煤炭特性分析

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。

4.2.1 电荷传递与分离

自然界的矿物按照电学性质划分，绝大部分是绝缘体即电介质，少部分是半导体，极少数是导体。在电场作用下，它们主要以感应而不以传导的方式来传递电的作用。电场能量可以通过电荷传递方式来实现，电荷的传递有迁移、扩散和对流等过程。一些电学性质直接与介质整体的电荷传递或不同介质之间的横切面的电荷传递有关；一些电学性质则与传递前后的电荷分离有关，或者与电荷储存有关。电荷传递的主要机制：

1）迁移：电荷按照某一电场所作的扩散或者渗透；

2）隧道效应：电荷通过一种能量势垒作量子统计学运动；

3）渗透：物质依照某一种力通过无序介质作规则运动；

4）对流：物质按照热梯度所作的运动；

5）扩散：物质按照某一种力通过一种有序或者无序介质作无序运动。

其中迁移和隧道效应是两个最主要的机理。

电磁辐射的前提和基础是电荷的分离，也就是宏观上表现出正负电荷的分离，电中性的过程就是电磁辐射的过程。任何物质均是由原子和电子组成的，煤岩也一样，内部都存在自由电荷（电子）和束缚电荷（离子）。在通常条件下，电子和离子处于一种电的动态平衡状态，对外不辐射电磁能，但是当受到外界扰动（受载、辐照、温度变化）时，这种平衡态将受到破坏，从而产生相应的电现象。因为煤岩由多种矿物组成，是一种大分子结构；每种矿物晶体具有不同的滑移系数目和方向，即使处于相同的温度和压力下其变形程度也不一样，在内应力作用下一些滑移系数目少的矿物晶体首先破裂成为微裂纹。其不均匀性和各向异性使得电荷的产生和分离数目在不断发生变化，为重新达到电中性平衡态就会产生电荷的迁移、运动，从而产生不断变化的电磁辐射场。

4.2.2 电介质理论与矿物的介电性质［142］

煤岩介质是一种典型的电介质，下面对电介质理论与矿物的介电性质进行简单的分析：

（1）介质极化与介质损耗

自然界的矿物按照其电学性质划分，绝大部分为绝缘体（电介质），少部分为半导体，极少数为导体。从微观上看，电极化是由于组成矿物的原子或离子在电场作用下，使其电子壳层发生形变以及由于正负离子的相对位移而出现的感应电矩；另外，还有分子中的不对称性所引起的固有电矩在外场作用下趋于转至平行外电场方向而产生的极化。介电常数就是综合反映矿物电极化行为的一个重要的宏观物理量。

在外电场作用下，感生的电介质的电极化可用电极化强度P（即单位体积内的电偶极矩）来表示，在各向同性介质内，它与外电场E的关系为：

煤岩动力灾害力电耦合

式中：x——介质的电极化率；ε0——真空介电常数（8.854×10-12F/m）。

在各向异性介质内则为：

煤岩动力灾害力电耦合

式中xij——电极化率，为一个二阶张量的矩阵。

物质出现电极化的主要机理有以下几种：①电子极化：在外电场作用下，原子中电子云的重心与原子核重心分离，同时原子核对电子的引力又趋于使电子云的重心与原子核的重心重合，这样在电场和恢复力的作用下原子因而具有一定的电矩。②离子极化：在离子晶体中因外电场作用下正负离子相对位置发生改变，阳离子沿着电场方向运动，阴离子往相反方向运动，从而感生出一个电偶极矩。③分子极化：在外电场作用下，完整的分子会发生畸变，一部分变得更带负电荷，另一部分则更带正电荷。④固有电偶极矩的转向极化：结构不对称的分子具有的固有电偶极矩，在外电场作用下将趋于转向同外电场平行，使介质的极化强度增大。⑤界面极化：由小晶体或微晶组成的介质，在晶体的整体内具有电性，若存在不导电的边界层，可使其成为绝缘体。这五种极化机理发生在不同的频段，同时可以有简单叠加。在超高频段（-1024Hz）电子极化是唯一的过程；趋近于1014Hz时有分子和离子极化；接近于1012Hz时出现转向极化；106Hz以下为界面极化。电子极化具有较大的恢复力和较小的阻尼，共振频率很高，它们的高频部分分别可以延伸到紫外线和红外线，谱线为共振型。固有电偶极矩的转向极化和界面极化恢复力小，阻尼大，共振频率在微波和射频范围内，谱线为弛豫型。在大多数地球物理学应用中，最重要的极化机制为界面极化，除了水的定向极化外，这种极化完全支配了所有的其他过程。

当外加电场为一交变电场时，介质内的极化也就要不断地改变。电场改变过于迅速时，极化就会滞后。介质中的各种极化是一些弛豫过程，从始态到终态要经历或长或短的弛豫时间，介质极化的这种弛豫在交变电场中就会引起介质损耗，并使动态介电常数和静态介电常数不同。

因此，介电常数常用复介电常数来表示，即

煤岩动力灾害力电耦合

式中α（t）为衰减函数，用来描述电场突然移去时极化随着时间衰减的过程，也就是描述极化从一个稳定态过渡到另一稳定态的弛豫过程。

以离子晶体为例，对于单一的弛豫时间τ，函数α（t）可以写成

煤岩动力灾害力电耦合

由Debye方程得到电介质的介电损耗因数为

煤岩动力灾害力电耦合

（2）矿物的介电性质

自然界的矿物介电特性变化很大。在微波波段，ε1与ε2的变化范围为2～4个数量级；在低频段，它们的变化范围更大；在光频段，二者的变化才缩小。介电常数变化大的是硫化物类矿物和氧化物类矿物。在硫化物矿物中，如方铅矿、黄铜矿、黄铁矿等均具有较高的介电常数和介电损耗。在氧化物矿中，金红石和具有钙钛型结构的矿物具有较高的介电常数。

影响介电常数的因素很多，有频率、矿物成分、矿物结构、水分、温度、压力、孔隙率、地质产状以及矿物的变质程度等。如表4.1为各类矿物的介电常数［143］。

表4.1 各类矿物的相对介电常数

4.2.3 电性参数测定方法

在采矿现场，煤岩均是处在受载状态下，煤岩变形破裂产生的电磁辐射信号在煤岩介质中传播的特性与煤岩电性参数是密切相关的。通过对煤岩电性参数的测定，一方面可以应用于坑透法探测煤岩中的高瓦斯赋存带以及断裂带，一方面可以应用于电磁辐射法预测煤岩动力灾害时分析电磁辐射信号在煤岩体中的时空分布规律，因此，研究煤岩体的电性参数变化是十分必要的。

（1）介电常数的测定

介电常数的测量是根据测量频率的不同而采用不同的方法。低频一般是通过测量样品的电容量求得；在微波段常用的测量方法有谐振腔法、波导法、微扰法、空间波法、弛豫频谱法等；光频一般采用折射率的平方来估计。

电容法是根据被测样品的电容量与它的相对介电常数之间以下的关系：

煤岩动力灾害力电耦合

式中：C——被测样品的电容量，F；A——样品的有效面积，mm2；l——样品的厚度，mm。

具体测量方法又细分为谐振法、分压法、Q表法、电桥法等。对于低频介质损耗的测量方法通常有阻抗电桥法、Q表法和tan δ法等。

（2）电阻率的测定

1）实验室测定方法［144］

在实验室一般采用并联谐振法测定，先测定出不带负载谐振回路的电容值C1和Q1值，然后对煤岩样品进行加载，测定出加载过程中的负载回路C2和Q2值，通过下式求得

煤岩动力灾害力电耦合

式中：ω——角速度；L——线圈电感；Q1——无样品时谐振回路的Q值；Q2——负载时谐振回路的Q值；R——负载后即插入煤样的谐振回路电阻。

通过取样在实验室测试的方法，可以得到比较精细的煤岩电性参数，但是因受煤层构造、煤岩组分、外部测试条件等因素的影响，取样分析的测定结果仅代表煤层局限的一部分，不能代表整个复杂构造煤层的电性特征。

2）现场测定方法

矿物的电阻率大小变化很大，其差别可达24个数量级，从电的良导体到最好的绝缘体均有。大多数金属矿物如方铅矿、黄铜矿等为半导体，电阻率为10-6～10-2 Ω·m范围；石墨由于层状结构中的电子存在也是良导体；大多数造岩矿物如长石、石英、云母等都属于绝缘体，电阻率很高，为106～1012 Ω·m。煤岩的电阻率一般是采用电极法来测量［145］。

具体方法是：在井下测定时，选择地质条件较为简单干扰少的稳定煤层，布置好电极，若用对称四极装置来测定煤层的视电阻率，示意图如图4.1。图中A，B为供电电极，M，N为测量电极。

图4.1 对称四极测量装置示意图

视电阻率与装置系数K分别由下两式求出：

煤岩动力灾害力电耦合

式中：ρ——煤岩层视电阻率，Ω·m；I——供电电流强度，A；ΔUMN——测量电位差，V；K——装置系数。

煤岩动力灾害力电耦合

式中：rAM——A、M两点之间的距离，m；rAN——A、N两点之间的距离，m；rBM——B、M两点之间的距离，m；rBN——B、N两点之间的距离，m。

炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。

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。俗称煤炭。中国是世界上最早利用煤的国家。辽宁省新乐古文化遗址中，就发现有煤制工艺品 ，河南巩义市也发现有西汉时用煤饼炼铁的遗址。《山海经》中称煤为石涅，魏、晋时称煤为石墨或石炭 。明代李时珍的《本草纲目》首次使用煤这一名称。希腊和古罗马也是用煤较早的国家，希腊学者泰奥弗拉斯托斯在公元前约300年著有 《石史》 ，其中记载有煤的性质和产地；古罗马大约在2000年前已开始用煤加热。

煤炭是一种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。

煤作为一种燃料，早在800年前就已经开始。煤被广泛用作工业生产的燃料，是从18世纪末的产业革命开始的。随着蒸汽机的发明和使用，煤被广泛地用作工业生产的燃料，给社会带来了前所未有的巨大生产力，推动了工业的向前发展，随之发展起煤炭、钢铁、化工、采矿、冶金等工业。煤炭热量高，标准煤的发热量为 7000大卡／千克。而且煤炭在地球上的储量丰富，分布广泛，一般也比较容易开采，因而被广泛用作各种工业生产中的燃料。

煤炭除了作为燃料以取得热量和动能以外，更为重要的是从中制取冶金用的焦炭和制取人造石油，即煤的低温干馏的液体产品——煤焦油。经过化学加工，从煤炭中能制造出成千上万种化学产品，所以它又是一种非常重要的化工原料，如我国相当多的中、小氮肥厂都以煤炭作原料生产化肥。我国的煤炭广泛用来作为多种工业的原料。大型煤炭工业基地的建设，对我国综合工业基地和经济区域的形成和发展起着很大的作用。

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。

煤炭对于现代化工业来说，无论是重工业，还是轻工业；无论是能源工业、冶金工业、化学工业、机械工业，还是轻纺工业、食品工业、交通运输业，都发挥着重要的作用，各种工业部门都在一定程度上要消耗一定量的煤炭，因此有人称煤炭是工业的“真正的粮食”。

我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，不仅储量大，分布广，而且种类齐全，煤质优良，为我国工业现代化提供了极为有利的条件。

煤的生成】

在地表常温、常压下，由堆积在停滞水体中的植物遗体经泥炭化作用或腐泥化作用，转变成泥炭或腐泥；泥炭或腐泥被埋藏后 ， 由于盆地基底下降而沉至地下深部，经成岩作用而转变成褐煤；当温度和压力逐渐增高，再经变质作用转变成烟煤至无烟煤。泥炭化作用是指高等植物遗体在沼泽中堆积经生物化学变化转变成泥炭的过程。腐泥化作用是指低等生物遗体在沼泽中经生物化学变化转变成腐泥的过程。腐泥是一种富含水和沥青质的淤泥状物质。冰川过程可能有助于成煤植物遗体汇集和保存。

【煤的形成年代】

在整个地质年代中，全球范围内有三个大的成煤期：

(1)古生代的石炭纪和二迭纪，成煤植物主要是袍子植物。主要煤种为烟煤和无烟煤。

(2)中生代的株罗纪和白垩纪，成煤植物主要是裸子植物。主要煤种为褐煤和烟煤。

(3)新生代的第三纪，成煤植物主要是被子植物。主要煤种为褐煤，其次为泥炭，也有部分年轻烟煤。

别称:煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。

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。俗称煤炭。中国是世界上最早利用煤的国家。辽宁省新乐古文化遗址中，就发现有煤制工艺品 ，河南巩义市也发现有西汉时用煤饼炼铁的遗址。《山海经》中称煤为石涅，魏、晋时称煤为石墨或石炭 。明代李时珍的《本草纲目》首次使用煤这一名称。希腊和古罗马也是用煤较早的国家，希腊学者泰奥弗拉斯托斯在公元前约300年著有 《石史》 ，其中记载有煤的性质和产地；古罗马大约在2000年前已开始用煤加热。

煤炭是一种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。

煤作为一种燃料，早在800年前就已经开始。煤被广泛用作工业生产的燃料，是从18世纪末的产业革命开始的。随着蒸汽机的发明和使用，煤被广泛地用作工业生产的燃料，给社会带来了前所未有的巨大生产力，推动了工业的向前发展，随之发展起煤炭、钢铁、化工、采矿、冶金等工业。煤炭热量高，标准煤的发热量为 7000大卡／千克。而且煤炭在地球上的储量丰富，分布广泛，一般也比较容易开采，因而被广泛用作各种工业生产中的燃料。

煤炭除了作为燃料以取得热量和动能以外，更为重要的是从中制取冶金用的焦炭和制取人造石油，即煤的低温干馏的液体产品——煤焦油。经过化学加工，从煤炭中能制造出成千上万种化学产品，所以它又是一种非常重要的化工原料，如我国相当多的中、小氮肥厂都以煤炭作原料生产化肥。我国的煤炭广泛用来作为多种工业的原料。大型煤炭工业基地的建设，对我国综合工业基地和经济区域的形成和发展起着很大的作用。

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。

煤炭对于现代化工业来说，无论是重工业，还是轻工业；无论是能源工业、冶金工业、化学工业、机械工业，还是轻纺工业、食品工业、交通运输业，都发挥着重要的作用，各种工业部门都在一定程度上要消耗一定量的煤炭，因此有人称煤炭是工业的“真正的粮食”。

我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，不仅储量大，分布广，而且种类齐全，煤质优良，为我国工业现代化提供了极为有利的条件。

煤的生成】

在地表常温、常压下，由堆积在停滞水体中的植物遗体经泥炭化作用或腐泥化作用，转变成泥炭或腐泥；泥炭或腐泥被埋藏后 ， 由于盆地基底下降而沉至地下深部，经成岩作用而转变成褐煤；当温度和压力逐渐增高，再经变质作用转变成烟煤至无烟煤。泥炭化作用是指高等植物遗体在沼泽中堆积经生物化学变化转变成泥炭的过程。腐泥化作用是指低等生物遗体在沼泽中经生物化学变化转变成腐泥的过程。腐泥是一种富含水和沥青质的淤泥状物质。冰川过程可能有助于成煤植物遗体汇集和保存。

【煤的形成年代】

在整个地质年代中，全球范围内有三个大的成煤期：

(1)古生代的石炭纪和二迭纪，成煤植物主要是袍子植物。主要煤种为烟煤和无烟煤。

(2)中生代的株罗纪和白垩纪，成煤植物主要是裸子植物。主要煤种为褐煤和烟煤。

(3)新生代的第三纪，成煤植物主要是被子植物。主要煤种为褐煤，其次为泥炭，也有部分年轻烟煤。

---