㈠ 煤体结构特征
(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;王恩营弊悉等,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,除原生结构煤外还键搜有少量鳞片煤,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,煤体稿卜历结构破碎程度极大,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
㈡ 煤的物理性质
一、煤的物理性质
煤的物理性质主要包括5个方面，即光学性质、机械性质、空间结构性质、电磁性质和热性质，具体如颜色、光泽、反射率、折射率、吸收率，硬度、脆度、可磨性、断口，密度、表面积、孔隙度、压缩性，介电常数、导电性、磁性，比热、导热性等。煤的物理性质是煤的化学组成和分子结构的外部表现，受到煤化程度、煤岩组成和煤风化程度的影响。
1.颜色
煤的颜色是煤对不同波长可见光波吸收的结果。在不同的光学条件下，煤呈现不同的颜色。在普通白光照射下，煤表面反射光线所显示的颜色称为表色。腐植煤的表色随煤化程度的增高而变化，褐煤通常为褐色、褐黑色;低中煤化程度的烟煤为黑色，高煤化程度的烟煤为黑色略带灰色，无烟煤往往为灰黑色，带有铜黄色或银白色的色彩。因此，根据表色可以明显地区别出褐煤、烟煤和无烟煤。腐泥煤的表色变化较大，有深灰色、棕褐色，甚至灰绿色至黑色。煤中的水分能使颜色加深，而煤中的矿物质往往使煤的颜色变浅。
煤研成粉末的颜色称为粉色。它可用钢针刻划煤的表面或用镜煤在未上釉的瓷板上刻划条痕而得，粉色也称条痕色。煤的粉色一般略浅于表色。粉色较固定，用粉色判断煤的煤化程度效果较好。褐煤的粉色为浅褐色、褐色，低煤级烟煤为深褐色到黑褐色，中煤级烟煤为褐黑色，高煤级烟煤为黑色有时略带褐色，无烟煤为深黑色或灰黑色。腐泥煤的粉色一般比腐植煤要浅，随煤级的增高，粉色也逐渐加深。煤的粉色不但取决于煤化程度，还与煤岩类型和风氧化程度有关。为了统一对比条件，一般应以新鲜的较纯净的光亮型煤的粉色为准。
把煤磨成薄片(厚约0.03mm)，用显微镜在普通透射光下观察，煤薄片显示出的颜色为透光色，又称体色。透光色是煤对不同波长可见光选择性吸收的结果。不同的煤岩组分具有不同的透光色，常见的有黄色、红色和黑色;同一煤岩组分在不同煤化阶段显示出不同的透光色。煤级越高，透光性越差，无烟煤几乎不透明。
把煤的表面磨光，用显微镜在普通反射光下观察，煤光面上显示出的颜色称为反光色。各种煤岩组分的反光色均呈灰至白色色调。不同的煤岩组分反光色不同，同一煤岩组分在不同煤化阶段反光色也不同。随煤化程度的增高，煤反光色逐渐变浅。
煤的磨光面用蓝光或紫外光激发而呈现的颜色，称为反射荧光色。反射荧光色随煤岩组分和煤化程度的不同而变化，有绿黄色、黄色、棕色等。随煤级增高，荧光减弱，至高煤级荧光消失。
2.光泽
煤的光泽是指煤新鲜断面的反光能力。光泽与煤的成因类型、煤岩成分、煤化程度和风化程度有关。腐泥煤的光泽一般都比较暗淡。腐植煤的4种宏观煤岩成分中，镜煤的光泽最强，亮煤次之，暗煤和丝炭的光泽暗淡。随着煤化程度的增高，各种宏观煤岩成分的光泽有不同程度的增强。丝炭和暗煤的光泽变化小，而镜煤和较纯净的亮煤变化明显。根据镜煤或较纯净亮煤的光泽可判断煤级，即年轻的褐煤无光泽，老褐煤呈蜡状光泽或弱的沥青光泽，低煤级烟煤具沥青光泽、弱玻璃光泽，中煤级烟煤具强玻璃光泽，高煤级烟煤具金刚光泽，无烟煤具半金属光泽。
3.反射率、折射率和吸收率
煤的反射率是在垂直照明条件下，煤岩组分磨光面的反射光强度与入射光强度之比，以百分率表示。随着煤化程度的增高，煤的反射率不断增强。油浸介质中，煤的最大反射率Romax=0.26%～11.0%，空气介质中煤的最大反射率Romax=6.40%～22.10%。当Cdaf≥85%时，反射率出现最大值和最小值，即双反射现象。随煤级升高，双反射逐渐增强(表5-1)。煤的反射率是确定煤化程度最重要的光学常数，它对煤质评价、煤加工利用、油气勘探等地质问题均有十分重要的意义。
表5-1 镜质组的反射率、折射率和吸收率
(据周师庸，1985)
煤的折射率是光线通过煤的界面时，在界面发生折射后进入煤的内部，其入射角和折射角的正弦之比。随着煤化程度的增高，煤的折射率也相应增高，从1.680增至2.02。在Cdaf≥85%后，折射率出现最大值和最小值，其差距随煤级增高而增大。
煤的吸收率一般比较小，随煤化程度的增高，煤的吸收率逐渐增大，从0.02增至0.39。当Cdaf≥92%后，吸收率出现最大值和最小值，其差值随煤级增高而增大。在高煤级阶段煤的分子结构中，芳香层状结构不断增大，排列越来越规则化，在平行和垂直于芳香层面两个方向的光学性质出现显着差异，即出现光学各向异性现象。
4.硬度
煤的硬度是指煤抵抗外来机械作用的能力。随着外加机械作用力的性质不同，煤的硬度表现形式也不一样。煤的硬度分为刻划硬度、压痕硬度和磨损硬度3类。
图5-1 煤的显微硬度与煤化程度的关系(据E.M.泰茨，1993)
刻划硬度是用标准矿物刻划煤所测定的相对硬度。宏观煤岩成分中，暗煤硬度最大，亮煤、镜煤硬度小。煤的硬度还与煤级有关，褐煤和中煤化程度的烟煤硬度最小，为2～2.5，无烟煤硬度最大，接近4。
显微硬度是压痕硬度的一种，可用专门仪器测定显微组分的硬度。测定是在显微硬度计上进行的。煤的显微硬度与煤化程度有关(图5-1)。年轻褐煤和中煤级烟煤的显微硬度最小，无烟煤的显微硬度最大，且上升的幅度很大。
抗磨硬度是磨损硬度的一种。它是用研磨阻力的大小来表示煤磨光面上显微组分或矿物的硬度，表现为显微组分或矿物的突起现象，是显微镜下鉴定标志之一。抗磨硬度与煤化程度有关，在低、中煤级煤中，丝炭比较硬，在磨光面上显示突起，而镜煤比较软，磨光面上不显突起，随着煤级的增高，镜煤与丝炭抗磨硬度逐渐接近，丝炭的突起变小，甚至消失。抗磨硬度还与煤中的矿物质、煤的裂隙、风氧化程度有关。石英、黄铁矿、菱铁矿增加，煤的抗磨硬度增大;煤中的裂隙增多或煤受风氧化，则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质，表现为抗压强度和抗剪强度。强度小者，煤易破碎，脆度大;反之，脆度小。脆度和硬度同属抵抗外来机械作用的性质，但受力性质不同，表现的形式也不一样，所以两者概念不同。丝炭的脆度大，硬度也大;镜煤的脆度大，但硬度小，暗煤的硬度大，脆度小。不同的宏观煤岩成分和类型，其脆度不同。腐泥煤和残植煤的脆度都较小，如我国抚顺的煤精，是一种腐植腐泥煤类，其脆性小、韧性好。煤的脆度还与煤化程度有关，中煤级的烟煤脆度最大，低煤级煤的脆度变小，无烟煤的脆度最小。
有人提出显微脆度的概念，它是在显微镜下根据金刚石压锥压入显微组分后，压痕产生裂纹的程度来测定，在一定静载荷下，每100个压痕中出现裂纹的压痕数来表示。数值越大，显微脆度越大。由图5-2可见，中煤级的焦煤显微脆度最大，随煤级的增高或降低，显微脆度变小。强还原煤比弱还原煤的脆度要大。
图5-2 显微脆度与煤化程度的关系(据И.И.Ammocob，1963)
煤的可磨性是指粉碎煤的难易程度，可用可磨性系数KHG来表示。可磨性越大的煤越易粉碎;反之，越难。测定煤可磨性的方法有许多种，我国和美、英、日、印等国均采用哈德格罗夫(Hardgrave)法，已作为国家标准。煤中各显微组分的KHG不同，其中丝质组最高，半丝质组其次，其后是镜质组，壳质组最低。它们随煤化程度而变化，但在中挥发分(Cdaf=90%附近)时都有一个最大值。
6.煤的压缩性
煤在恒温下加压，其体积变化的百分数，称为煤的压缩性。压缩性与煤化程度有关，煤化程度越高，压缩性越小。加压后丝质组体积变化极少，镜质组有变化，稳定组分变化最大，但到高煤级时，其压缩性比镜质组小。显微组分的压缩性随压力的增大而增加，壳质组变化最大，镜质组其次，惰性组最小。
7.断口
煤受外力打击后断开的表面，称为断口。断口不包括层理面或裂隙面。煤中常见的断口有贝壳状断口、阶梯状断口、参差状断口、棱角状断口、粒状断口等。断口反映了煤物质组成的均一性和方向性的变化。组成较均一的煤，如腐泥煤、腐植腐泥煤、镜煤等常具有贝壳状断口;而组成不均一的煤，常见其他类型的断口。
8.比重与密度
煤的比重是指20℃时煤的重量与同温度、同体积水的重量之比，用符号d2020表示。煤的密度是指单位体积煤的质量。比重和密度的数值相等，但物理意义不同。比重没有单位，而密度有单位。煤的比重与煤岩成分、煤化程度及煤中矿物质的性质和含量有关。
同一煤级的煤中，不同煤岩组分的真比重不同。丝质组的真比重最大，镜质组次之，壳质组最小。随着煤化程度的增高，各种煤岩组分的真比重逐渐接近。丝质组的真比重为1.35～1.80，镜质组为1.24～1.80，壳质组为1.12～1.80(图5-3;表5-2)。腐泥煤的比重明显低于腐植煤。
图5-3 煤岩组分真比重与煤化程度的关系(据杨起等，1979)
表5-2 煤岩组分在不同煤化程度时的真比重
注:V代表镜质组;E为壳质组;I为惰性组;Cdaf为干燥无灰基碳含量。(据白浚仁，1989，略修改)
镜质组在煤化程度较低时(Cdaf＜85%)真比重随煤化程度的升高而逐渐减少，至Cdaf至85%～87%时，真比重为最小值(dtr=1.24)。过此点后，真比重又随碳含量的增加而增大。当Cdaf＞90%以后，即到了无烟煤阶段，真比重急剧增加，从1.35一直上升至2.25(Cdaf=100%，石墨)。
煤中矿物的比重比煤岩组分大得多，如黏土矿物的比重为2.4～2.6，石英、方解石为3.7，菱铁矿为3.8，黄铁矿的比重为5.0等。因此煤中矿物对煤比重影响较大，随着矿物含量的增高，煤的比重也增大。但煤中矿物质的准确含量是很难测定的，所以要测得纯煤的真比重比较困难。有人研究，煤的灰分每增加1%，煤的真比重约增高0.01。因此，煤的真比重的近似值可用下式计算:
纯煤真比重=无水含灰煤的真比重－0.01×干燥煤的灰分
煤的视比重是计算储量的重要参数之一。由于煤中矿物质含量变化大，所以煤的视比重变化也大。在矿物质含量较低的情况下，褐煤的容重为1.1～1.2，烟煤的容重为1.2～1.4，无烟煤的容重为1.4～1.8。在地质勘探工作中，煤的容重要专门取样测定。
9.煤的表面积
(1)煤的润湿热
固体和液体接触时，如果固体分子和液体分子间的作用力大于液体分子之间的作用力，则固体可以被液体润湿;反之，则不能润湿。当煤被液体润湿时，由于煤分子和液体分子间的作用力大于液体分子间的作用力，故有热量放出，称为润湿热。润湿热的大小与液体的种类和煤的表面积有关。常用的液体是甲醇，它的润湿力强，作用快，几分钟内润湿热基本上可全部释放出来。据测试，润湿热与煤的表面积大致存在的对应关系是:0.42J的润湿热相当于1m2的表面积。
煤的润湿热与煤岩组分和煤化程度有关，镜质组的润湿热最大，次为丝质组，壳质组较小。
(2)煤的表面积
煤的表面积包括外表面积和内表面积两部分，但外表面积所占比例极少，主要是内表面积。煤的表面积用比表面积表示，即每克煤所具有的表面积，单位为m2/g，煤比表面积大小与煤的分子结构和孔隙结构有关。
煤中孔径小于10nm的微孔的比表面积在总比表面中占有的比例最大。测定煤的比表面积有各种方法，如润湿法、BET(三位物理、化学家名字的缩写)法、微孔体积法、吸附法和气相色谱法等。用不同方法测量比表面积的结果不同，通常CO2作吸附质，采用吸附法测量比表面积，其结果为:长焰煤90m2/g、气煤50～70m2/g、肥煤10～20m2/g、焦煤20～120m2/g、瘦煤80～130m2/g、贫煤90～130m2/g，而无烟煤最高可达287m2/g。
煤的比表面积与瓦斯吸附量呈正比关系，比表面积大，瓦斯吸附量也大。煤的比表面积对研究煤层中的瓦斯含量和瓦斯突出、研究煤在气化时的化学反应性都具有实际意义。
10.孔隙率
煤中毛细孔和裂隙之总体积与煤的总体积之比称为煤的孔隙率或孔隙度，也可用单位重量煤包含的孔隙体积(cm3/g)表示。
煤的孔隙率可以根据煤的真比重和视比重，用计算求得，因为氦分子能充满煤的全部孔隙，而水银在不加压条件下完全不能进入煤的孔隙，故用下式可求出煤的孔隙度:
煤地质学
式中:d氦和d汞为用氦和汞测定的煤的密度，g/cm3。
煤孔隙率的大小与煤级有关(表5-3)，褐煤的孔隙率高，为15%～25%，无烟煤的孔隙率也较高，约为5%～10%，而低中煤级烟煤的孔隙率较低，为2%～5%。煤的孔隙率与显微煤岩组分和煤中矿物质含量有关。相同煤级的煤，孔隙率可有相当大的波动范围。
表5-3 孔隙率与煤化程度的关系
煤中孔隙的大小并不是均一的。在煤矿的瓦斯研究工作中，煤中的孔隙大小一般分为三级，即大孔、过渡孔和微孔。大孔的孔径一般大于100nm，中孔的孔径为100～10nm，微孔的孔径小于10nm。
在大孔中，甲烷气体可以产生层流或者紊流渗透，煤中大孔的分布直接影响到煤中瓦斯运移的能力，在过渡孔中，可以产生毛细管凝结、物理吸附及扩散现象，它影响到煤层储藏瓦斯的能力，微孔则被甲烷分子充满，形成类似于固溶体的形式。
11.煤的导电性
煤的导电性是指煤传导电流的能力，通常以电阻率表示。煤的导电性与煤化程度、煤中的水分、煤中矿物质的性质和含量、煤岩成分，以及煤的孔隙度、风化程度等有关。
褐煤的孔隙度大，含水多，并有溶于水中的腐植酸离子，所以褐煤的导电性好，电阻率小，属于水溶液离子导电。烟煤是不良导体，电阻率大，高煤级的烟煤至无烟煤，电阻率迅速减小，煤的导电性大大增强，无烟煤为良导体，属于自由电子导电。褐煤的电阻率变化于10～200Ω·m之间，低中煤级烟煤的电阻率ρ=4000～5000Ω·m，高煤级烟煤的电阻率ρ=1000～10Ω·m，无烟煤的电阻率ρ=10～0.0001Ω·m。
低中煤级的煤中，镜煤、亮煤比暗煤和丝炭的导电性差;但在高煤级烟煤和无烟煤中，情况相反，镜煤、亮煤的导电性比暗煤好。
煤的导电性与煤中矿物的性质和数量有关。一般烟煤的电阻率随矿物含量的增高而变小，而无烟煤则相反，电阻率随矿物含量的增高而增大。但煤中含黄铁矿时，则电阻率会显着降低。煤的电阻率还与煤的层状构造有关，沿层理面煤的电阻率较小，垂直层理面方向煤的电阻率较大。当煤遭受风氧化时，电阻率明显下降。
12.磁性
物体置于磁场内，和磁场相吸者称顺磁性物质，和磁场相斥者称抗磁性物质。抗磁性物质，其内部结构的原子或分子具有闭合的电子外层，即电子都已成对;顺磁性物质，其电子层上尚有未配对的电子。煤属于抗磁性物质。
物质置于磁场内，由于其原子核吸收了磁场能，引起物质相对于磁场的自旋方向发生变化，这就是物质的核磁共振。煤的核磁共振是煤的重要磁性质之一。
在一高斯磁场下，1g物质所呈现的磁化率称物质的抗磁性磁化率或单位质量磁化率。煤的抗磁性磁化率随煤化程度的增高而增高。但在煤的Cdaf=80%～90%的区间内，抗磁性磁化率增高缓慢;当煤的Cdaf＞90%以后，煤的磁化率剧增。
煤的抗磁性和煤的核磁共振是研究煤结构的有效方法。
13.导热性
煤作为燃料或者进行干馏、气化、液化都需要考虑到煤的导热性。
煤的比热是指1g质量的煤，温度变化1℃所需(释放)的热量(即热容)与水的热容(15℃的水)的比值。水的热容为4.18J/g(15℃)，故煤的比热和热容在数值上是一致的。比热没有单位，室温下煤的比热为0.2～0.4。煤的比热有一定的波动范围，这是因为煤是复杂的有机高分子物质，并含有无机矿物质和水。煤的比热除受煤的煤化程度影响外，还受非煤物质及其含量的影响。
煤的比热随煤中水分的增加而呈直线增大，这是因为水的比热比煤大得多。无机矿物质的比热较小，一般约0.19，故煤的灰分增高，则煤的比热下降。煤的比热还受温度影响，测定温度升高，煤的比热增大。
煤的导热性是煤加工利用时重要的物理性质。煤的导热性与煤的孔隙率及孔隙中的气体有关，还与煤级及煤中无机矿物质有关。随煤化程度的增高，煤的导热性增强。
二、煤的裂隙
煤的裂隙是指煤受到自然界各种应力作用而造成的裂开现象。按成因不同可分为内生裂隙和外生裂隙两种。
1.内生裂隙
内生裂隙是在煤化过程中，煤中的凝胶化物质受到温度和压力等因素的影响，体积均匀收缩产生内张力而形成的一种张裂隙。
内生裂隙主要出现在镜煤中，有时也出现在均匀致密的光亮型煤分层中。内生裂隙一般都垂直或大致垂直于层理面，只发育在镜煤或光亮煤条带或分层内。内生裂隙面较平坦光滑，有时可见到十分细密的环纹组成的眼球状张力痕迹。内生裂隙有大致互相垂直的两组，其中，一组较发育，称为主要裂隙组;另一组则较稀疏，称为次要裂隙组(图5-4)。
图5-4 煤的内生裂隙示意图
内生裂隙的发育程度与煤化程度有关。中煤化阶段的焦煤、高煤化阶段的瘦煤内生裂隙最发育，5cm内约有30～60条(主要裂隙组);而低煤阶的长焰煤、气煤或高煤阶的贫煤则减少，5cm内为10～20条;无烟煤和褐煤中内生裂隙很少或没有。褐煤由于失水，常常有切穿煤岩成分或层理的干缩裂纹。所以，可根据煤的内生裂隙发育程度来大致判断煤的煤化阶段。观察煤的内生裂隙时，要在打开的镜煤层理面上观察，而在垂直层理的断面上往往看不清楚。
2.外生裂隙
外生裂隙是在煤层形成之后，受构造应力的作用而产生的。外生裂隙可出现在煤层的任何部分，与煤层的层理呈不同角度相交，并切穿煤岩成分和煤分层的层理。外生裂隙面上常有波状、羽毛状或光滑的滑动痕迹，有时可见到次生矿物或破碎的煤屑。外生裂隙面有时与内生裂隙面重叠。
在矿井下，要经常注意测量外生裂隙方向，这对判断断层有一定的帮助。研究外生裂隙的方向，对提高采煤效率、预测瓦斯突出也有实际意义。
三、煤的结构和构造
1.煤的结构
煤的结构是指煤岩成分的形态、大小、厚度、植物组织残迹，以及它们之间相互关系所表现出来的特征，它反映了成煤原始物质的成分、性质及在成煤时和成煤后的变化。在低煤级煤中，煤的结构很清楚;随着煤化程度的增高，各种煤岩成分的性质逐渐接近，因而煤的结构就逐渐变得均一。
煤的结构分原生结构和次生结构两种。
(1)原生结构
煤的原生结构是指由成煤原始物质及成煤环境所形成的结构。常见的原生结构有以下8种:
1)条带状结构:煤岩成分呈条带状相互交替出现。按条带的宽窄，可分为宽条带状结构(条带宽大于5mm)、中条带状结构(条带宽3～5mm)和细条带状结构(条带宽1～3mm)。条带状结构在烟煤的半亮型煤和半暗型煤中最为常见，年轻褐煤和无烟煤中条带状结构不明显。
2)线理状结构:指镜煤、丝炭、黏土矿物等以厚度小于1mm的线理断续分布于煤中，形成线理状结构。半暗型煤和半亮型煤中常见。据线理之间交替的线距，又可分为密集线理状结构和稀疏线理状结构。
3)凸镜状结构:指镜煤、丝炭、黏土矿物、黄铁矿等，常以大小不等凸镜体形式散布于煤中，构成凸镜状结构。半暗型和暗淡型煤中常见，有时光亮型煤中也可见到。
4)均一状结构:指组成成分较单纯、均匀，形成均一状结构。如镜煤、腐泥煤、腐植腐泥煤类等，都具有均一状结构。光亮型煤和暗淡型煤有时也表现出均一状结构。
5)粒状结构:由于煤中散布着大量的孢子或矿物杂质，使煤呈现出粒状结构。多见于暗煤或暗淡型煤中。有时含黄铁矿鲕粒或含黄铁矿结核而呈鲕粒状结构或豆状结构，它们为粒状结构的变种。
6)叶片状结构:煤中有大量的木栓层或角质层，使煤呈现纤细的页理，如叶片状、纸片状等，煤易被分成薄片。角质残植煤和树皮残植煤具有叶片状结构。
7)木质状结构:煤中保存了植物茎部的木质纤维组织的痕迹，植物茎干的形态清晰可辨，称木质状结构。褐煤中常可见到木质状结构，有些低煤级烟煤中也可见到。如我国山西繁峙褐煤中保存有良好的木质状结构而被称为“紫皮炭”。
8)纤维状结构:为丝炭所特有，它是植物根茎组织经丝炭化作用而形成的，可见到植物原生的细胞结构沿着一个方向延伸呈现出纤维状，疏松多孔。观察时要在煤层层面的丝炭上才可见到。
(2)次生结构
煤的次生结构是指煤层形成后受到应力作用产生的各种次生的宏观结构。
1)碎裂结构:煤被密集的次生裂隙相互交切成碎块，但碎块之间基本没有位移，可看到煤层的层理。碎裂结构往往位于断裂带的边缘。
2)碎粒结构:煤被破碎成粒状，主要粒级大于1mm。大部分煤粒由于相互位移摩擦失去棱角，煤的层理被破坏，碎粒结构往往位于断裂带的中心部位。
3)糜棱结构:煤被破碎成很细的粉末，主要粒级小于1mm。有时被重新压紧，已看不到煤层的层理和节理，煤易捻成粉末。糜棱结构一般出现在压应力很大的断裂带中。
2.煤的构造
煤的构造是指煤岩成分空间排列和分布所表现出来的特征。它与煤岩成分自身的特征(形态、大小等)无关，而与成煤原始物质聚积时的环境有关。煤的原生构造分为层状构造和块状构造。
(1)层状构造
沿煤层垂直方向上可看到明显的不均一性，主要是由组成成分不同而引起的，或是煤岩成分的变化，或含无机矿物夹层所引起，表现为层理。
按层理的形态，可分为水平层理、波状层理和斜层理等。水平层理(连续状、不连续状)反映泥炭沼泽内成煤原始物质是在平静的环境中几乎没有水流动的条件下沉积形成的。波状层理(不连续状、水平波状、凸镜状)反映植物堆积时沼泽内的水介质有微弱的运动。斜层理则反映水介质有强度较大的定向流动的堆积环境。
(2)块状构造
煤的外观均一，看不到层理。主要是成煤物质相对均匀，在沉积环境稳定滞水的条件下形成。腐泥煤、腐植腐泥煤及一些暗淡型腐植煤具有块状构造。
由于构造变动，使煤产生次生构造，如滑动镜面、鳞片状构造、揉皱构造等。次生构造可改变或破坏煤的原生构造。次生构造与构造变动有关，对煤层进行观察和描述时应加以注意。
㈢ 简述煤分子结构近代理论
煤的结构模型及研究方法 陈晨 （西北大学化工学院，陕西省西安市碑林区，710069） 摘要 从煤大分子结构模型、分子间结构模型和复合结构三个模型对煤的模型进行介绍，灶租并总结了煤结构研究的三种方法及思路。 关键词 煤，结构，模型 中图分类号 TQ530 煤隐睁兆是由具有多种结构形式的有机物和不同种类的矿物质组成的混合物。煤结构的研究一直是煤化学研究的主早拆要课题。多年来，国内外在这方面的研究很多，并且提出了一系列的物理、化学和综合结构模型。本文归纳总结了煤的结构模型以及其相关研究方法。
一、煤结构模型 煤的结构模型是根据煤的中参数进行推断而建立的，用以表示煤平均化学结构、物理结构和综合结构。目前不同研究者从不同应用背景和煤的结构参数出发，提出了一系列煤结构模型。
1.煤大分子结构模型
1）Krevelen模型(1954)：这一模型在60年代以前具有代表性，当时曾被许多研究者认为最为合理。其特点是缩合芳环数多,，最大部分有n个苯环。
2）Given模型（1960）：这一模型基本反映了年轻烟煤中没有大的稠环芳香结构(主要为蔡环)，无醚键和含硫结构。
3）Wiser模型（1975）：这一模型可以解释煤的液化与化学反应性质，也被认为是比较全面、合理的模型。
4)Shinn模型（1984）：它是Shinn根据煤在一段、二段液化过程的产物分布提出的，所以又称为煤的反应结构模型。
2.煤分子间构造模型
1）Hirsch模型（1954）：它是根据x射线衍射研究结果提出的。其特点是比较直观地反映了煤化过程中的物理结构变化，具有代表性并广为引用。
2）Riley模型（1957）：即乱层结构模型（turbostratic lamellar），根据Warren的研究结果, 这一模型对煤、炭等高碳物料都适用。
3）交联模型（1982）： 它是由Larsen等人提出的。交联键的存在可以解释煤不能完全溶解的原因。这一模型后来得到了一系列的改进和发展。
4）两相模型或主一客(host-guest) 模型（1986）：它是由Given等根据NMR氢谱发现煤中质子的弛豫时间有快慢两类而提出的。其中大分子网络为固定相，小分子则为流动相。
5）缔合模型（1992）：它是由Nishioka提出的。这一模型指出了煤中的分子既有共价键合( 交联），也有物理缔合( 分子间力)。缔合模型实质上与两相模型类似。 在这些模型中，尤以Hirsch模型和两相模型最具有代表性。
㈣ 煤柱的流变模型
2.3.2.1 西原模型
有关研究[67]表明煤和岩石试件在长时间恒定载荷的作用下，其蠕变特性表现为：当施加的应力小于某一数值时，应变速率逐渐减小，此时，应变将趋于某一极限值，与广义开尔文模型的应变时间曲线类似（图2.2 a）。当应力水平大于某一数值时，应变随时间增加不收敛于某一定值，而是逐渐增大，穗雀表现为稳态蠕变和加速蠕变，即蠕变过程分为3个阶段：初始蠕变阶段（AB段），特征是应变速率逐渐减小；稳定蠕变阶段（BC段），即应变速率不变；加速蠕变阶段（CD段），加速蠕变直至破坏。这一现象符合柏格斯模型（图2.2b），此模型就是西原模型，其组合方式见图2.3。
图2.2 模型的蠕变曲线
图2.3 蠕变理论模型
常应力作用下西原模型的蠕变本构方程为
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩敬誉变形破坏研究
上述西原模型能较好地描述煤柱的蠕变特性，但蠕变参数的计算必须建立在蠕变实验的基础上，根据蠕变实验数据求得，但实际煤柱含有大量的裂隙、节理等弱面，而室内试件则相对完整，两者是有区别的，煤柱的强度相对低于试件的强度，其蠕变性能应更加显着。另外蠕变参数还与加载条件有关，随载荷的不同可能有所变化。因此准确地确定蠕变参数是煤柱蠕变特性研究的难点，还有待迸一步深入研究。
2.3.2.2 改进的西原模型
上述西原模型中使用的是理想线性元件，对蠕变加速阶段的描述不够理想，因此下面采用非线性黏滞元件代替线性牛顿体，将西原模型迸行改迸，使其适用于非线性阶段的分析，并对其迸行稳定性分析。
传统的流变模型理论中的基本元件胡克体、牛顿体、圣维南体都是理想的线性元件，将这些元件迸行串联、并联组成的流变模型不能很好地描述煤岩体加速蠕变阶段。为此采用非线性牛顿体代替理想牛顿体，设该黏滞阻尼器所受应力与其加速度大小成正比，即
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究
式中：σ——应力，MPa；
η——黏滞系数，MPa·s；
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究
利用上述非线性黏滞元件对西原模型迸行改迸，改迸的西原模型如图2.4所示，模型第一阶段和第二阶段的元件都采用传统的线性元件，而第三阶段的黏滞元件用非线性黏滞元件代替。
图2.4 改迸的西原模型
由复合模型的组合特征，其应力—应变关系为
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究
由式（2.4）可得改迸的西原模型本构方程为
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究
式中：E0、E1——模型的弹性模量和黏弹性模量，MPa；
η1、η2——模型的黏滞系数，MPa·s；
σs——圣维南体的极限摩擦力，MPa，其值由实验确定。
如果仅研究σ1=σ0时的蠕变变形，应用叠加原理，可得改迸的西原模型的蠕变方程为
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究
模型稳定性分析：在蠕变方程中认为E0、η1、η2为常数，E1随应变的变化而发生非线性变化，对比发现，当σ1＜σs时，该模型为广义K体，式（2.6）可以变为
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究
根据常微分方程的稳定性理论，引入E1（ε）（即全过程应力—应变曲线的斜率）来判别上式解的稳定性，E1（ε）在微小时间段Δt内近似恒定不变，将方程（2.7）线性化得
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩亮族段变形破坏研究
此线性系统的本构方程和特征值为
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究
（1）E1＞0时，λ1=0，λ2＜0，式（2.8）的解是稳定的，系统发生减速蠕变；
（2）E1=0时，λ1=0，λ2=0，式（2.8）的解稳定，系统发生等速蠕变；
（3）E1＜0 时，λ1=0，λ2＞0，式（2.8）的解不稳定，系统发生加速蠕变，系统失稳。
控制变量渐变分析：由模型稳定性分析可知，系统的稳定性与蠕变微分方程的稳定性一致，均随E1的变化而变化，所以E1为系统稳定性的控制变量。
若仅仅考虑σ1≥σs的情况，在常应力σ1=σ0作用下，改迸的西原模型的应变可表示为
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究
应变速率为
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究
应变加速度为
水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究
由式（2.10）、（2.11）、（2.12）可知
（1）E1＞0时，ε＞0，
（2）E1=0时，ε＞0，
（3）E1＜0时，ε＞0，
上述结果与岩石蠕变三阶段特性曲线相对应，因此利用非线性黏滞元件建立改迸的西原模型能够较好地描述煤岩体完整三阶段的蠕变变形，尤其是非线性加速蠕变变形。
㈤ 煤体结构特征
煤体结构是指煤层经过地质构造变动后煤的结构和构造的保留程度。煤层遭受的构造破坏愈强烈,煤就愈破碎,煤的原生结构和构造保留得也愈差,因而煤层结构、构造租镇陵呈现出不同的变化。旅庆根据煤层所受构造破坏程度不同,煤体结构可分为原生结构、碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构4种弊戚类型(袁崇孚,1986;王双明,2008)。在我国煤田地质界将碎裂结构煤、碎粒结构煤和糜棱结构煤统称为构造煤。在韩城钻孔资料中对煤体结构的描述为块煤、块粉煤、粉末煤、鳞片煤(王双明,2008)。韩城区块内构造类型多样,展布方向及相互关系复杂。地表出露的大中型构造行迹主要发育在东部边浅部和中深部构造带,而煤层中的中小构造普遍存在,主要的构造类型有褶皱构造、挠曲构造、断裂构造、层滑构造、地层裂缝、节理裂隙等。韩城区块受构造变动影响而形成的构造煤具有如下规律:韩城区块南部多为碎裂煤,较少的碎粒煤,原生结构煤发育广泛;北部则多发育碎粒煤、鳞片煤,断层附近煤体结构破坏严重。浅部煤体结构通常比深部煤体结构复杂,在地层由陡变缓地带多发育碎粒煤、鳞片煤等不同程度的构造煤。
㈥ 反映煤分子结构的参数有哪些
煤是多种高分子化合物和矿碧清物质组成的混合物 没具体分子式 但可定性的描述其整体的统计平均结构及模型。煤结构包括煤有机质的化学结构和煤的物理空间结构，其中煤的有机质又分为大分子化合悔洞前物（含量90%以上以芳香结构为主的环状化合物为主）和低分子化合物，煤的大分子化合物是由多个结构相似的”基本结构单元“通过桥键连接组成，颤薯而基本结构单元类似于聚合物的聚合单体。差不多这些了 ，给分吧！