㈠ 煤體結構特徵
(一)韓城區塊煤體結構類型劃分
煤體結構一般被用於描述煤體受到地質應力作用所導致的宏觀差異與微觀差異。通常在後期構造演化過程中宏觀構造和微觀結構不變的煤稱為原生結構煤。在後期地質演化作用下,受應力作用影響,使得煤體本身原生的宏觀結構發生改變並形成各種不同的次生結構、煤體本身發生各種物理-化學變化的煤稱為構造煤(袁崇孚,1986;王恩營等,2008)。幾十年來,人們從煤的形態、結構、成因、物理力學性質等角度出發,對煤體結構類型進行了一系列的劃分(陳善慶,1989;李康等,1992;曹代勇等,2003,2012a;琚宜文等,2004,2009;張玉貴等,2008;王恩營弊悉等,2009;李小明,2007;屈爭輝,2011)。袁崇孚(1986)從瓦斯防治角度將煤體結構類型劃分為原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。琚宜文等(2004)從破壞程度、變形機制等多個角度對構造煤分類,在詳細研究沁水盆地和兩淮煤田構造煤的基礎上,結合前人研究成果,擴展了構造煤的概念,提出了構造煤的結構-成因分類方案,將構造煤分為脆性變形、脆韌性變形和韌性變形3個序列的10類煤。然而,不同區域內,煤本身的成煤環境存在很大的差異,地質演化歷史不同,受構造作用的影響也不同。因此,不同區域內煤體結構的劃分應與該區本身的構造演化特徵相匹配,具有自身的獨特性。韓城區塊受燕山期和喜馬拉雅期構造運動等多期地質作用的影響,煤層變形明顯、煤體結構復雜、構造煤類型多樣。本書通過對區塊內煤岩樣品特徵的宏觀描述(包括煤的硬度與脆度、煤的斷口、煤的裂隙發育狀況、煤的結構、構造以及宏觀煤岩組分等特徵)並結合前人的研究成果(王雙明,2008),以煤岩變形機制和煤體宏觀構造、微觀結構為基礎,將煤體結構劃分為4種類型,即原生結構煤、碎裂煤、鱗片煤和碎粒煤(圖3-4)。
圖3-4 研究區4種煤體結構類型
(1)原生結構煤:以半亮型煤為主,次為光亮型,光澤鮮亮,形態完整,結構均一緻密,層狀構造,層理清晰可見,質硬,不易破碎,敲擊呈塊狀破碎,呈貝殼狀、階梯狀斷口,內、外生裂隙不發育。
(2)碎裂煤:以半亮型煤為主,光澤較亮,呈次生碎裂結構,層狀構造,層理清晰可見,較易沿裂隙、節理面破裂,呈塊狀碎裂,斷口多平整,外生裂隙和割理發育。
(3)鱗片煤:以半暗型煤為主,次為半亮型,層理不可見,次生鱗片狀構造,鱗片呈層疊狀,鱗片皆平行滑動方向定向層疊狀排列,鱗片大多煤煤質松軟,手捻易碎成片狀或細粒狀,裂隙和割理不發育。
(4)碎粒煤:以半暗型煤為主,次為暗淡型煤,煤體破壞嚴重,原生結構已完全消失,煤體呈次生碎粒結構,不同粒度的顆粒混雜堆積,一般為1～3mm的細小顆粒,煤岩全部碎粒化,煤質疏鬆,易碎,不同方向的小裂隙發育(表3-3)。
表3-3 韓城區塊煤體結構類型劃分表
結合區域地質構造分析,韓城區塊由北向南發育3個主要的斷裂帶:薛峰北斷裂帶、東澤村斷裂帶、前高斷裂帶。受區域構造運動的影響,地應力由東西向轉變為近南北向,煤層在構造應力作用下發生變形,形成不同類型的構造煤。通過對韓城象山礦井下原位3號、5號和11號煤岩煤體結構進行觀察描述可知,3號煤的煤體結構相對簡單,除原生結構煤外還鍵搜有少量鱗片煤,11號煤的煤體結構稍復雜,除原生結構煤外還伴生有碎粒煤和碎裂煤,而5號煤的煤體結構復雜,四種煤體結構煤均有分布。對韓城象山礦3號、5號和11號煤煤體結構發育情況進行統計可知(表3-4),構造煤總厚度占煤層總厚度的46%。由於構造煤屬於軟煤,機械強度低,構造煤本身含有大量的原生煤粉,後期遭受應力破壞更易形成次生煤粉,因此,煤體結構類型是決定煤粉產出的重要因素。考慮到不同煤體結構煤對煤粉產出的影響程度不同,把原生結構煤、碎裂煤、鱗片煤和碎粒煤劃為三類,Ⅰ類煤為原生結構煤、Ⅱ類煤為碎裂煤、Ⅲ類煤為鱗片煤和碎粒煤。其中,Ⅲ類煤(鱗片煤與碎粒煤)對煤粉產出的影響最大。由於Ⅲ類煤具有低強度、低滲透率、微孔隙、比表面積大等特點,煤體稿卜歷結構破碎程度極大,最易形成煤粉顆粒,是煤粉產出的重要來源,而原生結構煤產生的煤粉相對較少(Xueshen Zhu et al.,2013)。
表3-4 3號、5號和11號煤層中不同煤體結構類型厚度統計表
㈡ 煤的物理性質
一、煤的物理性質
煤的物理性質主要包括5個方面，即光學性質、機械性質、空間結構性質、電磁性質和熱性質，具體如顏色、光澤、反射率、折射率、吸收率，硬度、脆度、可磨性、斷口，密度、表面積、孔隙度、壓縮性，介電常數、導電性、磁性，比熱、導熱性等。煤的物理性質是煤的化學組成和分子結構的外部表現，受到煤化程度、煤岩組成和煤風化程度的影響。
1.顏色
煤的顏色是煤對不同波長可見光波吸收的結果。在不同的光學條件下，煤呈現不同的顏色。在普通白光照射下，煤表面反射光線所顯示的顏色稱為表色。腐植煤的表色隨煤化程度的增高而變化，褐煤通常為褐色、褐黑色;低中煤化程度的煙煤為黑色，高煤化程度的煙煤為黑色略帶灰色，無煙煤往往為灰黑色，帶有銅黃色或銀白色的色彩。因此，根據表色可以明顯地區別出褐煤、煙煤和無煙煤。腐泥煤的表色變化較大，有深灰色、棕褐色，甚至灰綠色至黑色。煤中的水分能使顏色加深，而煤中的礦物質往往使煤的顏色變淺。
煤研成粉末的顏色稱為粉色。它可用鋼針刻劃煤的表面或用鏡煤在未上釉的瓷板上刻劃條痕而得，粉色也稱條痕色。煤的粉色一般略淺於表色。粉色較固定，用粉色判斷煤的煤化程度效果較好。褐煤的粉色為淺褐色、褐色，低煤級煙煤為深褐色到黑褐色，中煤級煙煤為褐黑色，高煤級煙煤為黑色有時略帶褐色，無煙煤為深黑色或灰黑色。腐泥煤的粉色一般比腐植煤要淺，隨煤級的增高，粉色也逐漸加深。煤的粉色不但取決於煤化程度，還與煤岩類型和風氧化程度有關。為了統一對比條件，一般應以新鮮的較純凈的光亮型煤的粉色為准。
把煤磨成薄片(厚約0.03mm)，用顯微鏡在普通透射光下觀察，煤薄片顯示出的顏色為透光色，又稱體色。透光色是煤對不同波長可見光選擇性吸收的結果。不同的煤岩組分具有不同的透光色，常見的有黃色、紅色和黑色;同一煤岩組分在不同煤化階段顯示出不同的透光色。煤級越高，透光性越差，無煙煤幾乎不透明。
把煤的表面磨光，用顯微鏡在普通反射光下觀察，煤光面上顯示出的顏色稱為反光色。各種煤岩組分的反光色均呈灰至白色色調。不同的煤岩組分反光色不同，同一煤岩組分在不同煤化階段反光色也不同。隨煤化程度的增高，煤反光色逐漸變淺。
煤的磨光面用藍光或紫外光激發而呈現的顏色，稱為反射熒光色。反射熒光色隨煤岩組分和煤化程度的不同而變化，有綠黃色、黃色、棕色等。隨煤級增高，熒光減弱，至高煤級熒光消失。
2.光澤
煤的光澤是指煤新鮮斷面的反光能力。光澤與煤的成因類型、煤岩成分、煤化程度和風化程度有關。腐泥煤的光澤一般都比較暗淡。腐植煤的4種宏觀煤岩成分中，鏡煤的光澤最強，亮煤次之，暗煤和絲炭的光澤暗淡。隨著煤化程度的增高，各種宏觀煤岩成分的光澤有不同程度的增強。絲炭和暗煤的光澤變化小，而鏡煤和較純凈的亮煤變化明顯。根據鏡煤或較純凈亮煤的光澤可判斷煤級，即年輕的褐煤無光澤，老褐煤呈蠟狀光澤或弱的瀝青光澤，低煤級煙煤具瀝青光澤、弱玻璃光澤，中煤級煙煤具強玻璃光澤，高煤級煙煤具金剛光澤，無煙煤具半金屬光澤。
3.反射率、折射率和吸收率
煤的反射率是在垂直照明條件下，煤岩組分磨光面的反射光強度與入射光強度之比，以百分率表示。隨著煤化程度的增高，煤的反射率不斷增強。油浸介質中，煤的最大反射率Romax=0.26%～11.0%，空氣介質中煤的最大反射率Romax=6.40%～22.10%。當Cdaf≥85%時，反射率出現最大值和最小值，即雙反射現象。隨煤級升高，雙反射逐漸增強(表5-1)。煤的反射率是確定煤化程度最重要的光學常數，它對煤質評價、煤加工利用、油氣勘探等地質問題均有十分重要的意義。
表5-1 鏡質組的反射率、折射率和吸收率
(據周師庸，1985)
煤的折射率是光線通過煤的界面時，在界面發生折射後進入煤的內部，其入射角和折射角的正弦之比。隨著煤化程度的增高，煤的折射率也相應增高，從1.680增至2.02。在Cdaf≥85%後，折射率出現最大值和最小值，其差距隨煤級增高而增大。
煤的吸收率一般比較小，隨煤化程度的增高，煤的吸收率逐漸增大，從0.02增至0.39。當Cdaf≥92%後，吸收率出現最大值和最小值，其差值隨煤級增高而增大。在高煤級階段煤的分子結構中，芳香層狀結構不斷增大，排列越來越規則化，在平行和垂直於芳香層面兩個方向的光學性質出現顯著差異，即出現光學各向異性現象。
4.硬度
煤的硬度是指煤抵抗外來機械作用的能力。隨著外加機械作用力的性質不同，煤的硬度表現形式也不一樣。煤的硬度分為刻劃硬度、壓痕硬度和磨損硬度3類。
圖5-1 煤的顯微硬度與煤化程度的關系(據E.M.泰茨，1993)
刻劃硬度是用標准礦物刻劃煤所測定的相對硬度。宏觀煤岩成分中，暗煤硬度最大，亮煤、鏡煤硬度小。煤的硬度還與煤級有關，褐煤和中煤化程度的煙煤硬度最小，為2～2.5，無煙煤硬度最大，接近4。
顯微硬度是壓痕硬度的一種，可用專門儀器測定顯微組分的硬度。測定是在顯微硬度計上進行的。煤的顯微硬度與煤化程度有關(圖5-1)。年輕褐煤和中煤級煙煤的顯微硬度最小，無煙煤的顯微硬度最大，且上升的幅度很大。
抗磨硬度是磨損硬度的一種。它是用研磨阻力的大小來表示煤磨光面上顯微組分或礦物的硬度，表現為顯微組分或礦物的突起現象，是顯微鏡下鑒定標志之一。抗磨硬度與煤化程度有關，在低、中煤級煤中，絲炭比較硬，在磨光面上顯示突起，而鏡煤比較軟，磨光面上不顯突起，隨著煤級的增高，鏡煤與絲炭抗磨硬度逐漸接近，絲炭的突起變小，甚至消失。抗磨硬度還與煤中的礦物質、煤的裂隙、風氧化程度有關。石英、黃鐵礦、菱鐵礦增加，煤的抗磨硬度增大;煤中的裂隙增多或煤受風氧化，則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質，表現為抗壓強度和抗剪強度。強度小者，煤易破碎，脆度大;反之，脆度小。脆度和硬度同屬抵抗外來機械作用的性質，但受力性質不同，表現的形式也不一樣，所以兩者概念不同。絲炭的脆度大，硬度也大;鏡煤的脆度大，但硬度小，暗煤的硬度大，脆度小。不同的宏觀煤岩成分和類型，其脆度不同。腐泥煤和殘植煤的脆度都較小，如我國撫順的煤精，是一種腐植腐泥煤類，其脆性小、韌性好。煤的脆度還與煤化程度有關，中煤級的煙煤脆度最大，低煤級煤的脆度變小，無煙煤的脆度最小。
有人提出顯微脆度的概念，它是在顯微鏡下根據金剛石壓錐壓入顯微組分後，壓痕產生裂紋的程度來測定，在一定靜載荷下，每100個壓痕中出現裂紋的壓痕數來表示。數值越大，顯微脆度越大。由圖5-2可見，中煤級的焦煤顯微脆度最大，隨煤級的增高或降低，顯微脆度變小。強還原煤比弱還原煤的脆度要大。
圖5-2 顯微脆度與煤化程度的關系(據И.И.Ammocob，1963)
煤的可磨性是指粉碎煤的難易程度，可用可磨性系數KHG來表示。可磨性越大的煤越易粉碎;反之，越難。測定煤可磨性的方法有許多種，我國和美、英、日、印等國均採用哈德格羅夫(Hardgrave)法，已作為國家標准。煤中各顯微組分的KHG不同，其中絲質組最高，半絲質組其次，其後是鏡質組，殼質組最低。它們隨煤化程度而變化，但在中揮發分(Cdaf=90%附近)時都有一個最大值。
6.煤的壓縮性
煤在恆溫下加壓，其體積變化的百分數，稱為煤的壓縮性。壓縮性與煤化程度有關，煤化程度越高，壓縮性越小。加壓後絲質組體積變化極少，鏡質組有變化，穩定組分變化最大，但到高煤級時，其壓縮性比鏡質組小。顯微組分的壓縮性隨壓力的增大而增加，殼質組變化最大，鏡質組其次，惰性組最小。
7.斷口
煤受外力打擊後斷開的表面，稱為斷口。斷口不包括層理面或裂隙面。煤中常見的斷口有貝殼狀斷口、階梯狀斷口、參差狀斷口、稜角狀斷口、粒狀斷口等。斷口反映了煤物質組成的均一性和方向性的變化。組成較均一的煤，如腐泥煤、腐植腐泥煤、鏡煤等常具有貝殼狀斷口;而組成不均一的煤，常見其他類型的斷口。
8.比重與密度
煤的比重是指20℃時煤的重量與同溫度、同體積水的重量之比，用符號d2020表示。煤的密度是指單位體積煤的質量。比重和密度的數值相等，但物理意義不同。比重沒有單位，而密度有單位。煤的比重與煤岩成分、煤化程度及煤中礦物質的性質和含量有關。
同一煤級的煤中，不同煤岩組分的真比重不同。絲質組的真比重最大，鏡質組次之，殼質組最小。隨著煤化程度的增高，各種煤岩組分的真比重逐漸接近。絲質組的真比重為1.35～1.80，鏡質組為1.24～1.80，殼質組為1.12～1.80(圖5-3;表5-2)。腐泥煤的比重明顯低於腐植煤。
圖5-3 煤岩組分真比重與煤化程度的關系(據楊起等，1979)
表5-2 煤岩組分在不同煤化程度時的真比重
注:V代表鏡質組;E為殼質組;I為惰性組;Cdaf為乾燥無灰基碳含量。(據白浚仁，1989，略修改)
鏡質組在煤化程度較低時(Cdaf＜85%)真比重隨煤化程度的升高而逐漸減少，至Cdaf至85%～87%時，真比重為最小值(dtr=1.24)。過此點後，真比重又隨碳含量的增加而增大。當Cdaf＞90%以後，即到了無煙煤階段，真比重急劇增加，從1.35一直上升至2.25(Cdaf=100%，石墨)。
煤中礦物的比重比煤岩組分大得多，如黏土礦物的比重為2.4～2.6，石英、方解石為3.7，菱鐵礦為3.8，黃鐵礦的比重為5.0等。因此煤中礦物對煤比重影響較大，隨著礦物含量的增高，煤的比重也增大。但煤中礦物質的准確含量是很難測定的，所以要測得純煤的真比重比較困難。有人研究，煤的灰分每增加1%，煤的真比重約增高0.01。因此，煤的真比重的近似值可用下式計算:
純煤真比重=無水含灰煤的真比重－0.01×乾燥煤的灰分
煤的視比重是計算儲量的重要參數之一。由於煤中礦物質含量變化大，所以煤的視比重變化也大。在礦物質含量較低的情況下，褐煤的容重為1.1～1.2，煙煤的容重為1.2～1.4，無煙煤的容重為1.4～1.8。在地質勘探工作中，煤的容重要專門取樣測定。
9.煤的表面積
(1)煤的潤濕熱
固體和液體接觸時，如果固體分子和液體分子間的作用力大於液體分子之間的作用力，則固體可以被液體潤濕;反之，則不能潤濕。當煤被液體潤濕時，由於煤分子和液體分子間的作用力大於液體分子間的作用力，故有熱量放出，稱為潤濕熱。潤濕熱的大小與液體的種類和煤的表面積有關。常用的液體是甲醇，它的潤濕力強，作用快，幾分鍾內潤濕熱基本上可全部釋放出來。據測試，潤濕熱與煤的表面積大致存在的對應關系是:0.42J的潤濕熱相當於1m2的表面積。
煤的潤濕熱與煤岩組分和煤化程度有關，鏡質組的潤濕熱最大，次為絲質組，殼質組較小。
(2)煤的表面積
煤的表面積包括外表面積和內表面積兩部分，但外表面積所佔比例極少，主要是內表面積。煤的表面積用比表面積表示，即每克煤所具有的表面積，單位為m2/g，煤比表面積大小與煤的分子結構和孔隙結構有關。
煤中孔徑小於10nm的微孔的比表面積在總比表面中佔有的比例最大。測定煤的比表面積有各種方法，如潤濕法、BET(三位物理、化學家名字的縮寫)法、微孔體積法、吸附法和氣相色譜法等。用不同方法測量比表面積的結果不同，通常CO2作吸附質，採用吸附法測量比表面積，其結果為:長焰煤90m2/g、氣煤50～70m2/g、肥煤10～20m2/g、焦煤20～120m2/g、瘦煤80～130m2/g、貧煤90～130m2/g，而無煙煤最高可達287m2/g。
煤的比表面積與瓦斯吸附量呈正比關系，比表面積大，瓦斯吸附量也大。煤的比表面積對研究煤層中的瓦斯含量和瓦斯突出、研究煤在氣化時的化學反應性都具有實際意義。
10.孔隙率
煤中毛細孔和裂隙之總體積與煤的總體積之比稱為煤的孔隙率或孔隙度，也可用單位重量煤包含的孔隙體積(cm3/g)表示。
煤的孔隙率可以根據煤的真比重和視比重，用計算求得，因為氦分子能充滿煤的全部孔隙，而水銀在不加壓條件下完全不能進入煤的孔隙，故用下式可求出煤的孔隙度:
煤地質學
式中:d氦和d汞為用氦和汞測定的煤的密度，g/cm3。
煤孔隙率的大小與煤級有關(表5-3)，褐煤的孔隙率高，為15%～25%，無煙煤的孔隙率也較高，約為5%～10%，而低中煤級煙煤的孔隙率較低，為2%～5%。煤的孔隙率與顯微煤岩組分和煤中礦物質含量有關。相同煤級的煤，孔隙率可有相當大的波動范圍。
表5-3 孔隙率與煤化程度的關系
煤中孔隙的大小並不是均一的。在煤礦的瓦斯研究工作中，煤中的孔隙大小一般分為三級，即大孔、過渡孔和微孔。大孔的孔徑一般大於100nm，中孔的孔徑為100～10nm，微孔的孔徑小於10nm。
在大孔中，甲烷氣體可以產生層流或者紊流滲透，煤中大孔的分布直接影響到煤中瓦斯運移的能力，在過渡孔中，可以產生毛細管凝結、物理吸附及擴散現象，它影響到煤層儲藏瓦斯的能力，微孔則被甲烷分子充滿，形成類似於固溶體的形式。
11.煤的導電性
煤的導電性是指煤傳導電流的能力，通常以電阻率表示。煤的導電性與煤化程度、煤中的水分、煤中礦物質的性質和含量、煤岩成分，以及煤的孔隙度、風化程度等有關。
褐煤的孔隙度大，含水多，並有溶於水中的腐植酸離子，所以褐煤的導電性好，電阻率小，屬於水溶液離子導電。煙煤是不良導體，電阻率大，高煤級的煙煤至無煙煤，電阻率迅速減小，煤的導電性大大增強，無煙煤為良導體，屬於自由電子導電。褐煤的電阻率變化於10～200Ω·m之間，低中煤級煙煤的電阻率ρ=4000～5000Ω·m，高煤級煙煤的電阻率ρ=1000～10Ω·m，無煙煤的電阻率ρ=10～0.0001Ω·m。
低中煤級的煤中，鏡煤、亮煤比暗煤和絲炭的導電性差;但在高煤級煙煤和無煙煤中，情況相反，鏡煤、亮煤的導電性比暗煤好。
煤的導電性與煤中礦物的性質和數量有關。一般煙煤的電阻率隨礦物含量的增高而變小，而無煙煤則相反，電阻率隨礦物含量的增高而增大。但煤中含黃鐵礦時，則電阻率會顯著降低。煤的電阻率還與煤的層狀構造有關，沿層理面煤的電阻率較小，垂直層理面方向煤的電阻率較大。當煤遭受風氧化時，電阻率明顯下降。
12.磁性
物體置於磁場內，和磁場相吸者稱順磁性物質，和磁場相斥者稱抗磁性物質。抗磁性物質，其內部結構的原子或分子具有閉合的電子外層，即電子都已成對;順磁性物質，其電子層上尚有未配對的電子。煤屬於抗磁性物質。
物質置於磁場內，由於其原子核吸收了磁場能，引起物質相對於磁場的自旋方向發生變化，這就是物質的核磁共振。煤的核磁共振是煤的重要磁性質之一。
在一高斯磁場下，1g物質所呈現的磁化率稱物質的抗磁性磁化率或單位質量磁化率。煤的抗磁性磁化率隨煤化程度的增高而增高。但在煤的Cdaf=80%～90%的區間內，抗磁性磁化率增高緩慢;當煤的Cdaf＞90%以後，煤的磁化率劇增。
煤的抗磁性和煤的核磁共振是研究煤結構的有效方法。
13.導熱性
煤作為燃料或者進行干餾、氣化、液化都需要考慮到煤的導熱性。
煤的比熱是指1g質量的煤，溫度變化1℃所需(釋放)的熱量(即熱容)與水的熱容(15℃的水)的比值。水的熱容為4.18J/g(15℃)，故煤的比熱和熱容在數值上是一致的。比熱沒有單位，室溫下煤的比熱為0.2～0.4。煤的比熱有一定的波動范圍，這是因為煤是復雜的有機高分子物質，並含有無機礦物質和水。煤的比熱除受煤的煤化程度影響外，還受非煤物質及其含量的影響。
煤的比熱隨煤中水分的增加而呈直線增大，這是因為水的比熱比煤大得多。無機礦物質的比熱較小，一般約0.19，故煤的灰分增高，則煤的比熱下降。煤的比熱還受溫度影響，測定溫度升高，煤的比熱增大。
煤的導熱性是煤加工利用時重要的物理性質。煤的導熱性與煤的孔隙率及孔隙中的氣體有關，還與煤級及煤中無機礦物質有關。隨煤化程度的增高，煤的導熱性增強。
二、煤的裂隙
煤的裂隙是指煤受到自然界各種應力作用而造成的裂開現象。按成因不同可分為內生裂隙和外生裂隙兩種。
1.內生裂隙
內生裂隙是在煤化過程中，煤中的凝膠化物質受到溫度和壓力等因素的影響，體積均勻收縮產生內張力而形成的一種張裂隙。
內生裂隙主要出現在鏡煤中，有時也出現在均勻緻密的光亮型煤分層中。內生裂隙一般都垂直或大致垂直於層理面，只發育在鏡煤或光亮煤條帶或分層內。內生裂隙面較平坦光滑，有時可見到十分細密的環紋組成的眼球狀張力痕跡。內生裂隙有大致互相垂直的兩組，其中，一組較發育，稱為主要裂隙組;另一組則較稀疏，稱為次要裂隙組(圖5-4)。
圖5-4 煤的內生裂隙示意圖
內生裂隙的發育程度與煤化程度有關。中煤化階段的焦煤、高煤化階段的瘦煤內生裂隙最發育，5cm內約有30～60條(主要裂隙組);而低煤階的長焰煤、氣煤或高煤階的貧煤則減少，5cm內為10～20條;無煙煤和褐煤中內生裂隙很少或沒有。褐煤由於失水，常常有切穿煤岩成分或層理的干縮裂紋。所以，可根據煤的內生裂隙發育程度來大致判斷煤的煤化階段。觀察煤的內生裂隙時，要在打開的鏡煤層理面上觀察，而在垂直層理的斷面上往往看不清楚。
2.外生裂隙
外生裂隙是在煤層形成之後，受構造應力的作用而產生的。外生裂隙可出現在煤層的任何部分，與煤層的層理呈不同角度相交，並切穿煤岩成分和煤分層的層理。外生裂隙面上常有波狀、羽毛狀或光滑的滑動痕跡，有時可見到次生礦物或破碎的煤屑。外生裂隙面有時與內生裂隙面重疊。
在礦井下，要經常注意測量外生裂隙方向，這對判斷斷層有一定的幫助。研究外生裂隙的方向，對提高採煤效率、預測瓦斯突出也有實際意義。
三、煤的結構和構造
1.煤的結構
煤的結構是指煤岩成分的形態、大小、厚度、植物組織殘跡，以及它們之間相互關系所表現出來的特徵，它反映了成煤原始物質的成分、性質及在成煤時和成煤後的變化。在低煤級煤中，煤的結構很清楚;隨著煤化程度的增高，各種煤岩成分的性質逐漸接近，因而煤的結構就逐漸變得均一。
煤的結構分原生結構和次生結構兩種。
(1)原生結構
煤的原生結構是指由成煤原始物質及成煤環境所形成的結構。常見的原生結構有以下8種:
1)條帶狀結構:煤岩成分呈條帶狀相互交替出現。按條帶的寬窄，可分為寬條帶狀結構(條帶寬大於5mm)、中條帶狀結構(條帶寬3～5mm)和細條帶狀結構(條帶寬1～3mm)。條帶狀結構在煙煤的半亮型煤和半暗型煤中最為常見，年輕褐煤和無煙煤中條帶狀結構不明顯。
2)線理狀結構:指鏡煤、絲炭、黏土礦物等以厚度小於1mm的線理斷續分布於煤中，形成線理狀結構。半暗型煤和半亮型煤中常見。據線理之間交替的線距，又可分為密集線理狀結構和稀疏線理狀結構。
3)凸鏡狀結構:指鏡煤、絲炭、黏土礦物、黃鐵礦等，常以大小不等凸鏡體形式散布於煤中，構成凸鏡狀結構。半暗型和暗淡型煤中常見，有時光亮型煤中也可見到。
4)均一狀結構:指組成成分較單純、均勻，形成均一狀結構。如鏡煤、腐泥煤、腐植腐泥煤類等，都具有均一狀結構。光亮型煤和暗淡型煤有時也表現出均一狀結構。
5)粒狀結構:由於煤中散布著大量的孢子或礦物雜質，使煤呈現出粒狀結構。多見於暗煤或暗淡型煤中。有時含黃鐵礦鮞粒或含黃鐵礦結核而呈鮞粒狀結構或豆狀結構，它們為粒狀結構的變種。
6)葉片狀結構:煤中有大量的木栓層或角質層，使煤呈現纖細的頁理，如葉片狀、紙片狀等，煤易被分成薄片。角質殘植煤和樹皮殘植煤具有葉片狀結構。
7)木質狀結構:煤中保存了植物莖部的木質纖維組織的痕跡，植物莖乾的形態清晰可辨，稱木質狀結構。褐煤中常可見到木質狀結構，有些低煤級煙煤中也可見到。如我國山西繁峙褐煤中保存有良好的木質狀結構而被稱為「紫皮炭」。
8)纖維狀結構:為絲炭所特有，它是植物根莖組織經絲炭化作用而形成的，可見到植物原生的細胞結構沿著一個方向延伸呈現出纖維狀，疏鬆多孔。觀察時要在煤層層面的絲炭上才可見到。
(2)次生結構
煤的次生結構是指煤層形成後受到應力作用產生的各種次生的宏觀結構。
1)碎裂結構:煤被密集的次生裂隙相互交切成碎塊，但碎塊之間基本沒有位移，可看到煤層的層理。碎裂結構往往位於斷裂帶的邊緣。
2)碎粒結構:煤被破碎成粒狀，主要粒級大於1mm。大部分煤粒由於相互位移摩擦失去稜角，煤的層理被破壞，碎粒結構往往位於斷裂帶的中心部位。
3)糜棱結構:煤被破碎成很細的粉末，主要粒級小於1mm。有時被重新壓緊，已看不到煤層的層理和節理，煤易捻成粉末。糜棱結構一般出現在壓應力很大的斷裂帶中。
2.煤的構造
煤的構造是指煤岩成分空間排列和分布所表現出來的特徵。它與煤岩成分自身的特徵(形態、大小等)無關，而與成煤原始物質聚積時的環境有關。煤的原生構造分為層狀構造和塊狀構造。
(1)層狀構造
沿煤層垂直方向上可看到明顯的不均一性，主要是由組成成分不同而引起的，或是煤岩成分的變化，或含無機礦物夾層所引起，表現為層理。
按層理的形態，可分為水平層理、波狀層理和斜層理等。水平層理(連續狀、不連續狀)反映泥炭沼澤內成煤原始物質是在平靜的環境中幾乎沒有水流動的條件下沉積形成的。波狀層理(不連續狀、水平波狀、凸鏡狀)反映植物堆積時沼澤內的水介質有微弱的運動。斜層理則反映水介質有強度較大的定向流動的堆積環境。
(2)塊狀構造
煤的外觀均一，看不到層理。主要是成煤物質相對均勻，在沉積環境穩定滯水的條件下形成。腐泥煤、腐植腐泥煤及一些暗淡型腐植煤具有塊狀構造。
由於構造變動，使煤產生次生構造，如滑動鏡面、鱗片狀構造、揉皺構造等。次生構造可改變或破壞煤的原生構造。次生構造與構造變動有關，對煤層進行觀察和描述時應加以注意。
㈢ 簡述煤分子結構近代理論
煤的結構模型及研究方法 陳晨 （西北大學化工學院，陝西省西安市碑林區，710069） 摘要 從煤大分子結構模型、分子間結構模型和復合結構三個模型對煤的模型進行介紹，灶租並總結了煤結構研究的三種方法及思路。 關鍵詞 煤，結構，模型 中圖分類號 TQ530 煤隱睜兆是由具有多種結構形式的有機物和不同種類的礦物質組成的混合物。煤結構的研究一直是煤化學研究的主早拆要課題。多年來，國內外在這方面的研究很多，並且提出了一系列的物理、化學和綜合結構模型。本文歸納總結了煤的結構模型以及其相關研究方法。
一、煤結構模型 煤的結構模型是根據煤的中參數進行推斷而建立的，用以表示煤平均化學結構、物理結構和綜合結構。目前不同研究者從不同應用背景和煤的結構參數出發，提出了一系列煤結構模型。
1.煤大分子結構模型
1）Krevelen模型(1954)：這一模型在60年代以前具有代表性，當時曾被許多研究者認為最為合理。其特點是縮合芳環數多,，最大部分有n個苯環。
2）Given模型（1960）：這一模型基本反映了年輕煙煤中沒有大的稠環芳香結構(主要為蔡環)，無醚鍵和含硫結構。
3）Wiser模型（1975）：這一模型可以解釋煤的液化與化學反應性質，也被認為是比較全面、合理的模型。
4)Shinn模型（1984）：它是Shinn根據煤在一段、二段液化過程的產物分布提出的，所以又稱為煤的反應結構模型。
2.煤分子間構造模型
1）Hirsch模型（1954）：它是根據x射線衍射研究結果提出的。其特點是比較直觀地反映了煤化過程中的物理結構變化，具有代表性並廣為引用。
2）Riley模型（1957）：即亂層結構模型（turbostratic lamellar），根據Warren的研究結果, 這一模型對煤、炭等高碳物料都適用。
3）交聯模型（1982）： 它是由Larsen等人提出的。交聯鍵的存在可以解釋煤不能完全溶解的原因。這一模型後來得到了一系列的改進和發展。
4）兩相模型或主一客(host-guest) 模型（1986）：它是由Given等根據NMR氫譜發現煤中質子的弛豫時間有快慢兩類而提出的。其中大分子網路為固定相，小分子則為流動相。
5）締合模型（1992）：它是由Nishioka提出的。這一模型指出了煤中的分子既有共價鍵合( 交聯），也有物理締合( 分子間力)。締合模型實質上與兩相模型類似。 在這些模型中，尤以Hirsch模型和兩相模型最具有代表性。
㈣ 煤柱的流變模型
2.3.2.1 西原模型
有關研究[67]表明煤和岩石試件在長時間恆定載荷的作用下，其蠕變特性表現為：當施加的應力小於某一數值時，應變速率逐漸減小，此時，應變將趨於某一極限值，與廣義開爾文模型的應變時間曲線類似（圖2.2 a）。當應力水平大於某一數值時，應變隨時間增加不收斂於某一定值，而是逐漸增大，穗雀表現為穩態蠕變和加速蠕變，即蠕變過程分為3個階段：初始蠕變階段（AB段），特徵是應變速率逐漸減小；穩定蠕變階段（BC段），即應變速率不變；加速蠕變階段（CD段），加速蠕變直至破壞。這一現象符合柏格斯模型（圖2.2b），此模型就是西原模型，其組合方式見圖2.3。
圖2.2 模型的蠕變曲線
圖2.3 蠕變理論模型
常應力作用下西原模型的蠕變本構方程為
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩敬譽變形破壞研究
上述西原模型能較好地描述煤柱的蠕變特性，但蠕變參數的計算必須建立在蠕變實驗的基礎上，根據蠕變實驗數據求得，但實際煤柱含有大量的裂隙、節理等弱面，而室內試件則相對完整，兩者是有區別的，煤柱的強度相對低於試件的強度，其蠕變性能應更加顯著。另外蠕變參數還與載入條件有關，隨載荷的不同可能有所變化。因此准確地確定蠕變參數是煤柱蠕變特性研究的難點，還有待迸一步深入研究。
2.3.2.2 改進的西原模型
上述西原模型中使用的是理想線性元件，對蠕變加速階段的描述不夠理想，因此下面採用非線性黏滯元件代替線性牛頓體，將西原模型迸行改迸，使其適用於非線性階段的分析，並對其迸行穩定性分析。
傳統的流變模型理論中的基本元件胡克體、牛頓體、聖維南體都是理想的線性元件，將這些元件迸行串聯、並聯組成的流變模型不能很好地描述煤岩體加速蠕變階段。為此採用非線性牛頓體代替理想牛頓體，設該黏滯阻尼器所受應力與其加速度大小成正比，即
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩變形破壞研究
式中：σ——應力，MPa；
η——黏滯系數，MPa·s；
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩變形破壞研究
利用上述非線性黏滯元件對西原模型迸行改迸，改迸的西原模型如圖2.4所示，模型第一階段和第二階段的元件都採用傳統的線性元件，而第三階段的黏滯元件用非線性黏滯元件代替。
圖2.4 改迸的西原模型
由復合模型的組合特徵，其應力—應變關系為
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩變形破壞研究
由式（2.4）可得改迸的西原模型本構方程為
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩變形破壞研究
式中：E0、E1——模型的彈性模量和黏彈性模量，MPa；
η1、η2——模型的黏滯系數，MPa·s；
σs——聖維南體的極限摩擦力，MPa，其值由實驗確定。
如果僅研究σ1=σ0時的蠕變變形，應用疊加原理，可得改迸的西原模型的蠕變方程為
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩變形破壞研究
模型穩定性分析：在蠕變方程中認為E0、η1、η2為常數，E1隨應變的變化而發生非線性變化，對比發現，當σ1＜σs時，該模型為廣義K體，式（2.6）可以變為
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩變形破壞研究
根據常微分方程的穩定性理論，引入E1（ε）（即全過程應力—應變曲線的斜率）來判別上式解的穩定性，E1（ε）在微小時間段Δt內近似恆定不變，將方程（2.7）線性化得
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩亮族段變形破壞研究
此線性系統的本構方程和特徵值為
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩變形破壞研究
（1）E1＞0時，λ1=0，λ2＜0，式（2.8）的解是穩定的，系統發生減速蠕變；
（2）E1=0時，λ1=0，λ2=0，式（2.8）的解穩定，系統發生等速蠕變；
（3）E1＜0 時，λ1=0，λ2＞0，式（2.8）的解不穩定，系統發生加速蠕變，系統失穩。
控制變數漸變分析：由模型穩定性分析可知，系統的穩定性與蠕變微分方程的穩定性一致，均隨E1的變化而變化，所以E1為系統穩定性的控制變數。
若僅僅考慮σ1≥σs的情況，在常應力σ1=σ0作用下，改迸的西原模型的應變可表示為
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩變形破壞研究
應變速率為
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩變形破壞研究
應變加速度為
水及動力荷載作用下淺伏采空區圍岩變形破壞研究
由式（2.10）、（2.11）、（2.12）可知
（1）E1＞0時，ε＞0，
（2）E1=0時，ε＞0，
（3）E1＜0時，ε＞0，
上述結果與岩石蠕變三階段特性曲線相對應，因此利用非線性黏滯元件建立改迸的西原模型能夠較好地描述煤岩體完整三階段的蠕變變形，尤其是非線性加速蠕變變形。
㈤ 煤體結構特徵
煤體結構是指煤層經過地質構造變動後煤的結構和構造的保留程度。煤層遭受的構造破壞愈強烈,煤就愈破碎,煤的原生結構和構造保留得也愈差,因而煤層結構、構造租鎮陵呈現出不同的變化。旅慶根據煤層所受構造破壞程度不同,煤體結構可分為原生結構、碎裂結構、碎粒結構和糜棱結構4種弊戚類型(袁崇孚,1986;王雙明,2008)。在我國煤田地質界將碎裂結構煤、碎粒結構煤和糜棱結構煤統稱為構造煤。在韓城鑽孔資料中對煤體結構的描述為塊煤、塊粉煤、粉末煤、鱗片煤(王雙明,2008)。韓城區塊內構造類型多樣,展布方向及相互關系復雜。地表出露的大中型構造行跡主要發育在東部邊淺部和中深部構造帶,而煤層中的中小構造普遍存在,主要的構造類型有褶皺構造、撓曲構造、斷裂構造、層滑構造、地層裂縫、節理裂隙等。韓城區塊受構造變動影響而形成的構造煤具有如下規律:韓城區塊南部多為碎裂煤,較少的碎粒煤,原生結構煤發育廣泛;北部則多發育碎粒煤、鱗片煤,斷層附近煤體結構破壞嚴重。淺部煤體結構通常比深部煤體結構復雜,在地層由陡變緩地帶多發育碎粒煤、鱗片煤等不同程度的構造煤。
㈥ 反映煤分子結構的參數有哪些
煤是多種高分子化合物和礦碧清物質組成的混合物 沒具體分子式 但可定性的描述其整體的統計平均結構及模型。煤結構包括煤有機質的化學結構和煤的物理空間結構，其中煤的有機質又分為大分子化合悔洞前物（含量90%以上以芳香結構為主的環狀化合物為主）和低分子化合物，煤的大分子化合物是由多個結構相似的」基本結構單元「通過橋鍵連接組成，顫薯而基本結構單元類似於聚合物的聚合單體。差不多這些了 ，給分吧！