中國煤田地質學楊起
1. 跪求好心人賜煤田地質學（下冊），武漢地質學院煤田教研室編著，地質出版社，大概是1981年的。
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2. 煤的工藝性質
煤不僅是重要的燃料，更是冶金、化學工業的重要原料。隨著國民經濟的發展，煤炭綜合利用的大力開展，就更需要研究煤的工藝性質，判斷它是否符合各種加工工業的要求，選擇最合理的利用途徑，正確地作出工業評價。煤的工藝性質主要包括粘結性、發熱量、化學反應性、熱穩定性、焦油產率和可選性等。
一、煤的粘結性和結焦性
煤的粘結性是指煤粒(直徑小於0.2mm)在隔絕空氣受熱後能否粘結其本身或惰性物質形成焦塊的能力;煤的結焦性是指煤粒隔絕空氣受熱後能否生成優質焦炭(焦炭強度和塊度符合冶金焦的要求)的性質。煤的粘結性是結焦的必要條件，結焦性好的煤，粘結性也好;粘結性差的煤，其結焦性一定很差。但粘結性好的煤，其結焦性不一定好，例如氣肥煤，其粘結性很強，但生成的焦炭裂紋多、強度低，故結焦性不好。煤的粘結性和結焦性是煉焦用煤的重要質量指標，也是評價低溫干餾、氣化或動力用煤的重要依據之一。
冶金工業需要大量優質焦炭作為燃料和還原劑。焦炭作為高爐燃料必須有一定的塊度和機械強度。煉焦就是把粉碎的煉焦用煤放在密閉的煉焦爐中加熱、干餾，使其形成焦炭的熱加工過程。煉焦用煤必須具有粘結性，即在干餾熱分解過程中能產生一定量的膠質體，使煤粒相互粘結融合而成整塊焦炭。煉焦用煤也必須具備結焦性，即在煤干餾時，能產生一定塊度和足夠強度的焦炭。可見煤的粘結性是煤結焦所必須具備的性質，它和塑性、流動性、膨脹性等性質一樣，僅是煤結焦性的一個方面。
實驗室測定煤結焦性和粘結性的方法很多。在我國，煤田地質勘探中目前常用的是膠質層指數測定法，此外還有羅加指數法、粘結指數法(G)、奧亞膨脹法、葛金干餾試驗、自由膨脹序數測定法、基氏塑性計法等方法。
(一)膠質層指數測定法
這種方法模擬煉焦的工業條件，測定時，把粒度小於1.5mm的精煤樣100g放在鋼杯中，然後從下部對煤樣進行單側加熱。到一定溫度後，鋼杯內形成一系列的等溫層面，溫度由上向下遞增。溫度到達軟化點的層面，煤軟化形成膠質體層，膠質層之下溫度達到膠質體固化點的層面，煤固化為半焦，膠質層之上的煤仍保持未軟化狀態(圖6-12，圖6-13)。從250℃以後，每分鍾升溫3℃，每隔10min測一次膠質層的上、下層面的高度，直至650℃時為止。測定過程中，起初的膠質層比較薄，以後逐漸變厚，後期又逐漸變薄，所以膠質層會出現最大厚度值。用探針定期測量煤杯中膠質層上部和下部水平面的位置，用所測數據作圖，以確定膠質層最大厚度Y值(mm)、最終收縮率X值(mm)和體積變化曲線(圖6-14)。其中膠質層最大厚度Y值是我國現行的煤的工業分類兩項指標之一。
圖6-12 膠質層煤杯中的結焦過程示意圖(據楊起等，1979)
圖6-13 帶平衡的砣的膠質層測定儀示意圖(據能源地質學，2004)
圖6-14 膠質層測定曲線示意圖(據楊起等，1979)
Y值隨煤化程度加深做有規律的變化。圖615中以鏡質組的最大反射率(Romax)煤化程度，可見Y值在Romax=0.8%～1.2%范圍內最大，隨著煤化程度增高或降低，Y值降低。
測定膠質層的煤樣應在1.4的比重液中精選，每次要作雙樣，該法測試的時間長，所需原煤煤樣甚多(一次需200g精煤樣)，一些薄煤層或小口徑鑽進所取得的煤心煤樣往往難以滿足測定需要的量。膠質層指數法對中等粘結性煤的區分能力強，多數煤的Y值具可加性，利於煉焦配煤的計算。這種方法對Y值＞25mm，或Y值＜10mm的煤不易測准，對弱粘結性煤分辨能力差。
(二)羅加指數法
將粒度小於0.2mm的空氣乾燥煙煤樣1g與5g標準的無煙煤樣(寧夏汝箕溝無煙煤，Ad＜4%，Vdaf＞7%，粒度為0.3～0.4mm)均勻混合，放入坩堝內，煤樣上加上壓塊，然後加上坩堝蓋，放入(850±10)℃的馬弗爐內，焦化15min後取出坩堝，冷卻，稱取焦渣總質量。把焦渣放在1mm圓孔篩上篩分，篩上部分稱重後，放入轉鼓內，進行第一次轉鼓試驗，以轉速50轉/分鍾，轉5min後，用1mm圓孔篩進行篩分，再稱篩上部分的質量後，放入轉鼓進行第二次轉鼓試驗，重復篩分，稱重操作，共進行3次轉鼓試驗。按下式計算羅加指數:
煤地質學
式中:Q為焦渣總質量，g;a為第一次轉鼓前大於1mm的焦渣重，g;b為第一次轉鼓後大於1mm的焦渣重，g;c為第二次轉鼓後大於1mm的焦渣重，g;d為第三次轉鼓後大於1mm的焦渣重，g。
羅加指數表示粒度大於1mm的焦塊占總質量的百分比，羅加指數越大，表示粒度大於1mm的焦塊越多，煤的粘結性越好。R.I.(或以LR表示)值＞45為中等至強粘結煤，R.I.=20～45為中等粘結煤;R.I.=5～20為弱粘結煤;R.I.=0～5屬不粘結至微粘結煤。R.I.值與Y值的關系見圖6-16。從圖6-16可以看出，當y=10～15毫米時，R.I.值的變動范圍相當大，在20～70之間，表明羅加指數法對中等粘結煤的鑒別能力比y值好。甚至當Y值接近於0時，R.I.也能分辨。如陝西蒲白礦區某煤層一些煤樣Y為15%～18%，Y均為0，但根據R.I.值的不同可加以區分，R.I.=0，為貧煤;R.I.=15，定為瘦煤。
圖6-15 Y值與煤化程度(Romax)的關系(據楊起等，1979)
圖6-16 羅加指數與Y值的關系(據楊起等，1979)
羅加指數法實驗用煤樣很少，測定方法簡便，快速，易於推廣，不足之處是對粘結性強的煤區分能力不好，如Y值＞25mm時，R.I.值都在80～92之間，對粘結性很弱的煤測定的重現性較差。
(三)粘結指數法
測定原理與羅加指數相同，所不同的是無煙煤的粒度改為0.1～0.2mm，分析煤樣與無煙煤的配比可以改變，轉鼓試驗由3次改為兩次。粘結指數G按下式計算:
煤地質學
式中:m為焦渣總重，g;m1為第一次轉磨後＞1mm的焦渣重，g;m2為第二次轉磨後＞1mm的焦渣重，g。
如果計算結果G＜18，則將分析煤樣和標准無煙煤的配比改為3∶3，再重復上述實驗。G值按下式計算:
煤地質學
粘結指數適合區分弱和中粘結性煤，測試也比較簡便。但對於強粘結煤區分能力欠佳，對弱粘結性煤測定時需要改變配比，比較麻煩。
(四)奧亞膨脹度試驗
奧亞膨脹度試驗也是國際煤分類指標之一。奧亞膨脹度b表示煤加熱軟化成膠質體狀態時的最大膨脹率(圖6-17)。b值的大小，主要和膠質體的數量、粘結度及揮發分析出速度有關。Y值與b值的關系見圖6-18。從圖6-18來看，當Y值＞25mm時，b值的變化規律還是很明顯的，如我國一些地區的一號肥煤，Y值為28mm，但所測得的b值分別在160～270之間，可見奧亞膨脹度對強粘結煤具有較好的鑒別能力。
圖6-17 幾種煤的奧亞膨脹度曲線(據楊起等，1979)
這幾項指標各有其特點，但都存在著對某一粘結性范圍的煤區分不清的缺點。此外，自由膨脹序數、葛金干餾試驗法都是在嚴格規定的條件下把煤加熱，直接觀察所得焦塊的性質，與標准焦型相比，確定煤的粘結性、結焦性。這兩個指標在評定時易帶主觀性，造成人為的誤差，同時只能定性地定出序號，准確性差。
圖6-18 b值與Y值的關系(據《中國煤田地質學》(上冊)，1979)
為了擬定我國新的煤的工業分類指標，北京煤炭科學研究院煤化研究所和鞍山熱能研究院等單位在改進粘結性指標方面進行了研究。新指標應該用嚴格的定量數據把不同粘結性的煤劃分清楚。根據我國多年來引用羅加指數試驗方法積累的大量資料，表明羅加指數對煤的粘結性較Y值和b值表現能力更好，如果針對羅加指數法的不足之處，加以重要的改進，可以得到較好的新指標。改進的途徑是分別增加和減少測定強粘結煤和弱粘結煤時所用的標准無煙煤的表面積。
北京煤化研究所改進的主要要點是:把標准無煙煤的粒度由0.3～0.4mm改為0.1～0.2mm，接近煙煤的粒度，這樣容易混合均勻，同時由於無煙煤的粒度變小，表面積大大增加，使具粘結性的煤的區別能力能反映更明顯。對於弱粘結煤(測值＜20)，改用了3∶3配比，使無煙煤表面積相對地減少，測得的數據除以經驗系數折算為1∶5配比的值。改進後的方法稱為煙煤粘結指數測定法。
鞍山熱能研究院改進的主要要點是:按試驗煤樣粘結性的強弱不同，試驗時分別採用3種不同的試驗煤和無煙煤的比例，1∶5，2.5∶3.5，6∶0。對於粘結性極弱的煤，試驗時，除不加無煙煤外，還規定專門的轉鼓試驗法。為了使測試條件接近煉焦生產，把加熱速度改為3℃/min。改進後的方法稱為煤的粘結度試驗法。
這兩種改進方法，根據半焦塊耐磨強度的高低和添加無煙煤的多少，分別用一定的公式和常數計算出指數，表示試驗煤樣的粘結性強弱。試驗表明，改進的方法提高了再現性和區分能力。
20世紀60年代以來，隨著鋼鐵工業的急劇發展，世界上很多國家都運用煤岩分析方法有效地預測和檢驗煉焦用煤的結焦性能。根據煉焦時各顯微組分所起的作用不同，可分出:①活性組分(也稱可熔性組分)，包括鏡質組、穩定組，它們在熱解時都能形成膠質體，穩定組分形成的膠質體易揮發，粘結性比鏡質組稍差;②惰性組分(也稱不熔性組分)，包括絲質組、半絲質組和礦物質，它們在熱解時不能形成膠質體。半鏡質組的粘結性介於兩者之間，計算時，其含量之三分之一劃入活性組分。煤中活性組分對惰性組分的比例越高，所得焦炭質量越好。不同變質階段煤中活性組分粘結惰性組分的能力不同，以肥煤階段(Ro=0.9%)最強。近年來，由於煤岩分析自動化的進展，西德、美國、日本等國鋼鐵企業已經普遍地對商品煤樣進行煤岩分析。
二、煤的發熱量
煤燃燒時放出大量熱量。煤的發熱量就是每單位質量的煤在完全燃燒時所產生的熱量，常用cal/g或kcal/kg表示。發熱量是供熱用煤的一個質量指標，它是燃燒的工藝過程的熱平衡、耗煤量、熱效率等計算的依據。
(一)定義及單位
發熱量是動力用煤的主要質量指標，煤的燃燒和氣化要用發熱量計算熱平衡、熱效率和耗煤量，它是燃燒和氣化設備的設計依據之一。發熱量是低煤級煤的分類指標之一，也可根據發熱量判斷煤級和煤的其他性質。煤的發熱量是指單位質量的煤完全燃燒所產生的全部熱量，以符號Q表示。熱量的國際單位為焦耳(J)，1J=1N·m(牛頓·米)。過去我國用的熱量單位是卡(cal)，熱量的英制單位為Btu/lb(英國熱制單位/磅)。這幾個熱量單位的關系為:
1cal≌1.8Btu≌4.1868J，1J=0.239cal，1000kcal=41868MJ
(二)發熱量的測定原理將粒度小於0.2mm的空氣乾燥煤樣1g放在氧彈中燃燒，如圖6-19所示。氧彈中充有2.5×106Pa壓力的氧氣，通電使氧彈內的金屬絲點燃煤樣，煤樣在高壓氧氣中完全燃燒，燃燒產生的熱量被內套筒中的水吸收，根據水上升的溫度，計算出煤樣產生的熱量，該熱量稱為彈筒發熱量，用符號Qb，ad表示。為防止測試時熱量的散失和交換，測試時使外筒水溫自動跟蹤內筒水溫而變化，使內外筒沒有熱交換，這種方法稱為絕熱式量熱計測試法。
圖6-19 使用鉛墊密封的舊式氧彈(據能源地質學，2004)
(三)煤的彈筒發熱量、高位發熱量和低位發熱量
1.彈筒發熱量
彈筒發熱量是指單位質量的煤在充有過量氧氣的氧彈內燃燒，其終態產物為25℃下的二氧化碳、過量氧氣、氮氣、硝酸、硫酸、液態水以及固態灰時放出的熱量，彈筒發熱量也即實驗室內用氧彈熱量計直接測得的發熱量;單位質量的煤在充有過量氧氣的氧彈內燃燒，其終態產物為25℃下的二氧化碳、過量氧氣、氮氣、二氧化硫、液態水以及固態灰時放出的熱量稱為恆容高位發熱量，恆容高位發熱量也即由彈筒發熱量減去硝酸形成熱以及硫酸與二氧化硫形成熱之差後得到的發熱量;單位質量的煤在充有過量氧氣的氧彈內燃燒，其終態產物為25℃下的二氧化碳、過量氧氣、氮氣、二氧化硫、氣態水以及固態灰時放出的熱量稱為恆容低位發熱量，低位發熱量也即由高位發熱量減去水(煤中原有的水和煤中氫生成的水)的氣化潛熱後得到的發熱量。
由於煤樣是在高壓氧氣條件下燃燒，因此產生了空氣中燃燒時不能產生的化學反應。煤中的氮及氧彈空氣中的氮，在彈筒高溫高壓作用下，生成NO2或N2O5，與水反應生成稀HNO3，該反應為放熱反應。煤在空氣中燃燒時，煤中的氮變成游離氮逸出，不產生這個反應;煤中的硫在空氣中燃燒時，生成SO2逸去，但在彈筒高壓氧氣作用下，SO2與水作用生成稀H2SO4，也是放熱反應。稀硝酸和稀硫酸溶於水也是放熱反應。煤在空氣中燃燒時，煤中的水(包括煤中氫在燃燒時生成的水)，變為水蒸氣逸去，這是吸熱反應。但在彈筒的高壓下，水不能變為水蒸氣，所以不吸熱。可以看出，煤在彈筒中燃燒產生的熱量要高於在空氣中或在工業鍋爐中燃燒時實際產生的熱量。因此，實際應用中要對煤的彈筒發熱量進行換算。
2.煤的高位發熱量(符號Qgr，ad)
用煤的彈筒發熱量減去稀硝酸和稀硫酸的生成熱後，便是煤的高位發熱量。計算公式:
Qgr，ad=Qb，ad－(95Sb，ad+α·Qb，ad)
式中:Sb，ad為彈筒洗液中硫占空氣乾燥煤樣的百分比，%(當煤中Sb，ad≤2%時，可用St，ad代替Sb，ad進行計算);α為硝酸生成熱的校正系數，當Qb，ad≤16.7kJ/g時，α=0.0010;當16.7kJ/g＜Qb，ad≤25.1kJ/g時，α=0.0012;當Qb，ad＞25.1kJ/g時，α=0.0016。
3.煤的低位發熱量(符號Qnet，ad)
用煤的高位發熱量減去水的汽化熱，便是煤的低位發熱量。計算公式:
Qnet，ad=(Qgr，ad－206Had)－23Mad
式中:Had為空氣乾燥煤樣氫含量，%;Mad為空氣乾燥煤樣水分，%。
一般講，煤的收到基低位發熱量(Qnet，ar)最接近於煤實際燃燒時產生的發熱量。計算公式:
煤地質學
式中:Mt為煤樣的全水分。
4.煤的發熱量計算
煤的發熱量有彈筒發熱量、高位發熱量和低位發熱量3種，而且有4種基準，即收到基、空氣乾燥基、乾燥基和乾燥無灰基，所以共有12種方式可報出測試結果。但一般常用的發熱量指標有5種:
1)空氣乾燥基彈筒發熱量Qb，ad，這是測試的直接結果，需要換算。
2)空氣乾燥基高位發熱量Qgr，ad，用於報出測試結果。
3)乾燥基高位發熱量Qgr，d，用於評定煤的質量，研究煤質。
4)乾燥無灰基高位發熱量Qgr，daf，用於評定煤中有機質的性質，可反映煤級。
5)收到基低位發熱量Qnet，ar，反映煤的實際質量，是煤炭計價的依據，也用於燃煤工業鍋爐的設計。
在煤炭計價時，一定要注意所用的發熱量指標的基準，不然將造成經濟上的損失。
煤的發熱量除了直接測定外，還可以根據元素分析或工業分析的數據進行計算，供無實測發熱量的用煤單位參考。煤炭科學研究院煤化學研究所所根據我國煤質資料研究結果推導了一系列發熱量計算公式。
(1)利用元素分析數據，計算高位發熱量的公式
低煤化程度的煤:
Qgr，daf=80Cdaf+305(310)Hdaf+22Sdaf－26Odaf－4(Adaf－10)
式中:Hdaf前面的系數對褐煤為305，對長焰煤、不粘煤為310。對Ad≤10%的煤，不計算最後一項的灰分校正值。
煉焦煤:
Qgr，daf=80Cdaf+310Hdaf+22Sdaf－25Odaf－7(Adaf－10)
(2)利用工業分析數據，計算低熱值煤高位發熱量的公式
高灰分(Aad=45%～90%)煙煤:
煤地質學
(四)影響煤發熱量的因素
煤的發熱量與煤成因類型、煤岩成分、煤化程度(煤級)、煤中礦物雜質的含量、煤的風氧化程度有關。殘植煤和腐泥煤的發熱量比腐植煤要高，如江西樂平鳴山的樹皮殘植煤Qb，daf為9060cal/g。
煤岩成分:腐植煤同一煤級中，殼質組分的發熱量最高，氣煤階段達8680cal/g，鏡質組次之，為7925cal/g，而惰質組僅7841cal/g。在低煤級時，惰質組的發熱量可以比鏡質組高，因為鏡質組的碳含量低，而氧含量高，故總發熱量較低。而惰質組的氧含量不太高，碳含量很高，彌補了氫含量低的不足。至中煤級煙煤時，鏡質組的氧含量減少，而碳含量增加很快，氫變化不大，故發熱量超過惰質組。
煤化程度:當煤以鏡質組為主時，隨煤級升高，煤的發熱量逐漸增高，至中煤級的焦煤、瘦煤時達到高峰，以後又稍有下降(圖6-20)。這與煤的元素組成變化有關。低煤級時，氧高而碳低，故Q低;中煤級時，氧低而碳高，如焦煤階段Cdaf為87%～90%，雖不及無煙煤高，但Hdaf高達4.8%～5.5%，故Q最高;高煤級時碳雖高，但氫降低快，氫的發熱量比碳高3.5倍，故Q又有所下降。煤的發熱量隨煤級的變化見表6-10。
圖6-20 煤的揮發分產率與發熱量的關系(據能源地質學，2004)
表6-10 煤發熱量隨煤級升高的變化
(據李增學等，2005)
煤的發熱量隨煤中礦物雜質含量的增加而降低。礦物雜質不發熱，其含量越多，煤的發熱量越低。對煤種變化不大的同一礦區而言，由礦物雜質形成的灰分與發熱量往往保持十分規律的反比關系(圖6-21)。煤受風氧化後，煤中的C和H變成CO2和H2O逸去，故煤的C和H含量降低，氧含量增高，煤的發熱量下降。如果風氧化嚴重，煤變成不可燃。
圖6-21 霍林河煤田露天礦區煤的灰分與發熱量的關系(據楊起等，1979)
三、煤的氣化指標
煤經過氣化可產生做燃料用的動力煤氣和供化學合成煤氣。通常把煤的反應性、機械強度、熱穩定性、灰熔點、灰粘度和結渣性作為氣化用煤的質量指標。
(一)煤的反應性
煤的反應性，又稱活性，指在一定溫度條件下，煤與不同氣化介質，如二氧化碳、氧、水蒸氣相互作用的反應能力。反應能力強的煤，在氣化和燃燒過程中，反應速度快、效率高。尤其一些高效能的新型氣化工藝(如沸騰床、懸浮床氣化)，反應性強弱更直接影響到煤在爐中反應的情況、耗煤量、耗氧量及煤氣中有效成分等。在流化燃燒新技術中，煤的反應性強弱與其反應速度也有著密切的關系。因此，反應性是一項重要的氣化和燃燒的特性指標。
測定煤的反應性的方法很多。目前我國採用的方法是測定在高溫下煤焦還原CO2的性能，以CO2還原率表示煤的反應性。
將CO2還原率(α，%)與相應的測定溫度繪成曲線(圖6-22)，可見煤的反映性隨溫度升高而增強。各種煤的反應性隨煤化程度加深而減弱。這是由於碳與CO2反應不僅在燃料的外表面進行，而且也在燃料的微細毛細管壁上進行，氣孔愈多，反應表面積愈大。不同煤化程度煤及所得的煤焦的氣孔率是不同的。褐煤的反應性最強，但到較高的溫度(900℃以上)，反應性增高緩慢。無煙煤的反應性最弱，但在較高溫度時，隨溫度升高而顯著增強。煤的灰分數量等因素對反應性也有明顯的影響。
(二)煤的機械強度
煤的機械強度包括煤的抗碎、耐磨和抗壓等物理機械性質及其綜合性質。氣化用煤和燃燒用煤多數情況下要求用粒度均勻的塊煤。機械強度低的煤投入氣化爐時，容易碎成小塊和粉末，從而破壞了塊煤粒度的均勻性，影響氣化爐的正常操作，因此，要求煤有一定的機械強度。另外，設計部門可以根據煤的機械強度，正確估計塊煤用量及確定使用前是否需要再行篩分。所以，煤田勘探時，應提供氣化用煤或燃燒用煤的機械強度資料。
煤的機械強度測試方法有幾種，應用比較普遍的落下試驗法是根據煤塊在運輸、裝卸、入爐過程中落下、互相撞擊而破碎等特點擬定的，它與表示煤的抗壓、耐磨等機械強度試驗法有所區別。測定方法為:選取60～100mm的塊煤10塊，稱重。然後一塊一塊地從2m高的地方落到厚度＞15mm的金屬板上。這樣自由跌落3次，用25mm的方孔篩篩分，以＞25mm的塊煤質量占試樣總質量的百分數來表示煤的機械強度，其分級標准見表6-11。
我國大多數無煙煤的機械強度好，一般為60%～92%，還有一些煤受構造破壞成片狀、粒狀，煤質松軟，機械強度差或很差，一般為40%～20%，甚至在20%以下。
圖6-22 褐煤、煙煤、無煙煤的活性曲線示意圖(據楊起等，1979)
表6-11 煤的機械強度分級
(據楊起等，1979)
(三)煤的熱穩定性
煤的熱穩定性是指煤在高溫燃燒或氣化過程中保持原來粒度的性能。熱穩定性好的煤，在燃燒或氣化過程中能以其原來的粒度燒掉或氣化而不碎成小塊，或破碎較少;熱穩定性差的煤在燃燒或氣化過程中迅速裂成小塊或煤粉，輕則增加爐內阻力和帶出物，降低氣化和燃燒效率，重則破壞整個氣化過程，甚至造成停爐事故。因此，要求煤有足夠的熱穩定性。
各種工業鍋爐和氣化爐對煤的粒度有不同要求，因此測定煤的熱穩定性的方法也有所不同。常用的是13～25mm級塊煤測定法和小粒度6～13mm級塊煤測定法。
13～25mm級塊煤測定法是把煤樣放在預熱到850℃的馬弗爐內熱處理15min，求出各篩分級別殘焦占總殘焦的百分比，以各級累計百分數與篩分級別作出曲線，以大於13mm級殘焦的百分數S+13作為熱穩定性指標，以小於1mm級殘焦的百分數S－1及熱穩定性曲線作輔助指標(圖6-23)。
小粒度6～13mm級塊煤測定法是把煤樣放在預熱到850℃的馬弗爐內加熱90min，然後稱重、篩分。將所得6～3mm，3～1mm及小於1mm的殘焦占總殘焦量的百分比，作為熱穩定性的指標，分別以KPG，KPJ和KP1表示。指標數值愈大，表明熱穩定性愈差，因此，更確切地說，這些指標是代表不穩定性的。按KPG的分級標准見表6-12。
圖6-23 熱穩定性曲線圖(據楊起等，1979)
表6-12 煤的熱穩定性分級
(據楊起等，1979)
我國大多數無煙煤的熱穩定性較好。KPG均在35%以下，但在高變質無煙煤中也有少數煤的熱穩定性不好或很不好(如京西大安山煤、福建天湖山大蔗溝煤)，其原因尚待進一步查明。這種熱穩定性不好的無煙煤，經預熱處理後，其熱穩定性都有顯著改善。
(四)煤的結渣性
在氣化中，煤灰結渣會給正常操作帶來不利的影響，結渣嚴重時將會導致停產。由於煤灰熔點(T2)並不能完全反映煤在氣化爐中的結渣情況，因此還須用煤的結渣性來判斷煤在氣化過程中的結渣難易程度。
煤的結渣性測定要點，是用空氣為氣化介質，來氣化預熱到800～850℃的赤熱煤樣，氣化過程的後期溫度降到100℃時即停止氣化。以＞6mm的灰渣占灰渣總重的百分數及其相應的最高溫度作為煤樣的結渣性指標。
四、煤的低溫干餾焦油產率
為評價各種煤和油頁岩的煉油適應性以及在低溫干餾工業生產中鑒定原料煤或油頁岩的性質並預測各種產品的產率，都要求進行低溫干餾試驗。實驗室測定煤的低溫干餾焦油產率一般採用「鋁甑法」。收集干餾出來的焦油，計算出焦油產率，代號為T。評定煤的低溫干餾焦油產率時用分析基指標Tad。低溫干餾用煤的Tad一般不應小於7%。一般Tad＞12%者稱高油煤;Tad=7%～12%者為富油煤;Tad≤7%者為含油煤。
煤的低溫干餾焦油產率與煤的成因類型有關。腐泥煤、殘植煤的低溫干餾焦油產率相當高，如山東兗州煤田腐泥煤的Tad為13.50%～45.53%，浙江長廣煤田某礦樹皮殘植煤的Tad為10.70%～21.00%，大多數為高油煤。腐植煤的焦油產率與煤化程度和煤岩組成有關，褐煤和長焰煤的Tad較高，如山東黃縣煤田褐煤的Tad為14%左右。當穩定組分含量較高時，焦油產率也比較高，如淮南煤田氣煤中，當穩定組分為15%～26%時，Tad為12%～15%;而當穩定組分＜10%時，Tad多半小於10%。
五、殼質組的熒光性
在低煤化階段，殼質組的熒光性是較好的煤化程度指標。煤的熒光性與反射率之間具有互相消長的關系，即反射率越低，熒光性愈強，二者並非線性關系。
Otteniann(1975)曾詳細地研究了孢子體熒光光譜與煤化階段的關系(圖6-24)。光譜峰隨煤化程度的增高有規律地移向更長波段。泥炭階段λmax在500nm以下，挪動范圍較寬;褐煤階段λmax大致在560～580nm之間，峰形陡峭;隨煤化程度的進一步提高，光譜曲線在630nm上逐漸形成一個小突峰，它在亞煙煤階段(相當老褐煤階段)迅速增大，在相當長焰煤階段640nm波長段出現了第二個峰，直到氣煤階段640nm峰取代了580nm峰，煤化程度繼續增高，640nm峰繼續遷移向紅光譜段，到肥煤階段λmax移到670nm以上。
圖6-24 孢子體熒光光譜隨煤化程度增高的變化(據邵震傑等，1993)
3. K<sub>2</sub>煤層煤中黃鐵礦的特徵及其可選性預測
摘 要 對四川天府礦務局磨心坡礦 K2煤層( 主採煤層) 煤中硫的主要賦存形式———黃鐵礦進行了詳細研究，從宏觀和微觀上揭示了它的粒度、形態、分布、嵌布等特徵，並據此對 K2煤層煤中硫的可選性進行了評價。
任德貽煤岩學和煤地球化學論文選輯
一、概述
四川大氣污染嚴重，主要由燃煤引起。西南地區是我國聚煤區中含硫量最高的地區，天府礦區位於四川省東部，礦區內的硫含量達 3% 以上，屬高硫煤。因此，國家科委九五攻關項目「粉煤深度脫硫降灰關鍵技術研究」選擇了天府礦區磨心坡選煤廠作為研究對象。
1.煤層特徵
K2煤層位於龍潭組第一段(P2l1)下部，結構復雜，含2～4層夾矸，其中厚0.1m左右的兩層高嶺石夾矸位於煤層下部。煤層穩定，厚2.23～5.80m，平均厚3.88m，全區可采，為本區主採煤層，煤厚變異系數為21.30%，可采性指數1.00，屬穩定煤層。
頂板為深灰色含黃鐵礦結核泥岩，底板為灰色黏土岩
2.煤岩特徵
從宏觀上觀察，按照相對光澤強度，可劃分出4種宏觀煤岩類型［1］，即光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。以半亮煤和光亮煤為主，其次為半暗煤和暗淡煤，並且，從底板到頂板光澤有增強的趨勢(圖1)。結構以條帶狀、線理狀結構為主，可見透鏡狀、似均一狀結構。
圖1 K2煤層煤岩柱狀圖
顯微鏡下觀察和定量分析結果(表1和表2)表明如下特徵:
不同煤岩類型分層的顯微組分構成差別較大，但總的規律是:從光亮煤、半亮煤、半暗煤到暗淡煤，鏡質組含量降低，惰質組含量增高;本區煤層屬焦煤，所以，幾乎不見殼質組。
鏡質組中以基質鏡質體為主，均質鏡質體次之，含少量結構鏡質體;惰質組一般以絲質體為主，其次是半絲質體及碎屑惰質體，偶見粗粒體和微粒體。全層混合樣的鏡質組含量為66.1%，半鏡質組含量為8.0%，惰質組含量為17.0%。
礦物含量較少，以黏土為主，其次為黃鐵礦，還有少量石英和方解石。
3.煤化學特徵
表3是鑽孔煤心煤樣的分析資料，根據我國煤炭灰分分級和硫分分級標准，從表中可以看出，原煤灰分平均為22.76%，屬中灰分煤(20.01%～30.00%);硫分平均為3.5%，屬高硫煤(>3.00%)。硫含量高，且主要是黃鐵礦硫，約佔全硫的74%。
表1 K2煤層粉煤光片顯微組分定量統計單位:%
表2 K2煤層各分層塊煤光片顯微組分定量統計單位:%
表3 K2煤層煤的工業分析和硫分分析
二、K2煤層煤中黃鐵礦特徵
磨心坡礦煤層中硫主要是來自黃鐵礦，因此深入研究黃鐵礦的賦存特徵，可為評價該地區煤層可選性及脫硫工藝提供依據，有效降低煤中硫含量。
1.黃鐵礦的宏觀形態特徵
筆者從宏觀上將黃鐵礦歸納為以下幾種類型:①條帶狀黃鐵礦，黃鐵礦條帶平行或大致平行層理，由自形晶、他形晶緊密堆積而成，條帶之間距離較小，主要分布在暗淡煤分層中;②薄膜狀黃鐵礦，呈薄膜狀附著在鏡煤和亮煤的內生裂隙表面，其大小受裂隙面控制;③結核狀黃鐵礦，呈球形或似球形、紡錘形，大的直徑可達10cm，小的僅1mm左右;④浸染狀黃鐵礦，主要由細粒—中粒自形晶、他形晶組成，較均勻地分布在煤層中，可呈星散狀、雲霧狀集合體;⑤脈狀黃鐵礦，黃鐵礦充填於次生裂隙中形成黃鐵礦脈，與層理斜交，沿裂隙延伸;⑥透鏡狀黃鐵礦，由細小的黃鐵礦晶粒密集堆積而成呈透鏡體。其中以條帶狀、浸染狀黃鐵礦居多，其他次之。
2.黃鐵礦的顯微形態特徵
在顯微鏡下研究，筆者將黃鐵礦劃分為以下幾種顯微類型:①晶粒狀黃鐵礦，黃鐵礦晶體為立方體、八面體，晶粒大小一般為5～20μm，有部分為不完整晶形，有些晶粒有次生長大現象;②充填型黃鐵礦，黃鐵礦充填於絲質體胞腔、結構鏡質體細胞間隙或均質鏡質體裂紋中，其形態和大小取決於所充填的空間形態和大小，可呈條帶狀、不規則粒狀;③浸染狀黃鐵礦，顆粒為幾個微米的黃鐵礦均勻分布於基質鏡質體或結構鏡質體胞腔中，這部分黃鐵礦很難脫除;④莓球狀黃鐵礦，由黃鐵礦微粒組成，呈球形或橢球形，莓球直徑一般為10～50μm，一般成群出現;⑤生物結構黃鐵礦，黃鐵礦呈同心圓狀分布。其中晶粒狀，浸染狀、充填型黃鐵礦居多，其他較少。
3.黃鐵礦的嵌布特徵
通過顯微鏡觀察，可將黃鐵礦的嵌布特徵歸納為以下幾種類型(圖2):
圖2 黃鐵礦的嵌布類型
(1)煤粒(圖2(a))中無可見黃鐵礦，但含有與有機質結合的硫，這種硫主要來源於成煤植物和泥炭化過程中的微生物作用，目前對這種有機硫尚無經濟、技術上可行的辦法。
(2)煤粒(圖2(b))中含有極細小(小於1μm)的黃鐵礦微粒，呈浸染狀分布，對這種黃鐵礦亦無有效的脫除方法。
(3)煤粒(圖2(c))中含有一些散布於煤的顯微組分，特別是均質鏡質體胞腔中的細粒黃鐵礦，若煤的破碎粒度不夠細，此類黃鐵礦顆粒常存在於洗選精煤中。
(4)煤粒(圖2(d))中包裹著較大的黃鐵礦顆粒。此種煤粒主要存在於中煤或尾煤中，也可能存在於精煤中，這主要取決於煤粒中黃鐵礦的相對含量。
(5)煤粒(圖2(e)至(g)中存在著成層分布的黃鐵礦或大塊黃鐵礦結核，它們可以通過物理方法較容易徹底地選除。
4.黃鐵礦的粒度分布特徵
在顯微鏡下對K2煤層全層混合樣及分層樣中黃鐵礦的粒度進行了統計，算出了各粒度級別的百分含量。可以看出，<5μm和5～10μm黃鐵礦顆粒所佔比例較大，給洗選帶來了困難。越靠近底板，黃鐵礦的含量越高，而且，粒度較小部分所佔比例也越大(表4和圖3)。
表4 K2煤層煤中黃鐵礦粒度分析 單位:μm
圖3 K2煤層黃鐵礦及其粒縱向變化曲線
5.用煤岩學方法評價煤的可選性
根據煤炭標准MT620-93規定的用樣密度組成的煤岩學方法預測煤的可選性［2］，從表5中可知K2煤層可選性較好，靠近底板，相對難選。
表5 據計算出的精煤產率評價煤的可選性
三、結論
煤中黃鐵礦的可選性主要取決於黃鐵礦的粒度分布、賦存條件和嵌布特徵等［3～4］。綜上所述，對K2煤層煤中硫的可選性作出如下評價:
(1)K2煤層煤中以黃鐵礦硫為主，約佔全硫的74%，因此用常規的物理脫硫方法降低全硫含量是可能的。
(2)黃鐵礦的粒度分布、賦存特徵方面，從分層粉樣的黃鐵礦粒度分析中可以看出，粒度較細的黃鐵礦顆粒所佔比例較大，且多是浸染狀黃鐵礦，因此這部分黃鐵礦用常規脫硫方法降硫較困難，但這部分黃鐵礦主要集中在下部分層中，可考慮用分采、分運方法，同時可考慮用高梯度磁選等方法脫除細粒黃鐵礦。
(3)黃鐵礦的嵌布特徵方面，圖2中(e)、(f)、(g)類型的煤粒佔有一定比例，也有利於黃鐵礦的物理脫除。
參 考 文 獻
［1］ 楊起，韓德馨 . 中國煤田地質學( 上冊) . 北京: 煤炭工業出版社，1979
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［4］ 張亞雲 . 應用煤岩學基礎 . 北京: 冶金工業出版社，1990
Characteristics of Pyrites in Coal and Its Prediction of Preparability
Liu Fuhai，Ren Deyi
( Beijing Graate School，China University of Mining and Technology)
Abstract: The features of size，shape，distriution，embedment and composition of pyrites which are main form of sulphur in coal of K2Coal Seams in Mo Xinpo Mine of Tianfu Mining Area，are described in detail from both microscopic and macroscopic analysis. The preparability of pyrits has also been evaluated.
Key words: coal，pyrite，preparability
( 本文由劉付海、任德貽合著，原載《中國煤田地質》，1998 年第 10 卷第 3 期)
4. 低煤階煤層氣的成藏模擬實驗研究
劉洪林 王紅岩 李景明 李貴中 王勃 楊泳 劉萍
（中國石油勘探開發科學研究院廊坊分院 河北廊坊 065007）
作者簡介：劉洪林，男，江蘇徐州人，1973年生，漢族，2005年畢業於中國石油勘探開發研究院，獲博士學位，主要從事煤層氣勘探開發方面的研究工作。通訊地址：065007河北廊坊市萬庄44號信箱煤層氣E-mail：[email protected]。
本研究受到國家973煤層氣項目（編號：2002CB211705）資助。
摘要 在美國粉河、澳大利亞的蘇拉特等低煤階盆地煤層氣勘探取得突破以前，大家一直認為具有商業價值的煤層氣資源主要存在於中煤階的煤層中，煤階太低，一般含氣量不高，不具有勘探價值。但是近幾年來的發現證實，低煤階盆地煤層厚度大，滲透率高，資源豐度大，含氣飽和度高，同樣可獲得了商業性的氣流，而且從其氣體的成因來看，其中有很大一部分是生物成因的煤層氣。本文利用煤層氣成藏模擬裝置對低煤階含煤盆地的煤岩樣品開展了成藏模擬，從實驗角度證明了中國西北地區雖然煤層煤階較低，熱成因氣較少，但是卻存在著具有商業價值的二次生物成因的甲烷氣，再加上含煤層系眾多，煤層厚度大，資源豐度極高，仍具有巨大的勘探潛力。
關鍵詞 煤層氣 水動力 成藏
Simulation Experiment of Biogenic Gas in Low Rank Coal of China
Liu Honglin，Wang Hongyan，Li Jingming
Li Guizhong，Wang Bo，Yang Yong，Liu Ping
（Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration ＆ Development，Langfang 065007）
Abstract：Before CBMexploration achieved success in the low rank coal basins like Power Rive Basin of the U.S.and Surat Basin of Australia，People thought that CBM resources with commercial development value mainly stored in medium-high rank coal seams and low rank coal was not worthy of exploration and development e to low gas content.But the exploration practices for recent years proved that commercial CBMproction could be obtained in low rank coal basins which have thick coal thickness，high permeability，high resource concentration，high gas saturation.Moreover，from the cause of formation of CBM，most of CBMin low rank coal belongs to biogenic gas.In this paper，the simulation experiment on CBM accumulation in coal samples from low rank coal basin was carried out by using simulation apparatus of CBM accumulation.The experiment proved that commercial secondary biogenic methane gas possibly existed in northwest coal basin although the rank of coal is low and there was little thermal-genic gas in the basin.Considering there are lots of thick coal seams and the resources concentration is high，the exploration prospect of CBM is promising in the northwest coal basins.
Keywords：CBM；hydrodynamic condition；accumulation
前言
進入20世紀90年代，隨著煤層氣產業的迅猛發展，美國煤層氣的資源開發活動不再局限於中煤階煤儲層發育的聖胡安和黑勇士盆地，資源評價和研究工作覆蓋了18個主要含煤盆地或含煤區，在其中12個含煤盆地從事煤層氣開發活動，煤儲層的煤階從中煤階擴展到低煤階和高煤階，特別是發育低煤階煤儲層的含煤盆地因煤層氣資源量較大而受到重視，發育低煤階煤儲層的含煤盆地6個，煤層氣資源量10×1012m3，占總資源量的53%，以粉河盆地為代表的低煤階含煤盆地煤層氣商業開發的成功，大大拓展了煤層氣勘探開發的視野和領域。粉河盆地位於蒙大拿州東南部和懷俄明州東北部，面積25800km2，為一大型沉積盆地，形成於臘臘米運動造山期，盆地中含有巨厚的晚白堊世煤層，單層厚度達67m，煤層總厚118m。盆地為一不對稱向斜，軸部靠近西部邊緣，西部邊緣以逆斷層為界，靠近Bighorn隆起。西部地層傾角5°～25°，東部為翹起端，傾角不超過2°。上白堊統沿東南部和東部分布，古新統Fort Union組沿盆地邊緣分布，盆地晚三疊系低界深1067m，粉河盆地煤炭資源量1.3×1012t，鏡質體反射率為0.3%～0.4%，與西北一些低煤階盆地相似，煤化程度低，含氣量為0.03～3.1m3/t，但由於煤層厚度巨大，資源豐度大，預測煤層氣資源量（0.5～0.8）×1012m3。粉河盆地煤層氣碳同位素介於-65‰～-69‰之間，具有明顯的生物成因特徵，並且在其構造的高部位，生物氣經過二次運移而富集，形成較高的含氣量和較高的飽和度，有較高的滲透率，含氣飽和度為80%～100%，鑽井深度一般不超過305m，產氣量為110～5976m3/d，產水量為45～69m3/d，最好的產氣遠景區是砂岩體附近與差異壓實作用有關的構造高點、緊閉褶皺形成的構造高點以及煤層上傾尖滅的部位，並在該部位伴生有為非滲透性頁岩所圈閉的游離氣。
中國低煤階煤儲層非常發育。全國垂深2000m以淺的煤炭資源量為55697×108t，低煤階煤儲層佔到煤儲層的一半以上。低煤階煤儲層形成於早中侏羅世、早白堊世、第三紀等成煤期，其中早中侏羅世、早白堊世是中國重要的成煤期，早中侏羅世成煤作用主要發生在西北地區，煤炭資源量佔全國的35.5%[1]，新疆准噶爾、吐哈、塔里木盆地、伊犁和焉耆是低煤階煤儲層發育的典型的大型內陸盆地，煤層厚度大，煤層最大累厚近200m，最大單層煤厚逾100m，煤層層數超過50層[2]。中國西北地區低煤階煤儲層煤層氣資源量豐富，早中侏羅世煤儲層煤層氣資源量超過10×1012m3[3-4]。隨著美國低煤階煤層氣藏商業開發的成功、國內煤層氣勘探開發工作的推進，在近期低煤階煤層氣藏受到了越來越多的關注，有望成為新的研究熱點和煤層氣勘探開發新領域[5，6，7]。但是中國西北地區與美國的粉河盆地、尤因塔盆地和澳大利亞的蘇拉特盆地相比，在進入第四紀以來氣候雖然總體較為乾旱，但是部分地區由於受到天山影響，水動力仍非常活躍，具備二次生物氣生成的可能，如位於天山北坡的准南地區、焉耆地區和伊犁地區。
1 研究區的煤層氣地質概況
本次工作研究，重點對水動力較為活躍的伊犁和焉耆進行了采樣，研究較強水動力條件下煤層次生生物氣的生成問題。
1.1 伊寧地區
伊寧含氣區塊位於新疆維吾爾自治區西部伊犁自治州境內，區內為低山—丘陵及伊犁河畔沖積平原，含氣區內地勢西高東低，北高南低，屬典型大陸性氣候，盆地內先後由煤炭、石油、地礦部門進行過石油勘探及物探，煤炭部門在盆地邊緣及局部進行過煤田勘探。特別是近幾年來，隨著油氣勘探工作的進展，在盆地內，已進行了部分鑽探實物工作量。該區含煤地層為侏羅系中統西山窯組，下統三工河組和八道灣組，主要為一套河湖相的灰、灰白色含礫砂岩，深灰色泥岩，砂質泥岩夾煤層。伊寧含氣區塊侏羅系下統八道灣組和中統西山窯組成煤環境優越，聚煤時間長，形成的煤層較穩定，厚度大，層數多，為煤層氣的形成奠定了物質基礎。西山窯組主要為一套淺灰色含礫粗砂岩，灰白色中、細粒砂岩，深灰色泥岩、砂質泥岩夾煤層，在區內北部地層厚度一般211～552m，含煤10～15層，煤層單層厚度相對較小，層數較多，反映成煤環境震盪性較強。南部一般厚度為102～132m，含煤4～6層。單層厚度相對較大，層數相對較少，反映成煤環境較穩定。八道灣組主要為一套灰白色含礫粗砂岩，中、細粒砂岩，深灰色泥岩，砂質泥岩夾煤層。在區內北部厚度一般在342～452m；南部厚度在60～150m。在北部含可採煤層10層，厚度15～68m，據（伊參1井）資料，可採煤層厚度為88m。在南部煤層厚度相對較小。煤質分析資料表明，該區侏羅系下統八道灣組和中統西山窯組煤層，原煤灰分含量在9.71%～25.60%，一般含量在12%～18%，其變化特徵屬中—低灰、低硫—特低硫、低磷煤，是有利於形成煤層氣的煤質類型。
伊寧含氣區塊侏羅系中、下統沉積之後，受燕山構造運動的影響，褶皺、斷裂使含煤地層遭受不同程度的改造。現構造形態主要表現為不對稱的復式向斜，呈近東西向展布。含煤地層傾角一般在20°～30°之間，其中北部相對較陡，南部較緩。斷層多發育在褶皺軸部，以逆斷層為主，斷層線呈北西西向展布。從構造展布特徵分析，構造相對較簡單，有利於煤層氣的勘探開發。八道灣組和西山窯組煤層組埋藏深度0～2000m，分布面積約3445km2，占含煤地層分布面積的82%。從構造賦存地質條件分析，構造較簡單，有利於煤層氣的勘探開發。該區侏羅系中、下統煤層煤級為長焰煤，煤層氣地質資源豐度為1.28×108m3/km2，資源豐度較高，有著較好的勘探開發前景。
1.2 焉耆地區
焉耆含氣區帶侏羅系中、下統是主要的含煤岩系。侏羅系中、下統是在盆地經歷了印支末期構造運動，三疊系遭受不同程度抬升剝蝕後，盆地又逐漸下降，接受該套內陸含煤碎屑建造。八道灣組沉積時，盆地受南緣庫克塔格山和北緣南天山差異抬升隆起作用，呈現為南低北高的古地貌。由於古氣候溫暖潮濕，有利於植物的生長，植被茂盛，森林密布，形成大面積泥炭沼澤，為形成厚煤層奠定了物質基礎。據本區哈滿溝、塔什店礦區資料，本組煤層稱A組，含煤3～14層，累計厚度10～30m，一般厚度10～15m。盆地內石油鑽井鑽遇本組煤層厚度一般30～40m，最厚可大於60m。煤層空間展布特徵為東部厚度相對較薄，一般厚度10～15m，而西部較厚，在四十里城一帶最厚可大於60m。
西山窯組沉積時，氣候溫暖潮濕，地勢相對平坦，形成大面積泥炭沼澤，有利於成煤物質的生長，為形成厚煤層奠定了物質基礎。據盆地內煤田及石油鑽井資料統計，本組含煤5～10層，可採煤層厚度10～40m之間，一般厚度10～30m之間。焉耆含氣區帶侏羅系下統八道灣組和中統西山窯組成煤環境優越，聚煤時間長，形成的煤層較穩定，厚度大，層數多，為煤層氣的形成奠定了物質基礎。其中侏羅系下統八道灣組煤層厚度大，穩定性強，煤層氣勘探開發潛力較好，是煤層氣勘探開發選區評價的主要目的層。
本區內目前煤礦開采以西山窯組煤層為主，煤質分析資料較少。據塔什店礦區分析資料統計，煤層分析基水分含量平均在 4.34%～4.59%，分析基灰分含量在2.36%～6.79%，揮發分產率在42.33%～49.29%，硫分含量在0.39%～0.73%。煤層水分含量中等，灰分、硫分含量較低，屬特低—低灰、特低—低硫煤，是有利於形成煤層氣的煤質類型。
焉耆含氣區帶大地構造位於庫魯克褶皺帶和天山褶皺系南天山褶皺帶之上，是受海西期—印支期構造作用的影響在夷平面的基礎上形成的中生代含煤盆地。中生界沉積之後，經歷了燕山和喜山多次構造運動的影響，改造後的侏羅系中、下統含煤地層形成了復雜多樣的構造面貌。本區中生代以來構造演化大致經歷了燕山、喜山二期，使盆地內侏羅系中、下統含煤地層遭受強烈抬升剝蝕，煤層壓力降低，吸附在煤層中的氣體解吸擴散，含氣量降低。埋藏深度600～2000m 區，累計分布面積約930km2，占含煤地層分布面積的39%。主要分布在西部塔什店礦區，中東部鹽家窩及庫木布拉克等地，是煤層氣勘探開發深度較理想的區域。
據鑽井及礦井煤層采樣分析資料及埋藏深度資料綜合分析，焉耆含氣區帶侏羅系中、下統煤層埋藏深度2000m以淺區煤級以氣煤為主。焉耆含氣區帶侏羅系中、下統以往煤田地質勘探程度相對較低，有關煤層含氣量資料也較少，礦井開采深度較淺（一般在100～300m之間），相對瓦斯含量也較低。
2 煤層氣成藏模擬實驗裝置和原理
煤層氣成藏模擬裝置的特點是模擬地層溫度、壓力、地層流體介質下煤層氣富集成藏過程，它可以通過模擬不同物性組合、不同介質、不同充注壓力、不同運移方式煤層氣成藏過程，獲取不同模擬條件下的物理和化學參數，確定煤層氣不同運移條件下的邊界條件。設備主要由氣體增壓泵、恆溫箱、儀表控制面板和計算機採集-處理系統。其中控制面板包括壓力控制子面板、溫度控制子面板、平流泵控制子面板、真空泵控制按鈕、流程圖；恆溫箱內放有多功能模型倉Ⅰ、多功能模型倉Ⅱ和參考缸；計算機採集系統包括一套數據採集模塊和數據處理軟體。圖1是裝置原理流程，裝置考慮採用不同岩心、不同岩性、不同氣體介質進行工作，同時進行精確計量。把設計製作後的岩心組合裝進多功能模型倉，利用氣體增壓泵維持環壓，利用平流泵提供不同的流體介質、不同充注壓力，通過溫度和壓力儀表以及感測器採集溫度和壓力數據，並經過數據處理軟體分析溫度壓力數據。
在自然界中，已知的產甲烷菌中有一半可利用甲酸鹽形成甲烷。甲酸鹽首先轉化成CO2和H2，然後再通過還原反應生成甲烷。在自然界中能夠利用氫還原二氧化碳及利用醋酸鹽發酵的產甲烷菌的存在是生物成因的煤層氣成藏的必要條件。與近地表甲烷生成過程研究相比，地下（十幾米到幾百米深度）甲烷生成的研究工作相對較少。在地下環境中，對於甲烷的產出來說，沉積物必須具備使產甲烷菌得以生存及繁殖的孔隙空間。對此，低煤階煤層中發育的孔隙空間和裂隙系統對甲烷菌的生成是非常有利的。甲烷生成菌不具有直接分解煤層的能力，要形成甲烷須有一個前期階段，即主要依酸發酵菌和還原菌分解類脂化合物和大分子聚合物如纖維素和蛋白質等；接著微生物進一步脫去長鏈酸（和乙醇以上的醇）的氫而生成氫、甲酸、乙酸、二氧化碳和醇等。甲烷菌由此取得碳源和營養而生存，並以此為基質進行生物化學和新陳代謝作用產生甲烷。
圖2 伊寧和焉耆地區煤岩樣品產甲烷菌實驗
3.3 生物甲烷氣成藏模擬實驗
把接種過甲烷菌的煤層樣品放入成藏模擬裝置內，在35oC的恆溫狀態下，開始培養，觀測煤岩樣品生氣過程。經過近兩個月的連續實驗得到一條壓力-時間曲線。經分析認為曲線存在兩個明顯的曲線段，第一階段為快速生氣階段，第二階段為生氣-吸附平衡階段（圖3）。對最後生成的氣體進行了分析，其所產氣體成分主要為CH4、N2和CO2。除個別樣品外，絕大多數樣品所產氣中C2+含量很低，甲烷碳同位素值相差較大，從-56‰～-67‰，表明為生物成因氣體。
圖3 煤樣生物成氣後吸附過程中的壓力-時間變化曲線
4 實驗結果及其討論
（1）模擬試驗表明，一方面在我國西北地區低煤階煤層中存在產甲烷菌，另一方面證明了低煤階的煤層可以作為二次生物氣的來源。根據資料，伊犁盆地淺部的煤礦區在侏羅系煤層中所產氣的δ13C為-66.10‰～-60.12‰，顯然屬於生物甲烷氣。
（2）與高煤階相比，低煤階一般埋藏較淺，孔隙空間較大，適合產甲烷菌的生存和繁殖，所以國內外的低煤階盆地多發現生物成因的煤層氣富集成藏。
（3）在我國西北地區，由於煤階普遍較低，熱成因甲烷生成量有限，次生物成因氣生成量巨大，特別是在焉耆和伊犁地區，煤層層數眾多，地下徑流活躍，煤層中有大量甲烷菌繁殖，有大量的二次生物成因氣生成、運移，如遇到斷層遮擋、煤層尖滅等圈閉條件，就有可能形成較高的飽和度，形成具有商業價值的煤層氣藏群。
參考文獻
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5. 哪位親有 武漢地質學院煤田教研室《煤田地質學（上、下冊）》，北京：地質出版社，1985 或 楊起、
是這吧
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6. 曹代勇的介紹
曹代勇，中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院院長，版教育部科技委資源權環境與地球科學部學部委員，北京地質學會理事，中國地質學會/中國煤炭學會煤田地質專業委員會委員，中國地質學會構造地質學與地球動力學專業委員會委員，中國煤炭學會礦井地質專業委員會委員，煤炭工業技術委員會煤田地質專家委員會委員，《煤炭學報》、《煤田地質與勘探》和《中國煤炭地質》編委，全國煤炭行業「653工程」煤田地質與測繪領域培訓方向首席專家，全國煤炭系統專業技術拔尖人才，「礦產普查與勘探」國家重點學科帶頭人
7. 波阻抗反演在樊庄鄭庄區塊煤孔滲特徵研究中的應用
何靈芳劉大錳姚艷斌李鵬張百忍
(中國地質大學北京能源學院北京100083)
摘要:從地質—地球物理角度看，煤層孔隙或裂縫發育帶的存在勢必引起地震波速度或(和)密度的變化，因此波阻抗數據體能很大程度上反映煤層氣儲層孔滲特徵。文章利用約束稀疏脈沖反演對樊庄－鄭庄區塊3#煤層進行了孔滲特徵的研究。研究區3#煤層孔隙度相對較小，分布范圍1%～7%，主要受煤變質程度控制;鄭庄區塊的滲透率均值為0.12mD，而樊庄區塊滲透率均值則為0.49mD，相對鄭庄區塊要高一些。研究區滲透率非均質性較強，受孔隙發育影響較大，同時也受埋深等其他因素的影響。
關鍵詞:樊庄鄭庄波阻抗反演煤儲層孔隙度滲透率
基金項目: 國家科技重大專項課題 ( 2010ZX05034 －001) ，國家重大基礎研究計劃課題 ( 2009CB219604) ，國家自然科學基金項目 ( 40972107) ，中石油創新基金資助 ( 2010D －5006 －0101) 。
第一作者: 何靈芳，碩士研究生，石油與天然氣工程專業，主要從事煤層氣勘探與開發研究。
Email: bqgcan@ 126. com; Tel: 010 － 82320892
Application of Wave Impedance Inversion on Porosity and Permeability Characteristics in Fanzhuang-Zhengzhuang Block
( HE Lingfang Liu Dameng YAO Yanbin LI Peng ZHANG Bairen)
( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，china)
Abstract: According to geological-geophysical theories，the existence of pore-fracture belt in coal seam can cause the changes in speed or ( and) density of seismic wave. Thus，the wave impedance data cube largely re- flects the characteristics of coal reservoir porosity and permeability. In the paper，the constrained sparse spike in- version ( CSSI) was used to study porosity and permeability characteristics of No. 3 coal seam in Fanzhuang- Zhengzhuang block. The No. 3 coal porosity in the study area is small ( ranging from 1% to 7% ) and mainly con- trolled by the coal metamorphism grade. The averaging permeability value of coals is 0. 12 mD in Zhengzhuang block and is relatively higher in Fanzhuang ( 0. 49 mD) . The coal permeability in the study area is intensely het- erogeneous，and is mainly influenced by the pore development and burial depth etc.
Keywords: Fanzhuang-Zhengzhaung; wave impedance inversion; coal reservoir; porosity; permeability
1 前言
煤儲層既是生氣層又是儲氣層，因而煤的儲氣性能在煤層氣評價中起著至關重要的作用(胡寶林等，2003)。孔隙、裂隙性質直接受控於自身的物質組成和結構特徵，是煤層氣的儲存和滲流空間，煤儲層孔滲發育好壞直接影響煤層氣開采效果，因此煤層氣儲層孔隙度、滲透率的研究有著重大意義。
沁水盆地是我國典型的高煤階含煤盆地，在沁水盆地南部發現了沁水高煤階煤層氣田，雖然煤層氣資源豐富，但儲層非均質性強，儲層物性差異大。趙賢正等(2011)研究發現沁水南部高煤級煤儲層含氣性、滲透率在水平空間展布及垂向尺度分布上均具有明顯的差異。Yao等(2008;2009)將煤基質孔隙可分為吸附孔和滲流孔，認為吸附孔的非均質性對煤吸附甲烷具有顯著影響，而滲流孔的非均質性能顯著影響煤的滲透性。前人都是通過壓汞實驗和低溫氮吸附等實驗對煤樣進行分析，從而研究煤儲層的孔滲特徵(唐書恆等，2008;趙興龍等，2010)，但是由於煤儲層的強非均質性，實驗的研究結果對於全區的孔滲特徵預測有一定的局限性。因此，筆者運用地震資料進行波阻抗反演對樊庄鄭庄區塊的孔滲性進行預測。
近年來，地震技術在儲層研究中應用較多，但是由於帶限地震子波的干涉效應以及地震剖面無法提供地層的岩性特徵和物性特徵，地震資料解釋面臨困難，為了克服上述困難，需要利用地震資料反演技術。崔若飛等(2008)指出波阻抗反演技術是岩性地震勘探的重要手段之一，它能把具有高縱向解析度的已知測井資料與連續觀測的地震資料聯系起來，實行優勢互補，大大提高地震資料的縱、橫向解析度和對地下地質情況的勘探研究程度。張永升(2000)認為以波阻抗為基礎進行的油藏參數估計(如孔隙度、滲透率等)比用地震振幅方法得到的更可靠、更准確。因此，基於波阻抗反演的煤儲層孔滲特徵研究是可行的。
2 波阻抗反演技術
2.1 波阻抗反演原理
裂隙的發育也會對煤層的體積密度和速度造成影響，含氣裂隙使得體積密度和層速度降低，而充填裂隙使得體積密度和層速度增加。煤層波阻抗的變化程度(即波阻抗梯度)可以反映煤儲層的裂隙發育程度，從而反映出煤儲層的滲透性。因此，沿煤層提取的煤層波阻抗梯度數據可以反映煤層含氣裂隙發育情況及滲透性。
稀疏脈沖反演建立在一個趨勢約束的脈沖反演演算法上，其基本出發點是地下的強反射系數界面不是連續分布的而是稀疏分布的。約束稀疏脈沖反演的主要目的是利用約束井資料及地震反射系數建立聲波阻抗數據體(王權鋒等，2008)。稀疏脈沖反演認為地震反射系數是由一系列大的反射系數疊加在高斯分布的小反射系數的背景上構成的，大的反射系數相當於不整合界面或主要的岩性界面。它的目的是尋找一個使目標函數最小的脈沖數目，然後得到波阻抗數據。
2.2 波阻抗反演步驟
2.2.1 初始波阻抗模型
初始波阻抗模型是測井約束反演的基礎，為了減少其最終結果的多解性，提高研究成果的可靠性，建立盡可能接近實際地質條件的波阻抗模型是關鍵。測井資料在縱向上詳細揭示了岩層的波阻抗細節，地震記錄則連續記錄了波阻抗的橫向變化，二者的結合，為精確地建立空間波阻抗模型提供了必要的條件。建立波阻抗模型的過程實際上是將橫向上連續變化的地震界面信息與高解析度測井信息相結合的過程。地震層位是建模的基礎，可以根據測井曲線標定的結果，在地震剖面上自動或手動拾取目的層位。首先通過井旁地震道與合成記錄的相關性對測井曲線進行縱向的拉伸和壓縮，當相關系數達到一定的標准時，就可以獲得井的初始波阻抗。然後在地震層位和地質模式的約束下，選取適當的插值方法，對井的初始波阻抗進行內插和外推，建立初始波阻抗模型。
2.2.2 絕對波阻抗反演
經過前期大量的准備工作，處理獲得合理的時深關系曲線，運用校正過的測井數據及精細的解釋層位，建立地質框架模型，通過調整模型與相對波阻抗高低頻分量，使模型數據體與相對波阻抗數據體進行疊加，得到最終的絕對阻抗體。
反演處理的過程是不斷修正完善的過程，當反演出一次結果後，處理、解釋人員就緊密結合在一起，根據掌握的地質、測井、生產等資料對反演效果進行仔細的對比分析，反復循環處理，直到獲得符合本區地質儲層變化規律的波阻抗剖面為止。
3 波阻抗反演技術應用實例
3.1 區域地質概況
本項目研究區域位於沁水盆地的南部(簡稱為沁南)，主要分布在屯留—安澤一線以南地區，西起寺頭斷層，東、南以煤層露頭為界，包括樊庄和鄭庄兩個區域。構造上，研究區位於沁水盆地復向斜南部的翹起端。區內主要斷裂為寺頭斷層，自南向北，走向由近NE向轉為近SN向，傾向NWNWW，傾角70°，斷距最大350m左右，性質為正斷層，受區域構造應力的作用，該斷層具有張扭性特徵，斷裂兩側伴有羽狀張性小斷裂。全區斷層數量較少，規模小。只有寺頭斷裂橫穿整個區域，其餘均為小型的正斷裂。與鄭庄相比，樊庄小斷層較發育(圖1)。研究區內沁水盆地沉積地層有長城系下部、寒武系、奧陶系中統、石炭系中上統、二疊系、三疊系和新近系地層，含煤層系主要位於上石炭統的太原組和下二疊統的山西組，共含煤6～11層，其中太原組主要發育8#、9#和15#煤層，山西組主要為2#和3#煤層，本次研究的目標層位為3#煤層。
3.2 波阻抗反演結果
3.2.1 孔隙度
孔隙度是煤儲層物性的重要參數，研究區探井顯示3#煤儲層孔隙度最低為3%，最高為6.49%，一般在5%以下。在波阻抗反演模型的基礎上，將反演波阻抗數據體與探井上的孔隙度數據做交匯圖進行相關性分析，可以得到波阻抗與孔隙度的對應關系(表1)。
通過以上方法得到的孔隙度與波阻抗的對應關系，結合其他沒有探井資料的測線上的波阻抗數據，可以得到每個測線的孔隙度，最後通過插值法得到整個區域的孔隙度的平面圖(圖2)。
3.2.2 滲透率
試井顯示沁南地區3#煤層的滲透率，大多分布在0.5～3.0mD之間，其次在0.1～0.5mD和3.0～10.0mD之間，表明沁水盆地南部煤層具有相對較好的滲透性。
圖1 樊庄鄭庄區域地質圖
表1 波阻抗和孔隙度轉換關系數據表
本次研究同樣根據波阻抗數據，製作交匯圖顯示其與滲透率的相互關系，並得到波阻抗與滲透率的轉換關系(表2)。最終通過插值法運用到全區，預測全區的滲透率分布情況。
表2 波阻抗和滲透率轉換關系數據表
圖2 3#煤層波阻抗預測孔隙度平面圖
4 孔滲發育主控因素分析
4.1 孔隙度
依據波阻抗反演預測結果與實測結果相結合，做出沁南鄭庄樊庄區塊煤層孔隙度圖(圖4)。圖中可以看出研究區沁南孔隙度相對較小，分布范圍1%～7%。劉大錳等(劉大錳等，2010)統計發現，華北晚古生代煤的孔隙發育主要與煤的變質程度有關。隨著煤的鏡質組平均隨機反射率(Ro，r)的增高，煤的氦測孔隙度呈高—低—高的變化規律。分析全區的預測結果發現，孔隙度大於3.75%的區域約佔全區面積的20%，孔隙度低於2.5%的區域約佔全區面積的35%。
4.2 滲透率
鄭庄3#煤層滲透率普遍較低(圖3)，煤層滲透率平均約為0.12mD，樊庄區塊的煤層滲透率稍高，平均為0.49mD，即使在同一地區，煤層滲透率差別也比較大，鄭庄區塊，最大滲透率為2.96mD，最小為0.01mD;樊庄區塊最大為2.00mD，最小為0.02mD。
裂隙是煤層氣運移的通道，是煤層滲透性的主要影響因素。據Palmer等(1998)的研究，煤儲層滲透率是孔隙度的三次冪的函數，孔隙度的大小對煤儲層的滲透性意義重大。對比圖2和圖3可以看出，孔隙度發育良好的區域對應的滲透率也比較大，因此，研究區滲透率受孔隙度影響很大。
煤體結構與煤層的滲透性密切相關，一般認為，原生結構煤和碎裂煤是煤層氣開發比較理想的煤體結構類型;而碎粒煤和糜棱煤由於煤體破碎，裂隙形態破壞，煤層滲透性差，而被視為非滲透性煤層。寺頭斷層周邊地區由於斷層使得煤層破裂，滲透率較其他地區更低(圖3)。
圖3 3#煤層波阻抗預測滲透率平面圖
圖4 鄭庄樊庄區塊煤層孔隙度
煤層埋藏深度對滲透率的制約機理是應力問題。隨著煤層埋藏深度的增大，煤層所承受的地應力增大，地應力增大會導致煤層裂隙閉合，使得煤層滲透率降低。因此煤層滲透率具有隨埋藏深度增大而逐漸減小的趨勢。鄭庄樊庄區塊煤層埋深由東向西逐漸增加，鄭庄區塊3#煤層可達1200m以上(圖5)。但從鄭庄樊庄區塊3#煤層的實際情況來看，鄭庄的滲透率要普遍好於樊庄，可能的原因是鄭庄區塊後期的斷裂活動。斷層等構造的發育使得煤層的物性發生了較大改變。
圖5 鄭庄樊庄區塊煤層埋深圖
煤儲層不僅受上覆岩層的壓力作用，而且還受水平地應力的作用。垂向地應力對儲層壓力的影響主要是由煤層上覆岩層厚度的增加引起的。而在水平方向上，煤儲層處在區域性的構造應力場中，受水平構造應力的作用，因此，水平主壓應力越大，儲層壓力也就越高。同時，煤層滲透率是一種應力敏感性儲層參數，注入/壓降試井測試以及研究表明，煤層滲透率與地應力呈負相關關系。由於煤層是一種典型的雙重介質、雙孔隙度的儲層，裂隙孔隙度是決定煤層滲透性的關鍵因素，地應力增大帶來的直接後果就是煤層裂隙寬度變小甚至閉合，從而降低煤層的滲透性;另一方面，煤層本身塑性較強，地應力增大使煤體被壓縮，導致基質壓縮，基質滲透率降低。煤層地應力自研究區四周向內部增大，其變化趨勢與煤層埋深等值線一致。在研究區東南部煤層埋藏較淺的地區，地應力也普遍較低，多在10MPa以下，在西部及北部，煤層埋藏深，地應力高，多超過10MPa。鄭庄區塊煤層地應力要大於樊庄區塊(圖6)，這也合理的解釋了鄭庄滲透率高於樊庄的原因。
5 結論
沁南鄭庄樊庄區塊3#煤層孔隙度相對較小，分布范圍1%～7%。煤的孔隙度發育主要與變質程度有關，一般肥煤和焦煤的孔隙度最低，瘦煤以上有所增高。構造發育會影響煤的孔隙度發育。
沁南鄭庄樊庄區塊3#煤層滲透率較低，並且受到多種因素的影響。鄭庄區塊滲透率平均值為0.12mD，而樊庄區塊滲透率均值則為0.49mD。滲透率具有較高非均質性，即使在同一地區，滲透率差異也很大。影響滲透率的主控因素以孔隙度發育程度最為顯著，其他因素如埋深，地應力以及媒體結構對滲透率也有一定的影響。
波阻抗反演在研究區內的應用取得的較好的成果，說明在勘探程度比較低的地區，約束稀疏脈沖反演技術能較好的將測井、地震資料相結合，較准確的預測煤儲層的孔滲特徵。
圖6 3#煤層地應力等值線圖
參 考 文 獻
崔若飛，孫學凱，崔大尉 . 2008. 地震反演—煤田地震勘探的新進展 . 中國煤炭地質，20 ( 6) ，49 ～52
胡寶林，車遙，楊起等 . 2003. 吐哈盆地煤儲層物性特徵研究及煤層氣資源前景 . 煤炭科學技術，31 ( 4) ，50 ～ 53
劉大錳，姚艷斌，蔡益棟等. 2010. 華北石炭—二疊系煤的孔滲特徵及主控因素. 現代地質，24 ( 6) ，1198 ～1203
唐書恆，蔡超，朱寶存等 . 2008. 煤變質程度對煤儲層物性的控製作用 . 天然氣工業，28 ( 12) ，30 ～33
王權鋒，郭科 . 2008. 約束稀疏脈沖反演在儲層預測中的應用 . 測井技術，32 ( 1) ，33 ～37
張永升 . 2000. 新疆塔里木盆地沙雅隆起蘭尕地區三維地震 . 勘探成果報告
趙賢正，桑樹勛，張建國等 . 2011. 沁南煤層氣開發區塊煤儲層特徵分析及意義 . 中國煤層氣，8 ( 2) ，3 ～7
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Palmer I. ，Mansoori J. 1998. How permeability depends on stress and pore pressure in coalbeds: a new model. SPE Reser- voir Evaluation ＆ Engineering，539 ～ 544
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8. 區域熱變質煤的顯微煤岩特徵及其地質意義
摘 要 我國許多晚古生代和中生代煤受中生代以來構造岩漿活動的影響，在深成變質基礎上，發生了廣泛的區域熱變質作用，在相當程度上決定了煤種的分布。區域熱變質煤的顯微煤岩特徵有:高反射率和強各向異性，發育熱變氣孔和各向異性體，煤中有熱液礦物、富集某些微量元素、同生礦物受到熱液改造。一些低煤化煤中瀝青質體等組分受熱液影響形成變滲出瀝青體。
煤變質作用類型是影響煤性質和結構的成因因素之一。研究區域熱變質煤的特徵有助於確定煤變質分帶原因，恢復地熱演化史及分析煤成油、煤成氣等問題。
近年來，聯邦德國、英、蘇、美、澳、波等許多國家，都發現一些煤田的煤受疊加熱場的影響，發生了區域熱變質作用(Stach et al.，1982;Teichmüller et al.，1979;Богданова，1985)。我國不少晚古生代煤，東部地區的中生代煤受中生代以來的構造岩漿活動的影響，在原有深成變質的基礎上，發生了廣泛的區域熱變質，在相當程度上決定了我國煤種的分布1)(韓德馨等，1980)。
一、區域熱變質煤的特點
區域熱變質煤與相同煤級的深成變質煤相比，具有Vr低、H/C低、芳香度較大，自由基濃度大，熱解色譜最高裂解溫度Tmax較高和S2較少的特點;在煤晶結構上具有芳香層La較大的特徵。可見，變質作用類型是影響煤組成和性質的又一個重要的成因因素。
區域熱變質煤的顯微煤岩特徵有:反射率和雙反射高，出現熱變氣孔、各向異性體和熱液礦物等。
1.反射率高、雙反射高
反射率是表徵煤化程度最常用的標志。豫西石炭二疊紀煤田的煤受燕山期疊加熱場的影響，形成了煤級的環帶狀分布，出現了大面積高變質無煙煤帶。濟源克井礦區煤中無結構鏡質體的最大反射率R°max高達6.6%。福建建甌晚三疊世煤受燕山期花崗岩岩漿熱液活動的影響，無結構鏡質體的R°max普遍在5.0%以上，最高可達9.3%。
雙反射是在煤化過程中發育形成的與鏡質組芳香層有序性相關的光學性質。區域熱變質無煙煤的鏡質組具強烈的各向異性。如豫西無煙煤的雙反射ΔR大多在2.0%以上，可達4.34%，相對各向異性 大多在45%～50%以上，可達68%。建甌無煙煤的ΔR也多在2.0%以上，個別高達8.48%，相對各向異性大多在50%以上，最高可達91.3%。
1)楊起等，1981，中國煤變質問題的探討。
高反射率和強烈的各向異性是世界上典型區域熱變質煤，如聯邦德國布臘姆舍岩體上的石炭紀煤( Teichmüller et al. ，1979) 、蘇聯通古斯煤田二疊紀煤( Богданова，1985) 的共同特點，我國煤不僅有此特色，而且表現更為強烈( 表 1) 。
表 1 區域熱變質煤的反射率和相對各向異性 單位: %
引人注目的是，在一些淺成區域岩漿熱變質的地區，構造岩漿活動強烈，煤強烈破碎，眾多裂隙成為熱液活動的通道，同一煤層不同部位的鏡質組受熱液的影響不同，反射率和雙反射有相當大的變化，分布很不均勻，反射率面譜呈多峰狀。
2. 熱變氣孔
這種氣孔形態多樣，常見圓形、橢圓形，受熱液溶蝕而形成的往往帶有毛邊，呈港灣狀。熱變氣孔孔徑從 <0. 1μm 到大於 10μm。一般認為熱變氣孔的形成與煤受熱軟化時揮發物產生和逸出有關。一些熱變氣孔孔壁及周緣常見放射狀裂紋，有時也有環狀裂紋，其成因與熱塑狀態下揮發物的逸出產生收縮作用有關。熱變氣孔周圍及孔底時有小球體萌生，有時孔緣小球體的粒度及各向異性程度均向氣孔中心方向增大，部分氣孔充填有石英、方解石等熱液礦物，表明這些氣孔內壁曾與載熱流體接觸，載熱流體帶來的熱能導致中間相小球體從鏡質組中萌生。
3. 各向異性體
各向異性體是煤中各向異性相對明顯的新生組分。由於均質鏡質體反射率達 1. 0% 以後，各向異性漸增，因此各向異性體較強的各向異性是相對均質鏡質體而言的( 表 2) 。各向異性體的形態各異，其命名可暫借用焦炭岩石學中的術語，如各向異性孢子體、各向異性角質體、各向異性樹脂體、鑲嵌結構體、葉狀體、中間相小球體等。值得注意的是，相當一部分微粒體具各向異性，可稱之為各向異性微粒體。此外，部分富氫鏡質組、孢子體所形成的各向異性體，在透射光下透明，正交偏光下各向異性強。
表 2
各向異性體的類型和豐度既取決於成煤原始物質和聚煤環境，又取決於原始煤級和熱演化史。一般，在近海還原環境下形成的富氫鏡質組、瀝青質體以及樹脂體、孢子體、角質體等富含類脂物質的組分較易形成各向異性體。從煤岩成分來看，富殼質組組分的暗煤中各向異性體較亮煤、鏡煤中多，含量可達 10% 以上。原始煤級及熱演化史對於各向異性體的發育有相當影響。豫西煤田朝川礦區早二疊世二1煤受深成變質所形成的原始煤級約為肥煤階段，正處於「生油期」，受區域熱變質作用影響明顯，較快的升溫速度和較高的古地溫，促進了顯微組分的差異煤化作用，加強了富類脂組分的熱分解，促使液態烴大量排出，從而大大增加了各向異性體的豐度和類型。豫西濟源等地的二1煤，由於有巨厚的中生代覆蓋層，蓋層總厚達 4500m 以上，持續沉降時間長，原始煤級為焦煤階段，經受區域熱變質作用後雖已達高變質無煙煤，煤中仍有 3. 5% ～5. 7% 的各向異性體。而建甌晚三疊世煤的煤級與濟源相似，鏡質組反射率和雙反射也很高，但各向異性體罕見，看來可能與蓋層較薄，原始煤級較低有關。
微區分析表明，各向異性體的碳含量高於鏡質組，所富集的元素受熱源、載熱流體組成的影響。例如，豫西無煙煤中各向異性體普遍富含 C1，不少 K、Na 含量較高，這是熱液作用的結果; 而豫西煤田朝川、韓梁等地受基性岩漿接觸變質形成的天然焦中鑲嵌結構體則富含Ca、Mg、Fe 等元素。
各向異性體的成因復雜，大多是原地萌生的，其中有固相轉變的，也有經歷中間相的; 此外，也有氣相沉澱的。煤化過程中從富氫鏡質組和殼質組中形成的「煤成油」及其他裂解產物，在進一步煤化中，可經過類似碳化時的共碳化作用等方式轉變成各向異性體。
發育有各向異性體是區域熱變質煤的重要特徵。與此同時，在國內外一些低煤化程度煤中也有各向異性體存在，如加拿大的亞煙煤( Goodarzi，1985) 、我國平朔、大同等煤田的長煙煤、氣煤，不過各向異性體的數量較少，缺少氣相沉澱等類型。而這些煤田的煤通常被認為是深成變質所形成的，對其成因眾說紛紜，是有待於進一步深入研究的。
4. 煤中熱液礦物、微量元素及同生礦物的熱液改造
區域熱變質作用發育的地區，除圍岩發生不同程度的交代蝕變外，煤中也出現了多種熱液礦物。如豫西、建甌的高變質無煙煤中有黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦以及磷灰石等典型低中溫熱液礦物組合，脈石礦物有石英、方解石( 多為雙晶) 、菱鐵礦等，其產狀以脈狀為主，也有充填顯微組分的胞腔和熱變氣孔的。
在異常的古熱流影響下，煤中同生礦物發生了明顯的熱液改造。同生的黃鐵礦微晶和莓粒溶解、活化遷移，重結晶成粗大的自形晶，或連成片狀，或充填於裂隙中( 豫西、建甌) 。陸源石英碎屑溶解，形成自形晶、半自形晶，充填在溶蝕孔、半絲質體胞腔和無結構鏡質體的內生裂隙中( 貴州水城) 。
中子活化法微量元素分析表明，區域熱變質煤中富集的微量元素，有時反映了由於岩漿熱液活動所造成的區域地球化學異常。例如，建甌煤中鎢含量可達 57. 6ppm，超過克拉克值幾十倍，極為富集。微區分析證實，鎢主要分布於熱液礦脈中。以鈰族輕稀土為主的稀土元素總量可達 196. 5ppm，也比沉積岩中常見值高。我國東南沿海燕山期岩漿活動頻繁，建甌煤田四周幾公里范圍內都有燕山期花崗岩的分布。建甌煤中微量元素的富集與該區由燕山期花崗岩岩漿熱液活動所造成的區域性鎢、稀土元素異常是一致的。
除上述主要特徵外，在一些煤化程度較低、但受過某種程度疊加熱場或熱液活動影響的煤田煤中，有些顯微煤岩特徵是值得注意的。如貴州水城的燭藻煤中( 處於氣煤階段) ，瀝青質體受熱液的影響，熱解並微區運移到相鄰的均質鏡質體的內生裂隙和孔隙以及半絲質體的胞腔中，形成「變滲出瀝青體」，其透光色為深棕色，但反射率低於均質鏡質體，R0r為0. 265% ，無熒光。浙江長廣樹皮殘植煤中的木栓質體受疊加熱場的影響，也形成了充填於無結構鏡質體內生裂隙中的「變滲出瀝青體」。
二、結語
( 1) 煤變質作用類型是影響煤性質和結構的重要成因因素之一。對區域熱變質煤的組成和性質的深入研究，包括對其中各向異性體的組成和性質的研究，將有利於煤炭資源的合理利用和深度加工利用。
( 2) 區域熱變質煤具有一系列明顯的顯微煤岩特徵。這是煤中有機質和無機質在特定的地質條件下，受溫度、壓力、時間及地球化學條件等變質因素影響而形成的。根據對這些特徵的定性定量分析，結合地質條件的綜合研究，可較為確切地探討煤變質帶分布的原因，預測深部煤質，有助於恢復地區的地熱演化史，也有利於研究大地構造發展史。深入研究區域各地質時期變質作用及其類型，對於分析煤成氣的形成和賦存，礦井瓦斯的成因亦是有益的。根據有機顯微組分熱敏性不同，發育各向異性的程度不同，在高變質煤中可藉以判斷原有的煤岩顯微組成。
本課題得到韓德馨教授的熱情指導; 毛鶴齡、陳中凱、戴紀民、李敏銳同志參加了部分樣品的測試、采樣、製片工作; 得到了河南省有關礦務局及煤田地質勘探公司，煤炭第一勘探公司、建甌煤礦、水城礦務局的大力協助; 承蒙中國科學院高能所楊紹晉等同志完成了微量元素分析，北京鋼鐵學院宋海濤等同志完成了掃描電鏡觀察及微區分析，在此一並致謝!
參 考 文 獻
韓德馨、楊起主編，1980，中國煤田地質學( 下冊) ，煤炭工業出版社。
Goodarzi，F. ，1985，Optical anisotropic fragments in a Western Canadian subbituminous coal，Fuel，No. 5.
Stach，E. et. al，1982，Stach』s textbook of coal petrology，Gebrüder Borntraeger，Berlin，Stuttgart.
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( 本文由任德貽、鍾寧寧、肖賢明合著，原載《中國石炭二疊紀含煤地層及地質學術討論會》論文集，科學出版社，1987)
9. 煤地質學的著名煤地質學家
楊起復（1919-2010），1943年畢業於西南聯制合大學。1946年北京大學研究生畢業。中國科學院院士，中國地質大學教授，主編《中國煤田地質學》、《煤田地質學》等教材，創辦我國第一個煤田地質學專業 。
韓德馨（1918-2009），1942年畢業於西南聯合大學，1943－1945年北京大學研究所進行研究工作。1950年畢業於美國密歇根大學研究院。中國礦業大學教授，中國工程院院士，主編的《中國煤田地質學》、《中國煤岩學》等專著和教材
10. 豫西晚古生代熱變煤的性質及結構研究
煤化作用歷程是影響煤性質及結構的重要因素之一。蘇聯學者波格丹諾娃［1］對典型熱變煤( 通古斯煤田煤) 與深成變質煤( 頓巴斯煤田煤) 所作對比研究表明: 熱變煤具有 H/C低、碳含量低、發熱量低、粘結性較差等特點。我國晚古生代煤田區域熱變質作用廣泛發育，豫西煤田可作為典型代表。筆者選取煤田中部濟源、焦作、新密、臨汝及平頂山五個礦區不同變質程度的熱變煤作了工業分析與元素分析，傅立葉變換紅外光譜、順磁共振、熱解色譜、有機差熱及 X-衍射分析，經與四川中梁山的典型深成變質煤對比研究，探討了區域熱變質作用對煤性質及結構的影響特徵。
一、煤變質作用背景
豫西煤田石炭二疊紀含煤地層為一套海陸交替相含煤建造，其煤變質分帶是以圍繞濟源、焦作及永城無煙煤為中心，呈北西西向橢圓形環帶狀分布( 圖 1) ，其形成是在深成變質的基礎上迭加了區域熱變質作用的結果。根據區域地質特徵，煤變質史可明顯分為兩個階段: 深成變質作用階段與熱變質作用階段。前者從煤層形成始，延續到侏羅紀早期，盆地沉積中心在焦作濟源一帶，山西組二1煤達瘦煤階段，新密達焦煤階段，朝川達氣煤階段( 表1) 。整個燕山期屬熱變期，據煤 系地層中熱液石英脈均一法包體測溫，在異常古地熱流影響下，濟源礦區古地溫曾高達 350℃，新密 260℃，朝川 190℃，平頂山十二礦 160℃，這種古地溫場是造成目前煤變質分布的原因。
四川中梁山龍潭組K1煤層屬典型深成變質煤，所受最高古地溫從未超過140℃［2］，根據卡委爾圖解推算(現在地溫梯度2.5℃/100m，年平均氣溫20℃)，R°max為1.58%，與實測鏡質組反射率(R°max為1.64%)相近。聚煤環境為潟湖-海灣［3］，與豫西煤田山西組二1煤相同。
圖1 豫西地區山西組二1煤煤變質分帶
表1 豫西煤田煤變質特徵(二1煤為例)
二、實驗樣品
區內研究樣品取自煤田中部的濟源、焦作、新密、臨汝及平頂山五個礦區，包括山西組二1煤，太原組一1煤及下石盒子組五3煤。鏡質組最大反射率R°max從0.89%到6.80%。為排除煤岩成分及無機礦物對分析結果的影響，樣品均為手選鏡煤，除工業分析、元素分析樣品外，其他分析樣品破碎到0.50mm。用濃度為10%的鹽酸處理6小時。經鏡檢，均質鏡質體含量均超過93%，礦物含量不到2.0%。樣品特徵詳見表2。
表2 樣品特徵
三、實驗結果與討論
從煤的元素分析與工業分析結果(表3)來看，等變質程度(以R°max%為准)的熱變煤與深成變質煤相比(5#、6#)，Vr低，Ht低，H/C低;而元素組成相近的熱變煤與深成變質煤相比(3#、5#)，具有Vr高，R°max%低的特徵。
表3 鏡煤的工業分析與元素分析
(一)熱變煤的FTIR光譜特徵
隨煤化程度的增高，區內熱變煤FTIR光譜體現了有規律的變化(圖2，圖3)。
圖2 熱變煤的FTIR光譜圖
圖3 熱變煤的P1、P2與R°max關系圖
第一，反映芳香烴結構的3020cm－1與890～700cm－1吸收峰，呈有規律的增強，到中變質無煙煤階段(11#)除870cm－1峰有微弱顯示外，其他均消失。
第二，代表脂肪烴的吸收峰2920、1460、1375cm－1隨煤級的變化是復雜的:2920cm－1逐漸減弱，而1460、1375cm－1在焦煤(3#)中最強，到無煙煤階段(11#)消失。一般認為，P1代表芳香烴與脂肪烴的相對比例［5］、［6］，P2是芳香縮合程度的指標［4］。這兩個參數隨煤級的增高而增加。
第三，出現在1100～1330cm－1寬頻帶區域的含氧基團振動峰在肥煤階段還相當明顯，到焦煤中已很弱，與煤中芳香烴含量的變化正好相反。有人認為，煤的熱變質作用最初化學反應是芳烴取代苯環上的含氧基團。
第四，在1710cm－1附近的頻帶，代表煤中C==O伸縮振動，在貧煤中還存在，可能是煤中殘存的醛酮結構，在1650cm－1處有一個不斷增加的疊加峰，可能是螯形結構的醌基［7］。
高變質無煙煤的紅外光譜是一條平滑傾斜的曲線，這並不代表煤中不再存在芳香烴結構，而是由於煤分子結構高度芳香化，烴類結構不能顯示原有性質所致。
表4的結果表明，即使朝川煤的煤級明顯比中梁山煤低，但其P1，P2值均大得多，這說明在熱變煤分子結構單元中，氫原子多集中在芳環上，且具較大芳香度。在900～650cm－1代表芳香烴面外彎曲振動的吸收峰，朝川煤也強得多，但出現在1100～1350cm－1范圍內含氧基團的吸收峰則剛好相反(圖4)，中梁山煤出現了1335、1264、1164、1087cm－1幾個明顯峰，而朝川煤僅有1327、1204、1115cm－1三個弱峰，這與其元素分析中含氧量低相吻合。一般醇C==O伸縮振動吸收峰出現在1200～1000cm－1之間，而酚出現在1300～1200cm－1范圍內［8］;在焦煤階段，含氧官能團主要以OH形式存在［9］。結合這兩方面理解，可以認為中梁山煤以醇形式存在的OH基佔有一定比例，而朝川煤主要以酚的形式存在。
由於FTIR光譜的高度精確性，據Peter［10］的研究，在2917與1600cm－1附近兩峰的位置與溫度作用有關，隨煤受溫的增加，均向低波數移動。區內熱變煤受溫較高，這二峰均處於較低波數(表4)。
綜上所述，可得出初步結論:熱變質煤與深成變質煤在結構上具有明顯的區別。在熱變煤中，碳以較大比例存在於芳環中，氫多集中在芳環上，含氧官能團少，主要以穩定的OH(酚)形式存在;在深成變質煤中，還有COOH、CHO基團。區域熱變質作用促使C、H向芳香稠環移動，並逐步取代芳香環上的含氧基團。
表4 朝川煤與中梁山煤FTIR光譜定量解釋結果
註：3號樣品：P1=I3054/I2917=0.28，P2=I1604/I1439=1.50,
5號樣品：P1=I3054/I2923=0.16，P2=I1605/I1442=1.13。
圖4 朝川煤與中梁山煤FTIR光譜圖
(二)熱變煤的ESR特徵
應用ESR研究煤可取得三個有益的參數:自由基度濃度(Ng)、共振峰寬(ω)及自由基信號的位置(g因子)。前者反映煤中自由基的絕對數量，後兩者反映自由基所處的化學環境。將本區熱變煤ESR結果與美國煤田煤［11］對比，發現兩點有趣的的規律(圖5，表5):
圖5 熱變煤與美國煤Cr－Ng對比圖
表5 ESR分析結果
第一，本區煤的自由基濃度比美國煤高0.5～1.0個數量級，最大值出現在Cr92.0%左右，體現了明顯超前(美國煤在Cr94%左右)。
第二，美國煤的g值在2.0027以上，而本區煤多在2.0027以下，明顯偏小，且共振峰線寬度也明顯的窄。
煤變質程度相近的本區煤與中梁山煤相比，亦體現自由基濃度大，g因子與線寬小的特徵(表5)。
上述現象的出現與本區煤的熱變質作用是分不開的。對煤中自由基的來源，A.馬爾香［12］作過精闢的論述，他認為是煤分子在熱解過程中，小分子脫落而在母體上留下的「疤痕」。中梁山K1煤所受古地溫從未超過140℃，而區內與其變質程度相近的熱變煤受溫在190℃以上。在較高溫下的熱變質作用增強了分子縮聚反應，促使小分子脫落成自由基，它們以更大程度集中在芳香環上，穩定性大，這必將導致煤中自由基濃度大。同樣，熱變煤中雜原子少，自由基與H、O關系小，而多集中在芳香環上，因而線寬、g值低。
隨煤級增進，煤中穩定自由基迅速增加，當達到一定數量級時(1020個/克)，其間距太小，則導致熱變煤中上述「超前」衰減現象［12］。也有人認為，自由基濃度降低是在變無煙煤中形成自由電子的緣故［12］。
(三)熱變煤的熱解色譜特徵
熱解色譜是評價油源岩的簡單可靠而有效的方法，最近用來研究煤的結構與性質也很有成效。熱解色譜可獲得四個參數［13］:
S1:代表煤中300℃前低溫解析烴的含量，受外因條件影響大，意義有限。
S2:主要是450℃前煤受熱解的析烴含量，也包括少量瀝青質裂解產物。
S3:代表煤中含氧基團熱解成CO2的含量。
Tmax:是S2對應的最高裂解溫度。
表6是實驗結果。本區熱變煤與中梁山煤相比，Tmax大，S1、S2、S3均低。這與FTIR、ESR結果相一致。Tmax是煤級與有機質類型的綜合反應，對於同類型有機質，它與溫度呈正相關。因此，熱變煤的Tmax較大。
表6 鏡煤的熱解色譜特徵
S2受煤級、煤岩成分及還原程度的影響。據M.Teichmüller(1983)［13］的研究，S2在R°max0.80%左右達最大值，隨煤級進一步增加而明顯減小。中梁山煤S2明顯偏大的反常現象只能用變質條件不同解釋。由於熱變質作用，鏡質組過早失去脂肪結構，而穩定性大的芳烴多，使煤象受過一次低溫「熱處理」，必然導致S2減少。
S3與煤中含氧量及存在形式有關，因在深成變質煤中，含氧量多，存在形式多樣，故其S3明顯偏大。
圖6 朝川煤與中梁山煤有機差熱分析圖
(四)有機差熱分析
中梁山煤與朝川煤有機差熱曲線極為相似(圖
6)，選取三個參數作定量討論:(1)兩放熱峰T1、T2的溫度;
(2)第一峰高比第二峰高B1/B2;
(3)兩放熱峰對應的熱失重比Q1/Q2。
從失重率與放熱峰所對應溫度來著，兩者基本相同，但朝川煤B1/B2、Q1/Q2值比中梁山煤低得多(表7)。根據羅伯特等人實驗結果［12］，煤或乾酪根在熱解過程中，400℃前主要生成CO2、CH4、H2、N2等氣體，有些則聚合成穩定性較大的芳烴，因此其第一峰較深成變質煤弱得多。
表7 有機差熱分析結果
從圖7中可見，朝川煤在400℃才開始失重，比中梁山煤高30℃，其在540℃前失重率比中梁山煤小。這表明，雖朝川煤Vr高，但其中有相當一部分在較高溫下才能逸出，這與熱變煤上述一系列特徵是分不開的。
圖7 朝川煤(3#)與中梁山煤
(五)熱變煤的X-衍射特徵
區內熱變煤的X-衍射特徵隨煤級增高作有規律的變化(圖8，表8)。
圖8 鏡煤的X-衍射圖
表8 鏡煤的X-衍射分析結果
注:La—層片直徑;Lc—層片堆積高度;d1—面網間距(002);d2—面網間距(001)。
(1)(002)衍射峰不斷變尖變窄，峰的位置向大衍射角方向移動，(001)衍射峰雖不強，但有明顯顯示，並向小衍射角方向移動。
(2)La迅速增大，Lc在中變質無煙煤階段出現波狀轉折，d1值不斷減小，d2值不斷增大。
這些規律早在20世紀50年代Hirsh、Brown［9］就作過詳細描述。值得注意的是等變質程度的熱變煤與深成變質煤相比(表8)，具有La大，d2大，Lc小，d1大的特徵，特別明顯的是La/Lc偏大。根據人工碳化實驗［14］與室內模擬實驗研究［15］，溫度的作用有利於La的增長，而Lc、d1則與壓力關系密切，強大壓力作用有利於煤晶核堆砌高度的增加，而減小芳香層片間的間距。中梁山煤的Lc、d1值相當於新登礦煤(9#)，而d2、La值比朝川煤還小得多。這表明煤結構指標間的不協調性受煤變質因素的控制、熱變煤與深成變質煤相比，其煤晶核呈較薄的方形。
四、結語
煤變質地質條件的可變性是導致煤光學性質、化學工藝性質及結構指標之間不協調發展的主要原因。在深成變質條件下形成的煤，那些與靜壓力密切相關的性質得到充分發展;而熱變煤中，那些與溫度相關密切的指標得到「優先」演化。與等變質程度的深成變質煤相比，熱變煤所受古地溫較高，加快了煤分子縮聚反應，致使其H/C低，Vr小，自由基濃度大;熱解Tmax大，S2較小;差熱失重溫度較高;在煤晶核結構上，具有La大、d1大的特徵。
煤的變質作用類型是影響煤性質及結構的重要因素之一。以往的工作對成煤植物、成煤環境及其他地質條件對煤質及其結構的影響研究得比較深入，而忽視了泥炭在轉變成煤的漫長地質歷史中煤化作用的條件對煤質的制約。我國晚古生代煤田煤變質類型多種多樣，大多數在燕山期受到異常古地熱流的影響，在深成變質的基礎上疊加了第二次區域熱變質作用，對中、高變質程度煤的形成起了主要作用。因此，加強這方面的研究，具有深遠的理論意義與現實意義。
本課題得到我室實驗室主任毛鶴齡工程師的大力支持;在采樣工作中，得到河南省有關礦務局的大力協助;承蒙北京煤化所煤質室完成煤的工業分析與元素分析，北京石油規劃院實驗中心完成FTIR、熱解色譜及有機差熱分析，中國科學院生物物理所完成ESR分析，河南省地礦局物測中心完成X－衍射分析，核工業部第三研究所完成包體測溫，在此一並致謝。
參 考 文 獻
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(本文由肖賢明、任德貽合著，原載《煤田地質與勘探》，1988年第3期)