煤结构与煤变质程度关系初探

本文研究了煤大分子结构的芳香性和缩合程度,查明了由褐煤到低变质烟煤,从低变质烟煤到高变质烟煤,再到无烟煤,煤结构变化有不同的特征,从而可以根据化学组成和结构特征划分煤变质阶段。      

煤岩构造变形与动力变质作用

煤岩是一种对温度、压力等地质环境因素十分敏感的有机岩,地质演化过程中的各种构造-热事件必然导致煤岩发生一系列物理与化学结构的变化,并形成不同类型的构造煤。在构造应力作用下,煤岩不仅发生脆性和韧性变形,而且还产生不同程度的动力变质作用。因而,关于煤岩构造变形与动力变质作用的研究不仅具有重要的科学意义,而且在煤层气资源评价以及煤与瓦斯突出危险性预测方面也具有重要的实际意义。文中在已有研究成果基础上,通过对构造煤系列Ro,max、XRD和NMR(CP/MAS+TOSS)等测试和实验方法的对比研究,深入分析了煤岩不同构造变形和动力变质特征,进一步探讨了构造应力下煤岩动力变质作用的机理。研究成果表明,在构造应力作用下,煤岩脆性变形主要是通过破裂面上快速机械摩擦转化为热能而引起煤岩化学结构与其成分的改变;而韧性变形煤主要是通过局部区域应变能的积累而引起煤岩化学结构的破坏,从而发生不同机制的动力变质作用。     

西北地区侏罗纪煤的煤岩学特征

我国西北侏罗纪煤储量巨大,煤质优良,多低灰、低硫,被称为“优质煤”。在总结前人研究成果基础上,对其煤岩学特征及其地质控制因素进行了探讨。研究认为,不同地质背景下形成的煤其煤岩学特征表现各异,如新疆的艾维尔沟、阜康等矿区的煤可用于炼焦,神华煤可直接液化,吐哈盆地的煤具有成油潜力。西北中侏罗世煤普遍富含惰质组,贫矿物质最为显著,与我国东部石炭－二叠纪煤以及国外“冈瓦纳煤”均存在较大差异,西北侏罗纪煤煤岩类型独特,是大型内陆型盆地演化的产物,多属低变质烟煤,局部也有中、高变质烟煤和无烟煤,还出现一个褐煤矿点。在煤地质学与煤岩学、煤化学等方面的深入研究,对今后洁净、高效、合理地利用西北侏罗纪优质煤资源十分重要。      

宁夏煤变质规律初探

宁夏煤炭资源丰富,煤类多,在区域和垂向上呈现出明显的规律性。晚古生代煤层以中、高变质的烟煤、无烟煤为主,中生代煤层以低变质的烟煤为主,从各含煤区分布看,贺兰山、香山含煤区多为高变质的烟煤和无烟煤,灵盐、固原含煤区以低变质烟煤为主,青铜峡-固原深断裂西部的煤变质程度明显高于东部。分析认为深成变质作用对各时代煤变质具有普遍意义,在此基础上,岩浆热力变质作用和动力变质作用也是导致局部地区煤变质增高的因素,如贺兰山含煤区的汝箕沟矿区,受隐伏岩浆热力影响,以岭大井田为中心,呈现北东向展布的半环带状煤级分带;香山含煤区各时代煤类分布方向与区域构造线方向一致,推测可能在深成变质作用下叠加了岩浆热力变质和动力变质作用。     

温度控制下的煤层气储层物性动态演化研究

为研究热对煤储层的改造作用,采用不同煤级具有代表性的12件煤样。考虑煤级差异、温度作用差异以及核磁共振(NMR)在研究孔隙流体中的技术优势等,对煤样进行了显微组分、镜质体反射率、孔渗测试以及孔隙结构的压汞和NMR实验,研究了煤储层核磁共振特征、T2谱响应特征、孔径分布、核磁共振孔隙度及核磁渗透率、可动流体等,同时对比了不同变质程度煤储层孔隙结构特征及其对煤层气储层物性的控制作用。温度变化下的煤储层物性研究结果表明:热的作用对各煤级煤储层孔隙度都有改善作用,但是对低煤级影响最大,其次为中煤级,最后为高煤级煤储层。温度对不同煤级煤岩的渗透性影响迥异。高挥发份烟煤受热后渗透率增加了一个数量级。低挥发份烟煤受热后渗透率则下降了一个数量级,这应与煤岩热膨胀性有关。无烟煤渗透率总体变化不明显,说明热作用对高煤级煤储层改造意义不大。     

三轴应力下饱和水煤岩破裂的声发射特征

在GAW-2000型岩石力学试验系统上进行了煤岩饱和水条件下的三轴压缩应力应变试验及声发射检测。结果表明:不同煤级煤岩有着不同的声发射特征,主要可以划分为3种类型。饱和水煤岩的三轴-声发射试验显示,煤样在线弹性阶段之前声发射事件较少,而之后声发射趋于活跃;单轴与三轴实验对比发现,围压会明显改变半无烟煤煤岩在压密阶段的应变量,而对无烟煤不明显。围压的存在对煤岩变形其他阶段的影响要小于压密阶段。声发射参数振铃率和能量率可以应用于预测最大屈服应力点:半无烟煤煤岩在破坏前兆来临时,振铃率和能量率的频率和幅度均有很大提高,在近最大屈服应力90%左右时,幅度基本维持不变;无烟煤煤岩在破坏前兆来临时,会产生明显的某一突变,频率或幅值上有跳跃或突增。同时,煤岩的声发射特征的方式和差异性与煤岩的物质组成及煤岩演化程度有很大的相关性。     

腐植无烟煤显微硬度各向异性的研究

煤岩工作者除用显微硬度来概略地确定煤的变质程度外,也曾利用压痕裂隙的发育程度来评定煤的还原性。随着研究的深入,发现煤的显微硬度可作为划分无烟煤变质阶段的良好标志之一。煤炭科学院煤化学研究所媒化室（1977）提出过专门报告,对此作了较全面的研究,业提出以显微硬度作详细划分无烟煤的指标。      

湖南省煤的热谱特征及其研究意义

煤的热谱(DTA、DSC、TG)特征与煤的其他物化特征参数一样,是煤大分子结构特征的反映,可作为研究煤化作用的参考和无烟煤分类的辅助标志。本文介绍了湖南省不同变质程度煤的热谱特征和试验所发现的热谱曲线、峰温与煤及瓦斯突出强度、无烟煤三小类的关系,并试验证明利用热分析曲线进行煤层对比的可能性。     

长江剪切带对安徽沿江煤田的煤变质影响初探

安徽沿江煤田与宣径煤田的煤变质程度，有着较明显的差异。在沿江两岸煤田中，绝大部分为无烟煤；远离长江的宣径煤田却绝大部分为烟煤。至于沿江煤田为什么是高变质的无烟煤？长期以来人们多认为是与岩浆接触或接近有关。虽然，不能忽视岩浆岩对煤质的影响，但是从岩浆岩的分布来看，宣径煤田及其附近，多有存在。然而宣径煤田的煤变质程度却依然低于长江断裂带两侧的煤田，这一规律仅用深成变质作用和岩浆作用来解释还是不够的。笔者认为：由于长江剪切带的作用，使地下热流通过断裂和裂隙向煤系运移，同时在剪切过程中形成了部分摩擦热和一定的构造超压，为沿江煤田提供了热源使其变质程度高于宣径煤田。它是温度压力以及构造应力等因素叠加的结果。     

煤岩学与油气资源评价

一、煤的还原程度由于根源植物、沉积环境、变质条件等的不同,煤的物理性质和化学结构也各有特点。过去往往仅根据煤的结构或构造的差异,来研究成煤过程的影响因素。在具体技术方法上,一般多基于利用煤化程度及显微镜下的组构成分,以及结合其他某些定性指标予以研究。近年来,苏联学者提出了“还原程度”(degree of Reduction)这个新概念,用来解释煤在生成时,由于沉积条件和变质条件所支配的煤化学结构的差异。     

华北南部构造煤纳米级孔隙结构演化特征及作用机理

构造煤是在构造应力作用下,煤体发生变形或破坏的一类煤,在世界主要产煤国家皆有分布。构造变形不同程度的改变着煤的大分子结构和化学成分,而且也影响到构造煤的纳米级孔隙结构(<10 0 nm ) ,它是煤层气的主要吸附空间。通过构造煤显微组分和镜质组油浸最大反射率的测定,采用液氮吸附法对不同变质变形环境、不同变形系列构造煤的纳米级孔隙分类、孔隙结构特征进行了深入系统的研究,并结合高分辨透射电子显微镜和X射线衍射对大分子结构和孔隙结构的分析,结果表明:不同类型构造煤纳米级孔径结构自然分类,可将孔径结构划分为过渡孔(15～10 0 nm )、微孔(5～15 nm )、亚微孔(2 .5～5 nm )和极微孔(<2 .5 nm ) 4类。低煤级变形变质环境中随着构造变形的增强,不同类型构造煤过渡孔孔容明显降低,微孔及其下孔径段孔容明显增多,可见亚微孔和极微孔,过渡孔的比表面积大幅度降低,而亚微孔的却增加得较快。从脆韧性变形煤至韧性变形煤,总孔体积、累积比表面积、N2 吸附量随着构造变形的增强,这些结构参数均迅速增加,但中值半径进一步下降。非均质结构煤孔隙参数与弱脆性变形煤相当。中、高煤级变形变质环境形成的各种类型构造煤与低煤级变质变形环境相比,孔隙参数的变化基本一致。但不同类型构造煤的变化又有所区别     

脆性变形序列构造煤纳米孔隙和粗糙度的原子力显微镜研究

煤孔隙结构是煤层气勘探开发与煤矿安全研究中的关键问题之一。构造煤相比于原生结构煤非均质性强,是煤储层研究中的热点和难点。采用原子力显微镜,结合NanoScope Analysis和Gwyddion分析软件,对脆性变形序列构造煤的孔隙结构和表面粗糙度特征进行研究。结果表明:构造作用整体上促进了脆性变形煤孔隙的发育,但不同脆性变形构造煤受构造作用影响的程度存在明显差异。根据煤受构造作用影响的程度,脆性变形煤孔隙结构演化可划分为强弱2个阶段:弱脆性变形阶段(原生结构煤—碎裂煤—片状煤—碎斑煤)构造作用对煤体的孔隙结构影响较小,平均孔数量缓慢增长,平均孔径缓慢减小,该阶段构造作用主要促进了100~200 nm大孔的发育;强脆性变形阶段(碎斑煤—碎粒煤—薄片煤)构造作用对煤体孔隙结构产生了显著影响,平均孔数量迅速增长,平均孔径迅速减小,这一阶段构造作用主要促进了10~50 nm介孔和50~100 nm大孔的发育。这表明脆性变形构造煤孔隙结构并非简单的线性演变。不同脆性变形煤的算术平均粗糙度和均方根粗糙度参数分别为3.00~6.05 nm和3.94~7.62 nm,其中,弱脆性变形阶段粗糙度整体较高且无明显变化,而强脆性变形阶段粗糙度迅速降低。通过AFM剖面分析,建立了煤表面孔隙形态的数学模型。基于该模型的算术平均粗糙度模拟结果表明,大孔是煤表面粗糙度的主要贡献者,构造作用主要通过影响煤中的孔隙结构,进而影响煤的表面粗糙度。      

低-中煤级构造煤纳米孔分形模型适用性及分形特征

构造煤纳米孔非均质性研究对于揭示煤层气赋存状态和传输特性具有重要意义.选取低-中煤级典型序列构造煤样品,基于高压压汞和低温液氮相结合的方法计算了构造煤基质压缩系数,并分析了Menger、热力学、Sierpinski和FHH分形模型对构造煤的适用性,进一步揭示了孔隙分形特征,糜棱煤的Menger分形曲线呈现三段式分布,而对于原生煤、碎裂煤、片状煤、鳞片煤和揉皱煤而言,Sierpinski模型、Menger模型、热力学模型以及FHH模型分段点分别为100 nm、72 nm、72 596 nm和8 nm.Menger模型分形维数大于3且拟合偏差较大,不适合表征构造煤的孔隙非均质性.Sierpinski模型适合于描述构造煤的纳米孔分形特征;FHH模型适合于表征原生煤及构造煤8~100 nm的孔隙非均质性.Sierpinski模型微米孔（>100 nm）的分形维数（D_s1）随着构造变形的增强先升高,而后降低,在片状煤中达到最高;Sierpinski模型纳米孔（< 100 nm,D_s2c）和FHH模型 < 8 nm的孔隙的非均质性随构造变形的增强逐渐升高.原生煤和脆性变形煤中,D_s1 > D_s2c,表明为微米孔非均质性强于纳米孔;鳞片煤中,D_s1接近于D_s2c;揉皱煤中,D_s1 < D_s2c,表明纳米孔的非均质性强于微米孔.      

构造煤的成因属性分类

前人研究认为构造煤是煤与瓦斯突出的必要条件,构造煤的分类对煤与瓦斯突出的预测和防治有重要意义。(1)根据构造煤参与煤与瓦斯突出过程的突出属性对构造煤重新进行了定义,认为构造煤是构造作用下强度降低、瓦斯异常的煤气双重介质,据此将构造煤划分为01类瓦斯构造煤和01类强度构造煤以及强度和瓦斯都变异的02类构造煤。(2)参考地质构造成因环境下岩石破坏的脆韧性划分方式,将突出属性分类与脆韧性的构造成因特性结合起来,划分出3类脆性构造煤和3类韧性构造煤,分别命名为01类脆性瓦斯构造煤、02类脆性构造煤等。(3)分析了构造煤在煤与瓦斯突出中的作用,低强度构造煤在其周围形成应力集中,瓦斯通过孔隙压力和吸附作用降低煤体强度,而高压瓦斯则是突出发展过程中煤体破坏和抛掷的重要动力源之一。(4)结合成因属性构造煤分类对各种地质因素对构造煤空间分布、构造煤瓦斯的生成和保存条件进行了分析。     

再论中国含煤岩系沉积学研究进展及发展趋势

过去30年间,在层序地层学及旋回地层学等沉积学理论引入中国后,中国学者在含煤岩系沉积学研究方面取得了长足的进步,相继提出幕式聚煤作用、海侵过程成煤作用、海侵事件成煤作用以及超厚煤层的多阶段泥炭地叠加成因模式等基于层序地层学理论及可容空间概念的聚煤模式,并将可进行区域对比的等时性地层单元（层序）与传统岩相古地理研究相结合,重建中国各聚煤期等时性岩相古地理,进行富煤带及聚煤中心迁移规律分析。随着煤层气及煤系页岩气等非常规天然气勘探的不断深入,煤相及沉积有机相研究作为煤及泥质岩生烃潜力评价的重要方法重新受到关注。“含煤系统”概念将含煤盆地中各种地质信息进行融合与集成,包括古泥炭堆积的原始特征、含煤岩系的地层格架及煤层丰度、煤中硫含量与分布特征、煤变质程度或煤阶等。近年来,煤层作为“深时”古气候信息的载体,成为当前研究热点之一,特别是煤中丝质体含量可用来研究古泥炭地火灾事件及大气氧含量变化,米兰科维奇旋回理论作为一种有效的“深时”时间尺度度量方法,可用来研究古泥炭地的碳聚集速率及其所反映的净初级生产力与大气CO₂变化趋势。未来含煤岩系沉积学将会进一步加强研究不同构造背景下的含煤岩系层序地层格架样式、层序地层格架下的优质煤炭资源与煤系非常规天然气资源预测模式,以及煤层在地球长、短周期气候变化旋回中的地质意义。     

矿井瓦斯评价与预测的构造动力学方法

通过对矿井瓦斯赋存的构造控制、构造应力场演化及构造煤结构演化与瓦斯特性耦合机理的综合分析,认为当前在矿井瓦斯赋存、分布规律及突出危险区带的有效预测方面的研究还有待深入。在汲取前人研究成果的基础上,提出矿井瓦斯突出的构造动力学评价与预测的思路及方法,即以区域构造-矿井构造-煤层变形-构造煤结构-瓦斯特性及其相互作用机理分析为总体思路．将现代构造地质学理论和方法引入矿井构造研究,并与模糊综合评判、灰色系统、分形理论、数值模拟和计算机技术相结合,以揭示构造煤发育、分布规律及其构造动力学控制机理,系统进行不同类型构造煤瓦斯特性研究,探讨不同结构构造煤的含气性、透气性和气体赋存状态,以构造煤分布特征作为瓦斯突出危险性评价与预测的基础,建立矿井瓦斯突出预测预报的构造动力学评价方法体系。     

朱仙庄矿构造煤结构及其孔隙特征

通过对淮北宿东矿区朱仙庄矿构造煤的宏观、微观特征的观察和研究,结合构造煤的形成环境,参照琚宜文的构造煤分类方案,将构造煤划分为8类:碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤、碎粉煤、片状煤、鳞片煤、糜棱煤和非均质结构煤。同时,选取不同类型构造煤进行压汞实验,分析了不同变形级别煤样的孔隙分布特征、孔径结构的演化特征以及孔隙的类型和连通性。结果表明:构造煤的许多性质与其变形强度密切相关,朱仙庄矿构造煤变形从弱到强的顺序依次为片状煤、碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤、鳞片煤、非均质结构煤、碎粉煤和糜棱煤。      

Comparison of the Eastern and Western Kentucky coal fields (Pennsylvanian), USA—why are coal distribution patterns and sulfur contents so different in these coal fields?

More than 130 Mt of Pennsylvanian coal is produced annually from two coal fields in Kentucky. The Western Kentucky Coal Field occurs in part of the Illinois Basin, an intercratonic basin, and the Eastern Kentucky Coal Field occurs in the Central Appalachian Basin, a foreland basin. The basins are only separated by 140 km, but mined western Kentucky coal beds exhibit significantly higher sulfur values than eastern Kentucky coals. Higher-sulfur coal beds in western Kentucky have generally been inferred to be caused by more marine influences than for eastern Kentucky coals.Comparison of strata in the two coal fields shows that more strata and more coal beds accumulated in the Eastern than Western Kentucky Coal Field in the Early and Middle Pennsylvanian, inferred to represent greater generation of tectonic accommodation in the foreland basin. Eastern Kentucky coal beds exhibit a greater tendency toward splitting and occurring in zones than time-equivalent western Kentucky coal beds, which is also inferred to represent foreland accommodation influences, overprinted by autogenic sedimentation effects. Western Kentucky coal beds exhibit higher sulfur values than their eastern counterparts, but western Kentucky coals occurring in Langsettian through Bolsovian strata can be low in sulfur content. Eastern Kentucky coal beds may increase in sulfur content beneath marine zones, but generally are still lower in sulfur than mined Western Kentucky coal beds, indicating that controls other than purely marine influences must have influenced coal quality.The bulk of production in the Eastern Kentucky Coal Field is from Duckmantian and Bolsovian coal beds, whereas production in the Western Kentucky Coal Field is from Westphalian D coals. Langsettian through Bolsovian paleoclimates in eastern Kentucky were favorable for peat doming, so numerous low-sulfur coals accumulated. These coals tend to occur in zones and are prone to lateral splitting because of foreland tectonic and sedimentation influences. In contrast, Westphalian D coal beds of western Kentucky accumulated during low differential tectonic accommodation, and therefore tend to be widespread and uniform in characteristics, but exhibit higher sulfur values because they accumulated in seasonally drier paleoclimates that were unfavorable for peat doming. Hence, basin analyses indicate that many differences between the mined coals of Kentucky's two coal fields are related to temporal changes in paleoclimate and tectonic accommodation, rather than solely being a function of marine influences.