第一节　煤的宏观特征和微观特征

煤是一种固体可燃有机岩，利用岩石学的方法研究煤的组成、结构、性质、成因及合理利用的科学称为煤岩学。煤岩学是煤地质学的一个分支，与古生物学、沉积岩石学、煤地球化学、煤工艺学和石油地质学等学科密切相关。它以显微镜为主要工具，兼用肉眼和其他技术手段，在20世纪初期广泛开展煤的研究，使煤岩学发展形成一门独立学科。它是研究和应用炼焦用煤的理论基础。在煤化学中，煤岩学的主要研究内容是煤的显微组分、显微类型和煤化作用等。

煤的岩石组成分为宏观煤岩组成和显微煤岩组成。利用肉眼、放大镜等简单工具进行粗略研究得到的煤岩组成称为宏观煤岩组成；利用显微镜作为主要工具进行精细研究得到的煤岩组成称为显微煤岩组成。

一、煤的宏观特征

（一）宏观煤岩成分

根据煤块的颜色、光泽、断口、裂隙、硬度等性质的不同，用肉眼可将煤分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种宏观煤岩成分，它们是煤中宏观可见的基本组成单位。其中镜煤和丝炭是简单的宏观煤岩成分，亮煤和暗煤是复杂的宏观煤岩成分。

1．镜煤

镜煤颜色最黑、光泽最亮，质地均匀、性脆，易碎成小立方块，具贝壳状断口，内生裂隙发育，垂直于条带，裂隙面呈眼球状。在煤层中镜煤常呈亮黑色玻璃状的透镜体或条带状，厚度不大，从数毫米至20mm，有时呈线理状夹杂在亮煤或暗煤中，但有明显的分界线。腐殖煤中镜煤分布最广。

在成煤过程中，镜煤是由成煤植物的木质纤维组织经凝胶化作用而形成的。在显微镜下观察，镜煤轮廓清楚，质地纯净，是一种单一的宏观煤岩成分。

2．亮煤

亮煤呈黑色，光泽仅次于镜煤，性质较脆，有时也有贝壳状断口。密度较小，均一程度、亮度和裂隙不如镜煤。亮煤是煤中最常见的宏观煤岩成分，在煤层中呈较厚的分层或透镜状出现。

在显微镜下观察，亮煤的组成比较复杂，以镜质组为主，还含有不同数量的丝炭化组分及稳定组分。

3．暗煤

暗煤是光泽暗淡、坚硬、表面粗糙的宏观煤岩成分，呈灰黑色，内生裂隙不发育，密度大，坚硬且有韧性。暗煤层理不清晰，呈粒状结构，端口粗糙。暗煤和亮煤的主要不同在于暗煤中含有较多的惰质组、壳质组和矿物质。

在显微镜下观察，暗煤的组成比较复杂、非均一，镜质组组分较少，矿物质含量较高。

4．丝炭

丝炭也称纤维炭，外观像木炭，颜色灰黑，具有明显的纤维状结构和微弱的丝绢光泽。丝炭疏松多孔，性脆易碎，易染手。在煤层中，丝炭一般数量不多，常呈扁平透镜体状或不连续的薄层沿煤的层面分布。

在成煤过程中，丝炭是由成煤植物的木质纤维组织经丝炭化作用形成的，在显微镜下观察，丝炭具有明显的植物细胞结构。

（二）宏观煤岩类型

宏观煤岩成分是煤岩分类的基本组成单位，其中镜煤和丝炭常以细小的透镜体或不规则的薄层出现，亮煤、暗煤虽然分层较厚，但是常互相过渡，界线不明显，特别是有些煤层的宏观煤岩成分频繁交替。通常根据煤的平均光泽强度、各种煤岩成分的数量比例和组合情况来划分宏观煤岩类型，用宏观煤岩类型作为观测、描述煤层的单位。依据煤同一剖面上相同煤化程度的平均光泽强度，将其划分为光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤四种宏观煤岩类型。

1．光亮煤

光亮煤主要由镜煤和亮煤组成，含量大于75％以上，只含有少量的暗煤和丝炭的透镜体或薄层，在四种煤岩类型中光泽最强，由于质地较均一，条带状结构不明显。光亮煤常具有贝壳状断口，内生裂隙发育，脆性大，机械强度低，易破碎。中变质阶段的光亮煤黏结性强，是最好的炼焦用煤。

2．半亮煤

半亮煤中镜煤和亮煤的含量占50％～75％，主要以亮煤为主，其余为暗煤，也可夹有少量丝炭，平均光泽比光亮煤稍弱。半亮煤的特点是条带状结构明显，内生裂隙发育，断口为棱角状或阶梯状，是最常见的一种宏观煤岩类型。中变质阶段的半亮煤黏结较好。

3．半暗煤

半暗煤中镜煤和亮煤的含量占25％～50％，由暗煤和亮煤组成，常以暗煤为主，有时夹有镜煤和丝炭纹理、细条带或透镜体。半暗型煤的主要特点是光泽较暗淡，硬度和密度较大，内生裂隙不发育，断口参差不齐。

4．暗淡煤

暗淡煤主要由暗煤组成，镜煤和亮煤含量低于25％，有时有少量镜煤、亮煤和丝炭。暗淡煤光泽暗淡，通常呈块状构造，煤质坚硬，密度大，内生裂隙不发育，条带状结构不明显。与其他宏观煤岩类型相比，暗淡煤的矿物质含量往往最高，煤质多数很差。

在煤层中，各种宏观煤岩类型的分层，往往多次交替出现，研究煤层需逐层进行观察并分层取样。

二、煤的微观特征

煤的显微组分，是指在显微镜下能够区分和辨识的煤的基本组成成分。按其成分和性质又可分为有机显微组分和无机显微组分两大类。

1．煤的有机显微组分

煤的有机显微组分是指煤在显微镜下能识别的有机质的基本单位，是指煤中由植物有机质转变而成的组分。目前，根据中国制定的烟煤显微组分分类方案（见表2-1），将腐殖煤的有机显微组分基本上分为三类，即镜质组（凝胶化组分）、惰质组（丝炭化组分）和壳质组（稳定组分），按其镜下特征，可以进一步分为若干组分或亚组分。

（1）镜质组

①镜质组来源　镜质组是在泥炭化作用和成岩作用中，由成煤植物的木质纤维组织，经凝胶化作用形成的，是煤中最主要的显微组分。

②镜下特征　在透射光下呈橙红色，透明或半透明，较均一，不含或少含矿物质，见垂直裂纹。在普通反射光下呈灰色，油浸反射光下呈深灰色，无突起。几种镜质体结构见图2-1～图2-3。

③镜质组分类　根据凝胶化程度的不同，凝胶化组分又分为结构镜质体、无结构镜质体和碎屑体。

【知识拓展】凝胶化作用一般发生在弱氧化以至还原环境中，表现为沼泽中水流停滞，且覆水深度不太大。凝胶化过程中植物的细胞壁吸水膨胀，细胞腔逐渐缩小以至消失，形成了凝胶化物质。凝胶化作用中发生的变化包括两个方面：一方面是在厌氧细菌的参与下，植物的木质纤维组织发生生物化学变化形成腐殖酸、沥青质等；另一方面是植物的木质纤维组织在沼泽水的浸泡下，吸水膨胀，发生胶体化学变化，使细胞腔逐渐缩小，直至失去细胞结构成为凝胶体。

（2）惰质组

①惰质组来源　惰质组是由成煤植物的木质纤维组织经过丝炭化作用形成的。

②镜下特征　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，见图2-4、图2-5。

③惰质组分类　由于丝炭化程度不同，细胞结构和形态特征也不同，丝炭化组分可细分为丝炭、半丝质体粗粒体、微粒体、粗粒体、菌类体等。

【知识拓展】丝炭化组分有两种：一种是木质纤维组织在泥炭表面积水较少、湿度不足的条件下经脱水和缓慢氧化作用，使细胞壁逐渐炭化形成的；另一种是植物沼泽发生火灾后，植物残体被烧焦，变成类似木炭的炭化物质，沉入地下转化而成的。丝炭化组分也是煤中比较常见的一种显微组分。

（3）壳质组

①壳质组来源　壳质组主要是由植物有机组分中的角质层、孢粉、树脂等化学性质稳定的物质经煤化作用而形成的。在煤中的含量不多，在成煤过程中几乎没有发生质的变化，其原始形态特征保存完好，显微镜下较容易辨认。

②镜下特征　透射光下透明到半透明，呈黄色或橙红色，轮廓清晰，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，见图2-6。

③壳质组分类　根据原始物质的不同，稳定组分可细分为木栓体、角质体、树脂体、孢子体和花粉体等组分。

研究表明，煤的有机显微组分与煤的宏观煤岩成分关系非常密切。其中镜煤由单一成分组成，镜煤基本上由镜质组组成；丝炭基本上由惰质组组成；亮煤和暗煤由3种显微组分以不同的比例组合而成，亮煤中镜质组含量较高，暗煤中惰质组和壳质组含量较高。煤岩有机显微组分与宏观煤岩组分之间的关系如图2-7所示。

2．煤的无机显微组分

煤的无机显微组分是指在显微镜下可以观察到的煤中矿物质。其主要来源于成煤过程中混入煤中的矿物质；另外成煤植物体内的无机成分也可转入煤中成为无机显微组分，但数量很少。煤中常见的矿物质主要包括：黏土类矿物、硫化物类矿物、氧化物类矿物和碳酸盐类矿物，煤中常见矿物种类见表2-2。

实际上，煤都不是由单一的显微组分组成的，而是由多种显微组分以不同的比例混合在一起组合而成的。

3．显微煤岩类型

显微煤岩类型是指显微镜下所见各组显微组分的典型组合。国际煤岩学委员会规定的显微煤岩类型包括单组分、双组分和三组分3类，又将显微煤岩类型组分为微镜煤、微稳定煤、微惰性煤、微亮煤、微镜惰煤、微暗煤和微三组混合煤，常用于评价煤的工艺性质。

4．显微组分的定量分析

因为划分显微煤岩类型要依据各种显微组分在煤中的含量，所以需要详细统计各种显微组分的数量，即进行显微组分的定量分析。煤岩显微组分定量分析常用的方法是计点法，所使用的设备是电动求积仪，计算公式为：

式中　w（x）——某种显微组分的质量分数，％；

n——某种显微组分统计出的总点数；

N——煤片中各种显微组分点数的总和。

根据显微组分的定量分析数据，可以预测煤的工艺性质，为煤的加工、利用提供技术依据。

5．煤岩显微组分的化学组成和工艺性质

（1）化学组成　研究表明，同一种煤中各种显微组分（镜质组、惰质组、壳质组）的化学组成、物理性质都有较大差异，呈规律性变化；另外，随煤化程度的增高，同一种显微组分的化学组成、物理性质也发生规律性变化。三种显微组分的化学组成和其他性质见表2-3。

注：Rmax为镜质组最大反射率。

由表2-3可见，在同一煤化程度的煤中，在碳含量方面，惰质组>壳质组>镜质组；在氢含量方面，壳质组>镜质组>惰质组；在密度方面，惰质组>镜质组>壳质组；在挥发分方面，壳质组>镜质组>惰质组；在反射率方面，惰质组>镜质组>壳质组。

在不同煤化程度的煤中，随着煤化程度增高，各种显微组分的碳含量增加，氢含量和挥发分减少，密度和反射率增大。另外还可看出，随着煤化程度的增高，各种显微组分的化学组成、物理性质的差异在逐渐缩小。

（2）工艺性质　黏结性是指煤在干馏时黏结其本身或外加惰性物质的能力，是炼焦煤的一个重要工艺性质。在煤热解过程中，镜质组的黏结性和膨胀性良好，壳质组表现出良好的流动性，而且软化温度低，是炼焦过程中的活性组分；惰质组在热解过程中既不软化，也不产生胶质体，属于惰性组分。因此，当煤化程度相同时，煤中镜质组和壳质组含量越高，煤的黏结性越好，煤中惰质组含量越高煤的黏结性越差。

三、煤岩学的应用

对煤的岩相组成的研究，不仅是研究煤的成因、性质及其变化规律的基本手段，同时在生产中的应用日益广泛，对指导煤田的勘探和开采、预测煤的可选性、进行煤的分类、指导炼焦配煤等方面发挥着重要作用。

1．在选煤中的应用

选煤是煤炭加工的一种重要方法，其主要目的是力求排除原煤中的矿物杂质，使选后精煤的灰分、硫、磷等有害杂质含量降到能满足炼焦等工业用煤的要求。主要是利用煤中有机组分与无机组分（矿物质）之间密度和表面性质不同的特点来确定选煤方法和工艺流程的。

原煤的可选性（或者分选的难易）取决于煤岩组成、原煤中矿物性质、赋存状态及数量等。把原煤制成光片可直接看到矿物质在煤中的赋存状态、种类、形态、数量、颗粒大小及其与有机质的结合关系等，并以此判断煤的可选性，为选择合理的破碎粒度、制定适宜的选煤工艺和流程提供技术依据。

各种宏观煤岩成分的密度不同，影响煤的可选性。镜煤和亮煤中含矿物杂质少、密度小，煤的可选性好，精煤产率高；而暗煤和丝炭中含矿物杂质多、密度大，煤的可选性就较差，且精煤产率也较低。通过煤岩鉴定，不仅能判断煤的可选性，还可了解影响煤的可选性的因素。

2．在配煤炼焦方面的应用

不同煤岩成分的黏结性不同，利用煤岩学的研究方法，使用少量的试样就可以判断煤的黏结性，指导炼焦配煤煤种和配比的选择，避免半工业性和工业性试验所造成的人力、物力的浪费。一个比较好的配煤方案，实际上是各种活性组分和一定质量的惰性组分比例恰当的组合。利用煤岩显微组成和反射率等基础数据，可以初步确定炼焦配煤的最佳范围，并可预测焦炭质量。

3．进行煤的分类

为了正确评价煤质，使煤炭得到合理的开发、分配和利用，必须选择有效的煤质指标，将煤炭进行分类。利用煤的镜质组反射率和惰性组分（或活性组分）含量这两个指标进行煤的分类，属于目前煤炭工业一常用分类方法。因为镜质组反射率可以确切地反映煤化程度，而惰性组分含量可以反映煤的工艺性质。

4．在煤田地质勘探中的应用

在煤田地质勘探中，钻探所取的煤芯煤样很少，不可能进行全面的工业分析、元素分析和工艺性质试验，但可利用少量煤样通过煤岩学的研究方法进行煤层及各分层的对比，从而进一步确定煤田地质构造、计算储量和评价煤质。

5．在煤质评价方面的应用

从煤岩学的观点考虑，影响煤质的因素主要有煤岩组成和煤化程度。研究表明，同一煤系煤化程度相同的煤层，由于煤岩组成不同，煤的工艺性质出现明显差异。

6．富集煤中的稀散元素

研究发现，在煤中伴生着很多种稀散元素，锗就是其中之一。锗是优质的半导体材料，在工业上的用途非常广泛，锗的提取和回收也是煤综合利用的一个方面。中国曾用煤岩学和化学相结合的方法，研究含锗煤层中锗的富集规律，结果发现锗是富集在镜质组中，而不是富集在矿物质中，并且在靠近煤层顶板和底板的镜质组中锗的含量更高。由于锗主要富集在镜质组中，可以通过煤炭洗选或筛选等方法，使镜质组与其他成分分离，达到富集锗的目的。

7．预测煤的液化性能

对某些煤进行加氢反应，可使煤的一部分转化为液体燃料。煤加氢液化的转化率与煤化程度和煤岩组成密切相关。研究发现，在煤的有机显微组分中，加氢的活性顺序为：镜质组>壳质组>惰质组，所以加氢反应的活性组分是指低煤化程度煤中的镜质组和壳质组。一般认为煤的碳含量超过89％时，即便是活性组分，加氢液化也很困难，而碳含量在82％～84％时，加氢液化的转化率最高。在中国，镜质组最大反射率为0.35％～0.89％的低煤化程度煤，是最好的液化用煤。

小结

测试题

一、填空题

1．腐殖煤的宏观煤岩成分类型分别为（　）、（　）、（　）和（　）。

2．按煤的光泽将其分为（　）、（　）、（　）和（　）。

3．煤的显微结构可分为有机显微结构和无机显微结构，有机显微结构组分包括（　）、（　）和（　），无机显微结构组分包括（　）、（　）、（　）、（　）和（　）。

4．煤定量分析的常用方法（　），所用的仪器为（　），计算公式为（　）。

二、简答题

1．根据表2-3回答问题，在同一煤化程度的煤中，比较三种显微组分在C、H含量、密度、挥发分、反射率等方面的差异。煤化程度不同，各显微组分随碳含量增加，其他物理量是怎么变化的？

2．简述煤岩有机显微成分与宏观煤岩成分之间的关系。

3．简述煤岩显微机构的工艺性质。