煤的形成

(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

煤的用途与煤的种类有密切的关系，不同的煤种其用途是不同的，煤的种类与用途大致可以归纳以下几方面。

（一）煤的种类

煤的分类由于依据的主要标准不同，其分类也有差异，分类方法比较多。我这里主要介绍一下按成因分类及实用分类。

按成因分类：按成因分类是依据成煤植物在聚积阶段各种综合因素进行的，主要是根据成煤物质的种类——高等植物还是低等植物；植物遗体的环境和条件——沼泽的积水深浅、水的活动性、氧气供应和微生物活动等情况，还有成煤物质分解转化过程所决定的。

按成煤物质的种类可以分为三类，即高等植物形成的腐植煤；由低等植物形成的腐泥煤；由高等植物与低等植物形成的腐植－腐泥煤。按植物堆积环境和条件以及成煤物质转化过程将煤的成因类型可分为腐植煤和残植煤。腐植煤和残植煤都是由高等植物变成的，腐植煤的原始物质主要由高等植物的木质和纤维素组成，残植煤的原始物质则主要是植物生物化学稳定的组织，如角质层、孢子、树脂物质、树皮的木栓组织等。腐泥煤的物质组成主要是藻类物质变化产物。腐植腐泥煤是腐植煤与腐泥煤之间的过渡类型。自然界大多数的煤是腐植煤，残植煤、腐植－腐泥煤、腐泥煤则比较少见，通常构成腐植煤中的夹层和透镜体，在较少情况下可单独构成煤层。

按实用分类：这种分类方法，首先要对煤的物质组成进行较全面的了解。煤主要由碳、氢、氧、氮等元素构成的有机质和一些矿物杂质和水分等无机物所构成。煤的质量是由煤的主要组分指标及变质程度决定的。确定煤质量的主要指标有水分、灰分、挥发分、焦渣、角质层厚度、发热量、磷、硫、灰成分、灰熔融性、可选性等。

水分：煤中的水分可分外在水分和内在水分两种。外在水分是在采掘、搬运、储存及洗选过程中，存留在煤炭表面和裂隙中的水分。这种水分自然风干即可除去。另一种是内在水分，是吸附和凝聚在煤分子内部的一些细小的毛细孔里的水分。这种水分经自然风干是除不掉的，需在温度达到 100°以上时才能干燥蒸发掉。内在水分与煤的变质程度和风化程度有关。一般来说，煤的变质程度超高，内在水分越少。煤经风化后因疏松吸潮，内在水分又会增加。地质勘探中常采用内在水分作为评价煤质的数据。内在水分和外在水分的总和称为全水分，它是矿井采出来的煤或直接用工农业生产煤的总含水量，通常作为煤炭供销双方评价煤质的依据之一。我们常用的水分指标有全水分，用“mt”表示也常用“Mar”表示；空气干燥基水分，也可以认为是内在水分，常用（Mad）。

灰分：灰分是煤彻底燃烧以后所剩下的残渣。按成因可分为内存灰分和外在灰分两种。外在灰分是来自煤层顶底板和夹矸中的岩石碎块，它与采煤方法的合理与否有很大关系。外在灰分通过洗选后可大部分除去。内存灰分是成煤的原始物质本身所含的无机物，另外也包括沉积时由风和水搬运来的矿物杂质。内在灰分很难通过洗选除去，含有大量内在灰分的煤是非常难选的。常用的指标有空气干燥基灰分（Aad）、干燥基灰分（Ad），也有用收到基灰分的（Aar）。煤的灰分对煤的实用价值影响很大，是评价煤的质量的主要指标之一。冶金用煤的灰分如增加1%，炼铁炉平均要多消耗 2% ～ 2.5% 的焦炭，同时还会使炼铁炉的生产效率降低约 2%。灰分也增加运输上负担，增加运输成本。不同的国家对煤的灰分的指标要求有所不同。我们国家规定，炼焦用煤的灰分最好不超过 10%，动力用煤其指标可适当高一些，只要发热量达到要求就可以。当灰分大于 40% 时就不是煤了。

挥发分：挥发分是煤在与空气隔绝的高温条件下所排出的挥发物质，主要成分为沼气、氢、二氧化碳和其他碳氢化合物等。挥发分含量与煤的变质程度有关，变质程度越高挥发分越少。挥发分可以作各种高发热量的燃料，也可用来制造染料、塑料、炸药以及其他许多化工产品。挥发分是评价煤质，进行煤种分类的主要指标之一。由于挥发分是煤中有机可燃体的一部分，所以在实际生产中，通常是以挥发分占有机可燃体的百分含量为指标。常使用的有空气干燥基挥发分（Vad）、干燥基挥发分（Vd）、干燥无灰基挥发分（Vdaf）和收到基挥发分（Var），其中 Vdaf 是煤炭分类的重要指标之一。

焦渣：煤中除去挥发分后残留在坩埚里的固态物质就是焦渣。它是由灰分和煤中不挥发的有机物质固定炭组成。固定碳的含量，通常是以其占有机可燃体的百分含量表示，其含量随着变质程度增高而增高。不同的煤形成的焦渣特征是不同的，有的焦渣呈粉末状，有的焦渣熔融黏结成块状，强度大。因此，根据焦渣特征可以初步判断煤的黏结性，对估计煤能不能炼焦是有很大意义的。

角质层厚度：角质层厚度是依照炼焦过程，在实验室里用仪器测定的。把有黏结性的煤粉碎成细粒，在密封的条件下加热到一定温度时，煤中有机质受热分解，软化而成角质层，最后结成了块状的焦炭。黏结性好的煤，加热时形成的角质层厚度适当，结成的焦炭熔融黏结成块状。不黏结的煤加热时，就不能产生角质层，也就不能结成焦炭，呈粉末状。一般来说，煤的角质层厚度是随煤的变质程度增加而有规律的变化，变质程度很低或很高的煤，角质层的厚度都很小或等于零，也就是黏结性不好或没有黏结性。角质层厚度能反映煤的黏结性，因此也就成了评价煤质、进行煤的工业分类的重要指标之一。常用 y 或 b 表示。

发热量：煤的发热量是指单位重量的煤完全燃烧时放出的热量。它对评定煤的燃烧价值有很重要的意义。在煤质评价中，通常用煤的低位发热量来评定煤的燃烧价值，即每千克煤在坩埚中燃烧后实际能被选用的热量。煤的发热量大小与煤的可燃元素碳、氢等含量有关，因而也与煤的变质程度有关。一般来说，变质程度越高，发热量越大。但是，当烟煤向无烟煤过渡时，氢的储量明显降低，由于氢在燃烧时产生的热量约等于碳的 4.2 倍，所以某些烟煤的发热量略高于无烟煤。另外，水分和灰分的增多，均可降低煤的发热量。不同的煤种其发热量是不同的，因此煤的发热量用不同的等级表示。

（1）低热值煤，表示为 LQ8.50 ～ 12.50 MJ/kg

（2）中低热值煤，表示为 MLQ12.51 ～ 17.00 MJ/kg

（3）中热值煤，表示为 MQ17.01 ～ 21.00 MJ/kg

（4）中高热值煤，表示为 MHQ21.01 ～ 24.00 MJ/kg

（5）高热值煤，表示为 HQ24.01 ～ 27.00 MJ/kg

（6）特高热值煤，表示为 SHQ>27.00 MJ/kg

注：1cal15（15℃卡）＝ 4.1855J

硫和磷：煤中常含有硫和磷。硫是煤中的有害杂质，煤在燃烧时硫会变成二氧化硫，腐蚀锅炉、管道，污染大气，增加温室效应，空气中的硫多了还会形成酸雨。炼焦时，有一部分硫会转入焦炭，用含硫高的焦炭炼铁，会降低钢铁的质量。钢铁中的硫分超过一定限额，就会使钢铁变脆，强度降低。煤中的无机硫主要是黄铁矿硫，常常呈细脉充填在煤的裂缝中，或者结核状夹在煤层中，对这部分硫可以通过机械洗选的方法剔除。均匀地分散在煤中的有机硫则很难选除掉。煤中的硫分是评价煤质的极其重要的指标。在实际的生产中通常是以绝对干燥煤样的总含硫量为指标来评价煤的质量的。我国规定，凡是工业用煤必须先经过洗选，尽量降低硫的含量；含硫量大于 3% 的煤就不能开采。常用的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）。

可选性：上面已讲过，煤中的灰分、硫分、磷分等，对煤的加工利用都是有害杂质。为了降低煤中的有害杂质，提高煤的质量，特别是提高炼焦用煤的质量，就需要对原煤进行洗选。对于直径大于 50 毫米的矸石和黄铁矿等杂质，可以用人工手选，颗粒小于 1 毫米的粉煤，则可采用浮选方法进行选煤。煤中矿物的颗粒大小和分布状态，直接影响着煤的洗选难易程度，这就是煤的可选性。煤的可选性是评价煤质，特别是评价炼焦用煤质量的重要指标之一。

灰成分和灰熔融性：灰成分是煤灰分中的矿物成分，灰熔融性是煤的灰分在不同温度下发生变形、软化和熔化状态。它们也是影响煤的用途的重要指标之一。

另外，煤中的有害有毒元素对煤的质量和用途也有较大的影响，如砷、汞和放射性铀等，若其含量超标，会对人体健康产生大的影响。

依据上述煤质量的各种指标，结合煤的变质程度和用途，就可以对煤进行实用性分类。我国煤的分类是根据煤的煤化度，将我国所有的煤分为褐煤、烟煤和无烟煤三大煤类。又根据煤化度、煤质组分和工业利用的特点，将褐煤分成 2 个小类，无烟煤分成 3 个小类。烟煤比较复杂，按挥发分分为 4 个档次，按黏结性可以分为 5 个或 6 个档次。主要类型是褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2 中粘煤、气煤、气肥煤、肥煤、1/3 焦煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤、无烟煤。其中褐煤的变质程度最低，无烟煤的变质程度最高。长烟煤到气煤是低变质烟煤，肥煤到焦煤是中变质烟煤，瘦煤、贫煤和无烟煤是高变质煤。

褐煤的特点是光泽暗淡，内生裂隙不发育，有干缩裂纹，腐殖酸含量高，发热量低。是低热值燃料和制作化肥的原料。

长焰煤、不粘煤、弱粘煤和中粘煤的共同特点是韧性大，光泽较弱，内生裂隙很少，燃烧焰长，不结焦，是燃烧锅炉、化工、制油的最佳煤种。气煤除上述性质和用途外，还具有膨胀熔融结渣，有时有气体喷出的现象。气煤有一定的结焦性，还可以作为炼焦配煤。

肥煤和焦煤的共同点是具有玻璃光泽，内生裂隙发育，性脆易破碎。膨胀熔融黏结性好，焦渣有光泽，是炼焦的最佳原料。

瘦煤光泽强，微膨胀熔融，燃烧时烟淡焰短难着火，可做炼焦配煤。

贫煤具有金刚光泽，不膨胀熔融，燃烧时烟淡焰短难着火，适合燃烧锅炉和化工用煤。

无烟煤具有似金刚光泽，致密坚硬，比重较大，燃烧时不易着火，无烟几乎无焰，可做化工用煤和民用燃煤。

（二）煤的主要用途

早在几千年前，劳动人民就发现了煤可以燃烧，可以用来燃烧取暖、做饭和冶铁。蒸汽机发明后，煤成为机器动力的主要燃料。后来，煤又用来炼焦、发电、制作电石、煤气等。现在，煤仍然是主要的能源。我国的一次性能源结构中煤占到 70% 左右。有专家预测，近期内这种能源结构不会有大的改变。当前煤的主要用途是发电、炼焦、供热取暖和民用燃烧，但煤气化、煤液化、煤化工等煤的综合利用也在迅速地发展。

动力用煤：动力用煤是煤的主要用途，它是把煤作为燃料用来燃烧锅炉取暖、发电和作为蒸汽机车的动力等。因为动力用煤主要是燃烧，所以任何牌号的煤都可以用来作燃料取得热源。

煤焦化：煤焦化就是用煤炼焦。它是将煤在隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，得到的是焦炭、煤焦油和焦炉气三种原料。这三种原料经进一步加工处理可以得到一系列的煤化工产品。高温炼焦可以获得大约 78% 的焦炭，4% 的焦油，18% 的焦炉气。焦炭的主要用途是炼铁，其次是用于化肥工业。焦炭经进一步加工可制成合成氨、电石等。电石还可以再制成塑料、合成纤维、合成橡胶、合成化工产品等。煤焦油是煤焦化的副产品，是一种黑色黏稠状液体，主要成分是芳香族化合物。它的用途更加广泛，可以制成轻油、酚油、萘油、洗油、蒽油、沥青等。用这些产品还可以制成苯、农药、炸药、染料、油漆、二早酚、聚乙烯稳定剂、合成材料等。焦炉气是很好的气体燃料和宝贵的化工原料，可作为冶金工业燃料、民用煤气，也可以制作氨、粗苯、氢、甲烷、乙烯、硫化氢及各种化工产品。如果一个焦化厂每小时能生产 15000 立方米焦炉气作为化工原料，则一年可以生产 55000 吨尿素或 70000 吨硝铵，16000 吨甲醇，2500 吨乙烯。因此焦化厂焦炉气的综合利用对发展农业、冶金工业和化学工业都具有重要的意义。

煤气化：煤气化是在高温有氧的情况下，将煤中的有机质转变成为含有一氧化碳、沼气、氢气等煤气的过程。煤气是一种极好的工业和民用燃料，用煤气作燃料比直接烧煤的效率高一倍多，气体燃料还有一系列优点，如燃烧完全、使用和输送方便等。因此，煤气已广泛用于冶金工业，机械工业、化学工业、建筑材料工业以及城市中的民用燃料。煤气中的一氧化碳和氢气可合成甲醇、醛、酮、酸、饱和烃、烯烃、芳香烃、合成氨等，所以，煤气也是重要的有机化学工业原料。

煤气化有地面气化和地下气化。地面气化是利用煤气发生炉把煤变成煤气。地下气化是在地下直接把煤层燃烧气化，再把煤气从地下输送到地面利用。

在地面用煤和焦炭等固体原料生产煤气的方法很多，大体可归纳为两类。一类是固体原料的气化，将煤或焦炭在有高温和气化剂的条件下转化为气体。又根据气化所用的固体原料种类不同以及固体原料在气化炉中存在的状态不同，制气的方法又分为固定层气化法和沸腾层气化法两种。另一类是固体原料的干馏，它是煤的有机质热解为气体的方法，这是生产城市煤气的常用方法。

固定层气化法是气化的固体在煤气发生炉中基本是固定的。发生炉煤气的气化过程是在固定层煤气发生炉中进行的，从煤气发生炉的底部通入空气和少量的水蒸气，从炉顶加入煤或焦煤，使气体和煤在 700℃～ 800℃以上的高温下发生剧烈的化学反应生成煤气。发生炉煤气用于炼钢炉、玻璃窑炉、炼焦炉等的加热，也可与水煤气混合作为制造合成氨、甲醇的原料气。水煤气是水蒸气与炽热的无烟煤工焦煤作用的产物。水煤气是制造合成氨的主要原料气。

沸腾层气化法是从炉底以高速通入气化剂，使气化炉中的细粒状煤处于浮动的状态，很像液体的沸腾，故称为沸腾层气化法。沸腾层气化法是直接对小于 10 毫米的煤粒进行连续气化的方法。

煤液化：煤液化是把煤由固体状态变为液体状态的过程。煤液化可以是直接液化，也可以是间接液化。

煤的直接液化可以通过低温干馏和加氢液化。煤的加氢液化是将煤、催化剂和重油混合在一起，在 380℃～ 550℃的高温、200 ～ 700 个大气压高压氢之下，使煤中的有机质几乎全部转化为液体和气体产物，进一步加工得到汽油、柴油等液体燃料。低温干馏是将煤通过内热式发生炉变成焦油产物，进一步加工为液体燃料和化工产品。

煤的间接液化是将煤先进行气化，进一步加工成为液体燃料的过程。

煤化工：煤化工就是将煤制成化工产品的方法。煤制化工产品的方法很多。通常是把煤先进行气化或液化，再进一步加工成化工产品。也可以先把煤加工成电石，再转化成为化工产品。

煤的综合利用：煤中的有益元素很多，煤灰中可以提取锗、镓、铀、钒等重要的稀有分散元素、放射性元素，这些元素是国防工业的原料。煤中还共生具有巨大开发价值的煤层气。煤灰还可以制造水泥、改良土壤等。煤灰的综合利用是煤综合利用的一个重要方面。

煤中锗和镓的利用：锗是半导体和电子工业重要的原料之一。锗在地壳中很少呈单独矿物出现，主要作为伴生组分存在于铅锌矿和煤层中。锗的提取工艺简单，主要从煤灰中和烟尘中提取。煤中的锗一般品位不高，但分布广泛，是锗矿床的主要成矿类型。煤中的锗含量达到每吨煤中 20 克就可以回收。新疆的伊犁、青河等煤矿的煤层中都含有锗和镓。

煤中铀的利用：铀在煤中主要以含铀的有机化合物存在，是铀矿床的重要工业类型之一，一般要求煤中伴生铀的工业品位为 0.02%。煤中铀的富集一是在泥炭堆积阶段，含铀的水溶液注入泥炭沼泽后，被腐殖酸强烈吸附所致。二是地下水的淋滤作用把铀带到煤层中。铀在煤中的富集主要是由于腐殖酸吸附铀离子变为金属有机络合物，或者作为还原剂把铀离子转变为不溶状态，固定于有机组分中。铀通常也存在于煤层顶底板的砂岩中，局部可富集出现。新疆的侏罗纪含煤地层常出现铀的富集区，在伊犁南部、吐鲁番地区等地的含煤地层中，铀的含量已达到工业品位。目前，利用地浸法开采煤系地层的低品位铀取得很好的效果。

煤中钒的利用：钒主要用于钢铁工业炼制优质合金。自然界钒的分布很分散，常与其他元素伴生形成含钒矿床。钒在煤系地层中的富集，与海生浮游生物和底栖生物成因的有机质密切相关，所以由浅海藻类聚集形成的腐泥煤中钒含量较高。钒在煤层中主要呈金属有机络合物形式存在，一般来说有机质含量越高钒含量就越富集。煤系地层中有时存在含钒砂岩，钒和铀经常共生形成钒钾铀矿。

煤层气的开发利用，近些年无论在国际上还是在国内，都发展得很快，可以说一个新兴的产业正在兴起，将在能源结构中占有很重要地位。这里只提一下，将煤的情况讲完后专门详细介绍。

（三）开采煤要注意保护资源和环境

煤是不可再生资源，用完了就没有了，因此要十分珍惜爱护煤炭资源。煤的开采要合理规划、统筹安排；选择先进合理的采煤方法，提高煤资源回收率，充分利用薄煤层；以科学发展观为指导，建立循环经济产业链，充分地利用煤炭资源的各种使用效能，提高煤的利用效率。

煤的开采利用对环境会产生一定的影响，因此在开采和利用煤炭资源时要特别注意环境的保护。煤矿开采中由于地下挖空塌陷，常会在地面上形成裂缝、塌陷坑、岩体滑移、山体滑坡等地质灾害，对森林、草原和农田造成危害甚至造成严重破坏；煤矿开采排出的瓦斯、二氧化碳和一氧化碳等废气能污染大气，增加温室效应；排出的硫化氢气体还可以形成酸雨，对人、生物、农作物产生严重危害；排出的废水可以污染环境及地下水；排出的粉尘、矸石可以污染大气、周围环境。炼焦排放的煤烟、工业锅炉和民用锅炉排放的烟尘可以污染大气；煤液化、煤化工也能形成大量废气和废水，污染环境。但是，上述煤开采利用中存在对环境的各种不利影响和危害，只要采取切实有效的措施，是可以大大降低其影响程度的，甚至可以完全避免其危害。关键是在开采和利用煤矿时要牢固地树立环境意识，要把保护环境贯穿在开采利用的全过程，采取切实有效的措施，防止对环境的影响和危害，做到煤尽其用，物有所归，环境良好，人与自然和谐相处。

1976年研制成功的曼诺斯系统，能控制井下16个分控站和127台设备，还可与管理用的计算机联通，把技术监控和生产管理结合成一个整体，从而使生产系统的运转达到最佳程度。曼诺斯系统可用于采煤工作面的监控，能自动将工作面作业状况，包括采煤机和运输机的运行工作系统，情况以信息提供计算机分析处理，也可用于运煤系统的监控，使地面控制台通过信号、图像和数据显示井下整个运煤系统的工作情况，发生故障时能自动报警和停车，每班的工作状况能自动打印出工作报告，包括运煤量、煤仓装煤量、运输故障记录等。这种系统还可用于井下环境监视，通过各种传感器检测风流、含尘、瓦斯、烟雾等多种数据，以及井下水位控制、操纵水泵的自动开、停。目前曼诺斯系统已成为英国矿井计算机监控的标准系统

陈振宏1 王一兵1 苏现波2

(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，廊坊0650072.河南理工大学资源环境工程学院，焦作454000)

摘要:煤体变形与煤层气储层渗透性存在密切联系。查明含煤岩系岩体结构，定量评价煤岩体变形，对煤储层渗透性预测具有重要指导意义。通过大量野外观测、结合室内扫描电镜、光学显微镜及原子力显微镜探测，研究了沁水盆地南部煤层气藏储层变形特征及空间展布，探讨了构造形迹、煤体变形程度与岩体结构之间的内在关系，并揭示了其成因。研究结果认为，沁南地区煤体宏观变形以脆性变形为主，割理大部分被方解石充填，对储层渗透性贡献不大煤岩体变形取决于岩体强度与结构，特别是软煤发育厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数有关。同时研究发现，含煤岩系节理和煤层裂隙走向NE－SW居主导地位，与现今的主应力场方向一致，寺头断层对煤体严重变形的影响有限。在煤层气下一步开发施工中，应尽力避免在软煤强烈发育区布井。

关键词:煤层气 岩体结构 脆性变形 强度因子 软煤

基金项目: 国家 973 项目 “高丰度煤层富集机制及提高开采效率基础研究”( 2009CB219607) 。

作者简介: 陈振宏，男，1979 年生，湖南桃源人，博士，主要从事石油天然气地质及煤层气地质方面的研究。地址: 河北省廊坊市万庄廊坊分院煤层气研究所。电话: 010 － 69213542 137930613041 E － mail: cbmjimcoco@126. com

Deformation Characters and Formation Mechanism of Coal Seams in South Qinshui Basin

CHEN Zhenhong1，WANG Yibing1，SU Xianbo2

( 1. Langfang Branch，Research Institute of Petroleum Exploration and Development， CNPC，Langfang 065007，China2. Institute of Resource and Environment EngineeringHenan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)

Abstract: The coal deformation is a critical controlling factor of coal reservoir permeability. Researching the coal construction and quantitatively evaluating coal deformation，essential parts of the reservoir permeability pre- diction，are significant. Through abundant field reconnalssance，SEM，OM and AFM，the reservoir deformation characters，spatial distribution＆ formation mechanism of coalbed methane and the relationship between the region- al structure ＆ coal deformation and rocks construction，were analyzed＆discussed here. It was proved that in the south，Qinshui basin，the brittle deformation was dominant and cleat permeability was litter，in which filled cal- cite. The coal deformation was decided by the strength and construction of rock mass. Especially，the soft coal thickness and rate are associated with strength divisor＆fractal dimensionality. Moreover， the strike of coal fractures＆joints is main NE － SW，as current main stress field，and Sitou fault litter affects the coal deforma- tion. So in the future CBM developing，wells in the intense soft coal area were avoided.

Keywords: coalbed methaneconstruction of rock massbrittle deformationstrength divisorsoft coal

引言

煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊岩石，发生韧性变形所需的温度、压力远远低于无机岩石。正是由于煤的这种特殊的变形行为，使得煤体变形与煤层气储层渗透性和煤与瓦斯突出存在密切联系。煤岩体在地质演化过程中的变形受岩体强度、构造应力场、温度和边界条件等的控制［1～4］。在同一构造应力场中不同岩性岩层或岩性组合的岩体会表现不同的岩体力学性质和形变特征，即在局部范围内控制煤岩体变形的主导因素是岩体结构。

对于沁南地区无烟煤储层，割理严重闭合或被矿物质充填，外生裂隙是煤层气运移产出的通道［5～8］。而外生裂隙是煤体变形的结果，适中的煤体变形形成的碎裂煤是本区渗透性最好的储层。因此，根据勘探、开发阶段的煤层气井资料，查明含煤岩系的岩体结构，定量评价煤岩体变形特征，可以为煤储层渗透性评价做出借鉴，预测未开发区储层渗透性，为勘探开发部署提供依据。

1 沁水盆地南部地区煤岩宏观变形特征

沁南地区山西组3#煤层下部通常发育有一层不足1m的软煤，多为鳞片状的糜棱煤，局部发育碎粒煤，个别地区还存在整层均为糜棱煤的透镜体，透镜体一般不超过20m×50m。

图1 沁水盆地南部煤岩割理发育特征

通过钻井煤心、井下煤壁观测，结合测井响应，发现煤体宏观变形以脆性变形为主，其主要变形标志为割理形成初始阶段的格里菲斯裂隙(图1a)、被方解石充填的雁行排列的割理(图1b)。割理成因很复杂，一般认为是同沉积压实作用、成岩作用、侧向古构造应力、干缩作用和煤化作用等综合作用的结果［9～12］。

煤中另一种脆性变形标志是外生裂隙。当外生裂隙不发育时，煤体保持原生结构当外生裂隙发育时，煤体破坏为碎裂煤，这类煤的煤心往往为碎块状，但碎块有强度。

2 沁南地区煤岩微观变形特征

借助扫描电镜，系统观测煤的微观孔隙结构，发现煤岩割理被方解石充填(图2a)，或者割理闭合(图2b)，基质孔隙(气孔)发育(图2c)。

图2 沁南地区煤岩的微观特征(SEM)

光学显微镜下，煤体脆性变形标志主要为一些外生裂隙(图3)。

图3 光学显微镜下沁南地区煤岩外生裂隙，反光，×15。

扫描电镜下，煤中韧性变形标志主要为褶皱、残斑和SC构造等(图4)。

值得注意的是，煤岩脆韧性变形识别与观测尺度有关，宏观上观测的韧性变形，在微观上仍可发现脆性变形现象(图5)。但在超微条件下，很难观测到韧性变形现象。

3 沁南地区煤岩变形空间展布

煤心观测和测井响应显示，沁南地区樊庄区块软煤普遍发育在煤层的下部，夹矸层将其与上部的硬煤隔开，厚度0～1.15m，平均0.7m，所占煤层总厚的比率为0～0.177，平均0.114(图6)。

北部的固县地区软煤厚度和比率最高，特别是从G12－9～G7－12软煤厚度超过1m、比率超过0.15，向东软煤发育程度逐渐降低，其软煤相对发育的主要控制因素为褶皱的影响，软煤发育基本沿着背斜的轴部展布。寺头断层并没有对煤体结构造成严重影响，位于寺头断层附近的G4－7，G2－7，G2－6等井软煤的厚度和比率还没有褶皱轴部高，且北西向褶皱与软煤发育的关系最密切。固县地区是整个樊庄区块软煤最发育的地区，且分布在本区的煤层气井距寺头断层最近，可见寺头断层或多或少对煤体变形有一定影响。

图4 煤体韧性变形微观标志(SEM)

图5 煤体韧脆性变形标志(SEM)

樊庄地区软煤发育受北西向褶皱控制，厚度一般不超过1m，比率多在0.15之下，最发育区位于褶皱轴部(F14－13，F13－14)，翼部最低(F12－9)。

图6 沁南地区樊庄区块软煤厚度等值线图

蒲池玉溪地区软煤最不发育，软煤厚度一般不超过1m，多数在0.5m以下，比率多在0.1以下。同样沿北西向褶皱轴部软煤发育，但因近东西向褶皱的叠加使得软煤分布复杂化。

总体上，整个樊庄区块固县软煤最发育，其次为樊庄，蒲池玉溪地区最不发育。软煤发育程度与北西向褶皱关系最为密切，多位于褶皱轴部。寺头断层对煤体结构有一定的影响，但不严重。

4 成因分析

4.1 岩体结构对煤岩变形的控制作用

研究区除了边界断层—寺头断层外，区内稀疏分布三组小断层:近南北向、近东西向和北东向。褶皱非常发育，大体可区分出北西向和近东西向两类。这些褶皱的形成与岩体结构有着密切关系。褶皱的形成严格受岩体强度和结构的控制，易于发生强烈变形的低强度因子和分形维数岩体均位于褶皱的轴部。强度因子最高的蒲池玉溪地区，通过断层形式来吸收应力，形成了密集的褶皱强度因子最低的固县地区褶皱不如蒲池玉溪发育，这是该地区通过形成软煤的顺煤层剪切吸收应力的结果。

煤层具有低杨氏模量、高泊松比，相对含煤岩系统计层段内其他岩层，在相对较低的温度和较弱的构造应力作用下也可达到较深的变形程度。因此煤层中记录的构造应力场演化信息要比其围岩详细和全面。对比软煤厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数和褶皱的关系，发现:

Ⅰ:低强度因子和厚层岩层较多的分形维数低值区，含煤岩系以韧性变形为主，位于多褶皱轴部，煤体变形程度深，以顺煤层剪切使煤体发生韧性变形、形成“软煤”来消减构造应力。

Ⅱ:高强度因子和厚层岩层较少的分形维数高值区，一般位于褶皱的轴部，含煤岩系以脆性变形为主，软煤不发育。

Ⅲ:区域上，固县地区强度因子和分形维数最低，但褶皱和断层不发育，唯一吸收构造应力的途径是顺煤层剪切变形形成软煤。因此，固县地区是本区软煤最发育的地区。蒲池玉溪地区强度因子和分形维数最高，但吸收构造应力的途径不是形成断层，而是密集发育的褶皱，软煤最不发育。樊庄地区介于二者之间。

也就是说，在局部范围内构造应力的性质与大小基本一致的前提下，岩体强度与结构决定了煤岩体的变形，不同地区的煤岩体可通过不同的变形途径来吸收应力。

4.2 应力场对煤岩变形的影响

4.2.1节理发育特征

通过对樊庄区块含煤岩系露头大量野外观测，发现本区含煤岩系，尤其是二叠系下石盒子组中细砂岩、上石盒子组粉砂岩发育多组高角度共轭剪节理，以NESW向和NWSE向为主，倾角平均为82°，甚至有些节理倾角达90°。节理沿走向延伸有从几个厘米到几米的，部分达几十米。节理密度从2条/米到20条/米不等，平均密度为10条/米。一般来说，脆性岩层中的节理密度要比同一厚度的韧性岩层中的节理密度大，节理密度的大小直接受到岩层所受构造应力大小的控制，在构造应力集中的地带，如褶曲转折部位及断层带附近，节理的密度相对要大得多。

节理之间多有切割，反映出力学性质的多样性和形成的多阶段性。据节理的切割关系、分期配套分析结果，厘定为四套共轭剪节理(图7)。第一期共轭剪节理由Ⅰ组和Ⅱ组配套组成，锐夹角指示近SN向的挤压，形成最早第二期由Ⅰ组和Ⅲ组配套组成，锐夹角指示NWSE向的挤压第三期由Ⅰ组和Ⅳ组配套组成，锐夹角指示NNESSW向的挤压第四期由Ⅱ组和Ⅴ组配套组成，锐夹角指示NESW向的挤压，形成时间最晚。

图7 节理的分期配套

4.2.2 构造应力场分析

通过大量的野外观测，在上述含煤岩系节理特征系统描述的基础上，综合前人的研究成果［13～16］，恢复了中生代以来构造应力场期次:

①印支期近SN向挤压应力场

印支期近SN方向的挤压作用，形成近EW向褶皱，伸展作用表现为近NE和NS向的正断层，褶皱和断层规模都很小，此时的寺头断层已经开始发育。

②燕山喜马拉雅早期的NWSE向的水平挤压应力场

燕山喜马拉雅早期NWSE向挤压应力场，在沁水盆地普遍存在。挤压作用使本区整体成为NE向向斜，西部的寺头正断层进一步强化，与之平行的近NE、NNE向的、规模较小的正断层形成。

③喜马拉雅晚期的NNESSW向的近于水平的挤压应力场

喜马拉雅晚期NNESSW方向的挤压作用，形成区内规模较大、叠加在燕山喜马拉雅早期NE向褶皱之上的NW向褶皱，此时的寺头断层由原来的张性逐渐转化为压性。

④第四纪以来新构造期的NESW向的近水平挤压应力场。

第四纪以来的新构造运动期，伴随着霍山和太行山的不断隆起，在沁水块坳中产生的NESW向的近水平挤压应力场，形成了NW向小褶皱，这种构造应力场一直持续到现今。

本区岩石节理和煤层裂隙NESW居主导地位，与现今的主应力场方向一致。

4.2.3 应力场对煤岩变形的影响

煤层中外生裂隙的产状与上下围岩中的节理产状基本一致。山西组3号煤储层中的大裂隙系统具有明显的方向性，表现为NESW和NWSE两个优势方向，且以NESW向更为发育。这与岩石节理走向的优势方向基本一致，煤层主裂隙的方向与现今应力场最大主应力的方向也基本一致。

这一裂隙与应力场的耦合关系，造成了在煤层气井不断排采、流体压力不断降低过程中，裂隙张开度逐渐增加，进而导致煤层渗透率随最大主应力差的增大而呈现数量级的增大现象。

这正是本区煤层气井稳定高产的主要控制因素之一。

4.3 断层对煤体变形的影响

根据固县地区寺头断层附近煤层气井的揭露情况，发现该断层对煤体严重变形的影响有限。

(1)紧靠断层的煤层气井显示煤体没有严重破坏为软煤

(2)北部固79井，储层压力还有1.5MPa，产能就达2700m3/d，而且周围的井固610、固710、固711、固712、固89产能都达2000m3/d以上。但固78、固88的产能较低，不足400m3/d。由产能分析可知寺头断层对煤体变形有影响，在固县地区，由于断层落差较小，影响范围有限，一般不超过100m。随断层落差的增加，影响范围将增加

(3)寺头断层影响构造应力场在本区的展布，进而控制着区内构造的形成和展布。对煤体变形的影响为:沿断层形成软煤条带，其宽度与断层的落差有关，落差越大，软煤宽度越大，一般不超过500向东逐渐过渡为碎裂煤分布区，也是储层渗透性最佳区，这一区域的宽度难以准确确定。根据目前煤层气井的测试和排采资料，这个条带的宽度在1～2km左右进一步向东为基本不受影响的带，原生结构煤发育。

结论与建议

(1)沁南地区煤体宏观变形以脆性变形为主，割理被方解石充填，对储层渗透性贡献不大韧性变形标志包括褶皱、残斑和SC构造等。

(2)岩体强度与结构决定了煤岩体的变形。软煤发育程度与北西向褶皱关系密切，其厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数有关。

(3)含煤岩系节理和煤层裂隙走向NESW居主导地位，与现今的主应力场方向一致，寺头断层对煤体严重变形的影响有限。

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采区是井下生产的基本单元，矿山开拓和采区巷道布置是井下开采的重要组成部分。采区内布置一系列巷道和若干回采工作面，建成从工作面到井下大巷的运输、通风、供电、压气、煤仓等生产系统。视煤层赋存条件，可在单一煤层中布置采区，或在几个相邻煤层中联合布置采区。为维持矿井持续生产，在回采的同时，需及时进行开拓工作和准备新采区，形成新工作面。此外，还要布置联通井下各采区的开拓井巷，形成全矿性的井下生产系统（见采区巷道布置）。

通过井下运输系统,将采出的煤和矸石运到地面,把人员、材料、装备从地面运到井下工作地点。矿井通风系统不断供给井下新鲜空气,利用各种通风结构设施,迫使风流到达井下每个作业点，供井下人员呼吸、降温及稀释瓦斯等有害气体；乏风通过回风井巷排出地面（见矿井通风、矿内空气、矿井热害）。井下各工作地点所需的电力、压气动力、防尘等安全措施及用水，分别以专用管线，从地面变电站、压风机房以及贮水池输送到井下去（见矿山动力供应、矿山供电系统）；井下涌水则需在井底设集中水仓、水泵房，通过排水管排到地面(见矿山排水)；充填、井下防火等特需的充填材料、泥浆须另设专用的设备和输送系统。露天开采须增设剥离、排土、堆土装备，以及相应容量的排土场；采深不大时，无需通风措施。基础理论 岩石力学 和地压控制理论一起，是指导采煤生产的重要理论基础。随着开采引起的围岩岩体中应力重新分布，使围岩、煤体和各种人工支撑物产生变形、塌落、破坏、地表发生沉降等力学现象，直接影响井下巷道和地表建筑物的稳定与作业安全。19世纪后期，已有人试图运用简单的力学定理,建立各种假说,来解释一些地压现象。20世纪30年代开始了以连续介质力学为理论基础的研究。随后，又开展了视岩体为连续介质各向异性体的研究，50年代后，开展了视岩体为非连续介质的弱面体研究、有限元法研究和极限平衡条件研究等。与此同时，相似材料模拟、光弹性模拟、数学模拟等各种研究方法和声、光、电学仪器设备等实验手段也获得了显著进展（见地压观测）。这些研究工作为更好地解决工作面支架设计、巷道维护、三下采煤以及具有冲击地压、煤、岩与瓦斯突出危险煤层的开采等各种实际问题，提供了理论基础。

系统工程学 在煤矿开采应用方面的研究也取得显著进展。首先在露天开采中应用，目前已扩展到地下开采，但都还处于初期阶段。煤炭生产是个复杂的大系统，它是由采煤、掘进、运输、提升、通风、排水、动力供应、地面生产系统等许多生产环节组成的，各环节间具有独立性，在工艺技术上、材料上、动力上、信息上又具有相关性，在整体上互相依存又互相制约。运用运筹学、电子计算机等工具,对大系统的要素、组织结构、信息交换和反馈控制等进行分析研究，达到最优设计、最优控制和最优管理的目标,保证产量或成本费用最低,技术经济指标最好（见计算机在采矿工业中的应用）。

矿山地压及其控制,系统工程在采煤中的应用,以及其他有关学科理论研究上的进展，已促使煤矿设计、生产管理更好地和现代科学技术相结合，采煤学科的内容和体系进入了大幅度更新期。术发展地下采煤 生产的发展，推动了采煤技术的进步，18世纪以来，地下采煤技术经历过两个发展阶段：

①第一个发展阶段 18世纪肇始于英国，使采煤从手工生产过渡到单一生产工序的机械化生产。首先以蒸汽为动力的提升绞车、水泵、扇风机，取代了辘轳提升、水斗戽水和自然通风。20世纪初到40年代后期，陆续出现了风镐、电钻、 凿岩机、 链板输送机、气动装岩机、电动装载机、带式输送机、自动卸载矿车等采掘设备和大功率的电动绞车、水泵、扇风机等技术装备，但采掘工作面仍以使用电钻的爆破落煤技术和凿岩机为主。中国自1875年起，相继建立了基隆、开平两个煤矿，实现了矿井提升、矿井通风、排水等几个主要辅助生产工序的机械化作业，这是中国近代采煤工业的开始。

②第二个发展阶段 采掘工作面从单一生产工序的机械化，发展为全部工序的综合机械化。20世纪40年代后期至50年代，英国、苏联分别研制出用于地下长壁工作面的联合采煤机，可同时完成落煤、装煤两道繁重工序的作业。与摩擦式或液压式单体支柱，以及稍后研制出的可弯曲输送机一起，构成了配套的普通机械化采煤设备（即普通采煤机组）。至60年代初，液压自移支架取代了单体支柱，构成了综合采煤机组，从而使工作面生产的采煤、装煤、运煤、支护、采空区处理等所有工序,实现了连续、协调一致的综合机械化。到1982年,采煤综合机械化程度：联邦德国为98％，英国为92％，苏联为67％，波兰为77.8％。

矿井生产的日趋集中,生产规模的日益扩大,推动了矿井运输、矿井提升等环节的进一步技术改造。一些装备正朝着大型、强力、高速的方向发展。已出现了2000吨／时的钢芯强力带式输送机，35吨的提升罐笼，有效载重达50吨的箕斗，以及每秒供风量为300米3的扇风机等。 在地下采煤方法方面，世界上大多数产煤国家采用长壁工作面采煤法（见壁式采煤法）。美国由于煤层平缓，顶板坚硬，适宜用连续采煤机开采，主要用工作面短的房柱法采煤（见柱式采煤法），效率高，但煤炭损失多。

露天采煤 19世纪70年代，出现了勺斗容积为3～4米3的动力铲和以铁道或汽车配合使用的采、装、运设备，20世纪30年代，在软岩露天矿发展了能力大、效率高的连续开采新工艺，50年代得到推广。60年代以来，露天采煤规模、技术装备发展迅速，各种工艺方式都已形成配套的设备组合和系列，单机设备能力不断提高，并陆续出现了容量更大、生产能力更高的超重型装备：斗容137米3、卸载半径近100米的机械铲斗容168米3、卸载半径为180米，并已用电子计算机监控的吊斗铲日产20余万米3的轮斗铲载重达200～350吨系列的自翻车和自卸汽车；以及带宽3.6米，最长作业线98.65公里，最大生产能力每小时达48000米3的带式输送机等。系统工程和电子计算技术开始用于露天矿的单机控制、系统监控、全矿以至全公司的组织管理，使全世界露天采煤占全部煤产量的百分比，由60年代的30％提高到1980年的40％，苏联为32.6％，美国达55.3％，中国也正在大力发展露天采煤。

煤炭化验采制化流程：

1、 采样:

在被采样四周取有代表性的八个点，共采3~5千克 .采样深度为0.4米，煤堆表面的煤不宜采取。因为堆表面的煤在空气中经受了不同程度的氧化后，性质也逐渐变化。取样铲的使用角度与煤堆表面呈垂直状，遇到矸石、大块、黄铁矿时不可以随意舍弃。

采样后如不及时化验，试样应密封。

2、破碎:

将试样粒度破碎至<13mm或<6mm水分小的可一次性破碎到6mm

3、缩分 :

堆锥四分法(二分器法取一边的一份，全部通过二分器，再进行缩分至需要重量） 方法：将破碎过的试样摊成圆锥状，十安交叉分成四份，取对角两份，另两份舍去，然后，再混合摊成圆锥状，进行缩分，直至最后缩分至所需重量既可（约100g）

4、烘干:

将缩分过的试样平摊于不锈钢盘中，厚度不大于粒度的1.5倍，待干燥箱温度升至145度时，将试样放入，鼓风条件下（提前3分钟鼓风），干燥30~40分 注：预先鼓风是为了使温度均匀

5、全水分（外水） :

a、用预先干燥并称量过的称量瓶（75乘35），迅速称取粒度小于6mm的煤样10~12g，平摊在称量瓶中

b、打开称量瓶盖，放入预先鼓风并已加热到145度的干燥箱中，鼓风条件下，干燥30~40分(国标法：105~110度，鼓风情况下，烟煤1小时，无烟煤1.5小时）

c、从干燥箱中取出称量瓶，立既盖上盖，在空气中冷却约5分，然后放入干燥器中，冷却至室温（约20分）称量

d、进行栓查性干燥，每次30分，直到连续两次干燥煤样质量的减少不超过0.01g或质量有所增加为止。在后一种情况下，应采用质量增加前一次的质量作为计算依据。水分在2%以下时，不必进行检查性干燥。

扩展资料：

化验测量对象：

一、水分（M )

煤的水分分为两种，一是内在水分（Minh ) ，是由植物变成煤时所含的水分；二是外水（Mf ) ，是在开采、运输等过程中附在煤表面和裂隙中的水分。全水分是煤的外在水分和内在水分总和。一般来讲，煤的变质程度越大，内在水分越低。褐煤、长焰煤内在水分普通较高，贫煤、无烟煤内在水分较低  。

水分的存在对煤的利用极其不利，它不仅浪费了大量的运输资源，而且当煤作为燃料时，煤中水分会成为蒸汽，在蒸发时消耗热量；另外，精煤的水分对炼焦也产生一定的影响。一般水分每增加2 % ，发热量降低100kcal/kg(大卡/千克）；冶炼精煤中水分每增加1 % ，结焦时间延长5 一10min .

二、灰分（A )：

煤在彻底燃烧后所剩下的残渣称为灰分，灰分分外在灰分和内在灰分。外在灰分是来自顶板和夹研中的岩石碎块，它与采煤方法的合理与否有很大关系。外在灰分通过分选大部分能去掉。内在灰分是成煤的原始植物本身所含的无机物，内在灰分越高，煤的可选性越差。

灰是有害物质。动力煤中灰分增加，发热量降低、排渣量增加，煤容易结渣；一般灰分每增加2% 发热量降低10okcal / kg 左右。冶炼精煤中灰分增加，高炉利用系数降低，焦炭强度下降，石灰石用量增加；灰分每增加1 % ，焦炭强度下降2 % ，高炉生产能力下降3 % ，石灰石用量增加4 % 。

三、挥发分（V )：

煤在高温和隔绝空气的条件下加热时，所排出的气体和液体状态的产物称为挥发分。挥发分的主要成分为甲烷、氢及其他碳氢化合物等。它是鉴别煤炭类别和质量的重要指标之一。一般来讲，随着煤炭变质程度的增加，煤炭挥发分降低。褐煤、气煤挥发分较高，瘦煤、无烟煤挥发分较低。

四、固定碳含量（FC )：

固定碳含量是指除去水分、灰分和挥发分的残留物，它是确定煤炭用途的重要指标。从100减去煤的水分、灰分和挥发分后的差值即煤的固定碳含量。根据使用的计算挥发分的基准，可以计算出干基、干燥无灰基等不同基准的固定碳含量。

五、发热量（Q )：

发热量是指单位质量的煤完全的燃烧时所产生的热量，主要分为高位发热量和低位发热量。煤的高位发热量减去水的汽化热即是低位发热量。发热量国际单位为百万焦耳/千克（MJ/kg ) 。为便于比较，我们在衡量煤炭时消耗时，要把实际使用的不同发热量的煤炭换算成标准煤。

国内贸易常用发热量标准为收到基低位发热量（ Qnet,ar) ，它反映煤炭的应用效果，但外界因素影响较大，如水分等，因此Qnet,ar 不能反映煤的真实品质。国际贸易通用发热量标准为空气干燥基高位发热量（ Qnet,ar) ，它能较为准确的反映煤的真实品质，不受水分等外界因素影响。

参考资料：煤炭化验_百度百科

6.2.1 单轴压缩煤岩变形破裂过程的力学特性

（1）受载煤岩变形破裂特性

煤岩材料在不同压应力作用下表现出的非线性变形包括：初始的压实、近线性弹性变形、初始应变硬化、应变软化、膨胀和局部弱化，这些特性主要来自于岩石微结构在不同应力状态下的演化，原有裂纹的成核和扩展被视为岩石变形核失效的主要机制。

根据岩石的三轴压缩实验过程曲线（图6.4），岩石受力变形破坏过程可分为以下几个阶段：

1）非线性压密阶段（OA）：岩石内的天然裂隙在外力作用下逐渐闭合，表现为岩石试件刚度增大，压缩变形具有非线性特征。

2）弹性变形阶段（AB）：压密后岩石进入弹性阶段，应力与应变成正比关系。

3）加速非弹性变形阶段（BC）：岩石中开始出现微破裂，变形加速，在该阶段的后期，由于破裂造成的应力集中效应使得即使保持恒载，岩石破裂仍将继续发展，即发生流变。

4）破裂及发展阶段（CD）：该阶段由于大的裂隙互相汇合、贯通，即岩石内部的微破裂面发展为贯通性破坏面，最终导致岩体失稳而破坏。

图6.4 岩石的三轴压缩实验过程曲线

图6.5 岩石受载内部裂纹演化过程曲线

岩石单轴压缩与三轴压缩过程基本上一致，由于没有围压作用，应力峰值小于三轴情况下的峰值。岩石变形与破坏过程实质上是载荷作用下其内部裂纹演化的过程，可用图6.5简单表示。

（2）单轴压缩煤岩应力分布特点

煤岩体的单轴压缩实验主要是测定煤岩的力学性质，如单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等。煤岩体在单轴压缩过程中，其测定结果的准确性和内部应力分布主要受煤岩样品的试件形状及其尺寸、端面条件等因素影响。一般采用圆柱形或正方形试件来进行单轴抗压强度的测定，经实验研究，对于圆柱形试件其尺寸取为φ50 mm×100 mm，能使其内部的应力分布均匀，并能保证煤岩样品破坏面不受压力机上承压板附加的横向约束而可自由地通过试件的全断面。而试件端面的不平整或端面与承压板之间不密切接触，都可能使试件处于偏心或局部受力状态，实验表明，即使在正常受力状态下，试件端面受到的轴向压应力的分布也是不均匀的，其中心部分的轴向压应力比两侧的轴向压应力要大，如图6.6（a）所示。同时，试件端面与压力机之间的摩擦效应会产生一个横向压应力，在两端面表现最为明显，在中部则减小，于是使单轴压缩时煤岩样品内应力分布如图6.6（b）所示。如果消除了这种端面效应，即横向压应力作用减弱或消除，于是试件中的切向拉应力和径向拉应力就会相对增大，则煤岩试件的破裂就会沿着轴向压应力的方向发展，从而导致煤岩样品呈劈裂形破坏。

图6.6 单轴压缩煤岩试件的应力分布

（3）单轴压缩煤岩体内应力应变关系分析

岩石试件在进行单轴压缩时，其端面及内部的应力分布与试件的尺寸、形状和试件端面条件有关。经过实验研究，对于正方柱状岩石试件的几何尺寸一般取高径比为（2～2.5），对于圆柱状岩石试件高径比一般为（2～3），因此在实验时把试件做成高为100 mm直径为50 mm的圆柱体。这样有利于其内部的应力分布均匀，并能保证岩石试件破坏面不受材料机上承压板附加的横向约束而可自由通过试件的全断面。

对于煤体的单轴受压变形及破裂机制，实验研究结果表明，煤体的宏观破坏形态有五种，如图6.7。因煤体中大量宏微观裂隙缺陷的存在，煤体的单轴受压破坏不是单纯的压应力所致，而是通过剪切力和拉应力复合引起的。

图6.7 煤岩体的宏观破坏形态

何学秋等学者［180］经过实验研究及现场测定认为，许多固体材料如煤岩等在稳定载荷下会存在流变现象。其蠕变曲线ε（t）可以分成三个阶段：第一阶段的特征是应变速率逐渐减小；第二阶段为定常蠕变，即应变速率不变；第三阶段为加速蠕变直至破坏。煤岩体的蠕变破坏的前提条件是其所受应力必须大于煤岩体的屈服强度临界值，即σ＞σl（临界值）时；当σ＜σl时，蠕变曲线ε（t）趋于一个常数，且其变形速度趋于0。图6.8，6.9分别为蠕变曲线ε（t）和应力-应变关系曲线σ（ε）。

图6.8 三向常载荷下ε（t）的曲线

图6.9 应力-应变关系曲线

6.2.2 应力场数值模拟分析

（1）应力场数值模拟目的及模型构建

进行单轴压缩煤岩体内应力场数值模拟的目的是：

1）确定煤岩体内应力场的分布规律；

2）分析影响应力分布的各种因素其影响程度（如煤岩体K、G、内摩擦力C和内摩擦角φ等），为分析单轴压缩煤岩体变形破裂电磁辐射信号与其影响因素之间的关系打下基础；

3）通过改变煤岩体的力学参数、单轴压缩时的加载速率等影响因素，通过数值模拟来研究这些因素与煤岩体内部应力分布的变化，为后面应力场和电磁辐射场的耦合计算打下基础；

4）现场更好地应用非接触电磁辐射方法预测预报煤岩动力灾害现象提供指导。

本章利用上面所叙述的数值方法——FLAC3D（Lagrangian element method）法，对煤岩受载变形时的变化规律进行三维的数值模拟，以考察不同力学参数、不同加载速率下煤岩内部各点的应力、应变及变形速率的变化规律。

本章构建了实验室煤岩单轴压缩模型，简称为ModelⅠ，下面对其进行描述。

根据前面对煤岩体单轴压缩应力场的理论分析和应力分布特点的研究，煤岩单轴压缩过程中应力应变分布规律与煤岩力学性质、加载特性有关，因此模型试验方案根据煤岩种类和加载速率设计如表6.1所示。ModelⅠ又细分为15种情况。其材料力学性质如表6.2。煤岩本构模型选取摩尔库仑剪切破坏与拉破坏复合的应变硬化软化模型（SS模型）。其软化参数如表6.3。

（2）单轴压缩煤岩体单元应力分布的特点

根据前面应力场数值模拟方法的分析与单轴压缩计算方案的设计，本文对不同强度、不同加载速率煤和泥岩、砂岩进行了三维FLAC分析与应力场数值模拟计算，图中注释：单元1在煤岩样品的顶部的圆心；单元701在圆柱体煤岩样品中部的圆心；单元1906在中部的径向中间；单元2000在底部位置外边缘；v1、v2等代表加载速率，其值如表6.1；z=45 mm代表距离样品上表面45 mm处的横截面；v2.1300-45代表加载速率为v2，迭代至1300步时z=45 mm处的横截面。通过对计算结果的分析，可以得到单轴压缩煤岩体单元应力分布的几个特点：

表6.1 试验方案表

表6.2 单轴压缩煤岩力学性质表

表6.3 单轴压缩煤岩软化力学参数表

1）煤岩体各单元的应力均随着加载时间的延长而发生变化，其变化规律与实验室的研究结果呈现出一致性，即在达到极限强度前是逐渐增加的，且一般是线性关系，符合线弹性行为，当达到应力峰值后急剧降低；如图6.10～6.13所示，对于中硬煤的701单元、1901单元和软煤的1、701单元其最大主应力随着加载时间的变化规律就是如此。

2）煤岩体中各单元的位置不同，导致在加载步相同时的应力是不同的，由于应力是从煤岩样品的上部即加载端部开始逐渐向下部传递的，因而下面单元应力总是有一个滞后，也就是说当上面单元达到应力峰值时进入塑性软化区甚至破裂，下部单元有可能还没有达到应力峰值，这种现象与实验室实际煤岩单轴压缩中的裂纹从上部逐渐向下扩展一直到破裂是相对应的。如图6.14和图6.15为硬煤在加载到第2500步时单元1（在煤岩最顶部的中心位置）和单元2000（在煤岩样品的最底部外围）的主应力随加载时间的变化关系，可见单元1已经达到应力峰值并开始急剧降低，而单元2000的应力还在继续增加；图6.16和图6.17为泥岩的情况，也是呈现这种特点。

图6.10 中硬煤（v2）701单元应力随时间的变化

图6.11 中硬煤（v2）1901单元应力随时间的变化

图6.12 软煤（v2）1单元应力随时间的变化

图6.13 软煤（v2）701单元应力随时间的变化

图6.14 硬煤（v2）1单元应力随时间的变化

图6.15 硬煤（v2）2000单元应力随时间的变化

3）煤岩体中各层上的单元应力分布在各个加载阶段呈现不同的特点，对于同样的一个监测横截面，在不同的加载时间其应力分布发生了很大的变化，基本上是随着不断迭代（加载）应力先是逐渐增加，然后达到单元的极限强度后发生塑性软化，最后发生拉破裂。在加载前期阶段，各层单元应力分布总体呈现出中间大于周围，如图6.18和图6.19所示：当加载速率为12时，迭代至1300步时，在z=45 mm处的最大主应力是压应力，总体呈现出中间大于周围，均在4.77～6.24 MPa之间，分布内部稍小于周围；在加载后期，如图6.20和图6.21，从图中可以看出：当加载速率为12时，迭代至2900步时，在z=45 mm处的最大主应力有压应力也有拉应力，变化很大，数值不大，压应力最大仅为0.0497 MPa，拉应力最大为450Pa，说明大部分单元已经进入塑性破裂阶段。

4）数值模拟时改变煤岩的强度（如体积模量、剪切模量），发现煤岩的强度不同，即使是在同样加载速率和加载时间下，其应力分布也是不同的，下面章节将对此作具体的分析和研究。

5）数值模拟时改变加载的速率，发现加载速率不同，即使是在同样煤岩强度和加载时间下，其应力分布也是不同的，下面章节也将对此作具体的分析和研究。

图6.16 泥岩（v2）401单元应力随时间的变化

图6.17 泥岩（v2）2000单元应力随时间的变化

图6.18 中硬煤（v2.1300-45）最大主应力等值线图

图6.19 中硬煤（v2.1300-45）最大主应力立体图

图6.20 中硬煤（v2.2900-45）最大主应力等值线图

图6.21 中硬煤（v2.2900-45）最大主应力立体图

（3）煤岩强度对单元应力分布的影响

为了考察煤岩强度对单元应力分布的影响，将软煤、中硬煤和硬煤在同一加载速度下的应力变化计算结果进行分析，取定v=8时，下面是分析结果。

从图6.22和图6.23可看出：对于软煤，当加载速率为8时，迭代至2100步，在z=45 mm处的最大主应力为0.98～1.01 MPa，数值不大且变化也不大。对于中硬煤，如图6.24和6.25所示，当加载速率、加载时间、观测单元面均与软煤相同时，其最大主应力则为6.07～6.23 MPa，也呈现出中间大于周围的趋势，数值比软煤的大。如图6.26和6.27所示，当加载速率为8时，迭代至2100步时，对于硬煤，在z=45 mm处的最大主应力主要集中于中心，最大为13.7 MPa，在周围均已经很低，说明这个面的大部分已经破裂。通过实验研究表明，不同类型的煤岩在单轴压缩时电磁辐射信号的变化趋势是一致的，但幅值与脉冲数其数值却有较大的差别，这可能是煤岩强度不同所致。

图6.22 软煤（v1.2100-45）最大主应力等值线图

图6.23 软煤（v1.2100-45）最大主应力立体图

图6.24 中硬煤（v1.2100-45）最大主应力等值线图

图6.25 中硬煤（v1.2100-45）最大主应力立体图

图6.26 硬煤（v2.2100-45）最大主应力等值线图

图6.27 硬煤（v2.2100-45）最大主应力立体图

（4）加载速率对单元应力分布的影响

为了考察数值模拟时加载速率单轴压缩煤岩体内各单元应力分布的影响，下面将通过对中硬煤、砂岩在不同加载速度下的应力变化计算结果的分析来具体阐述。如图6.28～6.31，对于中硬煤，当加载速率为10，加载时间为1300步时，在z=45 mm处的最大主应力是压应力，总体呈现出中间大于周围，但数值变化不大，均在3.98～4.43 MPa之间，压应力最大值仅为4.43 MPa。当加载速率为12时，最大主应力也是压应力，总体趋势也相同，但是应力值确实有所增大，均在4.77～6.24 MPa之间。从微观和细观机理上分析，即加载速率的增加使单元之间的应力传递速度也加快，应变速率增加，从而导致应力变化加快，这相当于增大了煤岩体的强度和弹性模量。如图6.32～6.33，砂岩的模拟结果也有利地说明了加载速率对应力场的影响。

图6.28 中硬煤（v1.1300-45）最大主应力等值线图

图6.29 中硬煤（v1.1300-45）最大主应力立体图

图6.30 中硬煤（v2.1300-45）最大主应力等值线图

图6.31 中硬煤（v2.1300-45）最大主应力立体图

图6.32 砂岩（v1）1906单元应力随时间的变化

图6.33 砂岩（v3）1906单元应力随时间的变化