石炭纪的煤炭成分?

简介

石炭纪（Carboniferous period）是古生代的第5个纪，开始于距今约355亿年至295亿年，延续了6000万年。石炭纪时陆地面积不断增加，陆生生物空前发展。当时气候温暖、湿润,沼泽遍布。大陆上出现了大规模的森林，给煤的形成创造了有利条件。

石炭纪又是地壳运动非常活跃的时期，因而古地理的面貌有着极大的变化。这个时期气候分异现象又十分明显，北方古大陆为温暖潮湿的聚煤区，冈瓦纳大陆却为寒冷的大陆冰川沉积环境。气候分带导致了动、植物地理分区的形成。

来源

石炭纪是植物世界大繁盛的代表时期。石炭纪开始于距今35亿年，延续了约6500万年。由于这一时期形成的地层中含有丰富的煤炭，因而得名“石炭纪”。据统计，属于这一时期的煤炭储量约占全世界总储量的50%以上。

地壳运动

石炭纪又是地壳运动非常活跃的时期，因而古地理的面貌有着极大的变化。这个时期气候分异现象又十分明显，北方古大陆为温暖潮湿的聚煤区，冈瓦纳大陆却为寒冷的大陆冰川沉积环境。气候分带导致了动、植物地理分区的形成。

动物演化

石炭纪陆生生物飞跃发展，海生无脊椎动物也有所更新。

与泥盆纪相比，蜓类是石炭纪海生无脊椎动物中最重要的类群，而腕足动物尽管在类群上减少，但数量多，依旧占相当重要地位，头足类则以菊石迅速发展为主。

在石炭纪晚期，脊椎动物演化史出现一次飞跃，从此摆脱了对水的依赖，以适应更加广阔的生态领域，以北美宾夕法尼亚早期地层中的林蜥为代表。生活在陆上的昆虫，如蟑螂类和蜻蜓类，是石炭纪突然崛起的一类陆生动物，它们的出现与当时茂盛的森林密切相关，其中有些蜻蜓个体巨大，两翅张开大者可达70cm。

石炭纪的海生无脊椎动物与泥盆纪比较起来，有了显著的变化。浅海底栖动物中仍以珊瑚、腕足类为主。早石炭世晚期的浮游和游泳的动物中，出现了新兴的筳类，菊石类仍然繁盛，三叶虫到石炭纪已经大部分绝灭，只剩下几个属种。

最早发现于泥盆纪的昆虫类，在石炭纪得到进一步的繁盛，已知石炭、二叠纪的昆虫就达1300种以上。陆生脊椎动物进一步繁盛，两栖动物占到了统治地位。早石炭世一开始，两栖动物蓬勃发展，主要出现了坚头类（也称迷齿类），同时繁盛的还有壳椎类。

植物演化

石炭纪（35亿年前）--壮观的蕨类森林

石炭纪是植物世界大繁盛的代表时期。早石炭世的植物面貌与晚泥盆世相似，古蕨类植物延续生长，但只能适应于滨海低地的环境；晚石炭世植物进一步发展，除了节蕨类和石松类外，真蕨类和种子蕨类也开始迅速发展。裸子植物中的苛达树是一种高大的乔木，成为造煤的重要材料之一。

石炭纪的气候温暖湿润，有利于植物的生长。随着陆地面积的扩大， 陆生植物从滨海地带向大陆内部延伸，并得到空前发展，形成大规模的森林和沼泽，给煤炭的形成提供了有利条件，所以，石炭纪成为地史时期最重要的成煤期之一。此外，石炭纪也是地壳运动频繁的时期，许多地区这时褶皱上升，形成山系和陆地，地形高差起伏，使地球上产生明显的气候分异。按照地理环境的不同，科学家们根据石炭纪的植物分布特点划分出各具特色的植物地理区，每一植物地理区都有自己的特色植物群（flora）和一定的生态特征。

在石炭纪的森林中，既有高大的乔木，也有茂密的灌木。乔木中的木贼根深叶茂，木贼的茎可以长到20-40厘米粗，它们喜爱潮湿，广泛分布在河流沿岸和湖泊沼泽地带。石松是另一类乔木，它们挺拔雄伟，成片分布，最高的石松可达40米。石炭纪时，早期的裸子植物（如苏铁、松柏、银杏等）非常引人注目，但蕨类植物的数量最为丰富。蕨类植物是灌木林中的旺族，它们虽然低矮，但大量占据了森林的下层空间，紧簇拥挤，蒸蒸日上。可以这样说，今天地球上之所以蕴藏有如此丰富的煤炭资源，与石炭纪的植物界的繁盛密切相关。中国是煤炭资源大国，外国科学家们曾经指出，石炭纪森林的广袤和茂密可以从中国所产煤层的厚度上看出来，有的煤层厚度竟然超过120米，这相当于2440米的原始植物质的厚度。

植物是怎样变成煤炭的呢？由于石炭纪的植物种类繁多，生长迅速，它们死后即便有一部分很快腐烂，但仍有许多枝干倒伏后避免了风化作用和细菌、微生物的破坏。石炭纪森林的不少林地是被水浸泡着的沼泽地，死亡后的植物枝干很快会下沉到稀泥中，那里实际上是一种封闭的还原环境，在这种环境中植物枝干避免了外界的破坏，并在压实作用和其它作用下缓慢地演变成泥炭。年复一年，由植物形成的泥炭在地层中得到保存，并又经历了成煤作用后成为初级的煤炭-褐煤。褐煤是一种劣质煤，褐煤再经过长时间的压实后，才能形成真正意义上的煤-烟煤。褐煤转化成烟煤要付出巨大的“代价”，据地质学家们推算，03米厚的烟煤是由6米厚的象褐煤这样的植物质压缩而成的。早石炭世的植物面貌与晚泥盆世相似，古蕨类植物延续生长，但只能适应于滨海低地的环境；晚石炭世植物进一步发展，除了节蕨类和石松类外，真蕨类和种子蕨类也开始迅速发展。裸子植物中的苛达树是一种高大的乔木，成为造煤的重要材料之一

石炭纪森林分布在地球陆地的许多地方，在中国北方的华北平原，就曾保存着石炭纪的广袤森林，山西的煤层应该是最好的证据。在石炭纪时，山西大地历经海水的数次入侵，海陆频频交替。每当海水退却，陆地植物便在温暖潮湿的环境下迅速繁盛，一期又一期的森林就这样生成了。成煤的泥炭沼泽植物林中，主要以石松类、科达类、种子蕨类、真蕨类等为主，当我们今天开发山西的煤炭资源时，有谁能够知道并辨认出那些形形色色的史前植物呢？

古气候与矿产

根据石炭纪的珊瑚礁分布，可以推断早石炭世的赤道带通过北美洲中部，西北欧经黑海穿过中国西北、华南到达印尼和澳洲东部。石炭纪同大陆上的古气候相适应的是植物地理区系的分布，欧美植物区和华夏植物区为热带、亚热带气候，冈瓦纳植物区和安加拉植物区分别代表热带以外的南北温凉气候区。世界上各地石炭纪的成煤时期早晚也有差别，分别代表各地区的热带潮湿气候，石炭纪的干旱气候区仅限于一定的地理分布,同泥盆纪和二叠纪相比，干旱面积较小,干旱气候同蒸发岩类沉积的分布相适应，例如亚洲早石炭世从哈萨克斯坦南部经天山伸延至南天山和塔里木，哈萨克斯坦向东到西伯利亚干旱气候一直延续到中石炭世。南半球的冈瓦纳大陆，石炭纪时高出海面，从石炭纪中晚期开始气候变冷，冰川活动一直持续到早二叠世，冰期和间冰期沉积在南美、南非、印度和澳大利亚都有广泛的分布，在南非南部冰川呈放射状方向流动。在北半球，仅在西伯利亚东部可能为寒冷干燥气候。石炭纪时陆地海岸和沼泽地区气候温暖潮湿,形成重要的煤矿,中国华南早石炭世晚期的测水组(湖南)、梓山组（江西）、叶家塘组（浙江），均含可采煤层。东北、华北和西北的上石炭统，含有重要的煤系。大陆上经过长期剥蚀的地区，往往形成铝土矿和耐火粘土，中国华北石炭系含有G层铝土矿和山西式铁矿,贵州清镇一带下石炭统顶部亦含大型铝土矿。北美晚石炭世蕴藏有油页岩和石油。中国石炭系也是油气勘探的重要层位。中国新疆、甘肃、宁夏中部石炭系含有石膏及蒸发岩矿床。石炭纪碳酸盐岩沉积分布广泛，世界各地开采石灰岩和白云岩作为石灰和水泥的原料。

工业分析：1 水分

(1) 外在水分(Wwz)外在水分是指煤在开采、运输和洗选过程中润湿在煤的外表以及大毛细孔（直径＞10-5厘米）中的水。它以机械方式与煤相连结着，较易蒸发,其蒸汽压与纯水的蒸汽相等与煤粒度等有关,而与煤质无直接关系

(2)内在水分(Wnz)吸附或凝聚在煤粒内部的毛细孔（直径〈10-5厘米〉中的水,称为内在水分内在水分指将风干煤加热到105～110时所失去的水分,它主要以物理化学方式(吸附等)与煤相连结着,较难蒸发,故蒸气压小于纯水的蒸汽压 失去内在水分的煤称为绝对干燥或干煤

2 灰分

1)灰分的来源和种类 煤灰几呼全部来源于煤中的矿物质,但煤在燃烧时,矿物质大部分被氧化,分解,并失去结晶水,因此,煤灰的组成和含量与煤中矿物质的组成和含量差别很大我们一般说的煤的灰分实际上就是煤灰产率，煤灰成分及其含量与层聚积环境有关。 大量试验资料表明，SiO2含量在45~60%时，灰熔点随SiO2含量增加而降低；SiO2在其含量〈45%或〉60%时，与灰熔点的关系不够明显。A12O3在煤灰中始终起增高灰熔点的作用。煤灰中A12O3的含量超过期30%时，灰熔点在1500。灰成分中Fe2O3，CaO，MgO均为较易熔组分，这些组分含量越高，灰熔点就越低。灰熔点也可根据其组成用经验公式进行计算。

3 挥发分和固定碳

挥发分主要是煤中有机质热分解的产物，评价煤质时为了排除水分，灰分，变化的影响，须将分析煤样挥发分换算为以可燃物为基准的挥发分，以符号VR表示。挥发分随煤化程度升高而降低的规律性十分明显，可以初步估计煤的种类和化学工艺性质，而且挥发分的测定简单，快速发分的分析结果常受煤中矿物质的影响。所以当煤中碳酸盐含量较高，矿物质在高温下分解出来的CO2，结果水等也包括在挥发分内。所以当煤中碳酸盐含量较高，分解出来的CO2产率大于2%时，需要对煤的挥发进行正。也可在测定挥发分之前，用盐酸处理分析煤样，使煤中碳中碳酸盐事先分解。在我国大我数煤中，粘土矿物，高岭土在560析出的结果水也算入挥发分，因此粘土矿物含量高的煤所测出的挥发分通常偏高。

固定碳就是测定挥发分后残留下来的机物质的产率，可按下式算出： Cgd=1000-（Wf+Af+Vf）

难燃煤和易燃煤成分差异很大的。

煤炭是千百万年来植物的枝叶和根茎，由于地壳的变动不断地埋入地下，长期与空气隔绝，并在高温高压下，经过一系列复杂的物理化学变化等因素，形成的黑色可燃沉积岩。

碳化完全的煤炭主要成分是碳，燃烧时烟很少，俗称无烟煤，难以点燃，非常耐烧，含热量高。如果碳化不完全，煤炭中含有大量的挥发性成分，挥发性成分受热受，挥发出来，很容易点燃，形成大量的烟，俗称烟煤。烟煤容易容易点燃，但烟很多，常用于化工生产，例如炼焦，合成甲醇等。

燃煤成分的基准就是煤的成分分析数据的表达基础，也就是计算时所用的分母。常用的基准有：应用基、风干基（即分析基）、干燥基（即干基）、干燥无灰基（即有机基）。比如，开采后直接取来的煤样（只简单粉碎，不干燥）情况下测定的数据叫”应用基“；假如扣除此样品的水分，在此基础上算出的数据就是”干基“。举个例子：直接采样测定的煤（应用基）的碳含量是55%；如果此样品的水分是20%，则在分母中扣除20%的水分，则用干基表示的碳含量就是55/(1-02)=6875%；如果此煤样的灰分是10%，则用”干燥无灰基“表示的碳含量就是55/(1-02-01)=7857

1煤粉的XRD分析

为了查明煤粉样品中无机矿物类型及含量,利用X射线衍射测试仪(XRD)对韩南-平03井产出的煤粉样品进行分析,其结果如表4-13所示。由此可知,煤粉中的无机矿物成分主要包括黏土矿物、白铁矿、石英、方解石、黄铁矿等,其中,黏土矿物所占比例明显大于其他矿物,平均比例为497%。

表4-13 韩南-平03井煤粉样品的XRD分析结果　单位：%

2煤粉的显微组分定量

利用油浸反射偏光显微镜(×500)对煤粉样品进行煤岩显微组分定量分析,实验结果如表4-14所示。从表4-14和图4-14可以看出,煤粉中主要以黏土矿物为主,平均含量为5054%,其次为镜质组和惰质组,分别占2683%和1630%,少量黄铁矿,占629%,还有极少量的石英,占009%。直井和定向井产出煤粉的黏土矿物平均为5614%,镜质组平均为1924%,而水平井产出煤粉的黏土矿物平均为4312%,镜质组平均为3755%(图4-15)。测试结果分析表明,直井和定向井产出煤粉的黏土矿物高于水平井产出煤粉的黏土矿物,而直井和定向井产出煤粉的镜质组分低于水平井产出煤粉的镜质组分,初步认为是由于下套管射孔压裂完井的直井和定向井含量高,在压裂过程中可能贯穿煤层夹矸及顶底板的泥岩层,从而导致产出的煤粉中黏土矿物;而裸眼完井的水平井主要在煤层中施工,不进行压裂,所以,产出煤粉黏土矿物含量相比较低。

表4-14 煤粉显微组分定量统计表　单位：%

续表

图4-14 产出煤粉的显微煤岩组分含量图

图4-15 不同井型产出煤粉的显微组分含量对比图

WL1-001井、韩3-013井和韩3-032井产出煤粉中黏土矿物含量平均为6099%,而其他井产出煤粉所含黏土矿物平均为4728%,WL1-001井、韩3-013井和韩3-032井产出煤粉的黏土矿物高于其他井产出煤粉的黏土矿物,这可能是由于WL1-001井、韩3-013井和韩3-032井的生产层段为3号、5号、11号煤层,而其他井生产层段仅为3号和11号煤层或11号煤层。根据韩城矿区象山矿井下5号煤层的宏观描述和煤层气井的测井资料,5号煤层含夹矸较多。所以,生产层段含5号煤层的煤层气井,产出的煤粉中黏土矿物含量高于生产层段不含5号煤层的煤层气。

结合排采阶段特征对表4-14中数据进行分析,发现排水降压阶段产出的煤粉中含黏土矿物为4480%,气水合采阶段产出的煤粉中含黏土矿物为5640%,稳产阶段产出的煤粉中含黏土矿物为5943%。因此,随着排采阶段的递进,产出的煤粉中黏土矿物的含量增高(魏迎春等,2013)。

工业分析就只要：外在水分，分析水分，灰分，挥发份，发热量，固定碳

以下是详细介绍

序号 术语名称 英文名称 定义 符号 允许使用

的同义词 停止使用

的同义词

231 工业分析 proximatanalysis 水分、灰分、挥发分和固定碳四个项目煤质分析的总称

232 外在水分 Freemoisture;

surfacemoisture 在一定条件下煤样与周

围空气湿度达到平衡时

所失去的水分 Mf

233 内在水分 moisture intheairdriedsemple moisture inthe analy sissample 在一定条件下煤样达到

空气干燥状态时所保持

的水分 Minh

234 全水分 TOTAL MOISTURE 煤的外在水分和内在水分的总和 Mt

235 空气干燥煤样水分 Moisture intheairdriedsample moisture in the analy sissample 用空气干燥煤样（粒度<02mm）在规定条件下测得的水分 Mad 分析煤样

水分

236 最高内在水分 Moisture holding capacity 煤样在温度0c、相对湿度96%下达到平衡时测得的内在水分 MHC

237 化合水 Water ofconstitution 以化学方式与矿物质结合的、在全水分测定后仍保留下来水分的

238 矿物质 Minera matter 赋存在煤中的无机物质 MM

239 灰分 ash 煤样在规定条件下完全燃烧后所得的残留物 A

2310 外来灰分 EXTRANEOUS ASH 由煤炭生产过程混入煤中的矿物质所形成的灰分

2311 内在灰分 INHERENT ASH 由原始成煤植物中的和由成煤过程进入的矿物质所形成的灰分

2312 碳酸盐二氧化碳 Carbonate carbon dioxide 煤中以碳酸盐形态存在的二氧化碳 CO2

2313 挥发分 VOLATILE MATTER 煤样在规定条件下隔绝空气加热，并进行水分校正后的质量损失 V

2314 焦渣特征 Characteristics of charresidue 煤样再测定挥发份后的残留物的粘结性柱状

2315 固定碳 Fixed carbon 从测定煤样的挥发份后的残渣中减去灰分后的残留物 FC

2316 燃料比 Fuel ratio 煤的固定碳和挥发分之比 FC/V

2317 有机硫 Organic sulfur 与煤的有机质相结合的硫 s

2318 无机硫 Inorganicsulfur;mineral sulfur 煤中矿物质内的硫化物硫、硫铁矿硫、硫酸盐硫和元素硫的总称 矿物质硫

2319 全硫 Total sulfur 煤中无机硫和有机硫的总和 St

2320 硫铁矿硫 Pyretic sulfnr 煤的矿物质中以黄铁矿或白铁矿形态存在的硫 S

2321 硫酸盐硫 Sulfate sulfur 煤的矿物质中以硫酸盐形态存在的硫 Ss

2322 固定硫 Fixed sulfur 煤热分解后残渣中的硫

2323 真相对密度 True relative density 在20Oc时煤（不包括煤的孔隙）的质量与同体积水的质量之比 TDR 真比重

2324 视相对密度 APPARENT RELATIVE DENSITY 在20OC时煤（包括煤的孔隙）的质量与同体积水的质量之比 ARD 视比重、

容重

2325 散密度 BULKDENS-ITY 容器中单位体积散状煤的质量 堆比重

2326 块密度 DENSITY OF LUMP 整块煤的单位体积质量 体重

2327 孔隙率 POROSITY 煤的毛细孔体积与煤的视体积（包括煤的孔隙）之比 孔隙度

2328 恒容高位发热量 GROSS CALORIFIC VALUE ATCON STANT OOLU ME 煤样在氧弹内燃烧时产生的热量减去硫和氮的校正值后的热值 Qgr,v

2329 恒容低位发热量 Net calor ific value at constant tvolu me 煤的恒容高位发热量减去煤样中水和燃烧时生成的水的蒸发潜热后的热值 Qnet,v

2330 元素分析 Ultimate analysis 碳、氢、氧、氮、硫五个项目煤质分析的总称

2331 煤中有害元素 Harmful elements in coal 煤中存在的、对任何生态有害的元素，通常指煤中砷、氟、氯、磷、硫、镉、汞、硌、铍、砣、铅等元素

2332 煤中微量元素 Trace elements in coal 在煤中以微量存在的元素如锗、镓、铀、钍、铍、镉、铬、铜、锰、镍、铅、锌等元素

2333 燃点 Ignition temperature 煤释放出足够的挥发分与周围大气形成可燃混合物的最低着火温度