煤炭的种类和特性

煤炭是一种固体可燃有机岩，主要由植物遗体经生物化学作用，埋藏后再经地质作用转变而成。

煤炭可以用作燃料或工业原料的矿物。它是古代植物经过生物化学作用和地质作用而改变其物理、化学性质，由碳、氢、氧、氮等元素组成的黑色固体矿物。

此外，煤炭中还往往含有许多放射性和稀有元素如铀、锗、镓等，这些放射性和稀有元素是半导体和原子能工业的重要原料。

煤有褐煤、烟煤、无烟煤、半无烟煤等几种。云南常用的是褐煤、烟煤、无烟煤三种。煤的种类不同，其成分组成与质量不同，发热量也不相同（表4-15）。单位重量燃料燃烧时放出的热量称为发热量，人为规定以每公斤发热量7000千卡的煤作为标准煤，并以此标准折算耗煤量。

（1）褐煤：多为块状，呈黑褐色，光泽暗，质地疏松；含挥发分40%左右，燃点低，容易着火，燃烧时上火快，火焰大，冒黑烟；含碳量与发热量较低（因产地煤级不同，发热量差异很大），燃烧时间短，需经常加煤。

（2）烟煤：一般为粒状、小块状，也有粉状的，多呈黑色而有光泽，质地细致，含挥发分30%以上，燃点不太高，较易点燃；含碳量与发热量较高，燃烧时上火快，火焰长，有大量黑烟，燃烧时间较长；大多数烟煤有粘性，燃烧时易结渣。

（3）无烟煤：有粉状和小块状两种，呈黑色有金属光泽而发亮。杂质少，质地紧密，固定碳含量高，可达80%以上；挥发分含量低，在10%以下，燃点高，不易着火；但发热量高，刚燃烧时上火慢，火上来后比较大，火力强，火焰短，冒烟少，燃烧时间长，粘结性弱，燃烧时不易结渣。应掺入适量煤土烧用，以减轻火力强度。

煤中有机质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成，而碳、氢、氧三者总和约占有机质的95％以上；煤中的无机质也含有少量的碳、氢、氧、硫等元素。碳是煤中最重要的组分，其含量随煤化程度的加深而增高。泥炭中碳含量为50％～60％，褐煤为60％～70％，烟煤为74％～92％，无烟煤为 90％～98％。煤中硫是最有害的化学成分。煤燃烧时，其中硫生成SO2，腐蚀金属设备，污染环境。煤中硫的含量可分为 5 级：高硫煤，大于4％；富硫煤，为2.5％～4％；中硫煤，为1.5％～2.5％；低硫煤，为1.0％～1.5％；特低硫煤 ，小于或等于1％。煤中硫又可分为有机硫和无机硫两大类。

判别煤炭质量优劣的指标很多，其中最主要的指标为煤的灰分含量和硫分含量。一般陆相沉积，煤的灰分、硫分普遍较低；海陆相交替沉积，煤的灰分、硫分普遍较高。中国烟煤的最大特点是低灰、低硫 。烟煤的第二个特点是煤岩组分中丝质组含量高，一般在40％以上，因此中国烟煤大多为优质动力煤。中国贫煤的灰分和硫分都较高，其灰分大多为15％-30％，流分在1．5％-5％之间。贫煤经洗选后，可作为很好的动力煤和气化用煤。

主要有碳、氢、氧、氮和硫等，此外，还有极少量的磷、氟、氯和砷等元素

特性

煤炭燃烧时，氮不产生热量，在高温下转变成氮氧化合物和氨，以游离状态析出。硫、磷、氟、氯和砷等是煤炭中的有害成分，其中以硫最为重要。煤炭燃烧时绝大部分的硫被氧化成二氧化硫（SO2），随烟气排放，污染大气，危害动、植物生长及人类健康，腐蚀金属设备；当含硫多的煤用于冶金炼焦时，还影响焦炭和钢铁的质量。所以，“硫分”含量是评价煤质的重要指标之一。 煤中的有机质在一定温度和条件下，受热分解后产生的可燃性气体，被称为“挥发分”，它是由各种碳氢化合物、氢气、一氧化碳等化合物组成的混合气体。挥发分也是主要的煤质指标，在确定煤炭的加工利用途径和工艺条件时，挥发分有重要的参考作用。煤化程度低的煤，挥发分较多。如果燃烧条件不适当，挥发分高的煤燃烧时易产生未燃尽的碳粒，俗称“黑烟”；并产生更多的一氧化碳、多环芳烃类、醛类等污染物，热效率降低。因此，要根据煤的挥发分选择适当的燃烧条件和设备

煤中水分分为内在水分、外在水分、结晶水和分解水。

煤中水分过大是，不利于加工、运输等，燃烧时会影响热稳定性和热传导，炼焦时会降低焦产率和延长焦化周期。

现在我们常报的水份指标有：

1、全水份（Mt），是煤中所有内在水份和外在水份的总和，也常用Mar表示。通常规定在8%以下。

2、空气干燥基水份(Mad)，指煤炭在空气干燥状态下所含的水份。也可以认为是内在水份，老的国家标准上有称之为“分析基水份”的。

第二个指标：灰分

指煤在燃烧的后留下的残渣。

不是煤中矿物质总和，而是这些矿物质在化学和分解后的残余物。

灰分高，说明煤中可燃成份较低。发热量就低。

同时在精煤炼焦中，灰分高低决定焦炭的灰分。

能常的灰分指标有空气干燥基灰分（Aad）、干燥基灰分（Ad）等。也有用收到基灰分的（Aar）。

第三指标：挥发份（全称为挥发份产率）V

指煤中有机物和部分矿物质加热分解后的产物，不全是煤中固有成分，还有部分是热解产物，所以称挥发份产率。

挥发份大小与煤的变质程度有关，煤炭变质量程度越高，挥发份产率就越低。

在燃烧中，用来确定锅炉的型号；在炼焦中，用来确定配煤的比例；同时更是汽化和液化的重要指标。

常使用的有空气干燥基挥发份（Vad）、干燥基挥发份（Vd）、干燥无灰基挥发份（Vdaf）和收到基挥发份（Var）。

其中Vdaf是煤炭分类的重要指标之一。

第四个指标：固定碳

不同于元素分析的碳，是根据水分、灰分和挥发份计算出来的。

FC+A+V+M=100

相关公式如下：FCad=100-Mad-Aad-Vad

FCd=100-Ad-Vd

FCdaf=100-Vdaf

第五个指标：全硫St

是煤中的有害元素，包括有机硫、无机硫。1%以下才可用于燃料。部分地区要求在0.6和0.8以下，现在常说的环保煤、绿色能源均指硫份较低的煤。

常用指标有：空气干燥基全硫(St,ad）、干燥基全硫(St.d)及收到基全硫(St,ar)。

参考：中国煤炭信息网 煤焦知识堂

动力煤的总体煤质特征是几乎没有粘结性、水分高、发热量低。

灰特性指煤灰的化学成分、高温下的特性、以及比电阻等。这些特性对燃烧后的清洁程度，对钢材的腐蚀性以及煤灰的清除等有很大的影响。

动力用煤就类别来说，主要有褐煤、长焰煤、不粘结煤、贫煤；气煤以及少量的无烟煤。

质量要求

对动力用煤的质量要求，比对其他任何用煤都低。例如低位发热量大于4186.8kJ/kg的煤矸石就可作沸腾锅炉的燃料。但从动力工艺的经济效益考虑，动力用煤也应有一定的质量要求。

首先是发热量，其次是灰熔点的高低和结渣的难易程度，粉煤锅炉燃烧还要考虑可磨性系数的大小，链条式锅炉燃料需要注意煤的含块率等指标。动力用煤还分为船舶用煤，机车用煤和发电用煤等，它们对煤质的要求也是各不相同。

我国煤炭分类最终确定的分类有褐煤二小类、烟煤十二小类、无烟煤三小类。各类煤的性质如下。

褐煤（HM）是煤化程度最低的一类煤。外观呈褐色到黑色，光泽暗淡或呈沥青光泽，含有较高的内在水分和不同数量的腐植酸，在空气中易风化碎裂，碎裂成小块甚至粉末状，使热值更加降低。煤灰熔融性也普遍较低，煤灰中常含较多的钙盐。发热量低，挥发分Vdaf大于37%，且恒湿无灰基高位发热量不大于24MJ/kg。根据其透光率PM(GB/T2566-95)的不同，小于30%的称为褐煤一号；PM 为30%~50%的为褐煤二号。褐煤一般作发电燃料使用，也可以作为加压气化、低温干馏的原料，并用它来萃取褐煤蜡。年轻褐煤也适于作腐植酸铵等有机肥料，用于农田和果园，能起增产的作用。吉林省舒兰矿区是我国典型褐煤产区。煤分类中编码为51，52。

2.烟煤（YM）是煤化程度高于褐煤而低于无烟煤的一类煤。黑色，不含腐植酸。从有沥青光泽、玻璃光泽到金刚光泽。条带状结构明显，可明显区别煤岩成分。挥发分产率范围宽（Vdaf大于10%），恒湿无灰基高位发热量大于24MJ/kg。单独炼焦时从不结焦到强结焦均有，燃烧时有烟。烟煤的主要分类指标为Vdaf和G，对强黏结煤用胶质层最大厚度y值或奥阿膨胀度b值作为辅助分类指标。烟煤分有不黏煤、弱黏煤、长焰煤、1/2中黏煤、气煤、气肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤和贫煤。

3.长焰煤（CY）是烟煤中煤化程度最低、挥发分最高（Vdaf大于37%）、黏结性很弱（G值小于35）的一类煤。煤的燃点低，纯煤热值也不高。从无粘结性到弱黏结性的均有，有的还含有一定数量的腐植酸。贮存时易风化碎裂。有的长焰煤加热时能产生一定数量的胶质体，也能结成细小的长条形焦炭，但焦炭强度甚差，粉焦率甚高。所以长焰煤一般不用于炼焦，多作电厂、机车燃料以及工业炉窑燃料。也可做气化用煤。辽宁的阜新矿区是我国最大的长焰煤矿区。煤分类中编码为41，42。

4.不黏煤（BN）是煤化程度较低、挥发分范围较宽（Vdaf大于20%~37%）、无黏结性或G值不大于5的煤。焦化是不产生胶质体。煤的水分大，纯煤发热量仅高于一般褐煤而低于所有烟煤，有的还含有一定数量的再生腐植酸。煤种含氧量多在10%~15%左右。主要可作为发电和气化用煤、也可作为动力及民用燃料，但由于这类煤的灰熔融性低，最好与其他煤类配合燃烧，可充分利用其低灰、低硫、收到基低位发热量较高的优点。西北地区许多矿区如甘肃靖远、新疆哈密等矿区都是典型的不黏煤产地。在我国，这类煤的显微组分中由于有较多的堕质组，表现出没有黏结性，它用做燃料和气化原料。煤分类中编码为21，31。

5.弱黏煤（RN）煤化程度较低，挥发分范围较宽（Vdaf大于20%~37%），受热后形成的胶质体很少。炼焦时有的能结成强度很差的小块焦，有的只有少部分能凝结成碎屑焦，粉焦率很高。由于这类煤的显微组分中堕质组含量较多，黏结性微弱，G值大于5到30，介于不黏煤和1/2中黏煤之间。主要作为气化原料和燃料。我国山西大同矿区以典型的弱黏煤为主。煤分类中编码为22，32。

6.1/2中黏煤（1/2ZN）：我国这类煤的资源很少。它是煤化程度较低、挥发分范围较宽（Vdaf大于20%~37%）、受热后形成的胶质体较少、其黏结性（G=30~50）介于气煤和弱黏煤之间的一种过渡性煤类。其中黏结性较好的可用做配煤炼焦的原料，黏结性差的可作气化原料或燃料。我国目前尚未发现单独生产1/2中黏煤的矿区。煤分类中编码为23，33。

7.气煤（QM）属于煤化程度较低、挥发分较高的烟煤。气煤分有两组：一组是Vdaf大于37%），G值大于35，Y值不大于25mm，其特点是挥发分特别高，而黏结性强弱不等；第二组的Vdaf大于25%到37%，G值大于50到65，其特点是黏结性中等而挥发分高。。气煤单独炼焦时炼出的焦炭呈细长状，有较多的纵裂纹，易碎，其强度和耐磨性均较差。但炼焦时能产生较多的煤气、焦油与其他化工产品，多数作配合煤用于炼焦，也是生产干馏煤气的好原料。抚顺老虎台、龙凤等矿区是典型的气煤。煤分类中编码是34，43，44，45。

8.气肥煤（QF）是煤化程度和气煤相近、挥发分高（Vdaf大于37%）、黏结性强（Y值大于25mm）的烟煤。单独炼焦时能产生大量的胶质体和煤气，因为析出的气体过多，不能生成致密、高强度的焦炭。它最适于高温干馏制造城市煤气，煤岩成分中以树皮质等壳质组分较多，江西乐平和浙江长广煤田是我国产典型气肥煤的矿区。煤分类中编码为46.

9.1/3焦煤（1/3JM）属煤化程度中等，性质介于气煤、肥煤与焦煤之间的过渡煤类，是中等或较高挥发分的强黏结性煤。Vdaf大于28%~37%，G值大于65,Y值不大于25mm。单独炼焦时炼出的焦炭强度较高。焦炭的抗碎强度接近肥煤，耐磨强度则又明显地高于气肥煤和气煤。因此它既能单煤炼焦供中型高炉使用，也是良好的配煤炼焦的基础煤。在炼焦时其配入量可在较宽范围内波动而获得强度较高焦炭。淮南矿区以产1/3焦煤为主。。煤分类中编码为35。

10.肥煤（FM）是煤化程度中等的烟煤。受热到一定温度能产生较多的胶质体，且有极强的黏结性。Vdaf大于10%~37%、胶质层最大厚度Y值大于25mm。单独炼焦时能产生熔融良好的焦炭，焦炭耐磨性特不好。但焦炭有较多的横裂纹，焦根部分有蜂焦，其抗碎强度比焦煤炼得的焦炭稍差，是配煤炼焦中的重要煤类，但不宜单独使用。我国开滦、枣庄是生产肥煤的主要矿区。编码为16，26，36。

（一）煤的生、储气特性

煤是一种以腐植型干酪根为主的有机质，当这种有机质位于中位沼泽和高位沼泽时，处于氧化环境，在喜氧细菌的分解作用下，开始腐烂分解，在此种环境下，尽管有机质十分丰富，但生成的气体以氧化物为主，且均逸散到大气中。当有机质进入隔氧层后，在厌氧细菌的作用下，氧气减少到零，氧化作用结束，形成还原的地球化学环境，此时有机质被大量保存堆积形成泥炭层。在此期间由于生物化学和菌解作用，生成少量气体。泥炭到褐煤主要为细菌分解和发酵作用，生成生物甲烷，其生成机制为：

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当煤层上覆地层厚度不断地加大，温度和压力也随之增加，煤变质作用开始，煤层气生成量不断增加，其中以肥煤、焦煤和贫煤级段生气量最大（图3-6），阶段生气量高达50～80m3/t。

图3-6 煤的成烃模式和有关演化特征

煤在演化过程中生成的大量气体，一部分离开煤层，逸散在大气或地层中，或在合适的部位聚集成藏，即常规意义上的煤成气藏；另一部分存留在煤层中，这部分气体即煤层气。因此，煤层既是煤层气的源岩，又是煤层气的储集层。

煤层作为储集层，有其明显特性（表3-8），煤储层是一种具有双重孔隙结构的裂隙—孔隙型储层（图3-7）。煤基质中的孔隙和割理是煤中孔隙体积的主要部分，是吸附气体的主要空间；煤中天然裂隙（割理）系统的孔隙度很小，却是煤中流体（气体和水）渗流的主要通道。煤基质中的孔隙十分发育，这种孔隙的内表面积高达每克煤100～400m2以上，单位重量煤的内表面积的大小与煤变质程度、煤中无机矿物的含量及煤的显微煤岩组分有关，一般说来，煤变质程度越高（图3-8）、无机矿物含量越低、镜质组含量越高，煤的内表面积越大。煤基质孔隙内表面上的分子引力一部分指向煤的内部，已达到饱和，另一部分指向孔隙空间，没有饱和，这部分未饱和的分子引力就在煤中微孔内表面产生吸附场，将甲烷分子吸附在微孔隙的内表面上。煤层气在煤层中的大量储集就是靠这种吸附作用，因此，煤层气又称为吸附气。在煤层的割理和外生裂隙中还存在游离气和溶解气，但其量有限，仅为煤中吸附气、游离气和溶解气总量的10%～20%。

表3-8 常规砂岩储层和煤储层的比较

图3-7 煤的双重孔隙系统

图3-8 煤的内表面积与煤级的关系

（二）煤层气的保存

在恒温条件下，煤对甲烷的吸附量可用兰氏方程（Langm uir）描述，该方程如下：

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式中：G——吸附量，cm3/g

p——压力，MPa

a——兰氏体积，即最大吸附量，cm3/g

b——吸附平衡常数，MPa﹣1。

该方程表明，对某一煤层来说，其含气量与压力为正相关关系，即压力越大，煤层对甲烷的吸附能力越强，含气量就越高（图3-9），相反，压力越低，吸附能力越弱，甲烷越倾向于解吸，含气量就越低。由此可见，煤层气的保存和逸散与煤储层压力的变化有直接关系。对具有生、储能力的煤层而言，地层压力是煤层气得以保存的必要条件。这里的压力在地质上指的是煤层水文等势面之下的水柱高度，即地层压力，煤层含气量与地层压力的正相关关系已被地质实际证实（图3-10）。许多常规油气钻井和煤层气井的地层测试资料表明，埋深加大，地层压力随之增高，因此，进一步可以说煤层埋深是煤层气得以保存的必要条件。

图3-9 柳林勘查试验区8煤层等温吸附曲线

图3-10 美国拉顿（Raton）盆地含气量与水文等势面之下深度关系

（三）煤层气藏概念

由上述可知，煤层气的生成、储集和保存有别于常规天然气，这就使两者在成藏条件上有很大差异。对煤层气藏的定义有不同观点，美国通常在煤层气勘探中把整个煤层气有利目标区笼统称为一个煤层气藏，在开发当中甚至把气田的某一层位定义为一个气藏。我国学者把煤层气藏定义为在压力（主要是水压）作用下“圈闭”着一定数量气体的煤岩体。这一定义容易把煤层气藏与煤田的概念混淆。

本次研究认为，煤层气藏是指在地层压力作用下煤层内一定数量甲烷气的聚集。这一概念，一是强调地层压力对煤层气储集和保存的重要意义；二是强调煤层是煤层气的储集体；三是强调煤层气应具有一定规模；四是强调煤层气成分以甲烷为主；五是强调煤层气藏是煤层气的聚集，而不是煤体本身。煤层气藏边界为边界断层、煤层尖灭线、煤层气风化带下限、含气量下限、埋深上下限等等。煤层气藏是进行煤层气勘探和开发的基本地质单元。煤层气藏概念中没有特别强调煤层气的可采性，因为同一煤层气藏可采性的好坏与经济、技术等条件有关，是随时间、条件的改变而变化的一项综合参数，而强调的是地质客观情况，不论经济技术条件如何变化，其固有的地质属性保持不变，如埋深、煤厚、煤级、含气量等。

一、煤的物理性质

煤的物理性质主要包括5个方面，即光学性质、机械性质、空间结构性质、电磁性质和热性质，具体如颜色、光泽、反射率、折射率、吸收率，硬度、脆度、可磨性、断口，密度、表面积、孔隙度、压缩性，介电常数、导电性、磁性，比热、导热性等。煤的物理性质是煤的化学组成和分子结构的外部表现，受到煤化程度、煤岩组成和煤风化程度的影响。

1.颜色

煤的颜色是煤对不同波长可见光波吸收的结果。在不同的光学条件下，煤呈现不同的颜色。在普通白光照射下，煤表面反射光线所显示的颜色称为表色。腐植煤的表色随煤化程度的增高而变化，褐煤通常为褐色、褐黑色低中煤化程度的烟煤为黑色，高煤化程度的烟煤为黑色略带灰色，无烟煤往往为灰黑色，带有铜黄色或银白色的色彩。因此，根据表色可以明显地区别出褐煤、烟煤和无烟煤。腐泥煤的表色变化较大，有深灰色、棕褐色，甚至灰绿色至黑色。煤中的水分能使颜色加深，而煤中的矿物质往往使煤的颜色变浅。

煤研成粉末的颜色称为粉色。它可用钢针刻划煤的表面或用镜煤在未上釉的瓷板上刻划条痕而得，粉色也称条痕色。煤的粉色一般略浅于表色。粉色较固定，用粉色判断煤的煤化程度效果较好。褐煤的粉色为浅褐色、褐色，低煤级烟煤为深褐色到黑褐色，中煤级烟煤为褐黑色，高煤级烟煤为黑色有时略带褐色，无烟煤为深黑色或灰黑色。腐泥煤的粉色一般比腐植煤要浅，随煤级的增高，粉色也逐渐加深。煤的粉色不但取决于煤化程度，还与煤岩类型和风氧化程度有关。为了统一对比条件，一般应以新鲜的较纯净的光亮型煤的粉色为准。

把煤磨成薄片(厚约0.03mm)，用显微镜在普通透射光下观察，煤薄片显示出的颜色为透光色，又称体色。透光色是煤对不同波长可见光选择性吸收的结果。不同的煤岩组分具有不同的透光色，常见的有黄色、红色和黑色同一煤岩组分在不同煤化阶段显示出不同的透光色。煤级越高，透光性越差，无烟煤几乎不透明。

把煤的表面磨光，用显微镜在普通反射光下观察，煤光面上显示出的颜色称为反光色。各种煤岩组分的反光色均呈灰至白色色调。不同的煤岩组分反光色不同，同一煤岩组分在不同煤化阶段反光色也不同。随煤化程度的增高，煤反光色逐渐变浅。

煤的磨光面用蓝光或紫外光激发而呈现的颜色，称为反射荧光色。反射荧光色随煤岩组分和煤化程度的不同而变化，有绿黄色、黄色、棕色等。随煤级增高，荧光减弱，至高煤级荧光消失。

2.光泽

煤的光泽是指煤新鲜断面的反光能力。光泽与煤的成因类型、煤岩成分、煤化程度和风化程度有关。腐泥煤的光泽一般都比较暗淡。腐植煤的4种宏观煤岩成分中，镜煤的光泽最强，亮煤次之，暗煤和丝炭的光泽暗淡。随着煤化程度的增高，各种宏观煤岩成分的光泽有不同程度的增强。丝炭和暗煤的光泽变化小，而镜煤和较纯净的亮煤变化明显。根据镜煤或较纯净亮煤的光泽可判断煤级，即年轻的褐煤无光泽，老褐煤呈蜡状光泽或弱的沥青光泽，低煤级烟煤具沥青光泽、弱玻璃光泽，中煤级烟煤具强玻璃光泽，高煤级烟煤具金刚光泽，无烟煤具半金属光泽。

3.反射率、折射率和吸收率

煤的反射率是在垂直照明条件下，煤岩组分磨光面的反射光强度与入射光强度之比，以百分率表示。随着煤化程度的增高，煤的反射率不断增强。油浸介质中，煤的最大反射率Romax=0.26%～11.0%，空气介质中煤的最大反射率Romax=6.40%～22.10%。当Cdaf≥85%时，反射率出现最大值和最小值，即双反射现象。随煤级升高，双反射逐渐增强(表5-1)。煤的反射率是确定煤化程度最重要的光学常数，它对煤质评价、煤加工利用、油气勘探等地质问题均有十分重要的意义。

表5-1 镜质组的反射率、折射率和吸收率

(据周师庸，1985)

煤的折射率是光线通过煤的界面时，在界面发生折射后进入煤的内部，其入射角和折射角的正弦之比。随着煤化程度的增高，煤的折射率也相应增高，从1.680增至2.02。在Cdaf≥85%后，折射率出现最大值和最小值，其差距随煤级增高而增大。

煤的吸收率一般比较小，随煤化程度的增高，煤的吸收率逐渐增大，从0.02增至0.39。当Cdaf≥92%后，吸收率出现最大值和最小值，其差值随煤级增高而增大。在高煤级阶段煤的分子结构中，芳香层状结构不断增大，排列越来越规则化，在平行和垂直于芳香层面两个方向的光学性质出现显著差异，即出现光学各向异性现象。

4.硬度

煤的硬度是指煤抵抗外来机械作用的能力。随着外加机械作用力的性质不同，煤的硬度表现形式也不一样。煤的硬度分为刻划硬度、压痕硬度和磨损硬度3类。

图5-1 煤的显微硬度与煤化程度的关系(据E.M.泰茨，1993)

刻划硬度是用标准矿物刻划煤所测定的相对硬度。宏观煤岩成分中，暗煤硬度最大，亮煤、镜煤硬度小。煤的硬度还与煤级有关，褐煤和中煤化程度的烟煤硬度最小，为2～2.5，无烟煤硬度最大，接近4。

显微硬度是压痕硬度的一种，可用专门仪器测定显微组分的硬度。测定是在显微硬度计上进行的。煤的显微硬度与煤化程度有关(图5-1)。年轻褐煤和中煤级烟煤的显微硬度最小，无烟煤的显微硬度最大，且上升的幅度很大。

抗磨硬度是磨损硬度的一种。它是用研磨阻力的大小来表示煤磨光面上显微组分或矿物的硬度，表现为显微组分或矿物的突起现象，是显微镜下鉴定标志之一。抗磨硬度与煤化程度有关，在低、中煤级煤中，丝炭比较硬，在磨光面上显示突起，而镜煤比较软，磨光面上不显突起，随着煤级的增高，镜煤与丝炭抗磨硬度逐渐接近，丝炭的突起变小，甚至消失。抗磨硬度还与煤中的矿物质、煤的裂隙、风氧化程度有关。石英、黄铁矿、菱铁矿增加，煤的抗磨硬度增大煤中的裂隙增多或煤受风氧化，则使煤的抗磨硬度降低。

5.脆度和可磨性

煤的脆度是指煤受外力作用而破碎的性质，表现为抗压强度和抗剪强度。强度小者，煤易破碎，脆度大反之，脆度小。脆度和硬度同属抵抗外来机械作用的性质，但受力性质不同，表现的形式也不一样，所以两者概念不同。丝炭的脆度大，硬度也大镜煤的脆度大，但硬度小，暗煤的硬度大，脆度小。不同的宏观煤岩成分和类型，其脆度不同。腐泥煤和残植煤的脆度都较小，如我国抚顺的煤精，是一种腐植腐泥煤类，其脆性小、韧性好。煤的脆度还与煤化程度有关，中煤级的烟煤脆度最大，低煤级煤的脆度变小，无烟煤的脆度最小。

有人提出显微脆度的概念，它是在显微镜下根据金刚石压锥压入显微组分后，压痕产生裂纹的程度来测定，在一定静载荷下，每100个压痕中出现裂纹的压痕数来表示。数值越大，显微脆度越大。由图5-2可见，中煤级的焦煤显微脆度最大，随煤级的增高或降低，显微脆度变小。强还原煤比弱还原煤的脆度要大。

图5-2 显微脆度与煤化程度的关系(据И.И.Ammocob，1963)

煤的可磨性是指粉碎煤的难易程度，可用可磨性系数KHG来表示。可磨性越大的煤越易粉碎反之，越难。测定煤可磨性的方法有许多种，我国和美、英、日、印等国均采用哈德格罗夫(Hardgrave)法，已作为国家标准。煤中各显微组分的KHG不同，其中丝质组最高，半丝质组其次，其后是镜质组，壳质组最低。它们随煤化程度而变化，但在中挥发分(Cdaf=90%附近)时都有一个最大值。

6.煤的压缩性

煤在恒温下加压，其体积变化的百分数，称为煤的压缩性。压缩性与煤化程度有关，煤化程度越高，压缩性越小。加压后丝质组体积变化极少，镜质组有变化，稳定组分变化最大，但到高煤级时，其压缩性比镜质组小。显微组分的压缩性随压力的增大而增加，壳质组变化最大，镜质组其次，惰性组最小。

7.断口

煤受外力打击后断开的表面，称为断口。断口不包括层理面或裂隙面。煤中常见的断口有贝壳状断口、阶梯状断口、参差状断口、棱角状断口、粒状断口等。断口反映了煤物质组成的均一性和方向性的变化。组成较均一的煤，如腐泥煤、腐植腐泥煤、镜煤等常具有贝壳状断口而组成不均一的煤，常见其他类型的断口。

8.比重与密度

煤的比重是指20℃时煤的重量与同温度、同体积水的重量之比，用符号d2020表示。煤的密度是指单位体积煤的质量。比重和密度的数值相等，但物理意义不同。比重没有单位，而密度有单位。煤的比重与煤岩成分、煤化程度及煤中矿物质的性质和含量有关。

同一煤级的煤中，不同煤岩组分的真比重不同。丝质组的真比重最大，镜质组次之，壳质组最小。随着煤化程度的增高，各种煤岩组分的真比重逐渐接近。丝质组的真比重为1.35～1.80，镜质组为1.24～1.80，壳质组为1.12～1.80(图5-3表5-2)。腐泥煤的比重明显低于腐植煤。

图5-3 煤岩组分真比重与煤化程度的关系(据杨起等，1979)

表5-2 煤岩组分在不同煤化程度时的真比重

注:V代表镜质组E为壳质组I为惰性组Cdaf为干燥无灰基碳含量。(据白浚仁，1989，略修改)

镜质组在煤化程度较低时(Cdaf＜85%)真比重随煤化程度的升高而逐渐减少，至Cdaf至85%～87%时，真比重为最小值(dtr=1.24)。过此点后，真比重又随碳含量的增加而增大。当Cdaf＞90%以后，即到了无烟煤阶段，真比重急剧增加，从1.35一直上升至2.25(Cdaf=100%，石墨)。

煤中矿物的比重比煤岩组分大得多，如黏土矿物的比重为2.4～2.6，石英、方解石为3.7，菱铁矿为3.8，黄铁矿的比重为5.0等。因此煤中矿物对煤比重影响较大，随着矿物含量的增高，煤的比重也增大。但煤中矿物质的准确含量是很难测定的，所以要测得纯煤的真比重比较困难。有人研究，煤的灰分每增加1%，煤的真比重约增高0.01。因此，煤的真比重的近似值可用下式计算:

纯煤真比重=无水含灰煤的真比重－0.01×干燥煤的灰分

煤的视比重是计算储量的重要参数之一。由于煤中矿物质含量变化大，所以煤的视比重变化也大。在矿物质含量较低的情况下，褐煤的容重为1.1～1.2，烟煤的容重为1.2～1.4，无烟煤的容重为1.4～1.8。在地质勘探工作中，煤的容重要专门取样测定。

9.煤的表面积

(1)煤的润湿热

固体和液体接触时，如果固体分子和液体分子间的作用力大于液体分子之间的作用力，则固体可以被液体润湿反之，则不能润湿。当煤被液体润湿时，由于煤分子和液体分子间的作用力大于液体分子间的作用力，故有热量放出，称为润湿热。润湿热的大小与液体的种类和煤的表面积有关。常用的液体是甲醇，它的润湿力强，作用快，几分钟内润湿热基本上可全部释放出来。据测试，润湿热与煤的表面积大致存在的对应关系是:0.42J的润湿热相当于1m2的表面积。

煤的润湿热与煤岩组分和煤化程度有关，镜质组的润湿热最大，次为丝质组，壳质组较小。

(2)煤的表面积

煤的表面积包括外表面积和内表面积两部分，但外表面积所占比例极少，主要是内表面积。煤的表面积用比表面积表示，即每克煤所具有的表面积，单位为m2/g，煤比表面积大小与煤的分子结构和孔隙结构有关。

煤中孔径小于10nm的微孔的比表面积在总比表面中占有的比例最大。测定煤的比表面积有各种方法，如润湿法、BET(三位物理、化学家名字的缩写)法、微孔体积法、吸附法和气相色谱法等。用不同方法测量比表面积的结果不同，通常CO2作吸附质，采用吸附法测量比表面积，其结果为:长焰煤90m2/g、气煤50～70m2/g、肥煤10～20m2/g、焦煤20～120m2/g、瘦煤80～130m2/g、贫煤90～130m2/g，而无烟煤最高可达287m2/g。

煤的比表面积与瓦斯吸附量呈正比关系，比表面积大，瓦斯吸附量也大。煤的比表面积对研究煤层中的瓦斯含量和瓦斯突出、研究煤在气化时的化学反应性都具有实际意义。

10.孔隙率

煤中毛细孔和裂隙之总体积与煤的总体积之比称为煤的孔隙率或孔隙度，也可用单位重量煤包含的孔隙体积(cm3/g)表示。

煤的孔隙率可以根据煤的真比重和视比重，用计算求得，因为氦分子能充满煤的全部孔隙，而水银在不加压条件下完全不能进入煤的孔隙，故用下式可求出煤的孔隙度:

煤地质学

式中:d氦和d汞为用氦和汞测定的煤的密度，g/cm3。

煤孔隙率的大小与煤级有关(表5-3)，褐煤的孔隙率高，为15%～25%，无烟煤的孔隙率也较高，约为5%～10%，而低中煤级烟煤的孔隙率较低，为2%～5%。煤的孔隙率与显微煤岩组分和煤中矿物质含量有关。相同煤级的煤，孔隙率可有相当大的波动范围。

表5-3 孔隙率与煤化程度的关系

煤中孔隙的大小并不是均一的。在煤矿的瓦斯研究工作中，煤中的孔隙大小一般分为三级，即大孔、过渡孔和微孔。大孔的孔径一般大于100nm，中孔的孔径为100～10nm，微孔的孔径小于10nm。

在大孔中，甲烷气体可以产生层流或者紊流渗透，煤中大孔的分布直接影响到煤中瓦斯运移的能力，在过渡孔中，可以产生毛细管凝结、物理吸附及扩散现象，它影响到煤层储藏瓦斯的能力，微孔则被甲烷分子充满，形成类似于固溶体的形式。

11.煤的导电性

煤的导电性是指煤传导电流的能力，通常以电阻率表示。煤的导电性与煤化程度、煤中的水分、煤中矿物质的性质和含量、煤岩成分，以及煤的孔隙度、风化程度等有关。

褐煤的孔隙度大，含水多，并有溶于水中的腐植酸离子，所以褐煤的导电性好，电阻率小，属于水溶液离子导电。烟煤是不良导体，电阻率大，高煤级的烟煤至无烟煤，电阻率迅速减小，煤的导电性大大增强，无烟煤为良导体，属于自由电子导电。褐煤的电阻率变化于10～200Ω·m之间，低中煤级烟煤的电阻率ρ=4000～5000Ω·m，高煤级烟煤的电阻率ρ=1000～10Ω·m，无烟煤的电阻率ρ=10～0.0001Ω·m。

低中煤级的煤中，镜煤、亮煤比暗煤和丝炭的导电性差但在高煤级烟煤和无烟煤中，情况相反，镜煤、亮煤的导电性比暗煤好。

煤的导电性与煤中矿物的性质和数量有关。一般烟煤的电阻率随矿物含量的增高而变小，而无烟煤则相反，电阻率随矿物含量的增高而增大。但煤中含黄铁矿时，则电阻率会显著降低。煤的电阻率还与煤的层状构造有关，沿层理面煤的电阻率较小，垂直层理面方向煤的电阻率较大。当煤遭受风氧化时，电阻率明显下降。

12.磁性

物体置于磁场内，和磁场相吸者称顺磁性物质，和磁场相斥者称抗磁性物质。抗磁性物质，其内部结构的原子或分子具有闭合的电子外层，即电子都已成对顺磁性物质，其电子层上尚有未配对的电子。煤属于抗磁性物质。

物质置于磁场内，由于其原子核吸收了磁场能，引起物质相对于磁场的自旋方向发生变化，这就是物质的核磁共振。煤的核磁共振是煤的重要磁性质之一。

在一高斯磁场下，1g物质所呈现的磁化率称物质的抗磁性磁化率或单位质量磁化率。煤的抗磁性磁化率随煤化程度的增高而增高。但在煤的Cdaf=80%～90%的区间内，抗磁性磁化率增高缓慢当煤的Cdaf＞90%以后，煤的磁化率剧增。

煤的抗磁性和煤的核磁共振是研究煤结构的有效方法。

13.导热性

煤作为燃料或者进行干馏、气化、液化都需要考虑到煤的导热性。

煤的比热是指1g质量的煤，温度变化1℃所需(释放)的热量(即热容)与水的热容(15℃的水)的比值。水的热容为4.18J/g(15℃)，故煤的比热和热容在数值上是一致的。比热没有单位，室温下煤的比热为0.2～0.4。煤的比热有一定的波动范围，这是因为煤是复杂的有机高分子物质，并含有无机矿物质和水。煤的比热除受煤的煤化程度影响外，还受非煤物质及其含量的影响。

煤的比热随煤中水分的增加而呈直线增大，这是因为水的比热比煤大得多。无机矿物质的比热较小，一般约0.19，故煤的灰分增高，则煤的比热下降。煤的比热还受温度影响，测定温度升高，煤的比热增大。

煤的导热性是煤加工利用时重要的物理性质。煤的导热性与煤的孔隙率及孔隙中的气体有关，还与煤级及煤中无机矿物质有关。随煤化程度的增高，煤的导热性增强。

二、煤的裂隙

煤的裂隙是指煤受到自然界各种应力作用而造成的裂开现象。按成因不同可分为内生裂隙和外生裂隙两种。

1.内生裂隙

内生裂隙是在煤化过程中，煤中的凝胶化物质受到温度和压力等因素的影响，体积均匀收缩产生内张力而形成的一种张裂隙。

内生裂隙主要出现在镜煤中，有时也出现在均匀致密的光亮型煤分层中。内生裂隙一般都垂直或大致垂直于层理面，只发育在镜煤或光亮煤条带或分层内。内生裂隙面较平坦光滑，有时可见到十分细密的环纹组成的眼球状张力痕迹。内生裂隙有大致互相垂直的两组，其中，一组较发育，称为主要裂隙组另一组则较稀疏，称为次要裂隙组(图5-4)。

图5-4 煤的内生裂隙示意图

内生裂隙的发育程度与煤化程度有关。中煤化阶段的焦煤、高煤化阶段的瘦煤内生裂隙最发育，5cm内约有30～60条(主要裂隙组)而低煤阶的长焰煤、气煤或高煤阶的贫煤则减少，5cm内为10～20条无烟煤和褐煤中内生裂隙很少或没有。褐煤由于失水，常常有切穿煤岩成分或层理的干缩裂纹。所以，可根据煤的内生裂隙发育程度来大致判断煤的煤化阶段。观察煤的内生裂隙时，要在打开的镜煤层理面上观察，而在垂直层理的断面上往往看不清楚。

2.外生裂隙

外生裂隙是在煤层形成之后，受构造应力的作用而产生的。外生裂隙可出现在煤层的任何部分，与煤层的层理呈不同角度相交，并切穿煤岩成分和煤分层的层理。外生裂隙面上常有波状、羽毛状或光滑的滑动痕迹，有时可见到次生矿物或破碎的煤屑。外生裂隙面有时与内生裂隙面重叠。

在矿井下，要经常注意测量外生裂隙方向，这对判断断层有一定的帮助。研究外生裂隙的方向，对提高采煤效率、预测瓦斯突出也有实际意义。

三、煤的结构和构造

1.煤的结构

煤的结构是指煤岩成分的形态、大小、厚度、植物组织残迹，以及它们之间相互关系所表现出来的特征，它反映了成煤原始物质的成分、性质及在成煤时和成煤后的变化。在低煤级煤中，煤的结构很清楚随着煤化程度的增高，各种煤岩成分的性质逐渐接近，因而煤的结构就逐渐变得均一。

煤的结构分原生结构和次生结构两种。

(1)原生结构

煤的原生结构是指由成煤原始物质及成煤环境所形成的结构。常见的原生结构有以下8种:

1)条带状结构:煤岩成分呈条带状相互交替出现。按条带的宽窄，可分为宽条带状结构(条带宽大于5mm)、中条带状结构(条带宽3～5mm)和细条带状结构(条带宽1～3mm)。条带状结构在烟煤的半亮型煤和半暗型煤中最为常见，年轻褐煤和无烟煤中条带状结构不明显。

2)线理状结构:指镜煤、丝炭、黏土矿物等以厚度小于1mm的线理断续分布于煤中，形成线理状结构。半暗型煤和半亮型煤中常见。据线理之间交替的线距，又可分为密集线理状结构和稀疏线理状结构。

3)凸镜状结构:指镜煤、丝炭、黏土矿物、黄铁矿等，常以大小不等凸镜体形式散布于煤中，构成凸镜状结构。半暗型和暗淡型煤中常见，有时光亮型煤中也可见到。

4)均一状结构:指组成成分较单纯、均匀，形成均一状结构。如镜煤、腐泥煤、腐植腐泥煤类等，都具有均一状结构。光亮型煤和暗淡型煤有时也表现出均一状结构。

5)粒状结构:由于煤中散布着大量的孢子或矿物杂质，使煤呈现出粒状结构。多见于暗煤或暗淡型煤中。有时含黄铁矿鲕粒或含黄铁矿结核而呈鲕粒状结构或豆状结构，它们为粒状结构的变种。

6)叶片状结构:煤中有大量的木栓层或角质层，使煤呈现纤细的页理，如叶片状、纸片状等，煤易被分成薄片。角质残植煤和树皮残植煤具有叶片状结构。

7)木质状结构:煤中保存了植物茎部的木质纤维组织的痕迹，植物茎干的形态清晰可辨，称木质状结构。褐煤中常可见到木质状结构，有些低煤级烟煤中也可见到。如我国山西繁峙褐煤中保存有良好的木质状结构而被称为“紫皮炭”。

8)纤维状结构:为丝炭所特有，它是植物根茎组织经丝炭化作用而形成的，可见到植物原生的细胞结构沿着一个方向延伸呈现出纤维状，疏松多孔。观察时要在煤层层面的丝炭上才可见到。

(2)次生结构

煤的次生结构是指煤层形成后受到应力作用产生的各种次生的宏观结构。

1)碎裂结构:煤被密集的次生裂隙相互交切成碎块，但碎块之间基本没有位移，可看到煤层的层理。碎裂结构往往位于断裂带的边缘。

2)碎粒结构:煤被破碎成粒状，主要粒级大于1mm。大部分煤粒由于相互位移摩擦失去棱角，煤的层理被破坏，碎粒结构往往位于断裂带的中心部位。

3)糜棱结构:煤被破碎成很细的粉末，主要粒级小于1mm。有时被重新压紧，已看不到煤层的层理和节理，煤易捻成粉末。糜棱结构一般出现在压应力很大的断裂带中。

2.煤的构造

煤的构造是指煤岩成分空间排列和分布所表现出来的特征。它与煤岩成分自身的特征(形态、大小等)无关，而与成煤原始物质聚积时的环境有关。煤的原生构造分为层状构造和块状构造。

(1)层状构造

沿煤层垂直方向上可看到明显的不均一性，主要是由组成成分不同而引起的，或是煤岩成分的变化，或含无机矿物夹层所引起，表现为层理。

按层理的形态，可分为水平层理、波状层理和斜层理等。水平层理(连续状、不连续状)反映泥炭沼泽内成煤原始物质是在平静的环境中几乎没有水流动的条件下沉积形成的。波状层理(不连续状、水平波状、凸镜状)反映植物堆积时沼泽内的水介质有微弱的运动。斜层理则反映水介质有强度较大的定向流动的堆积环境。

(2)块状构造

煤的外观均一，看不到层理。主要是成煤物质相对均匀，在沉积环境稳定滞水的条件下形成。腐泥煤、腐植腐泥煤及一些暗淡型腐植煤具有块状构造。

由于构造变动，使煤产生次生构造，如滑动镜面、鳞片状构造、揉皱构造等。次生构造可改变或破坏煤的原生构造。次生构造与构造变动有关，对煤层进行观察和描述时应加以注意。