什么是煤炭的形成

一、行业状况

中国富煤、贫油、少气的资源特点决定了煤炭是中国能演消费的主体，在我国能源消费中占比维持在70%左右。长期看随着中国工业化和城镇化的推进，能源消费将保持稳定增长，但是经济增长方式的转变和节能减排的政策的实施将使能源消费增速放缓。因此长期看煤炭行业仍具有持续增长潜力，但增速将放缓。短期看煤炭行业将受到经济周期波动、煤炭资源整合、运输通道建设、行业政策等因素的影响。

受国内经济影响。2014年初以来我国煤炭需求直线下滑，煤炭企业库存快速上涨，价格连续发生下滑。2014年四季度在一系列“为煤企解困”政策的推动下，煤价略有回调，单“高库存，低需求”的现状并未改变。2015年以来，受需求下降、供大于求的影响，煤炭价格持续下降，降幅较大。

二、行业前景

总体来看，目前受国民经济景气度下行以及行业产能过剩等因素影响，我国煤炭行业整体处于下行周期，但在国家经济的整体格局中煤炭占有举足轻重的战略地位，国有经济的主导地位不会轻易动摇。在包括取得国际能源定价权方面，我国也更加需要做强做大资源类企业。从长期看，我国宏观经济的高速发展为煤炭需求持续增长提供了坚实支撑，煤炭市场将会呈现供需平衡的基本格局。随着国家各项行业政策的实施和推进，煤炭产业集中度将进一步提高，产业结构得到优化，煤炭工业的规模化、现代化也将得以强化，为煤炭产业优化升级奠定了重要基础。

三、市场供求及产品价格变动

1、煤炭供给

我国煤炭储量占世界储量的13%，储量较为丰富，仅次于美国和俄罗斯。目前我国煤炭市场处于供大于求的情况。2014年全年我国原煤产量为38.7亿吨，较上年同期下降2.5%，为2000年以来首次下降。2015年全国原煤产量继续负增长，同比下降3.28%2016年全国原煤产量创下近6年来的新低，仅为33.64亿吨，同比下降10.22%。从内蒙古、陕西、山西等三大煤炭主产区来看，煤炭产量总体同比出现一定幅度下降。

2016年2月，国务院印发《国务院关于煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》（国发【2016】7号），文件指出从2016年起，3年内原则上停止审批新建煤矿项目、新增产能的技术改造项目和产能核增项目；确需新建煤矿的，一律实行减量置换。在近年来淘汰落后煤炭产能的基础上，从2016年开始，用3至5年的时间，再退出产能5亿吨左右、减量重组5亿吨左右，较大幅度压缩煤炭产能，适度减少煤矿数量。因此，在供给侧改革的背景下，预期未来几年煤炭供给将处于收缩的状态。

2、煤炭需求

从煤炭需求方面来看，煤炭消费主要集中在电力、建材、钢铁、化工四大行业，合计约占煤炭需求量的九成。受经济复苏低于预期、美联储加息预期等因素的影响，国际环境充满不确定性，国内方面政府坚持进行经济结构调整，经济增速持续放缓，全社会对钢铁、电力、建材、化工等耗煤企业的需求增速也随之放缓。此外，政府对高耗能产业节能的政策力度日趋增大，单位工业增加能耗呈下降趋势，对煤炭需求的增长也起到一定程度的抑制作用。

结构调整

自人类进入近代工业社会以来，能源利用的结构调整共有3次：

①18世纪下半叶英国产业革命以后，由传统的柴薪能源迅速转向以煤为主的能源结构，直到20世纪初煤炭在工业国家能源构成中的比例达95%，由此推动了资本主义工业的发展；

②19世纪末 ，由于电力、钢铁工业、铁路技术、汽车和内燃机技术的发展，煤炭作为主要能源已越来越不适应生产的需要，随着石油资源的开发，从20世纪初以后，石油迅速登上能源舞台，至70年代初石油占能源构成的50%；

③因为煤、石油、天然气等储量有限，不可能满足人类不断 增长的能源需求，以及主要发达国家的工业化使用这些常规能源引起的环境污染日益严 重，造成对人类生存的极大威胁，由此迫使人们必须扼制常规能源的消耗，转向建立以可再生能源等新型能源为主体的持久能源体系。

第三次世界范围的能源结构大调整，标志着人类文明由向自然索取进入到回归自然的一种观念上的飞跃。

● 富煤、贫油、少气

在21世纪前50年内，世界能源的发展趋势仍将以化石燃料为主。随着石油、天然气资源的日渐短缺和洁净煤技术的进一步发展，煤炭的重要性和地位还会逐渐提升。根据我国资源状况和煤炭在能源生产及消费结构中的比例，以煤炭为主体的能源结构在相当长一段时间内不会改变。我国能源资源的基本特点（富煤、贫油、少气）决定了煤炭在一次能源中的重要地位。我国煤炭资源总量为5．6万亿吨，其中已探明储量为1万亿吨，占世界总储量的11%，（石油占2.4%，天然气占1.2%）。建国以来，煤炭在全国一次能源生产和消费中的比例长期占70%以上，2001年全国开采量近13亿吨?

专家预测，据有关部门预测，到2005年，全国一次能源生产量为12．3亿吨标准煤，其中煤炭为7．85亿吨标准煤(折合11亿吨原煤)，仍占63．8%。专家预测，在本世纪前30年内，煤炭在我国一次能源构成中仍将占主体地位。

煤炭是我国最安全、最经济、最可靠的能源。我国煤炭资源总量远远超过石油和天然气资源；随着高新技术的推广应用，煤炭生产成本正在并将继续降低；洁净煤技术已取得重大突破，这都将使煤炭成为廉价、洁净、可靠的能源。 目前，世界石油价格居高不下，煤炭的成本优势更加明显。欧佩克要把石油价格稳定在每桶25美元到30美元之间，而煤炭通过直接液化制成的成品油成本是每桶15美元左右。 1999年我国石油净进口量为4000万吨，去年进口7000万吨（花费200亿美元以上）。据预测，到2020年我国石油供需缺口将更大，全靠进口不仅动用大笔外汇，而且受制于人，加大了能源安全供应的隐患。因此，以煤炭液化生产的液体燃料和用水煤浆替代石油将是必然的趋势。从这个意义上讲，煤炭在未来我国国民经济中的地位将更为重要。

● 环境污染

在我国，由于粗放型发展模式及以煤为主的能源结构和低效能源利用方式，使目前我国煤炭生产与消费量均居世界首位，CO2排放居世界第二；另外，产生的量SO2、NOx，使81.6%的城市出现酸雨 ；在农村，居民生活燃料的70%仍靠烧柴和秸杆，由此造成薪材过采、植被和森林大面积破坏、土地生产力下降。

在城市，煤烟型大气污染非常严重，个别已成为“卫星上看不见的城市”，据环保专家分析，我国大城市的空气污染物有60%来自汽车尾气——N Ox、CO、铅、固体颗粒等，已成为人体健康的“无形杀手”。据预测，到21世纪中叶我国达到中等发达国家水平时，能源供应量为29～36亿t标煤，其中煤炭仍占50%～ 60%，化石燃料排放的CO2将达15～20亿tC。这种长时期内以煤为主的能源结构，将使我国区域性污染日益加重，生态环境持续遭到破坏，在国际上也将承担越来越大的环境压力。

为减少煤炭燃烧对大气的污染，国家有关部门强制取缔、关闭了31200处非法经营和布局不合理的煤矿，压缩煤炭产量2.68亿吨（其中高硫煤2200万吨），同时颁发实施《中华人民共和国大气污染防治法》。

● 洁净燃料的努力

发展高效、低污染燃烧技术，节约能源，保护大气环境是世界各国共同关注的重大课题。利用当地煤及劣质煤亦是摆在我国科技工作者面前的重要任务。目前各省低挥发份的无烟煤，高灰高硫劣质煤，难选煤、石煤等储量较大，如何就地利用这些燃料，引起有关部门重视。

1990年代以来，政府在出台减少燃煤为主要能源，寻求以油、气、电来代替煤炭作为工业和民用主要能源的途径的同时，就克服煤炭一次使用方面投入巨大人力、物力、财力，以解决污染问题。煤变气、以焦代煤、消烟除尘水煤浆、洁净型煤、燃煤添加剂、顶部除硫设备、循环流化床锅炉等等相继推出，但都未能从根本上解决成本高、热效率低的难题，反而使得燃煤设备的附属和相关配件越来越庞大、附加费用越来越高。

我国贫油少气，加之世界能源危机日益加剧，燃油价格一路飚升，将自己的依赖放到进口上，不仅不智，也难于承担。再者燃油、燃气设备昂贵，管道铺设投入巨大，主要设备还须依赖进口，所以，要想在全国，特别是中、小城镇和边远地区，以油、气作为主要能源，实施起来困难重重，一些燃煤改燃油、燃气的企业，已经因为成本增加而效益下降。

煤炭企业与其他企业不同，一旦资源耗尽或者资源丧失了其经济性，煤炭企业也就失去了它特有的价值。在这种情况下，煤炭企业也就必须结合企业实际，拓展企业产业链的延伸，做好未来企业的产业转型工作。一、煤炭企业产业转型的必要性与现实价值由于煤炭是不可再生性产品，因此国家一方面在通过宏观调控来压缩煤炭的产量，另外一方面也通过一些政策倾斜，鼓励煤炭企业拓展产业链条，延伸产业空间。就大型的国有煤炭企业来说，产业的转型不仅可以培养新的经济增长点，而且能够规避由于产业结构单一带来的市场风险，通过产业转型，使富余的人力资源得到妥善的安置，尤其是女工；煤炭资源在近阶段效益比较好，在整体效益提升的情况下，通过大力发展第三产业，可以促进企业内部的循环经济结构模式的生成，有效地解决煤炭企业面临资源枯竭以后的恶性局面；煤炭企业的产业转型在一定程度上具有高度的代表性，可以为其他行业摸索出一套相关的经验，使其他大型国有企业在未来的产业转型方面有一定的依据；煤炭企业的产业转型不仅在表层可以解决更多的就业问题，而且在深层次上能够提高产业的科技含量，使更多的企业员工能够通过解放思想来认识到资源的重要性以及科技兴国的内涵；煤炭企业的产业转型对于环境保护，资源利用等因素也会随着煤炭企业的产业转型得到有效改善。总之，煤炭企业的产业转型无论是从资源的经济性上，还是对于环境保护，甚至解决人力资源的就业问题等多个方面都具有多赢的意义与价值。二、煤炭企业产业转型的工作方向根据以往的经验，煤炭企业的转型通常是发展以非煤产业的循环经济模式，在产业结构上实现有机调整，以非煤产业的第三产业与煤炭相关的辅助产业相互结合，形成具有特色的产业结构。但是在这个过程中，我们以往的做法还是暴露了很多问题。综上所述：第一，煤炭企业的产业转型应当建立在一个相当稳固的基础上，提倡产业的创新能力与科技含量，通过资源的合理、科学配置实现煤炭企业的产业转型。第二，通过产业延伸与产业替代的途径，明确企业产业转型的思路。第三，通过产业结构调整，对于第三产业的产权，期权与股份进行改革，要积极大胆地引进社会资金，有效保证产业资金链条的衔接与通畅，在企业内部实行股份改革，此举不仅可以大大提高员工的工作积极性，也可以增强员工的主人翁意识，在此基础上也就可以推进企业的科学管理与资源的整合。第四，确立企业愿景，形成初步发展战略。煤炭企业的产业转型有一个先决的优越条件就是拥有强大的自主品牌优势，在企业产业转型阶段要科学地利用品牌资源，将品牌的文化力，承载力包括其资本运做的内涵都有机地转嫁到新兴的产业基础上，不仅达到可以综合利用资源的目的，同时还可以通过煤炭企业的品牌优势在激烈的市场竞争中迅速获得一席之地。第五，建设企业文化，引进科学的管理办法。由于传统的煤炭产业科技含量不高，体力劳动比重远远大与脑力劳动，也就注定了在劳动成果的评估与对人力资源的管理方面相对简单。那么转型以后的新兴产业在管理上则有一个更高的要求，所以在煤炭企业产业转型阶段科学的管理也是非常必要的。当然技术，资金，人才队伍，生产规模也都将是煤炭企业产业转型的重点与难点问题，不过在工作实践中，一定要抓好上述这几项工作的落实，才能确保煤炭企业产业转型的顺利推进。 三、煤炭企业产业转型的几点思考与建议1.建设园区、搭建平台促进转型建设新的产业园区是煤炭企业产业转型的关键。园区要按照布局集中、用地集约、产业集聚、管理集成、良性发展的要求，重点规划和建设一批新型产业园区，既为现有煤炭企业发展接替产业提供良好的外部条件，又为招商引资项目提供建设平台。2.品牌带动、产业延伸推进转型推进煤炭企业产业转型，必须实施品牌带动项目，项目带动战略，通过重大接替产业项目建设，延伸产业链条，形成多元产业格局。3.优化环境、招商引资带动转型煤炭企业产业转型在环境建设上应“软硬兼备”，制定有效的措施，着力营造宽松开明的政策环境、廉洁高效的服务环境、诚实守信的信用环境、公正严明的法制环境、统一开放的市场环境。用环境吸引投资者，用服务留住投资者，形成亲商、安商、富商的良好社会氛围，把国内外资金引来留住，让引进项目落地生根。4.深化改革、整合资源推动转型煤炭企业产业转型进程中要加大国有企业改革力度，支持国有大中型企业精干主体，剥离辅助，聚集优势资产，建立科学的、符合现代企业制度要求的企业法人治理结构，大型煤炭企业要完善母子公司体制。大力发展非公有制经济，积极鼓励民营企业参与国有企业改制重组，进一步消除束缚非公经济发展的体制性障碍，增强煤炭企业第三产业的活力。5.技术创新、节能降耗支撑转型加大技术创新力度。发展接替产业必须要坚持高标准、高起点战略，转产项目要符合国家产业政策，选用先进的技术工艺和装备，坚决制止低水平项目建设。大力发展循环经济，突出节能降耗。资源型城市要按照“减量化、再利用、资源化”的原则，以推进资源综合利用和清洁生产为重点，从政府、企业、区域、产业和社会五个层面发展循环经济，节约资源，保护环境。6.强化品牌经营意识，树立资本运作观念煤炭企业本身就是一个良好的社会品牌，所以煤炭企业的产业延伸要在品牌上下工夫，不仅要抓住品牌发展的契机推动产业结构的规模化扩张，更要在行业内树立自己的品牌文化，企业文化，融合与行业文化中，有效提升煤炭企业母品牌下的子品牌的含金量，通过有形的资金，社会效益提升转型后企业的知名度与行业影响力，最终达到资本运作。煤炭企业的产业转型是今后一段时间，煤炭企业所面临的重点工作，如何高效地使企业实现转型与产业延伸是一个值得探讨的问题，相信更多的同行业老师还有更好的经验与办法，但是事实证明：煤炭企业的产业转型将是一项长期的工作，因此，还需要我们在工作中多加总结，探索，正确早日摸索出一套科学的办法。参考文献：[1]吴宇晖,郭静,张嘉昕.东北煤炭城市产业转型战略中人与自然和谐发展研究[J].东北亚论坛， 2006，（04）.[2]张嘉昕,郭静.东北老工业基地煤炭城市经济结构调整研究[J].当代经济管理， 2006，（04）.[3]曾蓓.试论煤炭企业的产业刚性及其转型[J].内蒙古煤炭经济， 2007，（02）： 4-7.

中国工程院院士谢克昌说：“我国正在压缩煤炭比例，然而富煤缺油少气的能源资源禀赋，注定了在相当长的一段时间里我国还是以煤为主的能源结构。煤炭只要能清洁高效利用，就是清洁能源。”

数据显示，煤炭占我国已探明化石能源资源储量的97%。与会院士一致认为，煤炭要革命，要实现煤炭在全行业、全产业链的清洁、高效、可持续开发利用。

“煤炭是功臣，将来也要做很大贡献，同时必须认识到‘减煤’是进步。”中国工程院院士杜祥琬在发言中说，一是要提高煤炭科学生产能力，增加效率和洁净度；二是加大散烧煤规划治理，用气、电、地热等来代替；三是保持工业燃煤尽量不再增长，提高电煤的高效利用；四是适度做一些高端煤化工。

中国工程院院士彭苏萍认为，当前风能、太阳能加速发展，但主要位于西北部且属于间歇式能源，仍要以煤电作为主要调峰主体。因此迫切需要提高煤电发电效率，实现二氧化碳近零排放。

据谢克昌分析，中国的能源革命需要经历结构优化期、变革期和定型期三个阶段，即2020年以前，主要是煤炭的清洁高效可持续开发利用，淘汰落后产能，提高煤炭利用集中度；2020年到2030年，主要是清洁能源尤其是可再生能源替代煤炭战略；2030年到2050年，形成新型能源体系，煤炭、油气、非化石能源消费比例达4:3:3。

1、经济转型调结构，煤炭下游需求行业都面临产能压缩。首当其冲的是钢铁、水泥。下游需求中期来看无法恢复，反而要萎缩。2、环保压力增加，煤炭产能必须压缩。个人希望这种产能压缩是市场行为，即通过价格下跌来使小型企业退出煤炭上游领域。政府强行进行企业间兼并整合效果并不好。

这轮煤炭行业整合已经暗流涌动，能剩下的只有高效率管理、低成本运营的大型企业。行业的底部可能很快就会到来，毕竟目前的坑口价格已经低于很多企业成本。但是底部维持的时间可能会很长，要做好长期挨苦日子的准备。

（1）原料来源不同：机制木炭主要由稻壳、花生壳、棉壳、玉米芯、玉米秆、高粱秆、豆秆、锯末、木屑、刨花、松粒壳、椰子壳等一种或者多种材料制成。传统木炭则是木头烧制而成的，常用的是果木。

（2）制作原理不同：机制木炭是将含有木质的碎料，放入机器中挤压加工成的炭质棒状物，是一种人工合成的燃料棒。木炭则是将木材直接高温碳化后制成的。

（3）燃烧过程不同：机制木炭是由多种材料压缩而成，因此其燃烧起来比较缓慢，这也就意味着其燃烧时间长，但是其燃烧值较低，产生的热量不是非常大。木炭成分比较单一，燃烧值很大，产生的热量也多，但是其燃烧速度快，持续燃烧时间不如机制木炭长。

不是今年煤矿不景气，煤炭产业开始走下坡路是在2012年就已经开始了，今年煤炭产业不景气也许仅仅还是开始。

国家发展需要能源，煤炭又占据国内能源市场的三分之一，但是煤炭的开采和使用过程中所造成的污染是非常严重的，国家一直在下大力气治理大气污染，减少碳排放量，减轻温室气体对地球的影响，所以从这个方面来说，中国未来的能源之路必定是走清洁高效了，目前从俄罗斯以及中东引进的石油和天然气以及国内对页岩气的开发技术进一步的成熟，未来煤炭产业还将不断的被打压和排挤，等两年俄罗斯输入中国的天然气管道建成之时，煤炭产业还会萎缩不断，导致部分中小企业被迫转行或关闭。

所以，未来煤炭产业非常不乐观。

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

问题一：煤炭的形成需要多少年 由于古代植物大量沉积,被深深的埋在地层下,受到高压和高温,经过几亿年的时间,变成煤炭、煤矿和其它矿一样，是层状的，且不是到处都有，如果是地表植物积聚而成，则不会那么集中，应该到处都有，所以我认为，书上所说的不对。碳元素是地球故有的，地表的碳大部分以化合物形式存在，地心的碳以单质形式存在，地心的碳向地表喷出时，一部分为钻石，一部分为石墨，大部分为煤（不同条件下形成不同的物质），和其它大部分矿的成因一样。 植物当被压在地下，在长时间的缺氧高压的条件下便会形成煤。

石炭纪地球植物大繁盛，为煤的形成形成的强大的物质基础，后来的造山运动为煤的形成提供了外部条件。经过常年累月，便有了煤。

时间条件：漫长的地质年代[宙、代、纪、世、期] ，一般需要几千万到几亿年的时间 。

问题二：煤炭和石油形成要多长时间 煤、石油的形成都经历几百万年，但从现在开始再经历几百万年，就不一定能形成现在这样的煤炭资源了，因为已经没有几百万年前那样大面积的森林、丰富的海洋生物了，人类是进步了，但地球上生物数量在减少，物种在灭绝，形成煤、石油所需的炭、氢元素也被大量的排放大气层中制造温室效应了。虽然现在人类也找到了一定的新能源作为替代，但那在能源结构又占有多大比例；也许若干年后人类可能又找到了新的替代能源，但那仅仅是可能。所以节约是必须提倡的，甚至可以是强制的！

问题三：煤是如何形成的?经过了多少年才能形成? 煤是古代植物遗体堆积在湖泊、海湾、浅海等地方，经过复杂的生物化学和物理化学作用转化而成的一种具有可燃性能的沉积岩。煤的化学成分主要为碳、氢、氧、氮、硫等元素。在显微镜下可以发现煤中有植物细胞组成的孢子、花粉等，在煤层中还可以发现植物化石，所有这些都可以证明煤是由植物遗体堆积而成。科学家们在地质考察研究中发现，在地球上曾经有过气候潮湿、植物茂盛的时代，如石炭纪、二迭纪（距今约3亿年）、侏罗纪（距今约1.3亿～1.8亿年）等。当时大量繁生的植物在封闭的湖泊、沼泽或海湾等地堆积下来，并迅速被泥砂覆盖，经过亿万年以后，植物变成了煤，泥砂变成了砂岩或页岩。由于有节奏的地壳运动和反复堆积，在同一地区往往具有很多煤层，每层煤都被岩石分开。由植物变为煤的过程可以分为三个阶段：（1）菌解阶段，即泥炭化阶段。当植物堆积在水下被泥砂覆盖起来的时候，便逐渐与氧气隔绝，由嫌气细菌参与作用，促使有机质分解而生成泥炭。通过这种作用，植物遗体中氢、氧成分逐渐减少，而碳的成分逐渐增加。泥炭质地疏松、褐色、无光泽、比重小，可看出有机质的残体，用火柴烧可以引燃，烟浓灰多。（2）煤化作用阶段，即褐煤阶段。当泥炭被沉积物覆盖形成顶板后，便成了完全封闭的环境，细菌作用逐渐停止，泥炭开始压缩、脱水而胶结，碳的含量进一步增加，过渡成为褐煤，这称为煤化作用。褐煤颜色为褐色或近于黑色，光泽暗淡，基本上不见有机物残体，质地较泥炭致密，用火柴可以引燃，有烟。（3）变质阶段，即烟煤及无烟煤阶段。褐煤是在低温和低压下形成的。如果褐煤埋藏在地下较深位置时，就会受到高温高压的作用，使褐煤的化学成分发生变化，主要是水分和挥发成分减少，含碳量相对增加；在物理性质上也发生改变，主要是密度、比重、光泽和硬度增加，而成为烟煤。这种作用是煤的变质作用。烟煤颜色为黑色，有光泽，致密状，用蜡烛可以引燃，火焰明亮，有烟。烟煤进一步变质，成为无烟煤。

问题四：煤的形成大约需要多少年 上一年。

问题五：煤是怎样形成的 在几百万年以前，地球上气候比较温暖，分布着大面积的湖泊和沼泽，生长着很多树木。由于地壳锭动，树木被埋没在地下。在温暖潮湿的缺氧环境下，它们并没有完全腐烂，经过生物化学作用之后，变成像粘土一样的土煤。后来经过漫长时期地壳对土煤的地质挤压作用，它脱去水分，就变成了今天的煤。