中国煤田地质学杨起

1. 跪求好心人赐煤田地质学（下册），武汉地质学院煤田教研室编著，地质出版社，大概是1981年的。

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2. 煤的工艺性质

煤不仅是重要的燃料，更是冶金、化学工业的重要原料。随着国民经济的发展，煤炭综合利用的大力开展，就更需要研究煤的工艺性质，判断它是否符合各种加工工业的要求，选择最合理的利用途径，正确地作出工业评价。煤的工艺性质主要包括粘结性、发热量、化学反应性、热稳定性、焦油产率和可选性等。

一、煤的粘结性和结焦性

煤的粘结性是指煤粒(直径小于0.2mm)在隔绝空气受热后能否粘结其本身或惰性物质形成焦块的能力;煤的结焦性是指煤粒隔绝空气受热后能否生成优质焦炭(焦炭强度和块度符合冶金焦的要求)的性质。煤的粘结性是结焦的必要条件，结焦性好的煤，粘结性也好;粘结性差的煤，其结焦性一定很差。但粘结性好的煤，其结焦性不一定好，例如气肥煤，其粘结性很强，但生成的焦炭裂纹多、强度低，故结焦性不好。煤的粘结性和结焦性是炼焦用煤的重要质量指标，也是评价低温干馏、气化或动力用煤的重要依据之一。

冶金工业需要大量优质焦炭作为燃料和还原剂。焦炭作为高炉燃料必须有一定的块度和机械强度。炼焦就是把粉碎的炼焦用煤放在密闭的炼焦炉中加热、干馏，使其形成焦炭的热加工过程。炼焦用煤必须具有粘结性，即在干馏热分解过程中能产生一定量的胶质体，使煤粒相互粘结融合而成整块焦炭。炼焦用煤也必须具备结焦性，即在煤干馏时，能产生一定块度和足够强度的焦炭。可见煤的粘结性是煤结焦所必须具备的性质，它和塑性、流动性、膨胀性等性质一样，仅是煤结焦性的一个方面。

实验室测定煤结焦性和粘结性的方法很多。在我国，煤田地质勘探中目前常用的是胶质层指数测定法，此外还有罗加指数法、粘结指数法(G)、奥亚膨胀法、葛金干馏试验、自由膨胀序数测定法、基氏塑性计法等方法。

(一)胶质层指数测定法

这种方法模拟炼焦的工业条件，测定时，把粒度小于1.5mm的精煤样100g放在钢杯中，然后从下部对煤样进行单侧加热。到一定温度后，钢杯内形成一系列的等温层面，温度由上向下递增。温度到达软化点的层面，煤软化形成胶质体层，胶质层之下温度达到胶质体固化点的层面，煤固化为半焦，胶质层之上的煤仍保持未软化状态(图6-12，图6-13)。从250℃以后，每分钟升温3℃，每隔10min测一次胶质层的上、下层面的高度，直至650℃时为止。测定过程中，起初的胶质层比较薄，以后逐渐变厚，后期又逐渐变薄，所以胶质层会出现最大厚度值。用探针定期测量煤杯中胶质层上部和下部水平面的位置，用所测数据作图，以确定胶质层最大厚度Y值(mm)、最终收缩率X值(mm)和体积变化曲线(图6-14)。其中胶质层最大厚度Y值是我国现行的煤的工业分类两项指标之一。

图6-12 胶质层煤杯中的结焦过程示意图(据杨起等，1979)

图6-13 带平衡的砣的胶质层测定仪示意图(据能源地质学，2004)

图6-14 胶质层测定曲线示意图(据杨起等，1979)

Y值随煤化程度加深做有规律的变化。图615中以镜质组的最大反射率(R^o_max)煤化程度，可见Y值在R^o_max=0.8%～1.2%范围内最大，随着煤化程度增高或降低，Y值降低。

测定胶质层的煤样应在1.4的比重液中精选，每次要作双样，该法测试的时间长，所需原煤煤样甚多(一次需200g精煤样)，一些薄煤层或小口径钻进所取得的煤心煤样往往难以满足测定需要的量。胶质层指数法对中等粘结性煤的区分能力强，多数煤的Y值具可加性，利于炼焦配煤的计算。这种方法对Y值＞25mm，或Y值＜10mm的煤不易测准，对弱粘结性煤分辨能力差。

(二)罗加指数法

将粒度小于0.2mm的空气干燥烟煤样1g与5g标准的无烟煤样(宁夏汝箕沟无烟煤，A_d＜4%，V_daf＞7%，粒度为0.3～0.4mm)均匀混合，放入坩埚内，煤样上加上压块，然后加上坩埚盖，放入(850±10)℃的马弗炉内，焦化15min后取出坩埚，冷却，称取焦渣总质量。把焦渣放在1mm圆孔筛上筛分，筛上部分称重后，放入转鼓内，进行第一次转鼓试验，以转速50转/分钟，转5min后，用1mm圆孔筛进行筛分，再称筛上部分的质量后，放入转鼓进行第二次转鼓试验，重复筛分，称重操作，共进行3次转鼓试验。按下式计算罗加指数:

煤地质学

式中:Q为焦渣总质量，g;a为第一次转鼓前大于1mm的焦渣重，g;b为第一次转鼓后大于1mm的焦渣重，g;c为第二次转鼓后大于1mm的焦渣重，g;d为第三次转鼓后大于1mm的焦渣重，g。

罗加指数表示粒度大于1mm的焦块占总质量的百分比，罗加指数越大，表示粒度大于1mm的焦块越多，煤的粘结性越好。R.I.(或以LR表示)值＞45为中等至强粘结煤，R.I.=20～45为中等粘结煤;R.I.=5～20为弱粘结煤;R.I.=0～5属不粘结至微粘结煤。R.I.值与Y值的关系见图6-16。从图6-16可以看出，当y=10～15毫米时，R.I.值的变动范围相当大，在20～70之间，表明罗加指数法对中等粘结煤的鉴别能力比y值好。甚至当Y值接近于0时，R.I.也能分辨。如陕西蒲白矿区某煤层一些煤样Y为15%～18%，Y均为0，但根据R.I.值的不同可加以区分，R.I.=0，为贫煤;R.I.=15，定为瘦煤。

图6-15 Y值与煤化程度(R^o_max)的关系(据杨起等，1979)

图6-16 罗加指数与Y值的关系(据杨起等，1979)

罗加指数法实验用煤样很少，测定方法简便，快速，易于推广，不足之处是对粘结性强的煤区分能力不好，如Y值＞25mm时，R.I.值都在80～92之间，对粘结性很弱的煤测定的重现性较差。

(三)粘结指数法

测定原理与罗加指数相同，所不同的是无烟煤的粒度改为0.1～0.2mm，分析煤样与无烟煤的配比可以改变，转鼓试验由3次改为两次。粘结指数G按下式计算:

煤地质学

式中:m为焦渣总重，g;m₁为第一次转磨后＞1mm的焦渣重，g;m₂为第二次转磨后＞1mm的焦渣重，g。

如果计算结果G＜18，则将分析煤样和标准无烟煤的配比改为3∶3，再重复上述实验。G值按下式计算:

煤地质学

粘结指数适合区分弱和中粘结性煤，测试也比较简便。但对于强粘结煤区分能力欠佳，对弱粘结性煤测定时需要改变配比，比较麻烦。

(四)奥亚膨胀度试验

奥亚膨胀度试验也是国际煤分类指标之一。奥亚膨胀度b表示煤加热软化成胶质体状态时的最大膨胀率(图6-17)。b值的大小，主要和胶质体的数量、粘结度及挥发分析出速度有关。Y值与b值的关系见图6-18。从图6-18来看，当Y值＞25mm时，b值的变化规律还是很明显的，如我国一些地区的一号肥煤，Y值为28mm，但所测得的b值分别在160～270之间，可见奥亚膨胀度对强粘结煤具有较好的鉴别能力。

图6-17 几种煤的奥亚膨胀度曲线(据杨起等，1979)

这几项指标各有其特点，但都存在着对某一粘结性范围的煤区分不清的缺点。此外，自由膨胀序数、葛金干馏试验法都是在严格规定的条件下把煤加热，直接观察所得焦块的性质，与标准焦型相比，确定煤的粘结性、结焦性。这两个指标在评定时易带主观性，造成人为的误差，同时只能定性地定出序号，准确性差。

图6-18 b值与Y值的关系(据《中国煤田地质学》(上册)，1979)

为了拟定我国新的煤的工业分类指标，北京煤炭科学研究院煤化研究所和鞍山热能研究院等单位在改进粘结性指标方面进行了研究。新指标应该用严格的定量数据把不同粘结性的煤划分清楚。根据我国多年来引用罗加指数试验方法积累的大量资料，表明罗加指数对煤的粘结性较Y值和b值表现能力更好，如果针对罗加指数法的不足之处，加以重要的改进，可以得到较好的新指标。改进的途径是分别增加和减少测定强粘结煤和弱粘结煤时所用的标准无烟煤的表面积。

北京煤化研究所改进的主要要点是:把标准无烟煤的粒度由0.3～0.4mm改为0.1～0.2mm，接近烟煤的粒度，这样容易混合均匀，同时由于无烟煤的粒度变小，表面积大大增加，使具粘结性的煤的区别能力能反映更明显。对于弱粘结煤(测值＜20)，改用了3∶3配比，使无烟煤表面积相对地减少，测得的数据除以经验系数折算为1∶5配比的值。改进后的方法称为烟煤粘结指数测定法。

鞍山热能研究院改进的主要要点是:按试验煤样粘结性的强弱不同，试验时分别采用3种不同的试验煤和无烟煤的比例，1∶5，2.5∶3.5，6∶0。对于粘结性极弱的煤，试验时，除不加无烟煤外，还规定专门的转鼓试验法。为了使测试条件接近炼焦生产，把加热速度改为3℃/min。改进后的方法称为煤的粘结度试验法。

这两种改进方法，根据半焦块耐磨强度的高低和添加无烟煤的多少，分别用一定的公式和常数计算出指数，表示试验煤样的粘结性强弱。试验表明，改进的方法提高了再现性和区分能力。

20世纪60年代以来，随着钢铁工业的急剧发展，世界上很多国家都运用煤岩分析方法有效地预测和检验炼焦用煤的结焦性能。根据炼焦时各显微组分所起的作用不同，可分出:①活性组分(也称可熔性组分)，包括镜质组、稳定组，它们在热解时都能形成胶质体，稳定组分形成的胶质体易挥发，粘结性比镜质组稍差;②惰性组分(也称不熔性组分)，包括丝质组、半丝质组和矿物质，它们在热解时不能形成胶质体。半镜质组的粘结性介于两者之间，计算时，其含量之三分之一划入活性组分。煤中活性组分对惰性组分的比例越高，所得焦炭质量越好。不同变质阶段煤中活性组分粘结惰性组分的能力不同，以肥煤阶段(R^o=0.9%)最强。近年来，由于煤岩分析自动化的进展，西德、美国、日本等国钢铁企业已经普遍地对商品煤样进行煤岩分析。

二、煤的发热量

煤燃烧时放出大量热量。煤的发热量就是每单位质量的煤在完全燃烧时所产生的热量，常用cal/g或kcal/kg表示。发热量是供热用煤的一个质量指标，它是燃烧的工艺过程的热平衡、耗煤量、热效率等计算的依据。

(一)定义及单位

发热量是动力用煤的主要质量指标，煤的燃烧和气化要用发热量计算热平衡、热效率和耗煤量，它是燃烧和气化设备的设计依据之一。发热量是低煤级煤的分类指标之一，也可根据发热量判断煤级和煤的其他性质。煤的发热量是指单位质量的煤完全燃烧所产生的全部热量，以符号Q表示。热量的国际单位为焦耳(J)，1J=1N·m(牛顿·米)。过去我国用的热量单位是卡(cal)，热量的英制单位为Btu/lb(英国热制单位/磅)。这几个热量单位的关系为:

1cal≌1.8Btu≌4.1868J，1J=0.239cal，1000kcal=41868MJ

(二)发热量的测定原理将粒度小于0.2mm的空气干燥煤样1g放在氧弹中燃烧，如图6-19所示。氧弹中充有2.5×10⁶Pa压力的氧气，通电使氧弹内的金属丝点燃煤样，煤样在高压氧气中完全燃烧，燃烧产生的热量被内套筒中的水吸收，根据水上升的温度，计算出煤样产生的热量，该热量称为弹筒发热量，用符号Q_b，ad表示。为防止测试时热量的散失和交换，测试时使外筒水温自动跟踪内筒水温而变化，使内外筒没有热交换，这种方法称为绝热式量热计测试法。

图6-19 使用铅垫密封的旧式氧弹(据能源地质学，2004)

(三)煤的弹筒发热量、高位发热量和低位发热量

1.弹筒发热量

弹筒发热量是指单位质量的煤在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其终态产物为25℃下的二氧化碳、过量氧气、氮气、硝酸、硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量，弹筒发热量也即实验室内用氧弹热量计直接测得的发热量;单位质量的煤在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其终态产物为25℃下的二氧化碳、过量氧气、氮气、二氧化硫、液态水以及固态灰时放出的热量称为恒容高位发热量，恒容高位发热量也即由弹筒发热量减去硝酸形成热以及硫酸与二氧化硫形成热之差后得到的发热量;单位质量的煤在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其终态产物为25℃下的二氧化碳、过量氧气、氮气、二氧化硫、气态水以及固态灰时放出的热量称为恒容低位发热量，低位发热量也即由高位发热量减去水(煤中原有的水和煤中氢生成的水)的气化潜热后得到的发热量。

由于煤样是在高压氧气条件下燃烧，因此产生了空气中燃烧时不能产生的化学反应。煤中的氮及氧弹空气中的氮，在弹筒高温高压作用下，生成NO₂或N₂O₅，与水反应生成稀HNO₃，该反应为放热反应。煤在空气中燃烧时，煤中的氮变成游离氮逸出，不产生这个反应;煤中的硫在空气中燃烧时，生成SO₂逸去，但在弹筒高压氧气作用下，SO₂与水作用生成稀H₂SO₄，也是放热反应。稀硝酸和稀硫酸溶于水也是放热反应。煤在空气中燃烧时，煤中的水(包括煤中氢在燃烧时生成的水)，变为水蒸气逸去，这是吸热反应。但在弹筒的高压下，水不能变为水蒸气，所以不吸热。可以看出，煤在弹筒中燃烧产生的热量要高于在空气中或在工业锅炉中燃烧时实际产生的热量。因此，实际应用中要对煤的弹筒发热量进行换算。

2.煤的高位发热量(符号Q_gr，ad)

用煤的弹筒发热量减去稀硝酸和稀硫酸的生成热后，便是煤的高位发热量。计算公式:

Q_gr，ad=Q_b，ad－(95S_b，ad+α·Q_b，ad)

式中:S_b，ad为弹筒洗液中硫占空气干燥煤样的百分比，%(当煤中S_b，ad≤2%时，可用S_t，ad代替S_b，ad进行计算);α为硝酸生成热的校正系数，当Q_b，ad≤16.7kJ/g时，α=0.0010;当16.7kJ/g＜Q_b，ad≤25.1kJ/g时，α=0.0012;当Q_b，ad＞25.1kJ/g时，α=0.0016。

3.煤的低位发热量(符号Q_net，ad)

用煤的高位发热量减去水的汽化热，便是煤的低位发热量。计算公式:

Q_net，ad=(Q_gr，ad－206H_ad)－23M_ad

式中:H_ad为空气干燥煤样氢含量，%;M_ad为空气干燥煤样水分，%。

一般讲，煤的收到基低位发热量(Q_net，ar)最接近于煤实际燃烧时产生的发热量。计算公式:

煤地质学

式中:M_t为煤样的全水分。

4.煤的发热量计算

煤的发热量有弹筒发热量、高位发热量和低位发热量3种，而且有4种基准，即收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基，所以共有12种方式可报出测试结果。但一般常用的发热量指标有5种:

1)空气干燥基弹筒发热量Q_b，ad，这是测试的直接结果，需要换算。

2)空气干燥基高位发热量Q_gr，ad，用于报出测试结果。

3)干燥基高位发热量Q_gr，d，用于评定煤的质量，研究煤质。

4)干燥无灰基高位发热量Q_gr，daf，用于评定煤中有机质的性质，可反映煤级。

5)收到基低位发热量Q_net，ar，反映煤的实际质量，是煤炭计价的依据，也用于燃煤工业锅炉的设计。

在煤炭计价时，一定要注意所用的发热量指标的基准，不然将造成经济上的损失。

煤的发热量除了直接测定外，还可以根据元素分析或工业分析的数据进行计算，供无实测发热量的用煤单位参考。煤炭科学研究院煤化学研究所所根据我国煤质资料研究结果推导了一系列发热量计算公式。

(1)利用元素分析数据，计算高位发热量的公式

低煤化程度的煤:

Q_gr，daf=80C_daf+305(310)H_daf+22S_daf－26O_daf－4(A_daf－10)

式中:H_daf前面的系数对褐煤为305，对长焰煤、不粘煤为310。对A_d≤10%的煤，不计算最后一项的灰分校正值。

炼焦煤:

Q_gr，daf=80C_daf+310H_daf+22S_daf－25O_daf－7(A_daf－10)

(2)利用工业分析数据，计算低热值煤高位发热量的公式

高灰分(A_ad=45%～90%)烟煤:

煤地质学

(四)影响煤发热量的因素

煤的发热量与煤成因类型、煤岩成分、煤化程度(煤级)、煤中矿物杂质的含量、煤的风氧化程度有关。残植煤和腐泥煤的发热量比腐植煤要高，如江西乐平鸣山的树皮残植煤Q_b，daf为9060cal/g。

煤岩成分:腐植煤同一煤级中，壳质组分的发热量最高，气煤阶段达8680cal/g，镜质组次之，为7925cal/g，而惰质组仅7841cal/g。在低煤级时，惰质组的发热量可以比镜质组高，因为镜质组的碳含量低，而氧含量高，故总发热量较低。而惰质组的氧含量不太高，碳含量很高，弥补了氢含量低的不足。至中煤级烟煤时，镜质组的氧含量减少，而碳含量增加很快，氢变化不大，故发热量超过惰质组。

煤化程度:当煤以镜质组为主时，随煤级升高，煤的发热量逐渐增高，至中煤级的焦煤、瘦煤时达到高峰，以后又稍有下降(图6-20)。这与煤的元素组成变化有关。低煤级时，氧高而碳低，故Q低;中煤级时，氧低而碳高，如焦煤阶段C_daf为87%～90%，虽不及无烟煤高，但H_daf高达4.8%～5.5%，故Q最高;高煤级时碳虽高，但氢降低快，氢的发热量比碳高3.5倍，故Q又有所下降。煤的发热量随煤级的变化见表6-10。

图6-20 煤的挥发分产率与发热量的关系(据能源地质学，2004)

表6-10 煤发热量随煤级升高的变化

(据李增学等，2005)

煤的发热量随煤中矿物杂质含量的增加而降低。矿物杂质不发热，其含量越多，煤的发热量越低。对煤种变化不大的同一矿区而言，由矿物杂质形成的灰分与发热量往往保持十分规律的反比关系(图6-21)。煤受风氧化后，煤中的C和H变成CO₂和H₂O逸去，故煤的C和H含量降低，氧含量增高，煤的发热量下降。如果风氧化严重，煤变成不可燃。

图6-21 霍林河煤田露天矿区煤的灰分与发热量的关系(据杨起等，1979)

三、煤的气化指标

煤经过气化可产生做燃料用的动力煤气和供化学合成煤气。通常把煤的反应性、机械强度、热稳定性、灰熔点、灰粘度和结渣性作为气化用煤的质量指标。

(一)煤的反应性

煤的反应性，又称活性，指在一定温度条件下，煤与不同气化介质，如二氧化碳、氧、水蒸气相互作用的反应能力。反应能力强的煤，在气化和燃烧过程中，反应速度快、效率高。尤其一些高效能的新型气化工艺(如沸腾床、悬浮床气化)，反应性强弱更直接影响到煤在炉中反应的情况、耗煤量、耗氧量及煤气中有效成分等。在流化燃烧新技术中，煤的反应性强弱与其反应速度也有着密切的关系。因此，反应性是一项重要的气化和燃烧的特性指标。

测定煤的反应性的方法很多。目前我国采用的方法是测定在高温下煤焦还原CO₂的性能，以CO₂还原率表示煤的反应性。

将CO₂还原率(α，%)与相应的测定温度绘成曲线(图6-22)，可见煤的反映性随温度升高而增强。各种煤的反应性随煤化程度加深而减弱。这是由于碳与CO₂反应不仅在燃料的外表面进行，而且也在燃料的微细毛细管壁上进行，气孔愈多，反应表面积愈大。不同煤化程度煤及所得的煤焦的气孔率是不同的。褐煤的反应性最强，但到较高的温度(900℃以上)，反应性增高缓慢。无烟煤的反应性最弱，但在较高温度时，随温度升高而显著增强。煤的灰分数量等因素对反应性也有明显的影响。

(二)煤的机械强度

煤的机械强度包括煤的抗碎、耐磨和抗压等物理机械性质及其综合性质。气化用煤和燃烧用煤多数情况下要求用粒度均匀的块煤。机械强度低的煤投入气化炉时，容易碎成小块和粉末，从而破坏了块煤粒度的均匀性，影响气化炉的正常操作，因此，要求煤有一定的机械强度。另外，设计部门可以根据煤的机械强度，正确估计块煤用量及确定使用前是否需要再行筛分。所以，煤田勘探时，应提供气化用煤或燃烧用煤的机械强度资料。

煤的机械强度测试方法有几种，应用比较普遍的落下试验法是根据煤块在运输、装卸、入炉过程中落下、互相撞击而破碎等特点拟定的，它与表示煤的抗压、耐磨等机械强度试验法有所区别。测定方法为:选取60～100mm的块煤10块，称重。然后一块一块地从2m高的地方落到厚度＞15mm的金属板上。这样自由跌落3次，用25mm的方孔筛筛分，以＞25mm的块煤质量占试样总质量的百分数来表示煤的机械强度，其分级标准见表6-11。

我国大多数无烟煤的机械强度好，一般为60%～92%，还有一些煤受构造破坏成片状、粒状，煤质松软，机械强度差或很差，一般为40%～20%，甚至在20%以下。

图6-22 褐煤、烟煤、无烟煤的活性曲线示意图(据杨起等，1979)

表6-11 煤的机械强度分级

(据杨起等，1979)

(三)煤的热稳定性

煤的热稳定性是指煤在高温燃烧或气化过程中保持原来粒度的性能。热稳定性好的煤，在燃烧或气化过程中能以其原来的粒度烧掉或气化而不碎成小块，或破碎较少;热稳定性差的煤在燃烧或气化过程中迅速裂成小块或煤粉，轻则增加炉内阻力和带出物，降低气化和燃烧效率，重则破坏整个气化过程，甚至造成停炉事故。因此，要求煤有足够的热稳定性。

各种工业锅炉和气化炉对煤的粒度有不同要求，因此测定煤的热稳定性的方法也有所不同。常用的是13～25mm级块煤测定法和小粒度6～13mm级块煤测定法。

13～25mm级块煤测定法是把煤样放在预热到850℃的马弗炉内热处理15min，求出各筛分级别残焦占总残焦的百分比，以各级累计百分数与筛分级别作出曲线，以大于13mm级残焦的百分数S₊₁₃作为热稳定性指标，以小于1mm级残焦的百分数S_－1及热稳定性曲线作辅助指标(图6-23)。

小粒度6～13mm级块煤测定法是把煤样放在预热到850℃的马弗炉内加热90min，然后称重、筛分。将所得6～3mm，3～1mm及小于1mm的残焦占总残焦量的百分比，作为热稳定性的指标，分别以K^P_G，K^P_J和K^P₁表示。指标数值愈大，表明热稳定性愈差，因此，更确切地说，这些指标是代表不稳定性的。按K^P_G的分级标准见表6-12。

图6-23 热稳定性曲线图(据杨起等，1979)

表6-12 煤的热稳定性分级

(据杨起等，1979)

我国大多数无烟煤的热稳定性较好。K^P_G均在35%以下，但在高变质无烟煤中也有少数煤的热稳定性不好或很不好(如京西大安山煤、福建天湖山大蔗沟煤)，其原因尚待进一步查明。这种热稳定性不好的无烟煤，经预热处理后，其热稳定性都有显著改善。

(四)煤的结渣性

在气化中，煤灰结渣会给正常操作带来不利的影响，结渣严重时将会导致停产。由于煤灰熔点(T₂)并不能完全反映煤在气化炉中的结渣情况，因此还须用煤的结渣性来判断煤在气化过程中的结渣难易程度。

煤的结渣性测定要点，是用空气为气化介质，来气化预热到800～850℃的赤热煤样，气化过程的后期温度降到100℃时即停止气化。以＞6mm的灰渣占灰渣总重的百分数及其相应的最高温度作为煤样的结渣性指标。

四、煤的低温干馏焦油产率

为评价各种煤和油页岩的炼油适应性以及在低温干馏工业生产中鉴定原料煤或油页岩的性质并预测各种产品的产率，都要求进行低温干馏试验。实验室测定煤的低温干馏焦油产率一般采用“铝甑法”。收集干馏出来的焦油，计算出焦油产率，代号为T。评定煤的低温干馏焦油产率时用分析基指标T_ad。低温干馏用煤的T_ad一般不应小于7%。一般T_ad＞12%者称高油煤;T_ad=7%～12%者为富油煤;T_ad≤7%者为含油煤。

煤的低温干馏焦油产率与煤的成因类型有关。腐泥煤、残植煤的低温干馏焦油产率相当高，如山东兖州煤田腐泥煤的T_ad为13.50%～45.53%，浙江长广煤田某矿树皮残植煤的T_ad为10.70%～21.00%，大多数为高油煤。腐植煤的焦油产率与煤化程度和煤岩组成有关，褐煤和长焰煤的T_ad较高，如山东黄县煤田褐煤的T_ad为14%左右。当稳定组分含量较高时，焦油产率也比较高，如淮南煤田气煤中，当稳定组分为15%～26%时，T_ad为12%～15%;而当稳定组分＜10%时，T_ad多半小于10%。

五、壳质组的荧光性

在低煤化阶段，壳质组的荧光性是较好的煤化程度指标。煤的荧光性与反射率之间具有互相消长的关系，即反射率越低，荧光性愈强，二者并非线性关系。

Otteniann(1975)曾详细地研究了孢子体荧光光谱与煤化阶段的关系(图6-24)。光谱峰随煤化程度的增高有规律地移向更长波段。泥炭阶段λ_max在500nm以下，挪动范围较宽;褐煤阶段λ_max大致在560～580nm之间，峰形陡峭;随煤化程度的进一步提高，光谱曲线在630nm上逐渐形成一个小突峰，它在亚烟煤阶段(相当老褐煤阶段)迅速增大，在相当长焰煤阶段640nm波长段出现了第二个峰，直到气煤阶段640nm峰取代了580nm峰，煤化程度继续增高，640nm峰继续迁移向红光谱段，到肥煤阶段λ_max移到670nm以上。

图6-24 孢子体荧光光谱随煤化程度增高的变化(据邵震杰等，1993)

3. K₂煤层煤中黄铁矿的特征及其可选性预测

摘 要 对四川天府矿务局磨心坡矿 K2煤层( 主采煤层) 煤中硫的主要赋存形式———黄铁矿进行了详细研究，从宏观和微观上揭示了它的粒度、形态、分布、嵌布等特征，并据此对 K2煤层煤中硫的可选性进行了评价。

任德贻煤岩学和煤地球化学论文选辑

一、概述

四川大气污染严重，主要由燃煤引起。西南地区是我国聚煤区中含硫量最高的地区，天府矿区位于四川省东部，矿区内的硫含量达 3% 以上，属高硫煤。因此，国家科委九五攻关项目“粉煤深度脱硫降灰关键技术研究”选择了天府矿区磨心坡选煤厂作为研究对象。

1.煤层特征

K₂煤层位于龙潭组第一段(P₂l¹)下部，结构复杂，含2～4层夹矸，其中厚0.1m左右的两层高岭石夹矸位于煤层下部。煤层稳定，厚2.23～5.80m，平均厚3.88m，全区可采，为本区主采煤层，煤厚变异系数为21.30%，可采性指数1.00，属稳定煤层。

顶板为深灰色含黄铁矿结核泥岩，底板为灰色黏土岩

2.煤岩特征

从宏观上观察，按照相对光泽强度，可划分出4种宏观煤岩类型^［1］，即光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。以半亮煤和光亮煤为主，其次为半暗煤和暗淡煤，并且，从底板到顶板光泽有增强的趋势(图1)。结构以条带状、线理状结构为主，可见透镜状、似均一状结构。

图1 K₂煤层煤岩柱状图

显微镜下观察和定量分析结果(表1和表2)表明如下特征:

不同煤岩类型分层的显微组分构成差别较大，但总的规律是:从光亮煤、半亮煤、半暗煤到暗淡煤，镜质组含量降低，惰质组含量增高;本区煤层属焦煤，所以，几乎不见壳质组。

镜质组中以基质镜质体为主，均质镜质体次之，含少量结构镜质体;惰质组一般以丝质体为主，其次是半丝质体及碎屑惰质体，偶见粗粒体和微粒体。全层混合样的镜质组含量为66.1%，半镜质组含量为8.0%，惰质组含量为17.0%。

矿物含量较少，以黏土为主，其次为黄铁矿，还有少量石英和方解石。

3.煤化学特征

表3是钻孔煤心煤样的分析资料，根据我国煤炭灰分分级和硫分分级标准，从表中可以看出，原煤灰分平均为22.76%，属中灰分煤(20.01%～30.00%);硫分平均为3.5%，属高硫煤(>3.00%)。硫含量高，且主要是黄铁矿硫，约占全硫的74%。

表1 K₂煤层粉煤光片显微组分定量统计单位:%

表2 K₂煤层各分层块煤光片显微组分定量统计单位:%

表3 K₂煤层煤的工业分析和硫分分析

二、K₂煤层煤中黄铁矿特征

磨心坡矿煤层中硫主要是来自黄铁矿，因此深入研究黄铁矿的赋存特征，可为评价该地区煤层可选性及脱硫工艺提供依据，有效降低煤中硫含量。

1.黄铁矿的宏观形态特征

笔者从宏观上将黄铁矿归纳为以下几种类型:①条带状黄铁矿，黄铁矿条带平行或大致平行层理，由自形晶、他形晶紧密堆积而成，条带之间距离较小，主要分布在暗淡煤分层中;②薄膜状黄铁矿，呈薄膜状附着在镜煤和亮煤的内生裂隙表面，其大小受裂隙面控制;③结核状黄铁矿，呈球形或似球形、纺锤形，大的直径可达10cm，小的仅1mm左右;④浸染状黄铁矿，主要由细粒—中粒自形晶、他形晶组成，较均匀地分布在煤层中，可呈星散状、云雾状集合体;⑤脉状黄铁矿，黄铁矿充填于次生裂隙中形成黄铁矿脉，与层理斜交，沿裂隙延伸;⑥透镜状黄铁矿，由细小的黄铁矿晶粒密集堆积而成呈透镜体。其中以条带状、浸染状黄铁矿居多，其他次之。

2.黄铁矿的显微形态特征

在显微镜下研究，笔者将黄铁矿划分为以下几种显微类型:①晶粒状黄铁矿，黄铁矿晶体为立方体、八面体，晶粒大小一般为5～20μm，有部分为不完整晶形，有些晶粒有次生长大现象;②充填型黄铁矿，黄铁矿充填于丝质体胞腔、结构镜质体细胞间隙或均质镜质体裂纹中，其形态和大小取决于所充填的空间形态和大小，可呈条带状、不规则粒状;③浸染状黄铁矿，颗粒为几个微米的黄铁矿均匀分布于基质镜质体或结构镜质体胞腔中，这部分黄铁矿很难脱除;④莓球状黄铁矿，由黄铁矿微粒组成，呈球形或椭球形，莓球直径一般为10～50μm，一般成群出现;⑤生物结构黄铁矿，黄铁矿呈同心圆状分布。其中晶粒状，浸染状、充填型黄铁矿居多，其他较少。

3.黄铁矿的嵌布特征

通过显微镜观察，可将黄铁矿的嵌布特征归纳为以下几种类型(图2):

图2 黄铁矿的嵌布类型

(1)煤粒(图2(a))中无可见黄铁矿，但含有与有机质结合的硫，这种硫主要来源于成煤植物和泥炭化过程中的微生物作用，目前对这种有机硫尚无经济、技术上可行的办法。

(2)煤粒(图2(b))中含有极细小(小于1μm)的黄铁矿微粒，呈浸染状分布，对这种黄铁矿亦无有效的脱除方法。

(3)煤粒(图2(c))中含有一些散布于煤的显微组分，特别是均质镜质体胞腔中的细粒黄铁矿，若煤的破碎粒度不够细，此类黄铁矿颗粒常存在于洗选精煤中。

(4)煤粒(图2(d))中包裹着较大的黄铁矿颗粒。此种煤粒主要存在于中煤或尾煤中，也可能存在于精煤中，这主要取决于煤粒中黄铁矿的相对含量。

(5)煤粒(图2(e)至(g)中存在着成层分布的黄铁矿或大块黄铁矿结核，它们可以通过物理方法较容易彻底地选除。

4.黄铁矿的粒度分布特征

在显微镜下对K₂煤层全层混合样及分层样中黄铁矿的粒度进行了统计，算出了各粒度级别的百分含量。可以看出，<5μm和5～10μm黄铁矿颗粒所占比例较大，给洗选带来了困难。越靠近底板，黄铁矿的含量越高，而且，粒度较小部分所占比例也越大(表4和图3)。

表4 K₂煤层煤中黄铁矿粒度分析 单位:μm

图3 K₂煤层黄铁矿及其粒纵向变化曲线

5.用煤岩学方法评价煤的可选性

根据煤炭标准MT620-93规定的用样密度组成的煤岩学方法预测煤的可选性^［2］，从表5中可知K₂煤层可选性较好，靠近底板，相对难选。

表5 据计算出的精煤产率评价煤的可选性

三、结论

煤中黄铁矿的可选性主要取决于黄铁矿的粒度分布、赋存条件和嵌布特征等^［3～4］。综上所述，对K₂煤层煤中硫的可选性作出如下评价:

(1)K₂煤层煤中以黄铁矿硫为主，约占全硫的74%，因此用常规的物理脱硫方法降低全硫含量是可能的。

(2)黄铁矿的粒度分布、赋存特征方面，从分层粉样的黄铁矿粒度分析中可以看出，粒度较细的黄铁矿颗粒所占比例较大，且多是浸染状黄铁矿，因此这部分黄铁矿用常规脱硫方法降硫较困难，但这部分黄铁矿主要集中在下部分层中，可考虑用分采、分运方法，同时可考虑用高梯度磁选等方法脱除细粒黄铁矿。

(3)黄铁矿的嵌布特征方面，图2中(e)、(f)、(g)类型的煤粒占有一定比例，也有利于黄铁矿的物理脱除。

参 考 文 献

［1］ 杨起，韩德馨 . 中国煤田地质学( 上册) . 北京: 煤炭工业出版社，1979

［2］ 韩德馨 . 中国煤岩学 . 徐州: 中国矿业大学出版社，1996

［3］ 张强 . 选矿概论 . 北京: 冶金工业出版社，1984

［4］ 张亚云 . 应用煤岩学基础 . 北京: 冶金工业出版社，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

( 本文由刘付海、任德贻合著，原载《中国煤田地质》，1998 年第 10 卷第 3 期)

4. 低煤阶煤层气的成藏模拟实验研究

刘洪林 王红岩 李景明 李贵中 王勃 杨泳 刘萍

（中国石油勘探开发科学研究院廊坊分院 河北廊坊 065007）

作者简介：刘洪林，男，江苏徐州人，1973年生，汉族，2005年毕业于中国石油勘探开发研究院，获博士学位，主要从事煤层气勘探开发方面的研究工作。通讯地址：065007河北廊坊市万庄44号信箱煤层气E-mail：liuhonglin69@petrochina.com.cn。

本研究受到国家973煤层气项目（编号：2002CB211705）资助。

摘要 在美国粉河、澳大利亚的苏拉特等低煤阶盆地煤层气勘探取得突破以前，大家一直认为具有商业价值的煤层气资源主要存在于中煤阶的煤层中，煤阶太低，一般含气量不高，不具有勘探价值。但是近几年来的发现证实，低煤阶盆地煤层厚度大，渗透率高，资源丰度大，含气饱和度高，同样可获得了商业性的气流，而且从其气体的成因来看，其中有很大一部分是生物成因的煤层气。本文利用煤层气成藏模拟装置对低煤阶含煤盆地的煤岩样品开展了成藏模拟，从实验角度证明了中国西北地区虽然煤层煤阶较低，热成因气较少，但是却存在着具有商业价值的二次生物成因的甲烷气，再加上含煤层系众多，煤层厚度大，资源丰度极高，仍具有巨大的勘探潜力。

关键词 煤层气 水动力 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

进入20世纪90年代，随着煤层气产业的迅猛发展，美国煤层气的资源开发活动不再局限于中煤阶煤储层发育的圣胡安和黑勇士盆地，资源评价和研究工作覆盖了18个主要含煤盆地或含煤区，在其中12个含煤盆地从事煤层气开发活动，煤储层的煤阶从中煤阶扩展到低煤阶和高煤阶，特别是发育低煤阶煤储层的含煤盆地因煤层气资源量较大而受到重视，发育低煤阶煤储层的含煤盆地6个，煤层气资源量10×10¹²m³，占总资源量的53%，以粉河盆地为代表的低煤阶含煤盆地煤层气商业开发的成功，大大拓展了煤层气勘探开发的视野和领域。粉河盆地位于蒙大拿州东南部和怀俄明州东北部，面积25800km²，为一大型沉积盆地，形成于腊腊米运动造山期，盆地中含有巨厚的晚白垩世煤层，单层厚度达67m，煤层总厚118m。盆地为一不对称向斜，轴部靠近西部边缘，西部边缘以逆断层为界，靠近Bighorn隆起。西部地层倾角5°～25°，东部为翘起端，倾角不超过2°。上白垩统沿东南部和东部分布，古新统Fort Union组沿盆地边缘分布，盆地晚三叠系低界深1067m，粉河盆地煤炭资源量1.3×10¹²t，镜质体反射率为0.3%～0.4%，与西北一些低煤阶盆地相似，煤化程度低，含气量为0.03～3.1m³/t，但由于煤层厚度巨大，资源丰度大，预测煤层气资源量（0.5～0.8）×10¹²m³。粉河盆地煤层气碳同位素介于-65‰～-69‰之间，具有明显的生物成因特征，并且在其构造的高部位，生物气经过二次运移而富集，形成较高的含气量和较高的饱和度，有较高的渗透率，含气饱和度为80%～100%，钻井深度一般不超过305m，产气量为110～5976m³/d，产水量为45～69m³/d，最好的产气远景区是砂岩体附近与差异压实作用有关的构造高点、紧闭褶皱形成的构造高点以及煤层上倾尖灭的部位，并在该部位伴生有为非渗透性页岩所圈闭的游离气。

中国低煤阶煤储层非常发育。全国垂深2000m以浅的煤炭资源量为55697×10⁸t，低煤阶煤储层占到煤储层的一半以上。低煤阶煤储层形成于早中侏罗世、早白垩世、第三纪等成煤期，其中早中侏罗世、早白垩世是中国重要的成煤期，早中侏罗世成煤作用主要发生在西北地区，煤炭资源量占全国的35.5%^[1]，新疆准噶尔、吐哈、塔里木盆地、伊犁和焉耆是低煤阶煤储层发育的典型的大型内陆盆地，煤层厚度大，煤层最大累厚近200m，最大单层煤厚逾100m，煤层层数超过50层^[2]。中国西北地区低煤阶煤储层煤层气资源量丰富，早中侏罗世煤储层煤层气资源量超过10×10¹²m^3[3-4]。随着美国低煤阶煤层气藏商业开发的成功、国内煤层气勘探开发工作的推进，在近期低煤阶煤层气藏受到了越来越多的关注，有望成为新的研究热点和煤层气勘探开发新领域^[5，6，7]。但是中国西北地区与美国的粉河盆地、尤因塔盆地和澳大利亚的苏拉特盆地相比，在进入第四纪以来气候虽然总体较为干旱，但是部分地区由于受到天山影响，水动力仍非常活跃，具备二次生物气生成的可能，如位于天山北坡的准南地区、焉耆地区和伊犁地区。

1 研究区的煤层气地质概况

本次工作研究，重点对水动力较为活跃的伊犁和焉耆进行了采样，研究较强水动力条件下煤层次生生物气的生成问题。

1.1 伊宁地区

伊宁含气区块位于新疆维吾尔自治区西部伊犁自治州境内，区内为低山—丘陵及伊犁河畔冲积平原，含气区内地势西高东低，北高南低，属典型大陆性气候，盆地内先后由煤炭、石油、地矿部门进行过石油勘探及物探，煤炭部门在盆地边缘及局部进行过煤田勘探。特别是近几年来，随着油气勘探工作的进展，在盆地内，已进行了部分钻探实物工作量。该区含煤地层为侏罗系中统西山窑组，下统三工河组和八道湾组，主要为一套河湖相的灰、灰白色含砾砂岩，深灰色泥岩，砂质泥岩夹煤层。伊宁含气区块侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组成煤环境优越，聚煤时间长，形成的煤层较稳定，厚度大，层数多，为煤层气的形成奠定了物质基础。西山窑组主要为一套浅灰色含砾粗砂岩，灰白色中、细粒砂岩，深灰色泥岩、砂质泥岩夹煤层，在区内北部地层厚度一般211～552m，含煤10～15层，煤层单层厚度相对较小，层数较多，反映成煤环境震荡性较强。南部一般厚度为102～132m，含煤4～6层。单层厚度相对较大，层数相对较少，反映成煤环境较稳定。八道湾组主要为一套灰白色含砾粗砂岩，中、细粒砂岩，深灰色泥岩，砂质泥岩夹煤层。在区内北部厚度一般在342～452m；南部厚度在60～150m。在北部含可采煤层10层，厚度15～68m，据（伊参1井）资料，可采煤层厚度为88m。在南部煤层厚度相对较小。煤质分析资料表明，该区侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组煤层，原煤灰分含量在9.71%～25.60%，一般含量在12%～18%，其变化特征属中—低灰、低硫—特低硫、低磷煤，是有利于形成煤层气的煤质类型。

伊宁含气区块侏罗系中、下统沉积之后，受燕山构造运动的影响，褶皱、断裂使含煤地层遭受不同程度的改造。现构造形态主要表现为不对称的复式向斜，呈近东西向展布。含煤地层倾角一般在20°～30°之间，其中北部相对较陡，南部较缓。断层多发育在褶皱轴部，以逆断层为主，断层线呈北西西向展布。从构造展布特征分析，构造相对较简单，有利于煤层气的勘探开发。八道湾组和西山窑组煤层组埋藏深度0～2000m，分布面积约3445km²，占含煤地层分布面积的82%。从构造赋存地质条件分析，构造较简单，有利于煤层气的勘探开发。该区侏罗系中、下统煤层煤级为长焰煤，煤层气地质资源丰度为1.28×10⁸m³/km²，资源丰度较高，有着较好的勘探开发前景。

1.2 焉耆地区

焉耆含气区带侏罗系中、下统是主要的含煤岩系。侏罗系中、下统是在盆地经历了印支末期构造运动，三叠系遭受不同程度抬升剥蚀后，盆地又逐渐下降，接受该套内陆含煤碎屑建造。八道湾组沉积时，盆地受南缘库克塔格山和北缘南天山差异抬升隆起作用，呈现为南低北高的古地貌。由于古气候温暖潮湿，有利于植物的生长，植被茂盛，森林密布，形成大面积泥炭沼泽，为形成厚煤层奠定了物质基础。据本区哈满沟、塔什店矿区资料，本组煤层称A组，含煤3～14层，累计厚度10～30m，一般厚度10～15m。盆地内石油钻井钻遇本组煤层厚度一般30～40m，最厚可大于60m。煤层空间展布特征为东部厚度相对较薄，一般厚度10～15m，而西部较厚，在四十里城一带最厚可大于60m。

西山窑组沉积时，气候温暖潮湿，地势相对平坦，形成大面积泥炭沼泽，有利于成煤物质的生长，为形成厚煤层奠定了物质基础。据盆地内煤田及石油钻井资料统计，本组含煤5～10层，可采煤层厚度10～40m之间，一般厚度10～30m之间。焉耆含气区带侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组成煤环境优越，聚煤时间长，形成的煤层较稳定，厚度大，层数多，为煤层气的形成奠定了物质基础。其中侏罗系下统八道湾组煤层厚度大，稳定性强，煤层气勘探开发潜力较好，是煤层气勘探开发选区评价的主要目的层。

本区内目前煤矿开采以西山窑组煤层为主，煤质分析资料较少。据塔什店矿区分析资料统计，煤层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%，挥发分产率在42.33%～49.29%，硫分含量在0.39%～0.73%。煤层水分含量中等，灰分、硫分含量较低，属特低—低灰、特低—低硫煤，是有利于形成煤层气的煤质类型。

焉耆含气区带大地构造位于库鲁克褶皱带和天山褶皱系南天山褶皱带之上，是受海西期—印支期构造作用的影响在夷平面的基础上形成的中生代含煤盆地。中生界沉积之后，经历了燕山和喜山多次构造运动的影响，改造后的侏罗系中、下统含煤地层形成了复杂多样的构造面貌。本区中生代以来构造演化大致经历了燕山、喜山二期，使盆地内侏罗系中、下统含煤地层遭受强烈抬升剥蚀，煤层压力降低，吸附在煤层中的气体解吸扩散，含气量降低。埋藏深度600～2000m 区，累计分布面积约930km²，占含煤地层分布面积的39%。主要分布在西部塔什店矿区，中东部盐家窝及库木布拉克等地，是煤层气勘探开发深度较理想的区域。

据钻井及矿井煤层采样分析资料及埋藏深度资料综合分析，焉耆含气区带侏罗系中、下统煤层埋藏深度2000m以浅区煤级以气煤为主。焉耆含气区带侏罗系中、下统以往煤田地质勘探程度相对较低，有关煤层含气量资料也较少，矿井开采深度较浅（一般在100～300m之间），相对瓦斯含量也较低。

2 煤层气成藏模拟实验装置和原理

煤层气成藏模拟装置的特点是模拟地层温度、压力、地层流体介质下煤层气富集成藏过程，它可以通过模拟不同物性组合、不同介质、不同充注压力、不同运移方式煤层气成藏过程，获取不同模拟条件下的物理和化学参数，确定煤层气不同运移条件下的边界条件。设备主要由气体增压泵、恒温箱、仪表控制面板和计算机采集-处理系统。其中控制面板包括压力控制子面板、温度控制子面板、平流泵控制子面板、真空泵控制按钮、流程图；恒温箱内放有多功能模型仓Ⅰ、多功能模型仓Ⅱ和参考缸；计算机采集系统包括一套数据采集模块和数据处理软件。图1是装置原理流程，装置考虑采用不同岩心、不同岩性、不同气体介质进行工作，同时进行精确计量。把设计制作后的岩心组合装进多功能模型仓，利用气体增压泵维持环压，利用平流泵提供不同的流体介质、不同充注压力，通过温度和压力仪表以及传感器采集温度和压力数据，并经过数据处理软件分析温度压力数据。

在自然界中，已知的产甲烷菌中有一半可利用甲酸盐形成甲烷。甲酸盐首先转化成CO₂和H₂，然后再通过还原反应生成甲烷。在自然界中能够利用氢还原二氧化碳及利用醋酸盐发酵的产甲烷菌的存在是生物成因的煤层气成藏的必要条件。与近地表甲烷生成过程研究相比，地下（十几米到几百米深度）甲烷生成的研究工作相对较少。在地下环境中，对于甲烷的产出来说，沉积物必须具备使产甲烷菌得以生存及繁殖的孔隙空间。对此，低煤阶煤层中发育的孔隙空间和裂隙系统对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层的能力，要形成甲烷须有一个前期阶段，即主要依酸发酵菌和还原菌分解类脂化合物和大分子聚合物如纤维素和蛋白质等；接着微生物进一步脱去长链酸（和乙醇以上的醇）的氢而生成氢、甲酸、乙酸、二氧化碳和醇等。甲烷菌由此取得碳源和营养而生存，并以此为基质进行生物化学和新陈代谢作用产生甲烷。

图2 伊宁和焉耆地区煤岩样品产甲烷菌实验

3.3 生物甲烷气成藏模拟实验

把接种过甲烷菌的煤层样品放入成藏模拟装置内，在35^oC的恒温状态下，开始培养，观测煤岩样品生气过程。经过近两个月的连续实验得到一条压力-时间曲线。经分析认为曲线存在两个明显的曲线段，第一阶段为快速生气阶段，第二阶段为生气-吸附平衡阶段（图3）。对最后生成的气体进行了分析，其所产气体成分主要为CH₄、N₂和CO₂。除个别样品外，绝大多数样品所产气中C²⁺含量很低，甲烷碳同位素值相差较大，从-56‰～-67‰，表明为生物成因气体。

图3 煤样生物成气后吸附过程中的压力-时间变化曲线

4 实验结果及其讨论

（1）模拟试验表明，一方面在我国西北地区低煤阶煤层中存在产甲烷菌，另一方面证明了低煤阶的煤层可以作为二次生物气的来源。根据资料，伊犁盆地浅部的煤矿区在侏罗系煤层中所产气的δ₁₃C为-66.10‰～-60.12‰，显然属于生物甲烷气。

（2）与高煤阶相比，低煤阶一般埋藏较浅，孔隙空间较大，适合产甲烷菌的生存和繁殖，所以国内外的低煤阶盆地多发现生物成因的煤层气富集成藏。

（3）在我国西北地区，由于煤阶普遍较低，热成因甲烷生成量有限，次生物成因气生成量巨大，特别是在焉耆和伊犁地区，煤层层数众多，地下径流活跃，煤层中有大量甲烷菌繁殖，有大量的二次生物成因气生成、运移，如遇到断层遮挡、煤层尖灭等圈闭条件，就有可能形成较高的饱和度，形成具有商业价值的煤层气藏群。

参考文献

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[2]韩德馨，杨起编.1984.中国煤田地质学[M].北京：煤炭工业出版杜，387～407

[3]张建博，王红岩，赵庆波编.2000.中国煤层气地质[M].北京：地质出版杜，15～30

[4]中国煤田地质总局著.1999.中国煤层气资源[M].徐州：中国矿业大学出版杜，26～87

[5]王红岩，刘洪林，赵庆波等编.2005.煤层气富集规律.北京：石油工业出版杜，26～87

[6]钱凯，赵庆波，汪泽成等著.1995.煤层甲烷勘探开发理论.北京：石油工业出版杜，48～52

[7]张彦平等.1996.国外煤层甲烷开发技术译文集，北京：石油工业出版杜，20～80

5. 哪位亲有 武汉地质学院煤田教研室《煤田地质学（上、下册）》，北京：地质出版社，1985 或 杨起、

是这吧

电子版的我只有下册。老书，都是纸质。网上现在还可以买到

6. 曹代勇的介绍

曹代勇，中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院院长，版教育部科技委资源权环境与地球科学部学部委员，北京地质学会理事，中国地质学会/中国煤炭学会煤田地质专业委员会委员，中国地质学会构造地质学与地球动力学专业委员会委员，中国煤炭学会矿井地质专业委员会委员，煤炭工业技术委员会煤田地质专家委员会委员，《煤炭学报》、《煤田地质与勘探》和《中国煤炭地质》编委，全国煤炭行业“653工程”煤田地质与测绘领域培训方向首席专家，全国煤炭系统专业技术拔尖人才，“矿产普查与勘探”国家重点学科带头人

7. 波阻抗反演在樊庄郑庄区块煤孔渗特征研究中的应用

何灵芳刘大锰姚艳斌李鹏张百忍

(中国地质大学北京能源学院北京100083)

摘要:从地质—地球物理角度看，煤层孔隙或裂缝发育带的存在势必引起地震波速度或(和)密度的变化，因此波阻抗数据体能很大程度上反映煤层气储层孔渗特征。文章利用约束稀疏脉冲反演对樊庄－郑庄区块3^#煤层进行了孔渗特征的研究。研究区3^#煤层孔隙度相对较小，分布范围1%～7%，主要受煤变质程度控制;郑庄区块的渗透率均值为0.12mD，而樊庄区块渗透率均值则为0.49mD，相对郑庄区块要高一些。研究区渗透率非均质性较强，受孔隙发育影响较大，同时也受埋深等其他因素的影响。

关键词:樊庄郑庄波阻抗反演煤储层孔隙度渗透率

基金项目: 国家科技重大专项课题 ( 2010ZX05034 －001) ，国家重大基础研究计划课题 ( 2009CB219604) ，国家自然科学基金项目 ( 40972107) ，中石油创新基金资助 ( 2010D －5006 －0101) 。

第一作者: 何灵芳，硕士研究生，石油与天然气工程专业，主要从事煤层气勘探与开发研究。

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

煤储层既是生气层又是储气层，因而煤的储气性能在煤层气评价中起着至关重要的作用(胡宝林等，2003)。孔隙、裂隙性质直接受控于自身的物质组成和结构特征，是煤层气的储存和渗流空间，煤储层孔渗发育好坏直接影响煤层气开采效果，因此煤层气储层孔隙度、渗透率的研究有着重大意义。

沁水盆地是我国典型的高煤阶含煤盆地，在沁水盆地南部发现了沁水高煤阶煤层气田，虽然煤层气资源丰富，但储层非均质性强，储层物性差异大。赵贤正等(2011)研究发现沁水南部高煤级煤储层含气性、渗透率在水平空间展布及垂向尺度分布上均具有明显的差异。Yao等(2008;2009)将煤基质孔隙可分为吸附孔和渗流孔，认为吸附孔的非均质性对煤吸附甲烷具有显著影响，而渗流孔的非均质性能显著影响煤的渗透性。前人都是通过压汞实验和低温氮吸附等实验对煤样进行分析，从而研究煤储层的孔渗特征(唐书恒等，2008;赵兴龙等，2010)，但是由于煤储层的强非均质性，实验的研究结果对于全区的孔渗特征预测有一定的局限性。因此，笔者运用地震资料进行波阻抗反演对樊庄郑庄区块的孔渗性进行预测。

近年来，地震技术在储层研究中应用较多，但是由于带限地震子波的干涉效应以及地震剖面无法提供地层的岩性特征和物性特征，地震资料解释面临困难，为了克服上述困难，需要利用地震资料反演技术。崔若飞等(2008)指出波阻抗反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，它能把具有高纵向分辨率的已知测井资料与连续观测的地震资料联系起来，实行优势互补，大大提高地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研究程度。张永升(2000)认为以波阻抗为基础进行的油藏参数估计(如孔隙度、渗透率等)比用地震振幅方法得到的更可靠、更准确。因此，基于波阻抗反演的煤储层孔渗特征研究是可行的。

2 波阻抗反演技术

2.1 波阻抗反演原理

裂隙的发育也会对煤层的体积密度和速度造成影响，含气裂隙使得体积密度和层速度降低，而充填裂隙使得体积密度和层速度增加。煤层波阻抗的变化程度(即波阻抗梯度)可以反映煤储层的裂隙发育程度，从而反映出煤储层的渗透性。因此，沿煤层提取的煤层波阻抗梯度数据可以反映煤层含气裂隙发育情况及渗透性。

稀疏脉冲反演建立在一个趋势约束的脉冲反演算法上，其基本出发点是地下的强反射系数界面不是连续分布的而是稀疏分布的。约束稀疏脉冲反演的主要目的是利用约束井资料及地震反射系数建立声波阻抗数据体(王权锋等，2008)。稀疏脉冲反演认为地震反射系数是由一系列大的反射系数叠加在高斯分布的小反射系数的背景上构成的，大的反射系数相当于不整合界面或主要的岩性界面。它的目的是寻找一个使目标函数最小的脉冲数目，然后得到波阻抗数据。

2.2 波阻抗反演步骤

2.2.1 初始波阻抗模型

初始波阻抗模型是测井约束反演的基础，为了减少其最终结果的多解性，提高研究成果的可靠性，建立尽可能接近实际地质条件的波阻抗模型是关键。测井资料在纵向上详细揭示了岩层的波阻抗细节，地震记录则连续记录了波阻抗的横向变化，二者的结合，为精确地建立空间波阻抗模型提供了必要的条件。建立波阻抗模型的过程实际上是将横向上连续变化的地震界面信息与高分辨率测井信息相结合的过程。地震层位是建模的基础，可以根据测井曲线标定的结果，在地震剖面上自动或手动拾取目的层位。首先通过井旁地震道与合成记录的相关性对测井曲线进行纵向的拉伸和压缩，当相关系数达到一定的标准时，就可以获得井的初始波阻抗。然后在地震层位和地质模式的约束下，选取适当的插值方法，对井的初始波阻抗进行内插和外推，建立初始波阻抗模型。

2.2.2 绝对波阻抗反演

经过前期大量的准备工作，处理获得合理的时深关系曲线，运用校正过的测井数据及精细的解释层位，建立地质框架模型，通过调整模型与相对波阻抗高低频分量，使模型数据体与相对波阻抗数据体进行叠加，得到最终的绝对阻抗体。

反演处理的过程是不断修正完善的过程，当反演出一次结果后，处理、解释人员就紧密结合在一起，根据掌握的地质、测井、生产等资料对反演效果进行仔细的对比分析，反复循环处理，直到获得符合本区地质储层变化规律的波阻抗剖面为止。

3 波阻抗反演技术应用实例

3.1 区域地质概况

本项目研究区域位于沁水盆地的南部(简称为沁南)，主要分布在屯留—安泽一线以南地区，西起寺头断层，东、南以煤层露头为界，包括樊庄和郑庄两个区域。构造上，研究区位于沁水盆地复向斜南部的翘起端。区内主要断裂为寺头断层，自南向北，走向由近NE向转为近SN向，倾向NWNWW，倾角70°，断距最大350m左右，性质为正断层，受区域构造应力的作用，该断层具有张扭性特征，断裂两侧伴有羽状张性小断裂。全区断层数量较少，规模小。只有寺头断裂横穿整个区域，其余均为小型的正断裂。与郑庄相比，樊庄小断层较发育(图1)。研究区内沁水盆地沉积地层有长城系下部、寒武系、奥陶系中统、石炭系中上统、二叠系、三叠系和新近系地层，含煤层系主要位于上石炭统的太原组和下二叠统的山西组，共含煤6～11层，其中太原组主要发育8^#、9^#和15^#煤层，山西组主要为2^#和3^#煤层，本次研究的目标层位为3^#煤层。

3.2 波阻抗反演结果

3.2.1 孔隙度

孔隙度是煤储层物性的重要参数，研究区探井显示3^#煤储层孔隙度最低为3%，最高为6.49%，一般在5%以下。在波阻抗反演模型的基础上，将反演波阻抗数据体与探井上的孔隙度数据做交汇图进行相关性分析，可以得到波阻抗与孔隙度的对应关系(表1)。

通过以上方法得到的孔隙度与波阻抗的对应关系，结合其他没有探井资料的测线上的波阻抗数据，可以得到每个测线的孔隙度，最后通过插值法得到整个区域的孔隙度的平面图(图2)。

3.2.2 渗透率

试井显示沁南地区3^#煤层的渗透率，大多分布在0.5～3.0mD之间，其次在0.1～0.5mD和3.0～10.0mD之间，表明沁水盆地南部煤层具有相对较好的渗透性。

图1 樊庄郑庄区域地质图

表1 波阻抗和孔隙度转换关系数据表

本次研究同样根据波阻抗数据，制作交汇图显示其与渗透率的相互关系，并得到波阻抗与渗透率的转换关系(表2)。最终通过插值法运用到全区，预测全区的渗透率分布情况。

表2 波阻抗和渗透率转换关系数据表

图2 3^#煤层波阻抗预测孔隙度平面图

4 孔渗发育主控因素分析

4.1 孔隙度

依据波阻抗反演预测结果与实测结果相结合，做出沁南郑庄樊庄区块煤层孔隙度图(图4)。图中可以看出研究区沁南孔隙度相对较小，分布范围1%～7%。刘大锰等(刘大锰等，2010)统计发现，华北晚古生代煤的孔隙发育主要与煤的变质程度有关。随着煤的镜质组平均随机反射率(Ro，r)的增高，煤的氦测孔隙度呈高—低—高的变化规律。分析全区的预测结果发现，孔隙度大于3.75%的区域约占全区面积的20%，孔隙度低于2.5%的区域约占全区面积的35%。

4.2 渗透率

郑庄3^#煤层渗透率普遍较低(图3)，煤层渗透率平均约为0.12mD，樊庄区块的煤层渗透率稍高，平均为0.49mD，即使在同一地区，煤层渗透率差别也比较大，郑庄区块，最大渗透率为2.96mD，最小为0.01mD;樊庄区块最大为2.00mD，最小为0.02mD。

裂隙是煤层气运移的通道，是煤层渗透性的主要影响因素。据Palmer等(1998)的研究，煤储层渗透率是孔隙度的三次幂的函数，孔隙度的大小对煤储层的渗透性意义重大。对比图2和图3可以看出，孔隙度发育良好的区域对应的渗透率也比较大，因此，研究区渗透率受孔隙度影响很大。

煤体结构与煤层的渗透性密切相关，一般认为，原生结构煤和碎裂煤是煤层气开发比较理想的煤体结构类型;而碎粒煤和糜棱煤由于煤体破碎，裂隙形态破坏，煤层渗透性差，而被视为非渗透性煤层。寺头断层周边地区由于断层使得煤层破裂，渗透率较其他地区更低(图3)。

图3 3^#煤层波阻抗预测渗透率平面图

图4 郑庄樊庄区块煤层孔隙度

煤层埋藏深度对渗透率的制约机理是应力问题。随着煤层埋藏深度的增大，煤层所承受的地应力增大，地应力增大会导致煤层裂隙闭合，使得煤层渗透率降低。因此煤层渗透率具有随埋藏深度增大而逐渐减小的趋势。郑庄樊庄区块煤层埋深由东向西逐渐增加，郑庄区块3^#煤层可达1200m以上(图5)。但从郑庄樊庄区块3^#煤层的实际情况来看，郑庄的渗透率要普遍好于樊庄，可能的原因是郑庄区块后期的断裂活动。断层等构造的发育使得煤层的物性发生了较大改变。

图5 郑庄樊庄区块煤层埋深图

煤储层不仅受上覆岩层的压力作用，而且还受水平地应力的作用。垂向地应力对储层压力的影响主要是由煤层上覆岩层厚度的增加引起的。而在水平方向上，煤储层处在区域性的构造应力场中，受水平构造应力的作用，因此，水平主压应力越大，储层压力也就越高。同时，煤层渗透率是一种应力敏感性储层参数，注入/压降试井测试以及研究表明，煤层渗透率与地应力呈负相关关系。由于煤层是一种典型的双重介质、双孔隙度的储层，裂隙孔隙度是决定煤层渗透性的关键因素，地应力增大带来的直接后果就是煤层裂隙宽度变小甚至闭合，从而降低煤层的渗透性;另一方面，煤层本身塑性较强，地应力增大使煤体被压缩，导致基质压缩，基质渗透率降低。煤层地应力自研究区四周向内部增大，其变化趋势与煤层埋深等值线一致。在研究区东南部煤层埋藏较浅的地区，地应力也普遍较低，多在10MPa以下，在西部及北部，煤层埋藏深，地应力高，多超过10MPa。郑庄区块煤层地应力要大于樊庄区块(图6)，这也合理的解释了郑庄渗透率高于樊庄的原因。

5 结论

沁南郑庄樊庄区块3^#煤层孔隙度相对较小，分布范围1%～7%。煤的孔隙度发育主要与变质程度有关，一般肥煤和焦煤的孔隙度最低，瘦煤以上有所增高。构造发育会影响煤的孔隙度发育。

沁南郑庄樊庄区块3^#煤层渗透率较低，并且受到多种因素的影响。郑庄区块渗透率平均值为0.12mD，而樊庄区块渗透率均值则为0.49mD。渗透率具有较高非均质性，即使在同一地区，渗透率差异也很大。影响渗透率的主控因素以孔隙度发育程度最为显著，其他因素如埋深，地应力以及媒体结构对渗透率也有一定的影响。

波阻抗反演在研究区内的应用取得的较好的成果，说明在勘探程度比较低的地区，约束稀疏脉冲反演技术能较好的将测井、地震资料相结合，较准确的预测煤储层的孔渗特征。

图6 3^#煤层地应力等值线图

参 考 文 献

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刘大锰，姚艳斌，蔡益栋等. 2010. 华北石炭—二叠系煤的孔渗特征及主控因素. 现代地质，24 ( 6) ，1198 ～1203

唐书恒，蔡超，朱宝存等 . 2008. 煤变质程度对煤储层物性的控制作用 . 天然气工业，28 ( 12) ，30 ～33

王权锋，郭科 . 2008. 约束稀疏脉冲反演在储层预测中的应用 . 测井技术，32 ( 1) ，33 ～37

张永升 . 2000. 新疆塔里木盆地沙雅隆起兰尕地区三维地震 . 勘探成果报告

赵贤正，桑树勋，张建国等 . 2011. 沁南煤层气开发区块煤储层特征分析及意义 . 中国煤层气，8 ( 2) ，3 ～7

赵兴龙，汤达祯，许浩等 . 2010. 煤变质作用对煤储层孔隙系统发育的影响 . 煤炭学报，35 ( 9) ，1506 ～1511

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. 区域热变质煤的显微煤岩特征及其地质意义

摘 要 我国许多晚古生代和中生代煤受中生代以来构造岩浆活动的影响，在深成变质基础上，发生了广泛的区域热变质作用，在相当程度上决定了煤种的分布。区域热变质煤的显微煤岩特征有:高反射率和强各向异性，发育热变气孔和各向异性体，煤中有热液矿物、富集某些微量元素、同生矿物受到热液改造。一些低煤化煤中沥青质体等组分受热液影响形成变渗出沥青体。

煤变质作用类型是影响煤性质和结构的成因因素之一。研究区域热变质煤的特征有助于确定煤变质分带原因，恢复地热演化史及分析煤成油、煤成气等问题。

近年来，联邦德国、英、苏、美、澳、波等许多国家，都发现一些煤田的煤受叠加热场的影响，发生了区域热变质作用(Stach et al.，1982;Teichmüller et al.，1979;Богданова，1985)。我国不少晚古生代煤，东部地区的中生代煤受中生代以来的构造岩浆活动的影响，在原有深成变质的基础上，发生了广泛的区域热变质，在相当程度上决定了我国煤种的分布¹⁾(韩德馨等，1980)。

一、区域热变质煤的特点

区域热变质煤与相同煤级的深成变质煤相比，具有V^r低、H/C低、芳香度较大，自由基浓度大，热解色谱最高裂解温度T_max较高和S₂较少的特点;在煤晶结构上具有芳香层L_a较大的特征。可见，变质作用类型是影响煤组成和性质的又一个重要的成因因素。

区域热变质煤的显微煤岩特征有:反射率和双反射高，出现热变气孔、各向异性体和热液矿物等。

1.反射率高、双反射高

反射率是表征煤化程度最常用的标志。豫西石炭二叠纪煤田的煤受燕山期叠加热场的影响，形成了煤级的环带状分布，出现了大面积高变质无烟煤带。济源克井矿区煤中无结构镜质体的最大反射率R°_max高达6.6%。福建建瓯晚三叠世煤受燕山期花岗岩岩浆热液活动的影响，无结构镜质体的R°_max普遍在5.0%以上，最高可达9.3%。

双反射是在煤化过程中发育形成的与镜质组芳香层有序性相关的光学性质。区域热变质无烟煤的镜质组具强烈的各向异性。如豫西无烟煤的双反射ΔR大多在2.0%以上，可达4.34%，相对各向异性 大多在45%～50%以上，可达68%。建瓯无烟煤的ΔR也多在2.0%以上，个别高达8.48%，相对各向异性大多在50%以上，最高可达91.3%。

1)杨起等，1981，中国煤变质问题的探讨。

高反射率和强烈的各向异性是世界上典型区域热变质煤，如联邦德国布腊姆舍岩体上的石炭纪煤( Teichmüller et al. ，1979) 、苏联通古斯煤田二叠纪煤( Богданова，1985) 的共同特点，我国煤不仅有此特色，而且表现更为强烈( 表 1) 。

表 1 区域热变质煤的反射率和相对各向异性 单位: %

引人注目的是，在一些浅成区域岩浆热变质的地区，构造岩浆活动强烈，煤强烈破碎，众多裂隙成为热液活动的通道，同一煤层不同部位的镜质组受热液的影响不同，反射率和双反射有相当大的变化，分布很不均匀，反射率面谱呈多峰状。

2. 热变气孔

这种气孔形态多样，常见圆形、椭圆形，受热液溶蚀而形成的往往带有毛边，呈港湾状。热变气孔孔径从 <0. 1μm 到大于 10μm。一般认为热变气孔的形成与煤受热软化时挥发物产生和逸出有关。一些热变气孔孔壁及周缘常见放射状裂纹，有时也有环状裂纹，其成因与热塑状态下挥发物的逸出产生收缩作用有关。热变气孔周围及孔底时有小球体萌生，有时孔缘小球体的粒度及各向异性程度均向气孔中心方向增大，部分气孔充填有石英、方解石等热液矿物，表明这些气孔内壁曾与载热流体接触，载热流体带来的热能导致中间相小球体从镜质组中萌生。

3. 各向异性体

各向异性体是煤中各向异性相对明显的新生组分。由于均质镜质体反射率达 1. 0% 以后，各向异性渐增，因此各向异性体较强的各向异性是相对均质镜质体而言的( 表 2) 。各向异性体的形态各异，其命名可暂借用焦炭岩石学中的术语，如各向异性孢子体、各向异性角质体、各向异性树脂体、镶嵌结构体、叶状体、中间相小球体等。值得注意的是，相当一部分微粒体具各向异性，可称之为各向异性微粒体。此外，部分富氢镜质组、孢子体所形成的各向异性体，在透射光下透明，正交偏光下各向异性强。

表 2

各向异性体的类型和丰度既取决于成煤原始物质和聚煤环境，又取决于原始煤级和热演化史。一般，在近海还原环境下形成的富氢镜质组、沥青质体以及树脂体、孢子体、角质体等富含类脂物质的组分较易形成各向异性体。从煤岩成分来看，富壳质组组分的暗煤中各向异性体较亮煤、镜煤中多，含量可达 10% 以上。原始煤级及热演化史对于各向异性体的发育有相当影响。豫西煤田朝川矿区早二叠世二1煤受深成变质所形成的原始煤级约为肥煤阶段，正处于“生油期”，受区域热变质作用影响明显，较快的升温速度和较高的古地温，促进了显微组分的差异煤化作用，加强了富类脂组分的热分解，促使液态烃大量排出，从而大大增加了各向异性体的丰度和类型。豫西济源等地的二1煤，由于有巨厚的中生代覆盖层，盖层总厚达 4500m 以上，持续沉降时间长，原始煤级为焦煤阶段，经受区域热变质作用后虽已达高变质无烟煤，煤中仍有 3. 5% ～5. 7% 的各向异性体。而建瓯晚三叠世煤的煤级与济源相似，镜质组反射率和双反射也很高，但各向异性体罕见，看来可能与盖层较薄，原始煤级较低有关。

微区分析表明，各向异性体的碳含量高于镜质组，所富集的元素受热源、载热流体组成的影响。例如，豫西无烟煤中各向异性体普遍富含 C1，不少 K、Na 含量较高，这是热液作用的结果; 而豫西煤田朝川、韩梁等地受基性岩浆接触变质形成的天然焦中镶嵌结构体则富含Ca、Mg、Fe 等元素。

各向异性体的成因复杂，大多是原地萌生的，其中有固相转变的，也有经历中间相的; 此外，也有气相沉淀的。煤化过程中从富氢镜质组和壳质组中形成的“煤成油”及其他裂解产物，在进一步煤化中，可经过类似碳化时的共碳化作用等方式转变成各向异性体。

发育有各向异性体是区域热变质煤的重要特征。与此同时，在国内外一些低煤化程度煤中也有各向异性体存在，如加拿大的亚烟煤( Goodarzi，1985) 、我国平朔、大同等煤田的长烟煤、气煤，不过各向异性体的数量较少，缺少气相沉淀等类型。而这些煤田的煤通常被认为是深成变质所形成的，对其成因众说纷纭，是有待于进一步深入研究的。

4. 煤中热液矿物、微量元素及同生矿物的热液改造

区域热变质作用发育的地区，除围岩发生不同程度的交代蚀变外，煤中也出现了多种热液矿物。如豫西、建瓯的高变质无烟煤中有黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿以及磷灰石等典型低中温热液矿物组合，脉石矿物有石英、方解石( 多为双晶) 、菱铁矿等，其产状以脉状为主，也有充填显微组分的胞腔和热变气孔的。

在异常的古热流影响下，煤中同生矿物发生了明显的热液改造。同生的黄铁矿微晶和莓粒溶解、活化迁移，重结晶成粗大的自形晶，或连成片状，或充填于裂隙中( 豫西、建瓯) 。陆源石英碎屑溶解，形成自形晶、半自形晶，充填在溶蚀孔、半丝质体胞腔和无结构镜质体的内生裂隙中( 贵州水城) 。

中子活化法微量元素分析表明，区域热变质煤中富集的微量元素，有时反映了由于岩浆热液活动所造成的区域地球化学异常。例如，建瓯煤中钨含量可达 57. 6ppm，超过克拉克值几十倍，极为富集。微区分析证实，钨主要分布于热液矿脉中。以铈族轻稀土为主的稀土元素总量可达 196. 5ppm，也比沉积岩中常见值高。我国东南沿海燕山期岩浆活动频繁，建瓯煤田四周几公里范围内都有燕山期花岗岩的分布。建瓯煤中微量元素的富集与该区由燕山期花岗岩岩浆热液活动所造成的区域性钨、稀土元素异常是一致的。

除上述主要特征外，在一些煤化程度较低、但受过某种程度叠加热场或热液活动影响的煤田煤中，有些显微煤岩特征是值得注意的。如贵州水城的烛藻煤中( 处于气煤阶段) ，沥青质体受热液的影响，热解并微区运移到相邻的均质镜质体的内生裂隙和孔隙以及半丝质体的胞腔中，形成“变渗出沥青体”，其透光色为深棕色，但反射率低于均质镜质体，R0r为0. 265% ，无荧光。浙江长广树皮残植煤中的木栓质体受叠加热场的影响，也形成了充填于无结构镜质体内生裂隙中的“变渗出沥青体”。

二、结语

( 1) 煤变质作用类型是影响煤性质和结构的重要成因因素之一。对区域热变质煤的组成和性质的深入研究，包括对其中各向异性体的组成和性质的研究，将有利于煤炭资源的合理利用和深度加工利用。

( 2) 区域热变质煤具有一系列明显的显微煤岩特征。这是煤中有机质和无机质在特定的地质条件下，受温度、压力、时间及地球化学条件等变质因素影响而形成的。根据对这些特征的定性定量分析，结合地质条件的综合研究，可较为确切地探讨煤变质带分布的原因，预测深部煤质，有助于恢复地区的地热演化史，也有利于研究大地构造发展史。深入研究区域各地质时期变质作用及其类型，对于分析煤成气的形成和赋存，矿井瓦斯的成因亦是有益的。根据有机显微组分热敏性不同，发育各向异性的程度不同，在高变质煤中可藉以判断原有的煤岩显微组成。

本课题得到韩德馨教授的热情指导; 毛鹤龄、陈中凯、戴纪民、李敏锐同志参加了部分样品的测试、采样、制片工作; 得到了河南省有关矿务局及煤田地质勘探公司，煤炭第一勘探公司、建瓯煤矿、水城矿务局的大力协助; 承蒙中国科学院高能所杨绍晋等同志完成了微量元素分析，北京钢铁学院宋海涛等同志完成了扫描电镜观察及微区分析，在此一并致谢!

参 考 文 献

韩德馨、杨起主编，1980，中国煤田地质学( 下册) ，煤炭工业出版社。

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( 本文由任德贻、钟宁宁、肖贤明合著，原载《中国石炭二叠纪含煤地层及地质学术讨论会》论文集，科学出版社，1987)

9. 煤地质学的著名煤地质学家

杨起复（1919-2010），1943年毕业于西南联制合大学。1946年北京大学研究生毕业。中国科学院院士，中国地质大学教授，主编《中国煤田地质学》、《煤田地质学》等教材，创办我国第一个煤田地质学专业 。
韩德馨（1918-2009），1942年毕业于西南联合大学，1943－1945年北京大学研究所进行研究工作。1950年毕业于美国密歇根大学研究院。中国矿业大学教授，中国工程院院士，主编的《中国煤田地质学》、《中国煤岩学》等专著和教材

10. 豫西晚古生代热变煤的性质及结构研究

煤化作用历程是影响煤性质及结构的重要因素之一。苏联学者波格丹诺娃［1］对典型热变煤( 通古斯煤田煤) 与深成变质煤( 顿巴斯煤田煤) 所作对比研究表明: 热变煤具有 H/C低、碳含量低、发热量低、粘结性较差等特点。我国晚古生代煤田区域热变质作用广泛发育，豫西煤田可作为典型代表。笔者选取煤田中部济源、焦作、新密、临汝及平顶山五个矿区不同变质程度的热变煤作了工业分析与元素分析，傅立叶变换红外光谱、顺磁共振、热解色谱、有机差热及 X-衍射分析，经与四川中梁山的典型深成变质煤对比研究，探讨了区域热变质作用对煤性质及结构的影响特征。

一、煤变质作用背景

豫西煤田石炭二叠纪含煤地层为一套海陆交替相含煤建造，其煤变质分带是以围绕济源、焦作及永城无烟煤为中心，呈北西西向椭圆形环带状分布( 图 1) ，其形成是在深成变质的基础上迭加了区域热变质作用的结果。根据区域地质特征，煤变质史可明显分为两个阶段: 深成变质作用阶段与热变质作用阶段。前者从煤层形成始，延续到侏罗纪早期，盆地沉积中心在焦作济源一带，山西组二1煤达瘦煤阶段，新密达焦煤阶段，朝川达气煤阶段( 表1) 。整个燕山期属热变期，据煤 系地层中热液石英脉均一法包体测温，在异常古地热流影响下，济源矿区古地温曾高达 350℃，新密 260℃，朝川 190℃，平顶山十二矿 160℃，这种古地温场是造成目前煤变质分布的原因。

四川中梁山龙潭组K₁煤层属典型深成变质煤，所受最高古地温从未超过140℃^［2］，根据卡委尔图解推算(现在地温梯度2.5℃/100m，年平均气温20℃)，R°_max为1.58%，与实测镜质组反射率(R°_max为1.64%)相近。聚煤环境为潟湖-海湾^［3］，与豫西煤田山西组二₁煤相同。

图1 豫西地区山西组二₁煤煤变质分带

表1 豫西煤田煤变质特征(二₁煤为例)

二、实验样品

区内研究样品取自煤田中部的济源、焦作、新密、临汝及平顶山五个矿区，包括山西组二₁煤，太原组一₁煤及下石盒子组五₃煤。镜质组最大反射率R°_max从0.89%到6.80%。为排除煤岩成分及无机矿物对分析结果的影响，样品均为手选镜煤，除工业分析、元素分析样品外，其他分析样品破碎到0.50mm。用浓度为10%的盐酸处理6小时。经镜检，均质镜质体含量均超过93%，矿物含量不到2.0%。样品特征详见表2。

表2 样品特征

三、实验结果与讨论

从煤的元素分析与工业分析结果(表3)来看，等变质程度(以R°_max%为准)的热变煤与深成变质煤相比(5^#、6^#)，V^r低，H^t低，H/C低;而元素组成相近的热变煤与深成变质煤相比(3^#、5^#)，具有V^r高，R°_max%低的特征。

表3 镜煤的工业分析与元素分析

(一)热变煤的FTIR光谱特征

随煤化程度的增高，区内热变煤FTIR光谱体现了有规律的变化(图2，图3)。

图2 热变煤的FTIR光谱图

图3 热变煤的P₁、P₂与R°_max关系图

第一，反映芳香烃结构的3020cm^－1与890～700cm^－1吸收峰，呈有规律的增强，到中变质无烟煤阶段(11^#)除870cm^－1峰有微弱显示外，其他均消失。

第二，代表脂肪烃的吸收峰2920、1460、1375cm^－1随煤级的变化是复杂的:2920cm^－1逐渐减弱，而1460、1375cm^－1在焦煤(3^#)中最强，到无烟煤阶段(11^#)消失。一般认为，P₁代表芳香烃与脂肪烃的相对比例^{［5］、［6］}，P₂是芳香缩合程度的指标^［4］。这两个参数随煤级的增高而增加。

第三，出现在1100～1330cm^－1宽频带区域的含氧基团振动峰在肥煤阶段还相当明显，到焦煤中已很弱，与煤中芳香烃含量的变化正好相反。有人认为，煤的热变质作用最初化学反应是芳烃取代苯环上的含氧基团。

第四，在1710cm^－1附近的频带，代表煤中C==O伸缩振动，在贫煤中还存在，可能是煤中残存的醛酮结构，在1650cm^－1处有一个不断增加的叠加峰，可能是螯形结构的醌基^［7］。

高变质无烟煤的红外光谱是一条平滑倾斜的曲线，这并不代表煤中不再存在芳香烃结构，而是由于煤分子结构高度芳香化，烃类结构不能显示原有性质所致。

表4的结果表明，即使朝川煤的煤级明显比中梁山煤低，但其P₁，P₂值均大得多，这说明在热变煤分子结构单元中，氢原子多集中在芳环上，且具较大芳香度。在900～650cm^－1代表芳香烃面外弯曲振动的吸收峰，朝川煤也强得多，但出现在1100～1350cm^－1范围内含氧基团的吸收峰则刚好相反(图4)，中梁山煤出现了1335、1264、1164、1087cm^－1几个明显峰，而朝川煤仅有1327、1204、1115cm^－1三个弱峰，这与其元素分析中含氧量低相吻合。一般醇C==O伸缩振动吸收峰出现在1200～1000cm^－1之间，而酚出现在1300～1200cm^－1范围内^［8］;在焦煤阶段，含氧官能团主要以OH形式存在^［9］。结合这两方面理解，可以认为中梁山煤以醇形式存在的OH基占有一定比例，而朝川煤主要以酚的形式存在。

由于FTIR光谱的高度精确性，据Peter^［10］的研究，在2917与1600cm^－1附近两峰的位置与温度作用有关，随煤受温的增加，均向低波数移动。区内热变煤受温较高，这二峰均处于较低波数(表4)。

综上所述，可得出初步结论:热变质煤与深成变质煤在结构上具有明显的区别。在热变煤中，碳以较大比例存在于芳环中，氢多集中在芳环上，含氧官能团少，主要以稳定的OH(酚)形式存在;在深成变质煤中，还有COOH、CHO基团。区域热变质作用促使C、H向芳香稠环移动，并逐步取代芳香环上的含氧基团。

表4 朝川煤与中梁山煤FTIR光谱定量解释结果

注：3号样品：P₁=I3054/I2917=0.28，P₂=I1604/I1439=1.50,

5号样品：P₁=I3054/I2923=0.16，P₂=I1605/I1442=1.13。

图4 朝川煤与中梁山煤FTIR光谱图

(二)热变煤的ESR特征

应用ESR研究煤可取得三个有益的参数:自由基度浓度(Ng)、共振峰宽(ω)及自由基信号的位置(g因子)。前者反映煤中自由基的绝对数量，后两者反映自由基所处的化学环境。将本区热变煤ESR结果与美国煤田煤^［11］对比，发现两点有趣的的规律(图5，表5):

图5 热变煤与美国煤C^r－Ng对比图

表5 ESR分析结果

第一，本区煤的自由基浓度比美国煤高0.5～1.0个数量级，最大值出现在C^r92.0%左右，体现了明显超前(美国煤在C^r94%左右)。

第二，美国煤的g值在2.0027以上，而本区煤多在2.0027以下，明显偏小，且共振峰线宽度也明显的窄。

煤变质程度相近的本区煤与中梁山煤相比，亦体现自由基浓度大，g因子与线宽小的特征(表5)。

上述现象的出现与本区煤的热变质作用是分不开的。对煤中自由基的来源，A.马尔香^［12］作过精辟的论述，他认为是煤分子在热解过程中，小分子脱落而在母体上留下的“疤痕”。中梁山K₁煤所受古地温从未超过140℃，而区内与其变质程度相近的热变煤受温在190℃以上。在较高温下的热变质作用增强了分子缩聚反应，促使小分子脱落成自由基，它们以更大程度集中在芳香环上，稳定性大，这必将导致煤中自由基浓度大。同样，热变煤中杂原子少，自由基与H、O关系小，而多集中在芳香环上，因而线宽、g值低。

随煤级增进，煤中稳定自由基迅速增加，当达到一定数量级时(10²⁰个/克)，其间距太小，则导致热变煤中上述“超前”衰减现象^［12］。也有人认为，自由基浓度降低是在变无烟煤中形成自由电子的缘故^［12］。

(三)热变煤的热解色谱特征

热解色谱是评价油源岩的简单可靠而有效的方法，最近用来研究煤的结构与性质也很有成效。热解色谱可获得四个参数^［13］:

S₁:代表煤中300℃前低温解析烃的含量，受外因条件影响大，意义有限。

S₂:主要是450℃前煤受热解的析烃含量，也包括少量沥青质裂解产物。

S₃:代表煤中含氧基团热解成CO₂的含量。

T_max:是S₂对应的最高裂解温度。

表6是实验结果。本区热变煤与中梁山煤相比，T_max大，S₁、S₂、S₃均低。这与FTIR、ESR结果相一致。T_max是煤级与有机质类型的综合反应，对于同类型有机质，它与温度呈正相关。因此，热变煤的T_max较大。

表6 镜煤的热解色谱特征

S₂受煤级、煤岩成分及还原程度的影响。据M.Teichmüller(1983)^［13］的研究，S₂在R°_max0.80%左右达最大值，随煤级进一步增加而明显减小。中梁山煤S₂明显偏大的反常现象只能用变质条件不同解释。由于热变质作用，镜质组过早失去脂肪结构，而稳定性大的芳烃多，使煤象受过一次低温“热处理”，必然导致S₂减少。

S₃与煤中含氧量及存在形式有关，因在深成变质煤中，含氧量多，存在形式多样，故其S₃明显偏大。

图6 朝川煤与中梁山煤有机差热分析图

(四)有机差热分析

中梁山煤与朝川煤有机差热曲线极为相似(图

6)，选取三个参数作定量讨论:(1)两放热峰T₁、T₂的温度;

(2)第一峰高比第二峰高B₁/B₂;

(3)两放热峰对应的热失重比Q₁/Q₂。

从失重率与放热峰所对应温度来着，两者基本相同，但朝川煤B₁/B₂、Q₁/Q₂值比中梁山煤低得多(表7)。根据罗伯特等人实验结果^［12］，煤或干酪根在热解过程中，400℃前主要生成CO₂、CH₄、H₂、N₂等气体，有些则聚合成稳定性较大的芳烃，因此其第一峰较深成变质煤弱得多。

表7 有机差热分析结果

从图7中可见，朝川煤在400℃才开始失重，比中梁山煤高30℃，其在540℃前失重率比中梁山煤小。这表明，虽朝川煤V^r高，但其中有相当一部分在较高温下才能逸出，这与热变煤上述一系列特征是分不开的。

图7 朝川煤(3^#)与中梁山煤

(五)热变煤的X-衍射特征

区内热变煤的X-衍射特征随煤级增高作有规律的变化(图8，表8)。

图8 镜煤的X-衍射图

表8 镜煤的X-衍射分析结果

注:L_a—层片直径;L_c—层片堆积高度;d₁—面网间距(002);d₂—面网间距(001)。

(1)(002)衍射峰不断变尖变窄，峰的位置向大衍射角方向移动，(001)衍射峰虽不强，但有明显显示，并向小衍射角方向移动。

(2)L_a迅速增大，L_c在中变质无烟煤阶段出现波状转折，d₁值不断减小，d₂值不断增大。

这些规律早在20世纪50年代Hirsh、Brown^［9］就作过详细描述。值得注意的是等变质程度的热变煤与深成变质煤相比(表8)，具有L_a大，d₂大，L_c小，d₁大的特征，特别明显的是L_a/L_c偏大。根据人工碳化实验^［14］与室内模拟实验研究^［15］，温度的作用有利于L_a的增长，而L_c、d₁则与压力关系密切，强大压力作用有利于煤晶核堆砌高度的增加，而减小芳香层片间的间距。中梁山煤的L_c、d₁值相当于新登矿煤(9^#)，而d₂、L_a值比朝川煤还小得多。这表明煤结构指标间的不协调性受煤变质因素的控制、热变煤与深成变质煤相比，其煤晶核呈较薄的方形。

四、结语

煤变质地质条件的可变性是导致煤光学性质、化学工艺性质及结构指标之间不协调发展的主要原因。在深成变质条件下形成的煤，那些与静压力密切相关的性质得到充分发展;而热变煤中，那些与温度相关密切的指标得到“优先”演化。与等变质程度的深成变质煤相比，热变煤所受古地温较高，加快了煤分子缩聚反应，致使其H/C低，V^r小，自由基浓度大;热解T_max大，S₂较小;差热失重温度较高;在煤晶核结构上，具有L_a大、d₁大的特征。

煤的变质作用类型是影响煤性质及结构的重要因素之一。以往的工作对成煤植物、成煤环境及其他地质条件对煤质及其结构的影响研究得比较深入，而忽视了泥炭在转变成煤的漫长地质历史中煤化作用的条件对煤质的制约。我国晚古生代煤田煤变质类型多种多样，大多数在燕山期受到异常古地热流的影响，在深成变质的基础上叠加了第二次区域热变质作用，对中、高变质程度煤的形成起了主要作用。因此，加强这方面的研究，具有深远的理论意义与现实意义。

本课题得到我室实验室主任毛鹤龄工程师的大力支持;在采样工作中，得到河南省有关矿务局的大力协助;承蒙北京煤化所煤质室完成煤的工业分析与元素分析，北京石油规划院实验中心完成FTIR、热解色谱及有机差热分析，中国科学院生物物理所完成ESR分析，河南省地矿局物测中心完成X－衍射分析，核工业部第三研究所完成包体测温，在此一并致谢。

参 考 文 献

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［7］陶著.煤化学.北京:冶金工业出版社，1984

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［14］H.March..Fuel，1971，(3)

［15］曲星武、王金城.煤的结构与变质因素的关系.煤田地质与勘探.1980，(3)

［16］武汉地质学院煤田教研室.煤田地质学(下册).北京:地质出版社，1981

(本文由肖贤明、任德贻合著，原载《煤田地质与勘探》，1988年第3期)