煤化作用特点
（4）第四次跃变为无烟煤与变无烟煤分界
Cdaf＝93.5％，Hdaf=2.5％，Vdaf＝4.0％，镜 质体反射率Rmax＝4％，Rmin＝3.5％。 已经不属于煤化作用阶段。
2016/5/22
25
二、煤化作用特点
第四次跃变特点是：
① 在化学煤化作用方面，主要表现为氢含量
2016/5/22 6
一、煤的成岩作用与变质作用
（3）成岩作用特点
1）成岩作用的化学作用结果
① 泥炭内的腐植酸、腐植质分子侧链上的亲水官能 团，以及环氧数目不断地减少，形成各种挥发性产物;
② 碳含量增加，氧和水分含量减少—脱水。
碳元素 (C) 主要集中于稠环中。稠环的结合力强， 具较大的稳定性。
2016/5/22
③煤的显微孔隙度逐渐缩小，水分减少。
到焦煤阶段(Cdaf=89％，Vdaf≈20％，Romax≈1.7％)腐植凝胶基本 2016/5/22 21 上完成了脱水作用，水分和孔隙度都达到了最低值；
二、煤化作用特点
第二次煤化跃变（Ⅱ）特点：
④发热量则升高到最大值(这是和镜质组的硬度、密度的最小 值，以及炼焦时可塑性最大值相一致)； ⑤焦煤阶段，由于化学结构的变化，水分含量（主要是内在 水分）又有所回升；
2016/5/22
8
一、煤的成岩作用与变质作用
2、煤的变质作用
（1）煤变质作用概念
年青褐煤，在较高的温度、压力及较长地质时 间等因素的作用下，进一步发生物理化学变化，变 成老褐煤(亮褐煤)、烟煤、无烟煤、变无烟煤的过
程。
2016/5/22
9
一、煤的成岩作用与变质作用
（2）煤变质作用特点
① 腐植物质进一步聚合，腐植酸进一步减少，使腐植 物质由酸性变为中性，出现了更多的腐植复合物;
Rm/％ 1.15 1.53 2.00
2016/5/22
11
二、煤化作用特点
2、结构单一化趋势
随着煤化程度的增加，即由泥炭阶段含多 种官能团的结构，逐渐演变到无烟煤阶段只 含缩合芳核的结构，最后演变为石墨结构。
2016/5/22
12
二、煤化作用特点
2、结构单一化趋势
煤化作用过程实际上是依序排除不稳定 结构的过程。即逐渐保存稳定结构。
图3-4 以氢含量和镜质组反射 率（Rmax、Rm和Rmin）为 基础，介于烟煤和石墨阶段之 间的煤级的增高
2016/5/22
“半石墨” 14
石墨 R max
12 石墨 R m 10
反射率/％
8
超无烟煤 95.5％C 超无烟煤 94.6％C
6
Rm ax
4
无烟煤
92.2％C 烟煤 90.7％C 2
in Rm
2016/5/22 19
二、煤化作用特点
特点是：发生沥青化作用，生成沥青质。
沥青化作用是指壳质组(包括藻类体)和镜质组在煤化过程中 形成沥青质，即石油型烃类的一种作用。这种作用起始于硬褐 煤阶段(Rom为0.5％)，持续到早期肥煤阶段(Rom=1.2％)。 随煤化程度的提高，各种含氧官能团逐渐脱落，在Rom＝0.6 ％以前主要析出CO2和H2O；当煤化作用达到Rom＝0.5％～0.6 ％阶段，芳香核稠环上开始①脱落脂肪族和脂肪族官能团和侧 链，②形成以甲烷为主的挥发物，于是开始了生成沥青质的沥 青化作用。
①煤的有机分子侧链由 长变短，数目变少；
低煤级 分子结构
②腐植复合物的稠核芳 香系统不断增大，逐渐趋 于紧密； ③分子量加大，缩合度 提高； ④分子排列逐渐规则化， 从混杂排列到层状有序排 列，反光性能增强。 15
高煤级 分子结构
2016/5/22
二、煤化作用特点
4、随着煤化作用进程,煤显微组分性质呈
② 失去大量的含氧官能团(如羧基—COOH和甲氧基
—OCH3)。 ③ 结束成岩凝胶化作用，形成凝胶化组分(煤岩); ④ 植物残体已不存在，稳定组分发生沥青化作用。
2016/5/22 10
二、煤化作用特点
1、增碳化趋势
随着煤化程度的增加，煤中挥发物减少，碳含 量增加。即由泥炭阶段含有 C、 H、 O、 N、 S 五 种主要元素，演变到无烟煤阶段基本上只含碳一 种元素。因此，煤化作用，又称作异种元素的排 出过程。
2016/5/22
4°
-15°
2500 维斯特 法阶段A 3000
/（m）
25°-30° 剪切带 3500
60°-70°深度纳谬尔阶段 Nhomakorabea4000
65° 55° 35° 45° 30°
4500
40° 30°-40° 15°-35° 35° 25° 10° 10°-20° 20° 纳谬尔阶段A+B
剪切带
5000
应于石油的“死亡线” 。
2016/5/22
23
二、煤化作用特点
（3）第三次跃变（Ⅲ）发生于烟煤变为无烟煤阶 段 Cdaf=91％，Vdaf＝8％，Romax＝2.5％。煤化 作用的第三次跃变以后，就是有人称为无烟煤化作 用和半石墨化作用的阶段，代表了煤化作用的最终
阶段，其产物是无烟煤和变无烟煤的形成。
7
一、煤的成岩作用与变质作用
（3）成岩作用特点
2）煤的物理煤化作用
主要反映在发生了物理胶体反应，即成岩凝胶化 作用，从而使未分解或未完全分解的木质纤维组织， 不断转变为腐植酸、腐植质，使已经形成的腐植酸、 腐植质变为黑色具有微弱光泽的凝胶化组分。
成岩作用中，丝炭化组分和稳定组分也发生变化。
现为均一性趋势。
在煤化作用的低级阶段，煤显微组分的光性和化学 组成结构差异显著，但随着煤化作用的进行，这 些差异趋于一致，变得愈来愈不易区分。高变质 煤的煤岩组分不易识别。
2016/5/22
16
二、煤化作用特点
5、煤化作用是一种不可逆的反应
煤化作用只有由浅而深、或者被终止，不可能发生由深 变质的煤转变为浅变质的煤，不可逆转性。煤化作用不是简 单的化学反应。 煤化作用能否形成连续的系列演化过程，决定于具体地
2016/5/22
18
二、煤化作用特点
4次煤化作用跃变 ：
亮褐煤→长焰煤→气煤→肥煤→焦煤→瘦煤→贫煤→无烟煤→变无烟煤
褐煤 Ⅰ
烟煤 Ⅱ
Ⅲ 无烟煤Ⅳ
（1）第一次跃变（Ⅰ）：发生在长焰煤开始阶段
(Cdaf=75％～80％，Vdaf＝43％，镜质体反射率Romax＝ 0.6％)，与石油开始形成阶段相当。即与生油阶段相当。
高挥发分的烟煤 （挥发分35％）
中挥发分的烟煤 （挥发分22％）
无烟煤 （挥发分5％）
a
1 2
2016/5/22
13
二、煤化作用特点
3、结构致密化和定向排列的趋势
高挥发分的烟煤 （挥发分35％） 中挥发分的烟煤 （挥发分22％） 无烟煤 （挥发分5％）
a
1 2
b
1 2
mg/g
0
3、结构致密化和定向排列的趋势
2016/5/22 20
二、煤化作用特点
（2）第二次煤化跃变（Ⅱ）出现在肥煤到焦煤阶段 Cdaf＝87％，Vdaf＝29％， Romax＝1.3％。镜质体反射
率Romax＝1.3％。
第二次煤化跃变（Ⅱ）特点：
①煤中甲烷的大量逸出，释放出大量的氢。富氢的侧链和键的 大量缩短及减少；
②煤的比重下降到最小值；
质条件。例如，含煤盆地由沉降转变为抬升，这就会导致煤
化作用的终止；如果后来由于岩浆作用的加剧，或盆地再度 沉降，那么煤化作用还可能再次进行下去。
2016/5/22 17
二、煤化作用特点
6、煤化作用的发展是非线性的，表现为煤
化作用的跃变，简称煤化跃变。
煤的各种物理、化学性质的变化，在煤化进程中， 快、慢、多、少是不均衡的。 煤化过程中镜质组反射率的增高是跳跃式的，发 生了4次跃变。
2016/5/22
31
一 、温度
但是受热持续时间和不同古地热史的影响，特定的煤化程 度与精确的最大温度之间的关系较难确定。 前苏联学者提出，受热 50Ma ，顿巴斯煤田的受热温度与 煤化程度的关系：
温度/℃ 65 90 110
2016/5/22
Rm/％ 0.50 0.65 0.85
温度/℃ 130 140 170
Rm
0 5.6
石墨 R min 4.2 2.8 氢含量 /％ 1.4 0
27
二、煤化作用特点
1500
2°-5°
2000
烟煤+无烟煤+超无烟煤 R max2.8％ R max4.0％ R m2.5％ R m3.5％
随深度增加煤化作 用程度加深，并由 此带来的镜质组反 射率的变化。
图 3-5 原联帮德国北部闵 斯特兰1号钻孔中的镜质 组 反 射 率 （ Rmax ， Rmin 和 Rm ） 随 深 度 而 增加
2
第一节 煤化作用的阶段与特征
煤的成岩作用与变质作用
煤化作用的特点
2016/5/22
3
一、煤的成岩作用与变质作用
Δ煤的成岩与变质作用的分界: 一般认为，由于亮褐煤(中国的老褐煤、 美国的亚烟煤)已出现镜煤，具有强烈的镜煤 化作用，并且具有微弱的光泽。因此，变质 作用开始于亮褐煤的形成。
具有了光泽就进入了变质作用阶段。
2016/5/22 4
一、煤的成岩作用与变质作用
1、煤的成岩作用 （1）成岩作用概念
由泥炭经过物理化学作用形成年青褐煤
的过程，为煤的成岩作用。
泥炭→年青褐煤（不具光泽）
2016/5/22 5
一、煤的成岩作用与变质作用
（2）成岩作用机制
泥炭形成后，由于盆地的沉降，在上覆沉积物的覆盖下被 埋藏于地下: ① 压实、脱水、增碳; ② 游离纤维素消失; ③ 凝胶化组分逐渐固结; ④ 具有了微弱的反射力。 这一转变所历经的作用称为煤的成岩作用。据stach认 为，这种作用大致发生于地下200～400m的浅层。
与氢碳原子比的急剧下降。碳含量随埋藏深度的
增加也明显地增大。 ② 硬度增大、光泽增强，到变无烟煤时几乎 呈金属光泽，宏观上微层理已不明显。
2016/5/22 26
二、煤化作用特点
16
无烟煤阶段镜质组反射 率随着煤化作用进一步 增高，进入变无烟煤以 后，由于最小反射率 （Rmax为6％时）迅速 减小，双反射率而急剧 加大。