煤体结构特征
(一)韩城区块煤体结构类型划分
煤体结构一般被用于描述煤体受到地质应力作用所导致的宏观差异与微观差异。通常在后期构造演化过程中宏观构造和微观结构不变的煤称为原生结构煤。在后期地质演化作用下,受应力作用影响,使得煤体本身原生的宏观结构发生改变并形成各种不同的次生结构、煤体本身发生各种物理-化学变化的煤称为构造煤(袁崇孚,1986王恩营等,2008)。几十年来,人们从煤的形态、结构、成因、物理力学性质等角度出发,对煤体结构类型进行了一系列的划分(陈善庆,1989李康等,1992曹代勇等,2003,2012a琚宜文等,2004,2009张玉贵等,2008王恩营等,2009李小明,2007屈争辉,2011)。袁崇孚(1986)从瓦斯防治角度将煤体结构类型划分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。琚宜文等(2004)从破坏程度、变形机制等多个角度对构造煤分类,在详细研究沁水盆地和两淮煤田构造煤的基础上,结合前人研究成果,扩展了构造煤的概念,提出了构造煤的结构-成因分类方案,将构造煤分为脆性变形、脆韧性变形和韧性变形3个序列的10类煤。然而,不同区域内,煤本身的成煤环境存在很大的差异,地质演化历史不同,受构造作用的影响也不同。因此,不同区域内煤体结构的划分应与该区本身的构造演化特征相匹配,具有自身的独特性。韩城区块受燕山期和喜马拉雅期构造运动等多期地质作用的影响,煤层变形明显、煤体结构复杂、构造煤类型多样。本书通过对区块内煤岩样品特征的宏观描述(包括煤的硬度与脆度、煤的断口、煤的裂隙发育状况、煤的结构、构造以及宏观煤岩组分等特征)并结合前人的研究成果(王双明,2008),以煤岩变形机制和煤体宏观构造、微观结构为基础,将煤体结构划分为4种类型,即原生结构煤、碎裂煤、鳞片煤和碎粒煤(图3-4)。
图3-4 研究区4种煤体结构类型
(1)原生结构煤:以半亮型煤为主,次为光亮型,光泽鲜亮,形态完整,结构均一致密,层状构造,层理清晰可见,质硬,不易破碎,敲击呈块状破碎,呈贝壳状、阶梯状断口,内、外生裂隙不发育。
(2)碎裂煤:以半亮型煤为主,光泽较亮,呈次生碎裂结构,层状构造,层理清晰可见,较易沿裂隙、节理面破裂,呈块状碎裂,断口多平整,外生裂隙和割理发育。
(3)鳞片煤:以半暗型煤为主,次为半亮型,层理不可见,次生鳞片状构造,鳞片呈层叠状,鳞片皆平行滑动方向定向层叠状排列,鳞片大多煤煤质松软,手捻易碎成片状或细粒状,裂隙和割理不发育。
(4)碎粒煤:以半暗型煤为主,次为暗淡型煤,煤体破坏严重,原生结构已完全消失,煤体呈次生碎粒结构,不同粒度的颗粒混杂堆积,一般为1～3mm的细小颗粒,煤岩全部碎粒化,煤质疏松,易碎,不同方向的小裂隙发育(表3-3)。
表3-3 韩城区块煤体结构类型划分表
结合区域地质构造分析,韩城区块由北向南发育3个主要的断裂带:薛峰北断裂带、东泽村断裂带、前高断裂带。受区域构造运动的影响,地应力由东西向转变为近南北向,煤层在构造应力作用下发生变形,形成不同类型的构造煤。通过对韩城象山矿井下原位3号、5号和11号煤岩煤体结构进行观察描述可知,3号煤的煤体结构相对简单,除原生结构煤外还有少量鳞片煤,11号煤的煤体结构稍复杂,除原生结构煤外还伴生有碎粒煤和碎裂煤,而5号煤的煤体结构复杂,四种煤体结构煤均有分布。对韩城象山矿3号、5号和11号煤煤体结构发育情况进行统计可知(表3-4),构造煤总厚度占煤层总厚度的46%。由于构造煤属于软煤,机械强度低,构造煤本身含有大量的原生煤粉,后期遭受应力破坏更易形成次生煤粉,因此,煤体结构类型是决定煤粉产出的重要因素。考虑到不同煤体结构煤对煤粉产出的影响程度不同,把原生结构煤、碎裂煤、鳞片煤和碎粒煤划为三类,Ⅰ类煤为原生结构煤、Ⅱ类煤为碎裂煤、Ⅲ类煤为鳞片煤和碎粒煤。其中,Ⅲ类煤(鳞片煤与碎粒煤)对煤粉产出的影响最大。由于Ⅲ类煤具有低强度、低渗透率、微孔隙、比表面积大等特点,煤体结构破碎程度极大,最易形成煤粉颗粒,是煤粉产出的重要来源,而原生结构煤产生的煤粉相对较少(Xueshen Zhu et al.,2013)。
表3-4 3号、5号和11号煤层中不同煤体结构类型厚度统计表
煤层结构一般分为简单、较简单、较复杂、复杂四种类型。
一般来说，简单结构不含矸石或仅局部含矸石层，较简单煤层一般含1层夹矸，矸厚小于可采厚度的5%，较复杂煤层一般含1-2层夹矸，单层矸厚较小，厚度一般小于3cm，矸石总厚不能超过煤层厚度，复杂结构煤层指含矸石2层以上，且厚度大。
多出现在厚煤层以上。另有些缺煤地区煤层结构分为极复杂，对应的夹矸为复煤层，即煤层的全层厚度大，夹矸层数多，厚度和岩性变化大，夹矸的分层厚度可能大于所规定的煤层最低可采厚度，在地质勘查和煤矿生产中应当进行分层对比的煤层。
煤层结构指煤层有无夹矸存在。不含夹矸的煤层称为简单结构煤层,含夹矸的煤层按照夹矸层数分为较简单、较复杂与复杂结构煤层。煤层夹矸的岩性多样,多为泥质岩、黏土岩、高岭石黏土岩、炭质泥岩或砂岩。夹矸常成层状、似层状或凸镜状。煤层夹矸的存在不仅使煤层结构复杂化,给工业开采带来一定困难,并使煤的灰分增高,降低煤的质量。同时,夹矸较硬,煤层较软,煤层夹矸的成分组成与物性特征还使得煤层结构在垂向上出现软硬层交替现象,使得煤层气开采层段岩性成分特征更趋复杂,后期的钻井、射孔、压裂和排采过程中更易造成储层破坏而形成煤粉。
韩城区块主力开发煤层包括3号、5号和11号煤,根据测井曲线解释和象山煤矿井下煤层剖面描述观察,韩城区块3号煤的煤层结构较简单,一般不含夹矸,少数含1～2层夹矸。5号煤的煤层结构复杂,含多层夹矸。11号煤的煤层结构较简单,一般不含夹矸,少数含1～2层夹矸。由于煤层中含有夹矸,且夹矸多为泥岩或泥质粉砂岩,含大量黏土矿物,且黏土矿物对煤体骨架颗粒的附着性较差,矿物晶体之间结合力较弱,易于脱落而形成煤粉,所以,在煤层气排采过程中,含夹矸的煤储层更易产出煤粉。
通常说煤炭，有的地方习惯叫石炭。但煤不是碳。煤是由古代植物遗体埋在地层下或在地壳中经过一系列非常复杂的变化而形成的。是由有机物和无机物所组成的复杂的混合物，主要含有碳元素，此外还含有少量的氢、氮、硫、氧等元素以及无机矿物质（主要含硅、铝、钙、铁等元素）。煤的结构复杂。视频（煤的组成和分类）
无烟煤
（含碳量95%左右）
煤的主要成分
煤的组成以有机质为主体，构成有机高分子的主要是碳、氢、氧、氮等元素。煤中存在的元素有数十种之多，但通常所指的煤的元素组成主要是五种元素、即碳、氢、氧、氮和硫。在煤中含量很少，种类繁多的其他元素，一般不作为煤的元素组成，而只当作煤中伴生元素或微量元素。
一、煤中的碳
一般认为，煤是由带脂肪侧链的大芳环和稠环所组成的。这些稠环的骨架是由碳元素构成的。因此，碳元素是组成煤的有机高分子的最主要元素。同时，煤中还存在着少量的无机碳，主要来自碳酸盐类矿物，如石灰岩和方解石等。碳含量随煤化度的升高而增加。在我国泥炭中干燥无灰基碳含量为55～62％；成为褐煤以后碳含量就增加到60～76.5％；烟煤的碳含量为77～92.7％；一直到高变质的无烟煤，碳含量为88.98％。个别煤化度更高的无烟煤，其碳含量多在90％以上，如北京、四望峰等地的无烟煤，碳含量高达95～98％。因此，整个成煤过程，也可以说是增碳过程。
二、煤中的氢
氢是煤中第二个重要的组成元素。除有机氢外，在煤的矿物质中也含有少量的无机氢。它主要存在于矿物质的结晶水中，如高岭土(Al203·2Si02·2H2O)、石膏(CaS04·2H20 )等都含有结晶水。在煤的整个变质过程中，随着煤化度的加深，氢含量逐渐减少，煤化度低的煤，氢含量大；煤化度高的煤，氢含量小。总的规律是氢含量随碳含量的增加而降低。尤其在无烟煤阶段就尤为明显。当碳含量由92%增至98％时，氢含量则由2.1%降到1%以下。通常是碳含量在80～86％之间时，氢含量最高。即在烟煤的气煤、气肥煤段，氢含量能高达6.5％。在碳含量为65～80％的褐煤和长焰煤段，氢含量多数小于6％。但变化趋势仍是随着碳含量的增大而氢含量减小。
三、煤中的氧
氧是煤中第三个重要的组成元素。它以有机和无机两种状态存在。有机氧主要存在于含氧官能团，如羧基(--COOH)，羟基(--OH)和甲氧基（--OCH3)等中；无机氧主要存在于煤中水分、硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐和氧化物中等。煤中有机氧随煤化度的加深而减少，甚至趋于消失。褐煤在干燥无灰基碳含量小于70％时，其氧含量可高达20％以上。烟煤碳含量在85％附近时，氧含量几乎都小于10％。当无烟煤碳含量在92％以上时，其氧含量都降至5%以下。
四、煤中的氮
煤中的氮含量比较少，一般约为0.5～3.0％。氮是煤中唯一的完全以有机状态存在的元素。煤中有机氯化物被认为是比较稳定的杂环和复杂的非环结构的化合物，其原生物可能是动、植物脂肪。植物中的植物碱、叶绿素和其他组织的环状结构中都含有氮，而且相当稳定，在煤化过程中不发生变化，成为煤中保留的氮化物。以蛋白质形态存在的氮，仅在泥炭和褐煤中发现，在烟煤很少，几乎没有发现。煤中氮含量随煤的变质程度的加深而减少。它与氢含量的关系是，随氢含量的增高而增大。
五、煤中的硫
煤中的硫分是有害杂质，它能使钢铁热脆、设备腐蚀、燃烧时生成的二氧化硫(SO2)污染大气，危害动、植物生长及人类健康。所以，硫分含量是评价煤质的重要指标之一。煤中含硫量的多少，似与煤化度的深浅没有明显的关系，无论是变质程度高的煤或变质程度低的煤，都存在着有机硫或多或少的煤。 煤中硫分的多少与成煤时的古地理环境有密切的关系。在内陆环境或滨海三角训平原环境下形成的和在海陆相交替沉积的煤层或浅海相沉积的煤层，煤中的硫含量就比较高，且大部分为有机硫。 根据煤中硫的赋存形态，一般分为有机硫和无机硫两大类。各种形态的硫分的总和称为全硫分。所谓有机硫，是指与煤的有机结构相结合的硫。有机硫主要来自成煤植物中的蛋白质和微生物的蛋白质。煤中无机硫主要来自矿物质中各种含硫化合物，一般又分为硫化物硫和硫酸盐硫两种，有时也有微量的单质硫。硫化物硫主要以黄铁矿为主，其次为白铁矿、磁铁矿((Fe3O4)、闪锌矿(ZnS)、方铅矿(PbS)等。硫酸盐硫主要以石膏(CaSO4·2H20)为主，也有少量的绿矾 (FeSO4·7H 20 )等。
