第一節　煤的宏觀特征和微觀特征

煤是一種固體可燃有機巖，利用巖石學的方法研究煤的組成、結構、性質、成因及合理利用的科學稱為煤巖學。煤巖學是煤地質學的一個分支，與古生物學、沉積巖石學、煤地球化學、煤工藝學和石油地質學等學科密切相關。它以顯微鏡為主要工具，兼用肉眼和其他技術手段，在20世紀初期廣泛開展煤的研究，使煤巖學發展形成一門獨立學科。它是研究和應用煉焦用煤的理論基礎。在煤化學中，煤巖學的主要研究內容是煤的顯微組分、顯微類型和煤化作用等。

煤的巖石組成分為宏觀煤巖組成和顯微煤巖組成。利用肉眼、放大鏡等簡單工具進行粗略研究得到的煤巖組成稱為宏觀煤巖組成；利用顯微鏡作為主要工具進行精細研究得到的煤巖組成稱為顯微煤巖組成。

一、煤的宏觀特征

（一）宏觀煤巖成分

根據煤塊的顏色、光澤、斷口、裂隙、硬度等性質的不同，用肉眼可將煤分為鏡煤、亮煤、暗煤和絲炭四種宏觀煤巖成分，它們是煤中宏觀可見的基本組成單位。其中鏡煤和絲炭是簡單的宏觀煤巖成分，亮煤和暗煤是復雜的宏觀煤巖成分。

1．鏡煤

鏡煤顏色最黑、光澤最亮，質地均勻、性脆，易碎成小立方塊，具貝殼狀斷口，內生裂隙發育，垂直于條帶，裂隙面呈眼球狀。在煤層中鏡煤常呈亮黑色玻璃狀的透鏡體或條帶狀，厚度不大，從數毫米至20mm，有時呈線理狀夾雜在亮煤或暗煤中，但有明顯的分界線。腐殖煤中鏡煤分布最廣。

在成煤過程中，鏡煤是由成煤植物的木質纖維組織經凝膠化作用而形成的。在顯微鏡下觀察，鏡煤輪廓清楚，質地純凈，是一種單一的宏觀煤巖成分。

2．亮煤

亮煤呈黑色，光澤僅次于鏡煤，性質較脆，有時也有貝殼狀斷口。密度較小，均一程度、亮度和裂隙不如鏡煤。亮煤是煤中最常見的宏觀煤巖成分，在煤層中呈較厚的分層或透鏡狀出現。

在顯微鏡下觀察，亮煤的組成比較復雜，以鏡質組為主，還含有不同數量的絲炭化組分及穩定組分。

3．暗煤

暗煤是光澤暗淡、堅硬、表面粗糙的宏觀煤巖成分，呈灰黑色，內生裂隙不發育，密度大，堅硬且有韌性。暗煤層理不清晰，呈粒狀結構，端口粗糙。暗煤和亮煤的主要不同在于暗煤中含有較多的惰質組、殼質組和礦物質。

在顯微鏡下觀察，暗煤的組成比較復雜、非均一，鏡質組組分較少，礦物質含量較高。

4．絲炭

絲炭也稱纖維炭，外觀像木炭，顏色灰黑，具有明顯的纖維狀結構和微弱的絲絹光澤。絲炭疏松多孔，性脆易碎，易染手。在煤層中，絲炭一般數量不多，常呈扁平透鏡體狀或不連續的薄層沿煤的層面分布。

在成煤過程中，絲炭是由成煤植物的木質纖維組織經絲炭化作用形成的，在顯微鏡下觀察，絲炭具有明顯的植物細胞結構。

（二）宏觀煤巖類型

宏觀煤巖成分是煤巖分類的基本組成單位，其中鏡煤和絲炭常以細小的透鏡體或不規則的薄層出現，亮煤、暗煤雖然分層較厚，但是?；ハ噙^渡，界線不明顯，特別是有些煤層的宏觀煤巖成分頻繁交替。通常根據煤的平均光澤強度、各種煤巖成分的數量比例和組合情況來劃分宏觀煤巖類型，用宏觀煤巖類型作為觀測、描述煤層的單位。依據煤同一剖面上相同煤化程度的平均光澤強度，將其劃分為光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤四種宏觀煤巖類型。

1．光亮煤

光亮煤主要由鏡煤和亮煤組成，含量大于75％以上，只含有少量的暗煤和絲炭的透鏡體或薄層，在四種煤巖類型中光澤最強，由于質地較均一，條帶狀結構不明顯。光亮煤常具有貝殼狀斷口，內生裂隙發育，脆性大，機械強度低，易破碎。中變質階段的光亮煤黏結性強，是最好的煉焦用煤。

2．半亮煤

半亮煤中鏡煤和亮煤的含量占50％～75％，主要以亮煤為主，其余為暗煤，也可夾有少量絲炭，平均光澤比光亮煤稍弱。半亮煤的特點是條帶狀結構明顯，內生裂隙發育，斷口為棱角狀或階梯狀，是最常見的一種宏觀煤巖類型。中變質階段的半亮煤黏結較好。

3．半暗煤

半暗煤中鏡煤和亮煤的含量占25％～50％，由暗煤和亮煤組成，常以暗煤為主，有時夾有鏡煤和絲炭紋理、細條帶或透鏡體。半暗型煤的主要特點是光澤較暗淡，硬度和密度較大，內生裂隙不發育，斷口參差不齊。

4．暗淡煤

暗淡煤主要由暗煤組成，鏡煤和亮煤含量低于25％，有時有少量鏡煤、亮煤和絲炭。暗淡煤光澤暗淡，通常呈塊狀構造，煤質堅硬，密度大，內生裂隙不發育，條帶狀結構不明顯。與其他宏觀煤巖類型相比，暗淡煤的礦物質含量往往最高，煤質多數很差。

在煤層中，各種宏觀煤巖類型的分層，往往多次交替出現，研究煤層需逐層進行觀察并分層取樣。

二、煤的微觀特征

煤的顯微組分，是指在顯微鏡下能夠區分和辨識的煤的基本組成成分。按其成分和性質又可分為有機顯微組分和無機顯微組分兩大類。

1．煤的有機顯微組分

煤的有機顯微組分是指煤在顯微鏡下能識別的有機質的基本單位，是指煤中由植物有機質轉變而成的組分。目前，根據中國制定的煙煤顯微組分分類方案（見表2-1），將腐殖煤的有機顯微組分基本上分為三類，即鏡質組（凝膠化組分）、惰質組（絲炭化組分）和殼質組（穩定組分），按其鏡下特征，可以進一步分為若干組分或亞組分。

（1）鏡質組

①鏡質組來源　鏡質組是在泥炭化作用和成巖作用中，由成煤植物的木質纖維組織，經凝膠化作用形成的，是煤中最主要的顯微組分。

②鏡下特征　在透射光下呈橙紅色，透明或半透明，較均一，不含或少含礦物質，見垂直裂紋。在普通反射光下呈灰色，油浸反射光下呈深灰色，無突起。幾種鏡質體結構見圖2-1～圖2-3。

③鏡質組分類　根據凝膠化程度的不同，凝膠化組分又分為結構鏡質體、無結構鏡質體和碎屑體。

【知識拓展】凝膠化作用一般發生在弱氧化以至還原環境中，表現為沼澤中水流停滯，且覆水深度不太大。凝膠化過程中植物的細胞壁吸水膨脹，細胞腔逐漸縮小以至消失，形成了凝膠化物質。凝膠化作用中發生的變化包括兩個方面：一方面是在厭氧細菌的參與下，植物的木質纖維組織發生生物化學變化形成腐殖酸、瀝青質等；另一方面是植物的木質纖維組織在沼澤水的浸泡下，吸水膨脹，發生膠體化學變化，使細胞腔逐漸縮小，直至失去細胞結構成為凝膠體。

（2）惰質組

①惰質組來源　惰質組是由成煤植物的木質纖維組織經過絲炭化作用形成的。

②鏡下特征　透射光下呈黑色，不透明；反射光下突起高，呈白色；油浸反射光下呈亮白色，見圖2-4、圖2-5。

③惰質組分類　由于絲炭化程度不同，細胞結構和形態特征也不同，絲炭化組分可細分為絲炭、半絲質體粗粒體、微粒體、粗粒體、菌類體等。

【知識拓展】絲炭化組分有兩種：一種是木質纖維組織在泥炭表面積水較少、濕度不足的條件下經脫水和緩慢氧化作用，使細胞壁逐漸炭化形成的；另一種是植物沼澤發生火災后，植物殘體被燒焦，變成類似木炭的炭化物質，沉入地下轉化而成的。絲炭化組分也是煤中比較常見的一種顯微組分。

（3）殼質組

①殼質組來源　殼質組主要是由植物有機組分中的角質層、孢粉、樹脂等化學性質穩定的物質經煤化作用而形成的。在煤中的含量不多，在成煤過程中幾乎沒有發生質的變化，其原始形態特征保存完好，顯微鏡下較容易辨認。

②鏡下特征　透射光下透明到半透明，呈黃色或橙紅色，輪廓清晰，外形特殊。普通反射光下大多有突起，呈深灰色，油浸反射光下呈灰黑色或黑灰色，見圖2-6。

③殼質組分類　根據原始物質的不同，穩定組分可細分為木栓體、角質體、樹脂體、孢子體和花粉體等組分。

研究表明，煤的有機顯微組分與煤的宏觀煤巖成分關系非常密切。其中鏡煤由單一成分組成，鏡煤基本上由鏡質組組成；絲炭基本上由惰質組組成；亮煤和暗煤由3種顯微組分以不同的比例組合而成，亮煤中鏡質組含量較高，暗煤中惰質組和殼質組含量較高。煤巖有機顯微組分與宏觀煤巖組分之間的關系如圖2-7所示。

2．煤的無機顯微組分

煤的無機顯微組分是指在顯微鏡下可以觀察到的煤中礦物質。其主要來源于成煤過程中混入煤中的礦物質；另外成煤植物體內的無機成分也可轉入煤中成為無機顯微組分，但數量很少。煤中常見的礦物質主要包括：黏土類礦物、硫化物類礦物、氧化物類礦物和碳酸鹽類礦物，煤中常見礦物種類見表2-2。

實際上，煤都不是由單一的顯微組分組成的，而是由多種顯微組分以不同的比例混合在一起組合而成的。

3．顯微煤巖類型

顯微煤巖類型是指顯微鏡下所見各組顯微組分的典型組合。國際煤巖學委員會規定的顯微煤巖類型包括單組分、雙組分和三組分3類，又將顯微煤巖類型組分為微鏡煤、微穩定煤、微惰性煤、微亮煤、微鏡惰煤、微暗煤和微三組混合煤，常用于評價煤的工藝性質。

4．顯微組分的定量分析

因為劃分顯微煤巖類型要依據各種顯微組分在煤中的含量，所以需要詳細統計各種顯微組分的數量，即進行顯微組分的定量分析。煤巖顯微組分定量分析常用的方法是計點法，所使用的設備是電動求積儀，計算公式為：

式中　w（x）——某種顯微組分的質量分數，％；

n——某種顯微組分統計出的總點數；

N——煤片中各種顯微組分點數的總和。

根據顯微組分的定量分析數據，可以預測煤的工藝性質，為煤的加工、利用提供技術依據。

5．煤巖顯微組分的化學組成和工藝性質

（1）化學組成　研究表明，同一種煤中各種顯微組分（鏡質組、惰質組、殼質組）的化學組成、物理性質都有較大差異，呈規律性變化；另外，隨煤化程度的增高，同一種顯微組分的化學組成、物理性質也發生規律性變化。三種顯微組分的化學組成和其他性質見表2-3。

注：Rmax為鏡質組最大反射率。

由表2-3可見，在同一煤化程度的煤中，在碳含量方面，惰質組>殼質組>鏡質組；在氫含量方面，殼質組>鏡質組>惰質組；在密度方面，惰質組>鏡質組>殼質組；在揮發分方面，殼質組>鏡質組>惰質組；在反射率方面，惰質組>鏡質組>殼質組。

在不同煤化程度的煤中，隨著煤化程度增高，各種顯微組分的碳含量增加，氫含量和揮發分減少，密度和反射率增大。另外還可看出，隨著煤化程度的增高，各種顯微組分的化學組成、物理性質的差異在逐漸縮小。

（2）工藝性質　黏結性是指煤在干餾時黏結其本身或外加惰性物質的能力，是煉焦煤的一個重要工藝性質。在煤熱解過程中，鏡質組的黏結性和膨脹性良好，殼質組表現出良好的流動性，而且軟化溫度低，是煉焦過程中的活性組分；惰質組在熱解過程中既不軟化，也不產生膠質體，屬于惰性組分。因此，當煤化程度相同時，煤中鏡質組和殼質組含量越高，煤的黏結性越好，煤中惰質組含量越高煤的黏結性越差。

三、煤巖學的應用

對煤的巖相組成的研究，不僅是研究煤的成因、性質及其變化規律的基本手段，同時在生產中的應用日益廣泛，對指導煤田的勘探和開采、預測煤的可選性、進行煤的分類、指導煉焦配煤等方面發揮著重要作用。

1．在選煤中的應用

選煤是煤炭加工的一種重要方法，其主要目的是力求排除原煤中的礦物雜質，使選后精煤的灰分、硫、磷等有害雜質含量降到能滿足煉焦等工業用煤的要求。主要是利用煤中有機組分與無機組分（礦物質）之間密度和表面性質不同的特點來確定選煤方法和工藝流程的。

原煤的可選性（或者分選的難易）取決于煤巖組成、原煤中礦物性質、賦存狀態及數量等。把原煤制成光片可直接看到礦物質在煤中的賦存狀態、種類、形態、數量、顆粒大小及其與有機質的結合關系等，并以此判斷煤的可選性，為選擇合理的破碎粒度、制定適宜的選煤工藝和流程提供技術依據。

各種宏觀煤巖成分的密度不同，影響煤的可選性。鏡煤和亮煤中含礦物雜質少、密度小，煤的可選性好，精煤產率高；而暗煤和絲炭中含礦物雜質多、密度大，煤的可選性就較差，且精煤產率也較低。通過煤巖鑒定，不僅能判斷煤的可選性，還可了解影響煤的可選性的因素。

2．在配煤煉焦方面的應用

不同煤巖成分的黏結性不同，利用煤巖學的研究方法，使用少量的試樣就可以判斷煤的黏結性，指導煉焦配煤煤種和配比的選擇，避免半工業性和工業性試驗所造成的人力、物力的浪費。一個比較好的配煤方案，實際上是各種活性組分和一定質量的惰性組分比例恰當的組合。利用煤巖顯微組成和反射率等基礎數據，可以初步確定煉焦配煤的最佳范圍，并可預測焦炭質量。

3．進行煤的分類

為了正確評價煤質，使煤炭得到合理的開發、分配和利用，必須選擇有效的煤質指標，將煤炭進行分類。利用煤的鏡質組反射率和惰性組分（或活性組分）含量這兩個指標進行煤的分類，屬于目前煤炭工業一常用分類方法。因為鏡質組反射率可以確切地反映煤化程度，而惰性組分含量可以反映煤的工藝性質。

4．在煤田地質勘探中的應用

在煤田地質勘探中，鉆探所取的煤芯煤樣很少，不可能進行全面的工業分析、元素分析和工藝性質試驗，但可利用少量煤樣通過煤巖學的研究方法進行煤層及各分層的對比，從而進一步確定煤田地質構造、計算儲量和評價煤質。

5．在煤質評價方面的應用

從煤巖學的觀點考慮，影響煤質的因素主要有煤巖組成和煤化程度。研究表明，同一煤系煤化程度相同的煤層，由于煤巖組成不同，煤的工藝性質出現明顯差異。

6．富集煤中的稀散元素

研究發現，在煤中伴生著很多種稀散元素，鍺就是其中之一。鍺是優質的半導體材料，在工業上的用途非常廣泛，鍺的提取和回收也是煤綜合利用的一個方面。中國曾用煤巖學和化學相結合的方法，研究含鍺煤層中鍺的富集規律，結果發現鍺是富集在鏡質組中，而不是富集在礦物質中，并且在靠近煤層頂板和底板的鏡質組中鍺的含量更高。由于鍺主要富集在鏡質組中，可以通過煤炭洗選或篩選等方法，使鏡質組與其他成分分離，達到富集鍺的目的。

7．預測煤的液化性能

對某些煤進行加氫反應，可使煤的一部分轉化為液體燃料。煤加氫液化的轉化率與煤化程度和煤巖組成密切相關。研究發現，在煤的有機顯微組分中，加氫的活性順序為：鏡質組>殼質組>惰質組，所以加氫反應的活性組分是指低煤化程度煤中的鏡質組和殼質組。一般認為煤的碳含量超過89％時，即便是活性組分，加氫液化也很困難，而碳含量在82％～84％時，加氫液化的轉化率最高。在中國，鏡質組最大反射率為0.35％～0.89％的低煤化程度煤，是最好的液化用煤。

小結

測試題

一、填空題

1．腐殖煤的宏觀煤巖成分類型分別為（?。ⅲā。ⅲā。┖停ā。?/p>

2．按煤的光澤將其分為（　）、（?。?、（?。┖停ā。?。

3．煤的顯微結構可分為有機顯微結構和無機顯微結構，有機顯微結構組分包括（?。?、（?。┖停ā。瑹o機顯微結構組分包括（?。?、（?。ⅲā。?、（?。┖停ā。?/p>

4．煤定量分析的常用方法（?。?，所用的儀器為（　），計算公式為（?。?。

二、簡答題

1．根據表2-3回答問題，在同一煤化程度的煤中，比較三種顯微組分在C、H含量、密度、揮發分、反射率等方面的差異。煤化程度不同，各顯微組分隨碳含量增加，其他物理量是怎么變化的？

2．簡述煤巖有機顯微成分與宏觀煤巖成分之間的關系。

3．簡述煤巖顯微機構的工藝性質。