煤与开采

新疆聚煤作用从古生代石炭纪到中生代侏罗纪均有发生，根据新疆早—中侏罗世聚煤规律与古地理环境、古构造的关系，全区可划分为两大赋煤区，分别为准噶尔盆地赋煤区和塔里木盆地赋煤区，两大赋煤区进一步划分成 13 个赋煤带，并细分出 60 个煤田(煤产地、煤矿点)[2]，已列入重点规划开发的煤田包括准东、吐哈、库拜、伊犁与和丰，如 图 2 所示。中生代聚煤作用表现为内陆湖泊型沉积，含煤地层与煤层主要分布在早、中侏罗世地层中，且出露面积大、分布广、煤层层数多，单层厚度及资源潜力大。这一时期的主要聚煤作用发生在塔北、准噶尔、伊犁、吐哈等盆地，分别形成早—中侏罗世的聚煤中心；聚煤后的燕山运动、喜山运动对主要含煤盆地构造改造作用较弱，盆内煤层变形小，断层稀少，煤层产状平缓，盆缘煤层呈波状褶曲，少数地带发育有逆冲推覆构造。

准噶尔盆地主要包括准东、准北、准南、巴里坤−三塘湖、伊犁和吐哈等煤田，含煤地层为中−下统侏罗系水西沟群 (J1−2s)，该群依据岩性、植物群及含煤性分为：侏罗系下统八道湾组 (下含煤组 J1b)、三工河组(不含煤组 J1s) 和上统西山窑组 (上含煤组 J2x)3 组。岩性主要是灰绿灰白色砂岩、砾岩、灰绿、灰黄色、少量棕红色泥岩、灰黑色炭质泥岩，夹煤层及菱铁矿为主，属河流沼泽相而以湖沼相为主，如图 3 所示[3]，厚度在 122～1 684 m。

盆地内部构造形变微弱，呈一个向南缓倾斜的大单斜。但在盆地的西缘、南缘逆冲推覆构造发育。盆地东缘的巴里坤煤田、三塘湖煤田、淖毛湖煤田的赋煤构造主要为复式向斜；卡姆斯特煤田为 NWW 向不对称的褶皱，南缓北陡；准东煤田为一组 NWW 向斜褶皱。西缘的托里—和布托洛盖煤田、和布托赛尔—福海煤田的赋煤构造主要为 NEE 向断裂和向斜；克拉玛依煤田为倾向 SE 的单斜，南缘的乌鲁木齐矿区、阜康矿区赋煤构造主要为一系列由南向北推覆的逆冲断裂带，其间的含煤断块呈 NWW 向斜列，向盆地内部，煤系呈不对称紧闭褶皱。

塔里木含煤盆地主要有塔北、塔西南、塔东南盆地、中天山、罗布泊、库拜、昆仑山—喀喇昆仑山等煤田，含煤地层为侏罗系克拉苏群和叶尔羌群，下统塔里其克组、阿合组 (不含煤组) 康苏组、阳霞组、和中统克孜努尔组、杨叶组，以河湖相、湖泊相、沼泽相沉积为主，岩性为灰色、深灰色、灰白色、浅红色砂岩，粉砂岩、细砂岩、泥岩、煤层组成，地层厚度各区差异较大与下覆地层为不整合接触，分布于塔里木盆地及边缘地带。

位于塔北盆地的库车—拜城煤田具有南北向“对冲式”构造特点，EW 向构造发育，煤层赋存在向斜中，如 图 4 所示[3]。塔西南的莎车—叶城煤田呈 NW—EW向斜列的背、向斜构造，褶皱两翼大多为断裂破坏，煤层赋存于向斜中。塔东南主要呈地垒、地堑式含煤构造，沿阿尔金断裂带有 NE 向的小型含煤向斜分布。

新疆煤炭资源极为丰富，全区预测煤炭资源量2.19 万亿 t，占全国总预测储量的 40% 以上。新疆共有 24 个预测资源量超过 100 亿 t 的煤田，其中准东、沙尔湖、伊宁、吐鲁番和大南湖—梧桐窝子 5 个煤田预测资源量超过 1 000 亿 t，占全区预测资源量的 60%，此外 8 个煤田预测资源量在 400 亿～1 000 亿 t、11个煤田预测资源量在 100 亿～400 亿 t。含煤地层集中分布在准噶尔盆地南缘和东部 (包括吐−哈盆地、伊宁盆地) 及塔里木盆地北缘，这些地区集中了全疆总资源量的 98%。准东、吐哈、伊犁和库拜煤田预测资源量分别为 3 900 亿 t、5 700 亿 t、3 000 亿 t 和 1 300亿 t。按照深度划分：0～600 m，4 608.59 亿 t；600～1 000 m， 4 193.42 亿 t； 1 000～1 500 m， 4 268.41 亿 t；1 500～2 000 m，3 611.43 亿 t。总体看，新疆煤炭资源量潜力大，有较好的勘查开发利用前景。

新疆煤炭按低、中、高三大变质程度分 0～Ⅷ 九个煤阶，以及褐煤、烟煤、无烟煤三大煤类中的各煤种。以中下侏罗统水西沟群的八道湾、三工河、西山窑组含煤地层煤阶多为 0～Ⅰ阶，南疆塔里木区煤层煤的变质程度多在Ⅱ阶以上。在不同的煤田中各煤种均有不同程度的分布，但不同煤种的资源量和在全疆煤炭资源总量中所占比例相差悬殊，并且在地域上分布极为不均。总体上各煤田的煤层中，以中煤阶煤中的低阶烟煤和中阶烟煤为主要煤阶，其次是中煤阶煤中的高阶烟煤，而低煤阶煤中的褐煤和中煤阶煤中的超高阶烟煤以及高煤阶煤中的无烟煤，分布范围和数量极为有限，所占资源总量的比例很低。低煤阶的褐煤主要在准北、准东、三塘湖―淖毛湖赋煤带，以及吐哈赋煤带中的大南湖、沙尔湖、艾丁湖煤田中零星分布，一般不成片、数量有限；高阶和超高阶烟煤主要分布在塔北赋煤带中的库拜煤田西部的铁列克矿区和温宿煤田；高煤阶煤的无烟煤均分布在塔西南赋煤带中的乌恰煤田托云矿区、陶克陶煤田的赛斯特盖矿区和多数石炭、二叠纪煤田中，但资源量极为有限，难于进行正规的规模化开发与利用。从煤种分布看，低变质的长焰煤、不黏煤、弱黏煤等占全部查明保有资源/储量的 95%；中变质和中高变质的气煤、气肥煤、1/3 焦煤、焦煤和瘦煤等炼配焦煤相对较少，其资源/储量不足查明资源储量的 3.4%；而高变质的贫煤、无烟煤甚少，仅占总资源量的 1.6%，见 表 1 。根据新疆侏罗纪煤层的化学性质和工艺性能，除少部分中阶到高阶烟煤可作为炼焦用煤外，绝大部分属动力燃料用煤，亦可作为气化和液化的优质原料。

2.1 煤炭的形成（补充2.1.1节）

亿万年前，大量植物在泥炭沼泽中持续地生长和死亡，其残骸不断堆积，首先形成了泥炭 （图 5 a）。经过长期而复杂的生物化学、地球化学、物理化学和地质化学作用逐渐演化成煤炭。这一过程大致可以分为2个阶段：

（1） 泥炭化作用 （图 5 b）：植物遗体中的有机化合物分解为简单、化学性质活泼的化合物，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。

（2） 煤化作用 （图 图 5 c）：泥炭形成后，由于盆地沉降而被埋藏于地下深处，在较高的温度、压力条件下，经过复杂的物理、化学作用，泥炭逐渐形成褐煤、烟煤、无烟煤。

成煤时期，地球的二氧化碳浓度较高，丰沛的降水和温热的气候让当时的植物“彻底疯狂”，不仅长得快、长得高，还“到处都是”。石炭纪初植物演化出的木质素更是为“更高、更快、更强”生长提供了物质条件，数以万计的植物日复一日地吸进二氧化碳，释放氧气，以至于将整个大气中的氧气含量提升到 30%，而这一过程则持续了近 7000 万年。植物生老病死，大量植物倒下后，纤维素被微生物缓慢分解，而木质素无法被分解则保留下来，分解者和大型消费者的缺乏更是让这些植物“死而不僵”，巨量的植物遗骸在水与泥沙的作用下最终演化形成了泥炭。

煤炭的前身—泥炭沼泽主要形成于地表充分湿润、季节性或常年积水、丛生着喜湿性沼泽植物的低洼地段，广泛分布于从大陆到过渡地带的不同沉积环境。沉积环境中水动力条件、陆源碎屑输入状况、水介质化学性质以及沼泽基底稳定性等的不同，会造成泥炭物质组成、泥炭层厚度和侧向稳定性等方面存在差异，直接影响着煤炭的形成。

煤炭多来源于高等陆生植物，其性质和聚集规模受生物界演化进程的影响。所以，煤炭并不是任何时期都可以形成的，地球历史上只有几个时期可以形成煤炭。我们以地球的地质年代为顺序，可以总结出：①早泥盆世以前为低等植物 （菌藻类） 发育时代，那时还没有高等植物出现，没有大规模的聚煤作用。低等植物经过一系列复杂变化形成的煤，灰分很高，发热量较低，称为“石煤”，如我国南方寒武纪的“石煤”；②在约4.1亿年前的志留纪末—泥盆纪初，植物界进入裸蕨时代并登陆，开始了高等植物演化及工业性煤层聚集的地质进程，在我国部分地区形成角质残植煤；③约3.7亿年前的晚泥盆世出现蕨类，陆生植物开始繁盛，石炭二叠纪蕨类植物的繁盛导致全球性聚煤作用的发生，这是地球上最重要的聚煤时期；④约 2.6 亿年前出现裸子植物，侏罗—白垩纪裸子植物的繁盛导致我国北方出现了广泛而持久的聚煤作用；⑤约0.9亿年前出现的被子植物在新生代的繁盛是南、北半球形成巨厚煤层的重要原因。

2.1 煤炭的分类和成分（补充2.1.3节）

按煤化程度的不同，煤的家族成员，从低到高依次为：褐煤、长焰煤、不黏煤、弱黏煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤。低变质烟煤包括长焰煤、不黏煤、弱黏煤；中变质烟煤包括气煤、肥煤、焦煤、瘦煤；高变质煤包括贫煤、无烟煤，中国煤的分类如图 6 所示。

碳、氢、氧、氮是煤炭有机质的主体，占95%以上，煤化程度越深，碳的含量越高，其余元素的含量越低。其中，碳和氢是煤炭燃烧过程中产生热量的元素。此外，煤中常见的伴生元素有铀、锗、镓、钒、钍、铼、钛、铍、锶、锂等，石煤中有时还富集着镍、钼等元素。这些元素的含量有时可达工业品位可综合利用，是十分重要的资源。

如今不同地区赋存的煤层则是由煤层 （原位泥炭在长距离上的堆积） 和分散的陆源性沉积有机物共同构成的源−汇系统形成，其中有机质包括有泥炭沼泽的原位堆积、流水搬运的有机质和长距离分散运移沉降的有机质。煤中的矿物和元素主要来自外部物源输送，锗、铝、镓等矿产和金属元素的富集，则来自周边花岗岩类、风化壳铝土矿等物源区补给和长英质火山灰输入补给。煤系，包括煤层（收敛在原位泥炭沼泽的巨量有机质）和地面分散的有机质，以及流水等搬运的元素和无机矿物，共同构成了煤系源−汇系统。

煤炭是第一种广泛使用的化石燃料，主要形成于热带至温带潮湿气候地区河流和三角洲附近的沼泽地区的陆地上。 尽管一些早于陆地植物的较古老的煤炭矿床被认为来自藻类堆积。 当植物材料在缺氧条件下长期埋藏、加热和压缩时，就会形成煤（图 7 ）。 数百万年前，大陆分布在不同的地点，气候也不同，沼泽状的植被覆盖了许多地区。 当植被死亡时，由于缺氧条件，无法完全分解。 相反，它形成了泥炭（一种有机含量高的棕色物质）。 这种死亡的有机物浸没在缺氧水中的情况必须维持数百年至数千年，以便有足够的物质积累形成厚厚的一层。 在某个时候，泥炭被掩埋——通常是因为河流改变了路线或海平面上升——并在数百万年的高压和高温下形成了煤炭。

煤是由泥炭的物理和化学变化形成的。泥炭由在湿地（沼泽和沼泽）中积累的植物材料组成，这些植物材料通过泥炭化过程分解。如果泥炭被掩埋，那么泥炭可以通过煤化过程变成不同等级的煤炭。

（1）菌解阶段 （泥炭形成阶段）

泥炭是在湿地中积累的类似土壤、部分腐烂的植物材料。大多数人都知道煤炭是在沼泽中形成的，但这并不完全准确。 “沼泽”一词可以适用于许多不同类型的湿地，但煤炭只能从泥炭堆积的湿地中形成。因此，湿地中形成泥炭沉积物，但并非所有湿地都形成泥炭。泥炭堆积湿地，也称为泥炭地或泥炭地，包括泥炭沼泽、泥炭沼泽和泥炭森林。

为了使泥炭积聚，沼泽中植物残体的积累必须超过植物残体的细菌腐烂速度。植物材料在沼泽、涝渍环境中部分分解的过程称为泥炭化。

泥炭化涉及细菌腐烂。大多数泥炭的表层以需氧细菌腐烂（含氧）和食碎屑生物为主，因此腐烂率很高。如果湿地的条件不允许泥炭积累超过需氧细菌腐烂的速度或局部侵蚀的速度，则泥炭将不会积累或保存。在停滞的水中或泥炭本身的孔隙中，氧气会被耗尽。这种情况在富含有机物的水中自然发生，其中氧气被有氧腐烂过程耗尽。在厌氧（无氧）条件下，细菌腐烂率大大降低，泥炭堆积。高纬度地区（例如加拿大北部和西伯利亚）的许多泥炭地都有厚度超过 15 英尺的大面积泥炭。一些现代热带泥炭（例如苏门答腊）的厚度可能超过 50 英尺。如果这些现代泥炭被埋得很深，在合适的地质条件下，它们就可以变成煤炭。

泥炭沉积物种类繁多，含有原始植物部分（根、树皮、孢子等）、腐烂的植物部分、腐烂产物、沉积物和泥炭沼泽中火灾产生的木炭。它们还含有由风和水带入沼泽的沉积物中的矿物质（矿物质）。泥炭中的可变成分导致所得煤中含有多种有机和无机成分。煤层中煤炭的成分可能会在横向和纵向上发生变化，从而影响煤炭的物理外观和质量。

（2）煤化作用阶段 （褐煤形成阶段）

当泥炭被掩埋时，上覆沉积物的重量会从泥炭中挤出大部分水分并减少其体积（称为压实）。持续更深地埋藏也会使材料暴露在更高的温度下。加热，以及在较小程度上，时间和压力作用于埋藏的泥炭，将其转变为煤炭。煤化阶段通过不同等级的煤（褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤）进行。

煤化过程涉及有机和无机化合物的化学和物理变化。煤化继续达到埋藏历史上最高加热水平。一旦煤炭达到一定等级，该过程就无法逆转。

热量：加热是控制煤化和煤阶增加的主要控制手段。平均而言，地球每深度 70 至 100 英尺，热量就会上升 1 华氏度。煤在沉降盆地中埋藏得越深，其等级就越高。埋藏期间的加热也可能通过与热液流体（穿过地球岩石的热流体）相互作用或通过接触变质作用（火成岩侵入煤接触）而发生（参见，例如，Hower 和 Gayer,2002 年；Ruppert 等人，2010 年） ）。加热导致泥炭中的碳氢化合物（由氢、碳和氧组成的化合物）以多种方式分解和改变，形成煤。一般来说，随着埋藏和热量的增加，水分和气体（例如甲烷、二氧化碳）会从泥炭和所得的煤炭中系统地排出。这导致煤炭的碳含量越来越丰富，我们将其记录为不同等级的煤炭。

时间：时间是对合并和排名的另一个影响。众所周知，煤的地质年龄并不控制煤的等级，因此时间不被认为是对煤等级的主要影响。从历史上看，时间的主要影响被认为是提供更多的加热机会（例如，参见 Stach 等人，1982 年）。然而，现代研究表明，有机化合物和煤炭受加热增加影响的时间也会影响等级（例如，参见 Bostick,1971 年、1973 年）。此外，在煤化和有机成熟过程中会发生不同速率的化学和物理变化（例如，参见 Burnham 和 Sweeney,1989），这可以被视为受时间影响的参数。

压力：压力通常被认为对煤化和等级影响较小（van Krevlin,1961；Teichmüller 和 Teichmüller,1979；Stach 等，1982）。在煤化的泥炭化和褐煤阶段，通过上覆沉积物的重量压实，水分被从泥炭和煤中挤出。该垂直载荷力可被视为压力影响。然而，在许多情况下，当地质学家考虑压力时，他们考虑的是来自地球深处的压力或与断层运动和造山有关的压力。这些类型的构造压力似乎对煤化的影响小于温度，除非压力增加与加热增加有关。在某些情况下，实验室研究表明高压还可能抑制某些有机化合物的化学反应速率，这可能会影响用于镜质体反射率和等级研究的镜质体颗粒（例如，参见 Dalla-Torre 等人，1997 年；Sajgo 和其他人，1986），尽管研究结果各不相同（例如，参见 Goodarzi,1985）。

（3）变质阶段 （烟煤及无烟煤形成阶段）

变质阶段是煤炭形成的第三阶段。继续煤化过程，褐煤受到更高的热量和压力，从而增加碳含量并将其转化为烟煤。烟煤呈深色、致密，热值比褐煤高。随着煤化过程的继续，烟煤会承受更多的热量和压力，从而将碳含量提高到 86-97%。无烟煤呈黑色、致密、有光泽，是所有煤炭类型中能量含量最高的。

综上所述，煤炭形成的三个阶段是泥炭、褐煤、烟煤及无烟煤，每个阶段代表着碳含量、能量价值和变质转化的逐渐增加。

（4）成煤的必要条件

煤层由蚀变的植物遗骸组成。当森林沼泽死亡时，它们沉入水下并开始形成煤炭的过程。然而，煤炭的形成不仅仅需要植被的大量生长。碎片必须被掩埋、压缩并防止侵蚀。尽管所有的生物、地理和气候因素可能都是有利的，但除非植物残骸被沉积物淹没和掩埋，否则煤炭无法形成。

煤的形成有三个阶段：泥炭、褐煤、烟煤及无烟煤。这些阶段取决于植物残骸被掩埋后所经历的条件——压力和热量越大，煤的等级越高。高级煤比低级煤密度更大，水分和气体含量更少，热值更高。

湿地地区：大量的煤炭矿床起源于以前的湿地，称为煤炭森林，在石炭纪晚期（宾夕法尼亚州）和二叠纪时期覆盖了地球的大部分热带陆地区域。 这些广阔的湿地为煤炭的形成提供了理想的条件。 低洼湿地：煤炭的形成始于地下水接近或略高于表土的沼泽湿地地区。 在这些地区，有机物层堆积然后被掩埋。 防止生物降解和氧化：当死亡的植物物质通常通过泥浆或酸性水免受生物降解和氧化并转化为泥炭时，煤化过程就开始了。 容纳空间：形成大型煤矿床所需的另一个关键要素是容纳空间——本质上是一个大洞——有机物质可以在其中长期积累而不被侵蚀。 气候条件：煤炭最初是由需要大量水或降水的植物形成的。 因此，有煤炭的地区湿润而温暖。

像石油和天然气一样，是化石。 它于 3.5 亿年前通过有机植物物质的转化而开始形成。这一切都始于边缘的沼泽，例如泻湖或湖泊。 构造活动导致海平面上升，覆盖并杀死植被。 植物残骸积聚并埋在泥沙层下，这一过程称为沉积。 这可以保护碎片免受空气影响并减慢分解过程。 植被重新生长，直到下一次洪水来临。沉积盆地在沉积物的重量作用下逐渐下沉，死去的植物层受到不断上升的温度的影响，逐渐“煮熟”它们，导致它们发生转变。 沉积的不同阶段将纤维素（木材的主要成分）从泥炭转变为（褐煤），然后是次烟煤，然后是烟煤，最后是。 具有最高的碳含量。煤炭形成的地质时期 煤炭形成的最有利条件发生在 3.6 亿至 2.9 亿年前的石炭纪（“含煤”）时期。 然而，在随后的所有时期，地球某些地区继续形成较少的数量，特别是二叠纪（2.9亿至2.5亿年前）和整个中生代（2.5亿至6500万年前）。 第三纪时期埋藏的植物物质（距今不到 6500 万年）通常不太成熟。 它通常以褐煤的形式存在，仍然含有高含量的挥发性物质（沥青和腐烂的木材），并且碳含量较低。 然而，也有一些来自第三纪的高级煤，这些煤早成熟，受板块构造加热。 这方面的例子包括在哥伦比亚和委内瑞拉发现的古新世煤炭（65至5500万年前），以及在印度尼西亚发现的中新世煤炭（2000万年前）。 在印度尼西亚，梯度非常高，无烟煤靠近地表。然而，莫斯科盆地的矿床从未超越褐煤阶段。 太冷了！ 最后，最近的堆积物（从一万年前到今天）富含被称为泥炭的纤维碎片，其中树枝和树根的形状仍然可以辨别。 这种材料埋藏的深度不够深，不足以含有元素碳。有几种不同类型的煤。 它们根据碳和挥发物含量进行排名。无烟煤含有86%至98%的纯碳和8%至3%的挥发分。 它是一种极好的燃料，至今仍用于家庭供暖。烟煤含有70%至86%的碳和46%至31%的挥发分。 它用来制作，用于冶金。次烟煤含有 70% 至 76% 的碳和 53% 至 42% 的挥发分。 它在工业锅炉中燃烧。褐煤含有 65% 至 70% 的碳和 63% 至 53% 的挥发物。 它是一种用于工业锅炉的低级燃料，水分含量高。泥炭由部分分解的植被组成。 从技术上讲，它不是煤炭。 它的碳含量低于60%，完全由挥发物组成。 这种劣质燃料曾经在整个欧洲以干燥煤球的形式用于取暖，如今仅在爱尔兰等少数地区使用。

煤炭是一种化石燃料，是最初在沼泽和泥炭沼泽中积累的史前植被的改变遗迹。 我们今天从煤炭中获得的能量来自于数百万年前植物从太阳吸收的能量。 所有活植物都通过光合作用过程储存太阳能。 当植物死亡时，这种能量通常会随着植物的腐烂而释放。 在有利于煤炭形成的条件下，腐烂过程被中断，从而阻止了储存的太阳能的释放。 能源被锁定在煤炭中。 当泥炭发生物理和化学变化时，就会形成煤。 这个过程称为“煤化”。 在煤化过程中，泥炭由于细菌腐烂、压实、热量和时间而经历了一些变化。 泥炭沉积物种类繁多，包含从原始植物部分（根、树皮、孢子等）到腐烂植物、腐烂产物的一切，如果泥炭在堆积过程中着火，甚至还含有木炭。 泥炭沉积物通常形成于植物残骸堆积的涝渍环境中； 泥炭沼泽和泥炭沼泽就是例子。 在这样的环境中，植物残骸的积累超过了残骸细菌腐烂的速度。 由于腐烂过程完全耗尽了富含有机物水中的可用氧气，因此细菌腐烂率降低。 厌氧（无氧）腐烂比有氧腐烂慢得多。 泥炭要变成煤炭，必须被沉积物掩埋。 掩埋会压实泥炭，因此，在掩埋的第一阶段，大量的水会被挤出。 持续的掩埋以及热量和时间的增加导致泥炭中复杂的碳氢化合物以多种方式分解和改变。 气态蚀变产物（甲烷是其中之一）通常从矿床中排出，随着其他元素的分散，矿床变得越来越富碳。 这一趋势的各个阶段从植物残骸开始，经过泥炭、褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤，再到石墨（一种纯碳矿物）。 由于泥炭埋藏后压实所伴随的挤压和失水量，估计在肯塔基州东部和西部需要 10 垂直英尺的原始泥炭材料才能生产 1 垂直英尺的烟煤。 泥炭与煤炭的比率是可变的，并且取决于煤炭来源的泥炭的原始类型和煤炭的等级。

煤是一种沉积岩，由生活在陆地上的植物和动物的遗骸形成。 当泥炭等有机物在无氧区域分解成沉积物时，就会形成煤炭。

https://www.toppr.com/ask/question/what-are-the-conditions-required-for-the-formation-of-coal/

煤形成的四个阶段是泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤。 泥炭：这是煤形成的第一阶段，由沼泽和沼泽中部分腐烂的植物物质形成。 褐煤：随着时间的推移，随着压力和热量的增加，泥炭转变为褐煤，这是一种含水量高的松软褐煤。 烟煤：进一步的热量和压力将褐煤转化为烟煤，这是一种更软、更黑、碳含量更高的煤。 无烟煤：这是最高等级的煤，通过最高水平的热量和压力形成，形成坚硬、黑色、有光泽的煤炭，碳含量最高，杂质最少。

大多数（如果不是全部）煤炭在使用前都会经过测试。一些市场要求煤炭使用过程具有特定的质量特性，环境法规也要求了解煤炭的质量。一些产品还需要分析用于处理或加工的煤炭的物理特性。标准测试由美国测试和材料协会规定。 ASTM 制定了样品制备和分析的标准化程序。北美煤炭分析认证实验室遵循 ASTM 程序，必须使用标准样品和实验室间比较测试定期检查设备和结果。常见的煤炭分析包括：

在煤燃烧过程中，剩余的不可燃材料变成灰烬或液态炉渣。了解灰分或炉渣在熔炉或锅炉中的表现非常重要，因为两者都可能导致设备堵塞或结垢（van Krevelen,1993）。灰烬熔化，也称为可熔性，是确定煤燃烧留下的灰渣在熔炉或锅炉中如何反应的测试。在此测试中，按照 ASTM 方法 D1857-04 指南和程序（美国测试与材料协会，2013 年，第 431-435 页）的规定，将粉煤灰放入锥形模具中。模具在还原气氛（缺氧空气）的炉子中加热。灰锥随着热量的增加而改变形状。记录形状变化不同阶段的温度，按照热量增加的顺序，称为：

灰分产量是煤炭中最常见的测量参数之一。测量灰分产量以确定煤燃烧后剩余的材料量（称为灰渣）。灰分产量直接在自动分析仪或灰化炉中测量。结果以重量百分比表示。

在此测试中，将煤样研磨至设定尺寸（-60 目，小于或等于 250 微米粒径）、称重，然后在 500 至 750°C 的温度下燃烧 1 小时。然后将燃烧后剩余材料的重量与样品的原始重量进行比较，以测量灰分产量百分比（ASTM 方法 D3174-12；美国测试与材料协会，2013 年，第 498-503 页）：

Ash yield (weight %) = (weight of ash remaining/weight of precombustion sample) X 100 weight %

煤样的灰分或残渣主要由煤中的矿物质组成，但不等于煤的原始矿物质含量，因为原始煤样中的一些矿物质或矿物相（例如硫化物）和碳酸盐）在燃烧过程中被破坏或转化为其他矿物化合物。

灰分产量是动力煤和工业炉用煤的重要参数。增加灰分产量对应于降低热值。大多数用于发电的动力煤要求灰分含量低于 20%（风干），大多数公用事业合同中要求灰分含量低于 10%。由于灰分代表煤炭中不会在锅炉中燃烧的部分，因此灰分产量提供了有关燃烧后剩余多少材料的信息，这些材料需要进行处理。

在钢铁工业中，焦煤优先选择低灰分含量的煤。煤炭中的高挥发分导致焦炭产量较低。挥发分含量为 20% 至 35%（以风干为基础）的煤是炼焦煤的首选（Thomas,1992）。灰分产量极低（低于 2%）的煤有时被用来制造金属硅并作为化学品的原料。

几乎所有煤样都测量了煤的热值。它是煤的加热能力的衡量标准，用于估计产生所需热量所需的煤量。热值还用于定义美国分类系统中低于中挥发性烟煤等级的低煤和中煤的煤等级。

热值是单位重量的煤在氧气中燃烧时产生的能量的量度。测得的煤样在弹式热量计中完全燃烧，弹式热量计是一种测量热量的装置（ASTM 方法 D5865-12；美国测试与材料学会，2013 年，第 648-666 页）。

在标准实践中，热量计通过燃烧 1 克苯甲酸进行校准，苯甲酸具有已知的热值。接下来，将约1克-60目（小于或等于250微米粒径）煤放入金属样品杯中。然后将杯子放入从不锈钢容器的盖子延伸的两个电极之间的保持槽中。一根细金属丝保险丝连接到电极上并形成一个回路，进入煤样。然后将杯子和电极放入容器中，称为“炸弹”。然后将炸弹（包含样品）转移到水浴中，并使用电流来激发样品，从而在炸弹中点燃。样品的点燃反过来又加热水浴。水浴温度的变化用于确定样品的热值。

热值可以用标准英制单位（Btu/lb）或公制单位（千焦耳/千克或兆焦耳/千克）来测量。 1 Btu 相当于将 1 磅水的温度提高 1° 华氏度所需的功（方向力）。公制当量单位可以使用以下公式从英制单位计算得出：

MJ/kg = (Btu/lb) X 0.002326

例如，热值为 14，000 Btu/lb 的煤炭的公制热值为 32.56 MJ/kg。

固定碳是煤样中剩余的非挥发性碳含量的量度。它是根据近似分析中测量的其他参数确定的计算值，而不是通过直接测量（ASTM 方法 D3172-07a；美国测试与材料协会，2013 年，第 492-493 页）。固定碳是在水分、挥发性物质和灰分测试过程中损失的材料的计算百分比：

Weight % fixed carbon = 100 – weight % moisture + weight % volatile matter + weight % ash

工业分析中的固定碳值与最终分析中的总碳值不同。总碳包括一些在燃烧过程中作为挥发物排放逸出的有机碳。固定碳含量随着等级的增加而增加，用于定义中等挥发性烟煤以上的等级。随着等级的增加，固定碳与挥发性物质的趋势相反，因为从煤中排出的挥发性物质量的增加增加了碳的相对量（Stach等，1982）。固定碳含量也是估算可从煤中蒸馏出的焦炭量的重要标准（Zimmerman,1979）。焦炭是用于钢铁生产的高碳产品。

浮沉测试是对来自床的煤炭样品进行的，这些样品可能需要清洗（选矿、制备）以去除煤炭中的硫或灰分（岩石和矿物质），以满足最终用户所需的规格。浮沉分析确定了在不同密度的流体中可以将多少煤与岩石和矿物分离。

ASTM 方法 D4371-06（美国测试与材料协会，2013 年，第 566-573 页）概述了浮沉分析方法。在标准浮沉分析中，将一定量的代表性煤样粉碎至指定的粒度，并放入已知密度或一定密度范围的液体中。与页岩等其他岩石（2.4 至 2.8）或黄铁矿等矿物（4.9 至 5.2）相比，煤的密度或比重相对较低（1.2 至 1.5）。因此，浮沉分析通常在密度介于 1.3 和 2.0 之间的液体中进行。由于煤的密度低于大多数岩石和矿物（例如黄铁矿），因此它漂浮在密度等于或大于煤的液体中；岩石和黄铁矿下沉。从测试容器顶部撇去漂浮材料的量，干燥并称重，作为该液体密度下的漂浮分数。还测量漂浮部分的密度和灰分含量。下沉的材料也被干燥和称重，并测量其密度和灰分含量。这是汇分数。

如果煤样将被送到使用固定密度将煤与岩石和矿物分离的选矿厂，则可以在该厂使用的流体密度下对样品进行单次浮沉测试。单一浮沉测试定义了选煤厂洗选煤产生的浮选产品和沉选废品的相对量。

第二种类型的浮沉分析在一系列密度浴中测试煤样，以确定将煤与岩石和矿物分离的最佳密度。当可以在选矿厂中调节分离流体的密度或可以使用不同的工厂（具有不同的密度要求）来洗煤时，使用这种类型的分析。将碎煤样品置于密度最低的液浴中。然后将沉没部分浸入密度稍高的液体中。在一系列越来越稠密的液体中重复进行分析。在每个步骤中，对浮子和沉子部分进行干燥和称重，并测量密度和灰分含量。

不同流体密度下的一系列浮沉测试的结果通常以图形方式显示在图表上，其中样品运行密度和灰分含量（百分比）位于 X 轴上，浮沉率（百分比）和沉沉率（百分比）为在 Y 轴上。结果绘制为可洗性曲线。通常，根据不同的方程绘制一系列曲线：

Cumulative float curve = (ash % of cumulative float) / (weight % of cumulative float)

Cumulative sink curve = (ash % of cumulative sink) / (weight % of cumulative sink)

Density (densimeteric， specific gravity) curve = (Weight % of cumulative float / (midpoint relative density)

Elemental ash curve = (weight % of cumulative float) / (ash % of fractional sample)

不同曲线斜率的变化显示了每个密度分数结果的相对变化量。结果可用于计算从岩石和矿物中经济分离煤炭所需的最佳流体密度，以及在选矿厂中以该密度洗选至特定参数的开采煤炭量。这些曲线还可用于计算必须在特定密度下处理的废品量。

在某些情况下，需要获得不同粒度煤的可洗性数据，以确定是否可以在具有多个粒度回路的选矿厂中经济地从煤中分离出更多的黄铁矿或灰分。在这些情况下，可以收集粗煤颗粒、中煤颗粒和细煤颗粒的可洗性数据。一般来说，随着颗粒尺寸和浓度的减小，将煤与共生矿物分离越来越困难（Stach 等，1982）。

哈德格罗夫可磨性是衡量煤样被粉碎或研磨成更小尺寸的相对容易程度的指标。所有开采的煤炭在使用前都需要研磨至非常小的尺寸（通常是粉末尺寸）。例如，大多数动力煤（用于发电）在放入锅炉之前都会被研磨至 60 目（250 微米），大约相当于滑石粉的大小。

在哈德格罗夫测试中，样品被粉碎至指定尺寸、风干并称重，然后通过实验室研磨（铣削）机进行 60 次研磨（旋转）。然后将研磨后的样品放置在设定规格的筛子上。通过筛子的样品量用于计算哈德格罗夫可磨性指数。将结果与标准样品进行比较以提供指数，并用于确定研磨特定用途的某种煤炭需要多少能源和费用（ASTM 方法 D409-12；美国测试与材料协会，2013 年，第 397–411 页）。

HGI 的范围是从 30 到 100。数字越高，越容易被磨掉；数量少则难磨。 HGI 与等级、水分含量和灰分（矿物质）含量有关（Sinha 等人，1962 年；Stach 等人，1982 年；Suárez-Ruiz 和 Crelling,2008 年）。一般来说，煤通过等级变得更容易研磨，直到半无烟煤等级中的碳含量达到约 89% 至 90%，此时煤随着等级的增加而越来越难以研磨（Van Krevelen,1992）。显微岩和微岩型也会影响特定等级和水分含量下的可磨性（Stach 等，1982；Hower 和 Wild,1988；Trimble 和 Hower,2003）。

煤可能含有多种元素。主要元素是指煤炭中含量超过 1% 的元素；微量元素占1％～0.1％，微量元素占0.1％以下。对于许多市场和煤炭用途来说，必须了解主量元素、微量元素和痕量元素的成分。有多种方法可确定煤的主量元素和微量元素成分，但最标准的可能是 X 射线荧光 (XRF)（ASTM 方法 D4326-11；美国测试与材料学会，2013 年，第 562 页） 565）。

在此过程中，煤样被燃烧，剩余的灰分（未燃烧的材料）在 X 射线荧光光谱仪中进行分析。 X 射线轰击样品，导致样品中的矿物氧化物发出二次或荧光 X 射线作为响应。不同的元素有不同的二次X射线图案。光谱仪检测这些不同的波长模式并测量样品中不同元素（矿物氧化物中）的相对丰度。

了解煤灰中不同元素的相对丰度对于锅炉运行非常重要，因为它有助于预测结渣和结垢特征（ASTM 方法 D4326-11；美国测试与材料学会，2013 年，第 562-565 页）。此外，如果煤灰副产品将用于商业产品，则可能存在基于使用该产品所涉及的化学过程的质量等级要求，或这些产品的环境标准，这可能对某些元素的浓度有限制。

水分含量是煤炭分析中的一个重要参数。它用于确定煤炭的热值和处理特性。为近似分析给出的水分值是在水分烘箱中加热至 104 至 110°C 后，在指定条件下以样品质量损失测量的水分（ASTM 方法 D3173-11；美国测试与材料学会，2013 年，第. 494–497）。该测量结果称为残留水分（见下文）。这是用于计算其他干基分析结果的水分值。它可以与风干水分结合使用，以按收到状态进行计算。

尽管近似分析水分值是报告的最常见的水分值，但还有其他几个水分值，用于不同的报告和计算。以下是常见湿度术语及其含义的列表：

水分会吸收热量，因此煤炭中的高水分含量会降低煤炭燃烧时的相对加热效率。这就是低阶高水分煤比高阶低水分煤的热值 (Btu/lb) 低的原因。水分会增加煤炭的重量，还会导致低阶煤自燃，从而影响装卸和运输。冬季，水分还会导致火车车厢内的煤炭结冰，这可能是寒冷气候下发电厂的一个主要问题。在某些等级分类系统中，水分用于定义低阶煤，是确定低阶褐煤煤品位的重要标准。

孢粉学是对化石孢子和花粉的微观研究。由于植物随时间进化，气候随时间变化，成煤湿地中的植物也随时间变化。在许多煤盆地中，可以根据孢子和花粉含量对煤群（有时是单个煤）进行关联。孢粉学的垂直和横向变化有时是煤炭质量可能变化的良好指标，因为它们与原始的成煤沼泽植物和沼泽条件有关。孢粉学可用于确定形成煤炭的古代成煤湿地与现代泥炭形成湿地的外观。

煤炭和伴生岩石的孢粉学分析是通过从岩石基质中分离微观化石孢子和花粉来完成的。这是通过将周围的煤和岩石溶解在强酸中来完成的。化石孢子和花粉不溶于酸，可以从酸处理的残留物中回收。接下来，将部分残留物转移到显微镜载玻片上，并在显微镜的透射光下进行检查。

在肯塔基州的含煤岩石中发现了数百种不同的孢子和花粉化石。这些是一些例子（尺度以微米为单位。A） 粒状石孢子虫（由石松树 Lepidophloios Hallii 产生）。 B) Crassispora kosankei（由石松树 Diaphorodendron 和 Synchysidendron 产生）。 C) Densosporites sphaerotriangleis（由 Omphalophloios 产生，一种小型（亚树形）石松类动物）。 D) Radiizonates difformis（由 Omphalophloios 产生，一种小型（亚树状）石松类），E) Punctatisporites minutus（由 Psaronius 树蕨产生）。 F) Torispora securis（由 Psaronius 树蕨产生）。 G) Deltoidospora levis（由小型蕨类植物产生）。 H) Microreticulatisporites sulcatus（由小型蕨类植物产生）。 I) Calamospora hartungiana（由芦苇状的芦苇产生）。 J) 小 Laevigatosporites（由 Calamites 产生）。 K) Florinites mediapudens（由 Cordaites 树产生）。 L) Florinites florini（由 Cordaites 树生产）（摄影：Cortland Eble）。

煤含有许多不同的微观成分。确定煤炭的某些属性可能需要显微镜检查，称为岩相学，它是岩石学的一个子集。在显微镜下检查煤炭的科学家被称为煤炭岩相学家。在一种岩相学中，将煤磨成细颗粒，与环氧树脂结合，然后放入模具中形成颗粒。然后将颗粒抛光并在显微镜下使用反射光或入射光进行检查。煤也可以被切成薄片，如矿物和岩石学中的情况。薄片是薄切的样品，用环氧树脂固定在薄玻璃板上。然后将样品侧面研磨并抛光至透过玻璃和样品可见光的程度，这使得岩相学家能够看到样品中的大量细节。

用于煤炭分析的岩相学类型包括：

最常见的煤炭分析是工业分析。它用于勘探、开采和选矿过程中的煤炭。在邻近分析仪（一种自动化仪器）中测量一个样品的四个不同参数。

ASTM D3172-07a（美国测试与材料协会，2013 年，第 492-493 页）中显示了工业分析的标准方法。不同的标准涵盖了分析的每个组成部分（水分等）。

稀土元素 (REE) 是一种微量元素，通常在煤或其他岩石类型中含量不到 0.1%。由于对国内稀土供应的兴趣增加，KGS、采矿工程系和肯塔基大学（英国）应用能源研究中心 (CAER) 已开始探索煤层、与煤相关的岩石中的稀土元素含量肯塔基州的煤层、发电厂灰烬（发电厂燃烧煤炭留下的物质）以及其他潜在的稀土元素来源。

KGS 使用经批准的美国材料与试验协会 (ASTM) 标准来分析煤炭和相关材料中的 REE（ASTM 标准测试方法 D6357-21b）。稀土元素分析需要时间和专业知识。一般来说，必须去除样品中的各种常见元素，以便可以更准确地测量残留的微量元素。

对样品（煤、灰分、页岩等）进行编目、粉碎至-60 目（最大粒径 250 微米）并灰化。灰化是将少量粉末状样品放入 500°C 的烘箱中 255 分钟，以去除样品中的有机碳。

然后对样品进行称重并贴上标签。每个样品可以分为多个样品以进行不同类型的分析（例如，煤炭质量和稀土元素）。接下来，将 0.1 克样品放入通风柜下装有强酸（HF、HCl 和 HNO3 溶液）的试管中。酸性溶液溶解硅酸盐（例如石英、\(SiO_2\)）、碳酸盐（例如方解石、\(CaCO_3\)）和硫化物（例如黄铁矿、\(FeS_2\)）矿物。

接下来，将剩余材料放置在 135°C 的热块上以蒸发液体。

干燥后的样品用酸 (\(HNO_{3}\)) 进行第二次处理，以确保完全消化不需要的矿物质。再次，将干燥的材料放置在热块上以蒸发任何剩余的酸。然后，将少量去离子水添加到样品中，将其放回溶液中进行分析。

该溶液通过元素光谱仪运行，元素光谱仪有多种类型。 KGS 使用电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-OES)。英国采矿工程系使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）。 UKCAER 使用电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS)。仪器的选择很大程度上取决于元素丰度。 KGS 的 ICP-OES 可用于可能或预期特定元素含量极低（通常为百万分之 20 ppm）的样品。所有 ICP 仪器的工作原理都是首先将液体样品电离成气态等离子体，然后使用光谱仪检测单个元素及其相对丰度。该仪器从生成的光谱中的独特位置识别并测量每种稀土元素的含量，并将值报告为重量百分比。

不同的分析和测试使用不同的煤制剂，通常在结果中记录为某种类型的“基础”。以下标准煤炭分析基础可以相互转换以进行标准报告（ASTM 方法 D3180-12；美国测试与材料学会，2013 年，第 515-517 页）。了解结果与参数的正确相关性或在方程中的使用的呈现基础非常重要。

常见的录音标准（按字母顺序排列）：

Mineral matter (weight %) = (1.08 x ash yield (weight %)) + (0.55 x total sulfur (weight %))

通常表示为“dmmf”或“DMMF”。

煤中存在三种形式的硫：(1) 有机硫、(2) 无机硫和 (3) 单质硫。了解煤中硫的形态很重要，因为选煤可以减少煤中的无机硫（黄铁矿和硫酸盐），但不能减少煤中的有机结合硫。

ASTM 方法 D2492-02（美国测试与材料学会，2013 年，第 458-462 页）概述了用于确定这些形式的硫对煤总硫含量的重量百分比贡献的测试程序和指南。该分析的部分内容与总硫的最终分析类似，但不是通过硫分析仪运行整个煤样，而是用盐酸 (HCl) 和硝酸 (HNO3) 逐步浸出样品，以优先去除硫酸盐和硫化物化合物，分别。记录酸浸失重后，分析剩余样品以确定有机硫含量。或者，可以使用分析仪中的红外吸收直接测量单硫化物和硫酸盐的重量百分比。黄铁矿硫通过使用火焰原子吸收光谱法测量化学处理后样品中的铁来间接测量。这些形式的硫的测量与总硫值相结合可用于确定原始煤样中有机硫、无机硫和元素硫的贡献（Rait 和 Aruscavage，1989）。

(1). Organic S weight % = total S weight % – (monosulfide S weight % + sulfate S weight % + pyritic S weight %)

(2). Inorganic S weight % = (sulfate S weight % + pyritic S weight %)

(3). Elemental S weight % = monosulfide S weight %

煤可能含有多种元素。煤炭中主要元素含量超过1%；微量元素占1％～0.1％，微量元素占0.1％以下。对于许多煤炭用途来说，了解微量元素成分变得越来越重要。对于动力煤来说尤其如此，其中汞等微量元素的排放量受到监测。有时需要提高煤中氯和铁等元素的浓度，因为它们会影响锅炉效率（Finkelman,1981、1995:Suárez-Ruiz 和 Crelling,2008；Swain,2013）。

测定煤中微量元素的方法有多种，并且对于某些微量元素的检测有具体的指南和标准（例如，ASTM 方法 D6357-11；美国测试与材料协会，2013 年，第 716-724 页） 。用于测量煤中极少量这些元素的最常用仪器是电感耦合等离子体质谱仪 (ICPMS) 和电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-OES)。

元素分析为报告煤的主要有机元素组成提供了一种便捷的方法。对于此分析，煤样在最终分析仪中燃烧，该分析仪测量煤样中碳、氢、氮、硫和灰分的重量百分比。分析仪中同一样品同时测定总碳、氢和氮。总氧含量是根据其他值计算得出的。最终分析的标准实践参见 ASTM D3176-09（美国测试与材料协会，2013 年，第 510-513 页）。 ASTM D5373-08（美国测试与材料协会，2013 年，第 628-636 页）中描述了测试方法。

总碳：最终分析中的总碳是测得的煤中碳的重量百分比，包括挥发分中的碳。它是使用 ASTM 方法 D5373-08（美国测试与材料协会，2013 年，第 628-636 页）测定的。工业分析中的固定碳值与最终分析中的总碳值不同。总碳包括一些在燃烧过程中作为气态挥发物逸出的有机碳。

总碳可以在最终分析仪中作为最终分析的一部分进行测量，或者在碳硫分析仪中进行测量。两台机器均使用已知碳、氢、氮、硫和灰分值的标准参考样品进行校准。在碳硫分析仪中，将 0.25 克样品放入由耐火级粘土制成的专用样品瓶中。然后小瓶在 1350 °C 的温度下燃烧。

当煤燃烧时，碳会以二氧化碳 (\(CO_2\)) 和碳氢化合物 (\(CH_4\)) 的形式释放出来。 \(CO_2\) 来自煤中的有机化合物，但也可以从煤无机部分中的碳酸盐（例如方解石 - \(CaCO_3\)）矿物质（如果存在）中释放出来。这意味着总碳测量值可能包括来自煤的矿物部分和有机部分的碳。

为了确定总碳样品中的无机（矿物）碳和有机碳成分，应在库仑计中分析样品的一部分。库仑计中测量的碳是总有机碳，有时表示为 TOC。通过库仑计测量总有机碳和总碳的元素分析或碳硫分析测量，可以计算碳的各种成分：

(1)Total carbon (from ultimate or c-s analyzer) = Total inorganic carbon + total organic carbon (from coulometer)
(2)Total organic carbon (from coulometer) = Total carbon (from ultimate or c-s analyzer) – total inorganic carbon (from coulometer)
(3)Total inorganic carbon = Total carbon (from ultimate or c-s analyzer) – total inorganic carbon (from coulometer)

镜质体反射率是从抛光镜质体表面反射的入射光的比例。镜质体是煤的显微组分（有机成分）。由于镜质体在埋葬过程中在地下被加热，它会系统地改变其反射特性。这些变化是由于煤基质中芳香族（碳环）结构的缩合增加造成的（Stach 等人，1992 年；Bustin 等人，1985 年；van Krevelen,1992 年；Mukhopadhyay 和 Hatcher,1993 年）。

镜质体反射是计算煤（或其他有机物质）经历的煤化相对量（等级、成熟度）的标准方法。一些国际煤炭分类系统使用反射率测量。尽管在美国并未正式用于定义等级，但镜质体反射率通常用于证实基于热值、挥发性物质和固定碳含量的等级确定。

煤样镜质体反射分析的方法在 ASTM 方法 D2798-11（美国测试与材料协会，2013 年，第 474-478 页）中进行了标准化。对于其他沉积岩中分散镜质体的反射率测量，适用 ASTM 方法 D7708-11（美国测试与材料协会，2013 年，第 846-853 页）。为了确定镜质体反射率，将煤样研磨至细砂稠度（-20 目 = 粒径小于 850 微米）并制成颗粒以供检查。颗粒的顶面经过抛光并涂有规定的（浸没）油。将颗粒置于岩相显微镜下。首先使用已知反射率的玻璃标准进行反射率测量，为后续测量提供参考点。在此校准阶段之后，从煤样中的镜质体颗粒中收集许多反射率测量值（通常为 50 至 100）。反射的光量由光电倍增管测量，光电倍增管将光强度转换为数值。然后通过观察并与标准反射值比较来测量颗粒中镜质体显微组分的相对反射（本质上是灰度色调）。值范围从 0（低反射率）到 4（高反射率）。

可以进行几种不同类型的镜质体反射率 (Ro) 测量：

Ro random：随机镜质体反射率是非偏振白光中镜质体随机方向的度量。 Ro值一般是50到100次测量的平均值。 Ro random 是镜质体反射率测量中最常用的值。

Ro min：最小镜质体反射率是使用偏振白光将载物台旋转 360° 时的最小反射率的量度。煤从低级开始是一种单轴、各向同性材料。这意味着所有方向的反射率值都相等。然而，随着等级的增加，煤逐渐变得更加双轴和各向异性。这意味着反射率变得越来越依赖于方向。因此，Ro min 和 Ro max 之间的差异随着等级的增加而增加。在烟煤等级内（Ro = 约 0.5 至 1.5），镜质体中的方向各向异性随着等级的增加而发展并增加。由于较高等级煤的各向异性，通常在较高等级煤中测量最小和最大反射率值。

Ro max：最大镜质体反射率是使用偏振光将载物台旋转 360° 时获得的最大反射率值的量度。在烟煤等级内（Ro = 约 0.5 至 1.5），方向各向异性随着等级的增加而发展并增加。对于高级煤，通常测量最小和最大反射率值。

其他沉积岩中的镜质体反射率:
镜质体颗粒不仅存在于煤中，也存在于其他沉积岩中。富含有机物的页岩可能含有大量的镜质体。因为镜质体本质上记录了有机材料所经历的最大加热，所以它们也记录了样品所经历的最大埋藏加热。这是石油地质学中非常重要的标准。富含有机物沉积物的埋藏加热具有从烃源岩生产石油和天然气的独特范围（窗口）。镜质体反射率测量提供了数据，用于了解储层中的石油或天然气是否来自附近地区或必须来自更深的矿床。这些数据还用于确定石油和天然气生成的埋藏历史，这对于石油和天然气勘探非常重要。 Bustin 等人 (1983) 对镜质体反射率在石油勘探中的应用进行了简短而全面的回顾。

挥发分是煤炭中最常见的测量参数之一。它是标准近似分析的一部分。挥发性物质本质上是煤样在加热过程中形成的非水气体的量度。它是在标准温度下，在无氧环境中加热到 950°C 时释放的煤样气体（排放物）的重量百分比，水分（会蒸发为水蒸气）除外。挥发性物质直接在自动工业分析仪中测量。结果以重量百分比表示。

在测试之前，除去水分含量并记录为残留水分含量。挥发物测试在样品干燥后进行。测试时，将煤样粉碎至-60目（粒径小于或等于250微米），称重，并在纯氮气气氛中经受高温，然后再次称重。差异在于燃烧过程中排放物损失的重量百分比，这应该是样品中的挥发性物质（ASTM 方法 D3175-11；美国测试与材料协会，2013 年，第 504-509 页）。

volatile matter = weight loss % of sample =
(weight of preheated sample – weight of sample after heating) /
weight of precombustion sample

大多数挥发性物质来自煤中的有机成分，但煤中矿物质的一些元素也可以结合形成挥发性氧化物。煤中最常见的挥发物是水、二氧化碳和二氧化硫。

挥发分与煤质有直接关系；随着等级的提高，挥发性物质含量降低（Stach 等，1982）。挥发性物质随等级的变化趋势与固定碳相反。随着煤基质中挥发性物质随着等级的增加而被驱除，相对碳百分比趋于增加。在美国分类系统中，挥发性物质和固定碳都用于定义高挥发性、中挥发性烟煤和高级煤的煤级（ASTM 方法 D388-12；美国测试与材料学会，2013 年，第 17 页）。 390–396）。除了水分和灰分含量之外，还需要煤样中挥发性物质的百分比来计算煤的固定碳含量。

许多电力公司更喜欢挥发物含量较窄（25% 至 35%）的煤炭，以实现锅炉中的最佳火焰稳定性（Thomas,1992）。高挥发分物质也可能与自燃有关，特别是在低阶煤中（Fierro 等，1999）。因此，了解挥发性物质对于煤炭的安全、处理和运输非常重要。

（Coal Mechanics,P4-7）

煤的结构可以定义为煤的成分形态、大小、厚度、植物组织残留物以及这些参数之间的关系等特征，反映了原始物质的组成和性质以及煤形成过程的变化。在低阶煤中，煤的结构容易识别，但随着煤化程度的提高，不同种类煤的成分性质越来越相似，结构也越来越均匀。煤的结构可分为原生结构和次生结构两类。煤层原生构造保留了原生沉积构造和构造特征。可以清晰地区分煤的成分、结构、构造以及原生煤构造的内生裂隙。

二次构造是指煤层形成后，受构造应力作用而形成的各种次生宏观构造，又称构造煤。在构造应力的作用下，煤层发生成分、结构和构造的变化，引起损伤、粉化、增厚、减薄变形，以及煤的退化、凝结等变质作用。宏观结构构造煤可分为破碎构造、分馏构造、粉粒结构、糜棱岩结构，从而形成相应的构造煤可称为破碎煤、分馏煤、粉粒煤和糜棱岩煤。

(1)破碎构造：煤被密集的次生裂隙切成碎片，但碎片之间位移很小。此外，煤层中还可以发现层理。 (2)分馏结构。将煤破碎成颗粒，这些颗粒的直径大多大于1毫米。这些煤粒由于相互碰撞、摩擦，大部分失去了棱角，煤层理面也被破坏。 (3)糜棱状构造。煤破碎成细粉，主要粒度小于1毫米。有时，煤粉可以重新压缩成一片，但是，没有层理或接缝，煤很容易变回粉末。

构造煤是煤的次生构造的组合，通常出现在复杂构造应力条件下的煤田，特别是靠近断裂带和褶皱带的地区。图 40 为共生原煤与构造煤的对比（原煤镜质体反射率，又称 Ro，为 2.77，构造煤为 2.83）。表1.1为煤破坏类型的划分方法，引自《煤与瓦斯突出矿井识别规范》（AQ1024-2006）。根据规范，煤炭破坏类型可分为五类，即未破坏煤（Ⅰ类）、破坏煤（Ⅱ类）、强破坏煤（Ⅲ类）、粉煤（Ⅳ类）、粉煤（Ⅴ类），其中Ⅲ类至Ⅴ类煤可能存在煤与瓦斯突出风险。

煤里有什么？煤层由煤带或煤层组成，有时被称为煤层的薄沉积岩层（通常是页岩）分隔开。煤带被描述为类型和岩型。煤带由泥炭形成，泥炭主要由植物残骸和一定量的矿物质组成。大多数煤炭中的薄沉积物分离是在原始成煤泥炭被淹没时形成的，但肯塔基州至少有一个分离是由落入成煤泥炭中的火山灰形成的。

煤类型和岩型由改变的植物部分组成，例如根、叶、茎和孢子。通过泥炭化和煤化过程，独特的植物部分部分分解并转变为微小的有机颗粒和凝胶，称为煤渣。形成煤的泥炭和随后的煤还含有浸染性无机颗粒，称为矿物质。煤层中显微组分和矿物质的比例和类型影响其质量及其使用方式。

在微观层面上，煤由称为显微组分的有机颗粒组成。煤渣是形成煤的泥炭所源自的原始植物材料的改变的残余物和副产品。显微岩对于煤就像沉积物颗粒和水泥对于沉积岩一样。

煤炭岩相学家（在显微镜下研究煤炭的人）将煤岩成分分为三组，每组都包含几种煤岩成分类型。这些组是惰质体、脂质体和镜质体。这些组是根据显微镜下反射光的灰度来定义的。脂质体呈深灰色，镜质体呈中灰色至浅灰色，惰质体呈白色且非常明亮。

不同的macerals由不同的植物部分或细菌、化学或物理分解的植物部分的不同残留物形成。不同的显微组分和单个显微组分具有不同的化学成分，这些化学成分总体上影响所得煤的化学成分（Stach 等，1982:Bustin 等，1983:Teichmüller,1989）。

Liptinites 源自原始植物材料中的孢子、花粉、角质层和树脂。这些植物部分比其他显微物质富含氢。它们在一些煤炭等级上也发出荧光。

镜质体由部分“胶凝”的木材、树皮和树根组成，并且比脂质体含有更少的氢。

惰质岩主要是其他显微组分的氧化产物，因此比脂质岩或镜质岩富含碳，因为原始植物部分或残留物中的大部分氧已被氧化消耗。惰质岩组包括源自成煤泥炭中古代火灾的熔岩（其中大部分是化石木炭）（参见，例如，Scott，1989）。其他惰性显微组分（例如，macrinite）的起源归因于植物材料的生物分解和腐烂（Hower 等，2009）。还有一些（例如泥灰岩）是由泥炭的热熟化产生的。

煤还含有矿物质，它们大多以无机结晶和非结晶颗粒或块体的形式存在。煤层可能含有多达 50% 的矿物质。如果矿物质含量超过 50%，这种岩石将被称为碳质页岩而不是煤。大多数开采的煤炭矿物质含量低于 20%，许多煤炭合同要求灰分含量低于 10%，这大约（但通常低于）煤炭的实际矿物质含量。全世界煤炭中已记录了超过 120 种矿物质和无机化合物（Finkelman,1981；Vassilev 和 Vassileva,1996；Ward,2002；Schweinfurth 和 Finkelman,2003）。

煤中的矿物可分为两大类：(1) 起源于原始成煤泥炭的矿物，称为同生矿物或原生矿物；(2) 成岩矿物或次生矿物，它们被引入煤中，在煤中重新流动。煤，或在原始成煤泥炭被埋藏后的任何时间由煤中的其他矿物质转化而来。当煤暴露在表面时，一些矿物质也可以通过硫化物和其他矿物质的氧化而在煤中形成。这些将被称为第三矿物。大多数第三次矿物是煤中已有矿物的转化（Mackowsky,1982:Renton,1982；Vassilev 和 Vassileva,1996:Ward,2002）。

同生矿物往往是嵌入煤基质中的微小（微米）颗粒。同生矿物的生物来源包括原始成煤泥炭中的植物和生物体。许多植物将矿物质融入其结构中。这方面的一个例子是常见的马尾草或冲刷草，它的组织中含有二氧化硅以提供结构强度。一些生活在泥炭中或被运输到泥炭中的生物体，或其遗体被运输到泥炭中的生物体，其身体结构中也含有矿物质（例如，参见 Andrejko 等人，1983 年）。

碎屑、同生矿物包括在洪水期间被输送到成煤泥炭中的粘土和其他沉积物。碎屑矿物质还包括被风带入泥炭的灰尘和淤泥。厚而集中的碎屑沉积物在煤中形成岩石裂缝。更细、更不集中的沉积物输入被散布到形成煤的泥炭中，没有可见的岩层或岩床。

通过涉及泥炭化的各种过程，泥炭中也可能出现多种化学沉淀物，包括泥炭孔隙水中硫酸盐的细菌还原。

一旦泥炭被掩埋，矿物的引入和转化就被称为成岩作用。成岩矿物往往比同生矿物结晶更粗。煤达到褐煤阶段后，成岩矿物往往以较厚的浓度出现在割理和裂缝充填物中，肉眼可见。这种区别很重要，因为与同生、自生矿物相比，割理充填矿物更容易从煤中去除（Rao 和 Gluskoter，1973 年；Mackowsky，1982 年；Renton，1982 年；Ward,1989 年；van Krevelen，1993 年）。

煤炭中矿物质的数量、粒度和类型影响多种用途，包括用于发电的蒸汽燃烧和用于炼钢的冶金焦的生产。了解矿物成分不仅对于燃烧设备的实际工艺和维护很重要，而且还因为燃烧过程中发生的化学反应以及由此产生的排放物和固体残留物的成分，特别是在排放物或固体残留物的化学成分不明确的国家。残留量受到监管。

黄铁矿（\(FeS_2\)）是煤中最常见的硫化物矿物，也是煤中硫的主要来源。黄铁矿可以在泥炭堆积时在泥炭中形成，或者如果泥炭被海水掩埋，则可以通过将硫酸盐（\(SO_4\)）引入泥炭而在泥炭中形成（此类黄铁矿称为同生黄铁矿或自生黄铁矿）。在埋藏的泥炭中，硫酸盐被还原为硫化物 (\(S_2\))，然后与铁结合形成黄铁矿。黄铁矿也可以在埋藏（成岩或表生黄铁矿）后、煤化过程中引入泥炭中（Casagrande,1987）。

黄铁矿 (\(FeS_2\)) 是一种在多个煤炭市场中特别重要的矿物。黄铁矿中的硫会对许多化学过程产生不利影响，包括焦化炼钢。黄铁矿中的硫也会导致工业锅炉和动力煤中的硫排放。在采矿过程中，黄铁矿中的硫有助于酸性矿山排水。

煤炭和高硫地层的风化，或黄铁矿浓度较高的废弃弃土堆，可能会导致酸性矿山排水（阿巴拉契亚地区委员会，1969 年；Brady 等，1998 年；Greb，2006 年）。为了限制酸性矿井排水的形成，现代采矿法规限制高硫煤或顶板岩石的暴露和储存。还必须监测矿区和矿区附近的地表水和地下水，以确保采矿不会造成酸矿排水。在过去采矿的地区（在现代法规出台之前），采用了多种缓解技术来限制酸性矿井排水。

煤与黄铁矿燃烧会导致烟道气流中排放二氧化硫（\(SO_2\)），并可与水蒸气反应形成亚硫酸（\(H_{2}SO_{3}\)），亚硫酸（\(H_{2}SO_{3}\)）氧化为酸的主要成分硫酸（\(H_{2}SO_{4}\)）雨（美国能源信息署，1997；美国环境保护署，2016a）。此外，一些具有潜在危险的空气污染物的微量元素（锑、砷、镉、钴、汞、镍和硒）通常与黄铁矿有关（例如，参见 Schweinfurth 和 Finkelman，2003 年）。

许多不同类型的缓解措施被用来消除或减少发电厂燃烧前后的二硫排放。大多数煤炭在燃烧之前都会在选矿厂进行“清洁”，这一过程称为选矿或选矿，以降低煤炭在送往发电厂之前的硫含量。在发电厂，还有许多技术可用于限制二硫排放，包括通过布袋除尘器（静电除尘器）和洗涤器（烟气脱硫）捕集烟气中的二氧化硫和含硫颗粒。这些方法通常捕获煤燃烧中排放的大部分硫。

煤中的元素如下表所示。主要元素是指占煤重量1%以上的元素：碳、氢、氧、氮和硫。碳的相对百分比随着等级的增加而增加，而氧和氢的百分比随着等级的增加而减少。

微量元素是指占煤重量 1.0% 至 0.01% 的元素。煤中常见的微量元素有钠、镁、铝、硅、磷、钾、钙、钛、锰、铁等。大多数微量元素与煤中的矿物质相关，尽管磷也与有机煤基质相关。微量元素在煤中比较常见。并非所有这些微量元素都存在于所有煤层中，即使存在，也会在不同煤层中以不同的浓度存在。事实上，微量元素的浓度可能在单个煤层内垂直和横向变化（例如，参见Finkelman,1981、1995:Schweinfurth 和Finkelman,2003:Swaine,2013）。

元素周期表中列出的其余元素的浓度为百万分之 100 或更低。这些被称为微量元素。并非所有煤都含有这些元素，而且它们的浓度在煤层之间和煤层内差异很大。与矿物质类似，微量元素可以在泥炭化（同生）或煤化（成岩）的任何阶段引入。

微量元素的一个重要方面是化学缔合。微量元素可以有机地结合到煤基质上或与矿物质结合。锑、铍、硼、镓和锗通常是有机结合的；这意味着它们紧密地附着在煤基质上。砷、铬、镍、硒、钛、铀和钒等元素可能以有机形式结合或存在于矿物质中，具体取决于煤炭（Gluskoter 等，1977 年；Miller 和 Given，1986 年；Given 和 Miller） ，1987:Goodarzi,1988:Finkelman,1995:Swaine,2013）。

了解煤中微量元素的化学关联有助于确定 (1) 在使用之前是否可以或需要从煤中去除或减少这些元素，(2) 这些元素最终会去往何处（排放物、固体残留物） ）在煤炭利用期间和之后，以及（3）根据最佳实践和法规，缓解元素在利用过程中可能存在的任何潜在技术或环境问题的最佳机制。

煤炭中的微量元素中有 15 种被美国环境保护局列为有害空气污染物。汞是目前美国燃煤电厂排放中唯一受到监管和监测的 HAP 元素（美国环境保护署，1997、1998、2016b）。许多其他 HAP（砷、镉、钴、汞、铅、一些硒和锑）通常与黄铁矿等硫化物矿物相关，因此在燃烧前从煤中去除（或至少减少）硫化物矿物植物，以及去除或转化燃烧后的含硫烟气，有助于缓解。

煤炭和煤炭选矿产品也是有用微量元素的潜在来源。最近，人们对煤炭作为稀土矿物的潜在来源进行了研究。

稀土元素 (REE) 包括许多大多数人没有听说过的元素，包括镧系元素（从铈到镥）和镱。虽然相对闻所未闻，但稀土矿物在我们的现代科技世界中非常重要，因为它们存在于每天使用的各种产品中，包括电视和手机。随着需求的增加，科学家们正在寻找这些元素的新来源。我国使用的稀土元素大部分来自其他国家。KGS 正在与其他研究人员合作，看看美国是否有可以使用的非传统稀土元素来源。未来的一种潜在来源可能是某些煤层和煤层矸石矿床。

https://pubs.usgs.gov/circ/c1143/html/text.html

煤是由有机化合物和无机化合物的复杂混合物组成的。从沼泽中生存和死亡的植物中继承的有机化合物数量达数百万。煤中大约120多种无机化合物要么是从水上或风载沉积物中引入沼泽的，要么是从原始植被中的元素中提取的；例如，植物健康生长需要含有铁和锌等元素的无机化合物。植物分解后，无机化合物残留在生成的泥炭中。其中一些元素结合形成离散的矿物，如黄铁矿。植物使用的无机化合物的其他来源可能是覆盖沼泽底部的泥浆、排水径流引入的沉积物、沼泽水中的溶解元素、风生沙、灰烬或灰尘。

在元素周期表的92种天然元素中，煤可能含有多达76种元素（图 56 ）；然而，这些元素中的大多数通常仅以百万分之几的微量存在。偶尔，一些微量元素可能集中在特定的煤层中，这可能使该煤层成为这些元素（如银、锌或锗）的宝贵资源（Finkelman和Brown,1991）。然而，有些元素有潜在的危险性（例如镉或硒），特别是当它们的浓度超过微量时。尽管在煤中发现了多达120种不同的矿物，但其中只有约33种常见于煤中，其中只有约8种（石英、高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、黄铁矿、方解石和菱铁矿）足够丰富，可以被视为主要成分（表1）。

煤中的有机化合物由碳、氢、氧、氮、硫元素和微量的多种其他元素组成。虽然煤中的有机化合物只有少数几种元素组成，但这些化合物极其复杂，因此人们对它们的了解还不够深入；例如，图 57 显示了试图定义褐煤（褐煤）中一种有机化合物结构的尝试，但即使是这种相对简单的结构也是基于科学猜想。煤燃烧时，煤中的有机化合物会产生热量；它们还可以转化为合成燃料，或者可以用于生产插页插图中所示的有机化学品。

微量元素与煤中有机化合物或矿物质的亲和力影响煤的质量。如果微量元素是有机结合的，那么很难通过清洁过程将其从煤中去除，例如破碎和洗涤，这些过程在燃烧之前从煤中去除矿物质。有机结合的微量元素只能通过燃烧或深度化学浸出来释放，这是非常困难且不经济的。相反，与粘土或黄铁矿相关的微量元素可以通过清洁过程从煤中大部分去除。然后，微量元素可以以环境安全的方式处置或回收并用于其他用途。然而，迄今为止，从煤中回收的矿物质还没有用于很多用途，除了一些主要的例外，例如石膏、各种形式的灰分和少量的锗（用于半导体）。

（3）评价煤炭质量的主要指标

煤炭等级是特定用途煤炭相对质量的经济或技术分类。不同等级的煤炭是针对不同行业和国家的不同用途或市场，以及特定工艺的需要或有关工艺或最终用途产品的法规而定义的。这些术语是特定于流程或产品的。例如，可用于产生电力蒸汽的煤炭可能不是用于冶金用途的高品位煤炭。低灰分或低硫等术语也是等级术语的示例。不同的煤炭市场使用不同的质量等级。

动力煤（有时称为动力煤）是发电厂用来产生蒸汽发电的一种煤炭等级。美国开采的煤炭大部分是动力煤。发电厂动力煤必须满足锅炉设计和发电厂污染控制设备设计的质量和加热特性。

动力煤的品位一般与硫含量和灰分有关。通常，术语“低硫煤”是指硫含量低于 1% 的煤。在美国，《清洁空气法修正案》（1990 年）规定发电厂的硫排放量为每 10,000 Btu 1.2 磅硫，相当于烟煤中大约 1% 至 1.2% 的硫（Cobb 和 Eble，1992 年） ；美国能源信息管理局，1997）。因此，硫被用来定义符合排放标准的煤炭等级。低灰煤是指灰分含量低于 10% 的煤炭等级。高灰分煤通常是指灰分高于 10% 的煤。

煤炭发电：肯塔基州的大部分煤炭用于发电。煤炭开采后，通过火车、驳船和卡车运输到发电厂。传送带将煤运送到粉碎机，在那里将其研磨成滑石粉的细度。然后将煤粉吹入锅炉的燃烧室，在约 2,550°F 的温度下燃烧。锅炉房的墙壁周围是装满水的管道。由于高温，水蒸发成过热 (2,000°F) 高压 (1,000 psi) 蒸汽。蒸汽通过连接到发电机的涡轮机（类似于大型螺旋桨）。进入的蒸汽导致涡轮旋转，在发电机的线圈内产生磁场。这将电流通过线圈通过传​​输线从发电厂排出。蒸汽通过涡轮室后，在冷却塔中冷却，并再次成为水/蒸汽循环的一部分。

排放控制:在美国，锅炉中煤炭燃烧产生的气体（称为烟气）必须经过处理以去除空气污染物，然后才能通过发电厂烟囱释放到大气中。联邦法规限制发电厂释放到空气中的氮氧化物 (\(NO_x\))、二氧化硫 (\(SO_2\)) 和颗粒物的量。现代燃煤发电厂使用多种污染控制装置来控制锅炉排放的烟气。这些设备不是简单的过滤器或放置在烟囱排气管内的设备。大多数都是大型、昂贵的建筑，内部运作复杂。废气流通过这些结构重新定向，以便污染物在排放到空气中之前减少。

选择性催化还原和选择性非催化还原装置通常用于减少导致烟雾和霾的氮氧化物。选择性催化还原装置使用气态无水氨（\(NH_3\)）和催化剂以化学方式将NOx排放物还原为无害的气态氮（\(N_2\)）和水（\(H_{2}O\)）。非催化还原装置通过在不使用催化剂的情况下将尿素 (\(CO(NH_{2})_{2}\)) 注入气流中来减少 \(NO_x\) 的形成。先进的锅炉和燃料更换也用于减少氮氧化物排放。

静电除尘器和过滤袋除尘器用于捕获和减少烟道气流中的颗粒物。气流中的颗粒尺寸可能只有微米。有些比人类头发的宽度小 10 到 100 倍。过滤袋除尘器使用过滤器集合来捕获颗粒；其原理类似于汽车中的空气过滤器。静电除尘器使用带电板吸引气流中的颗粒，捕获气流中 99% 以上的固体颗粒。

烟气脱硫装置（通常称为洗涤器）用于捕获和转化烟气流中的含硫气体。有几种不同类型的洗涤器。有些使用干石灰石粉，有些则使用湿石灰石浆，直接喷洒在烟气路径中。石灰石与烟囱中气体中的硫发生反应。碳酸盐（石灰石）和硫结合形成固体亚硫酸钙（\(CaSO_{3}\)）和硫酸钙（\(CaSO_{4}\)）——本质上是矿物石膏（\(CaSO_{4}·2H_{2}O\)）。石膏是一种固体，它与液体喷雾混合形成浆料（在湿式洗涤器中）或从气体中掉落到烟囱底部（在干式洗涤器中）。然后收集飞灰并进行处理或用作副产品（在下一节中讨论）。

另一种气体排放物是二氧化碳（\(CO_2\)），因其对全球气候变化的影响而引起人们的关注。燃煤发电厂是二氧化碳排放的大型点源。目前，美国没有对二氧化碳排放进行监管，但已经提出了监管建议，并且正在测试不同的技术以确定其潜在的可行性。一种可能性是碳储存或封存。

一些煤炭可用于生产焦炭，焦炭是炼钢的重要原料。这些煤被称为冶金煤、冶金煤或炼焦煤。这些可以被视为等级术语。可乐（不是软饮料）是一种坚硬、多孔、富含碳的化合物。只有具有特定质量特性的煤炭才能用于生产焦炭。用于钢铁生产的冶金级煤的灰分（通常低于 10%）和硫（低于 1%）必须非常低，挥发分含量为 20% 至 30%（中挥发分至高挥发性烟煤等级），并且具有反应性和惰性组分的良好平衡。焦化行业中的等级术语包括低灰分、低硫和低挥发分，这是根据生产焦炭的要求而定的。元素浓度也很重要，因为某些元素（例如磷）可能会导致最终钢出现问题（Zimmerman，1979；Stach 等，1982）。

肯塔基州煤炭是否属于冶金级煤炭？由于用于制造焦炭的理想煤炭很少出现在单个床中，因此通常的做法是将多种煤炭混合在一起以获得制造钢铁焦炭所需的质量参数。来自肯塔基州西部的煤炭由于硫含量高，通常不用于钢铁生产（例如冶金煤）。肯塔基州东部的几个煤层满足冶金级煤炭原料的低灰分和低硫要求，但不幸的是，它们通常具有挥发性物质含量（在 30 左右），对于钢铁生产来说太高了。因此，肯塔基州东部的大多数煤炭本身并不用于生产焦炭。相反，它们可以与低挥发性烟煤混合形成非常高质量的焦炭。低挥发性烟煤在邻近的西弗吉尼亚州和弗吉尼亚州开采，挥发物含量低于 20%。

用煤生产焦炭和钢铁:冶金煤（也称为“met”煤）是炼钢过程中使用的重要原材料，尽管需要的煤炭量非常少（相对于电力使用量）。用于炼钢的煤炭在没有空气的情况下在烤箱中加热，温度高达 2,060°F (1，125°F)，直到大部分挥发性物质释放出来。在此过程中，它会软化，然后液化，并重新凝固成一种称为“焦炭”的坚硬多孔材料。这不是可乐软饮料。焦炭是一种多孔、富含碳的材料，用于炼钢。焦炭与铁矿石和石灰石混合制成铁水，然后进一步处理和加热以炼钢。

在炼钢过程中，焦炭在高炉中用作（1）燃料以产生补充热量； (2)用于还原氧化铁的化学还原剂； (3)作为炉内熔融材料的渗透性支撑。焦炉的副产品用于化学工业（有关化学品和特种产品，请参阅煤炭）。

并非所有煤都可以用作冶金煤来制造焦炭。冶金煤必须具有低硫含量（1%）、低灰分（7%）、低挥发分（15%至40%）和低磷、低氯、低碱含量。理想情况下，它们的等级是中等挥发性的烟煤，尽管可以使用其他煤等级并混合以制造合适的冶金煤。由于冶金煤相对稀有，它们比用于取暖或发电的煤炭更昂贵。

煤炭和随后的焦炭都经过质量测试。经过测试的焦炭的另一个重要品质是其强度。还对煤和焦炭进行微观分析（称为岩相学），以确定影响焦化特性的“反应性”成分（镜质体和脂质体显微组分）与“惰性”成分（惰性显微组分和矿物质）的相对比例。

近年来，由于进口和回收钢材的使用增加，美国的钢铁产量有所下降。毫不奇怪，肯塔基州用于生产焦炭的煤炭开采量也有所下降。 2014年，美国煤炭市场销售量约为22,000吨，不到当年开采煤炭总量的3%（EIA，2016年数据）。

某些煤炭可用于生产化学品和特种产品。这仅占整个煤炭市场的一小部分。化学煤和特种煤必须满足其所使用的产品或化学工艺的非常具体的要求。要求（和相对等级术语）可能与灰分和硫含量有关，如动力煤和冶金级煤，但也可能与机械性能（例如哈德格罗夫可磨性、自由膨胀指数）或化学成分有关（例如微量元素、活性显微量的量）。

蓝色宝石煤是在肯塔基州东南部多个地区发现的优质煤炭。煤的硫含量可以低于 1%，灰分含量可以低于 1.5%，这低于形成煤的活植物的灰分含量！由于其低硫和极低的灰分含量（以及其他特性），这种煤是世界上仅有的几种可用于制造金属硅的煤炭之一。金属硅是冶金级硅，用于制造铝硅合金材料、化学工业以及电子半导体的制造。

灰熔融温度低：蓝色宝石的矿物部分主要是菱铁矿，而不是硅酸盐。这使得煤的灰熔融温度较低，有利于金属硅的生产（Gardner 等，2007 年；Hower 等，2007 年）。

高硅反应性：蓝色宝石中的碳表现出高硅反应性，这有利于金属硅的生产（Myrvagnes 和 Lindstad，2007）。

特种产品和化学品用煤： 开采的煤炭总量中只有很小一部分（不到 1%）用于化学工业和制造特种产品。用于化学工业或特种产品的煤炭通常具有特定的甚至独特的质量特性。优质煤炭和炼钢行业煤炭冶金焦化产生的煤焦油和气体是芳烃化学品的重要来源。芳香族化学品是碳基化学品。芳香族结构是由六个碳原子以六角环结构键合而成的化合物。煤和源自煤的冶金焦化副产品主要是芳香族和多环芳香族化合物（多于一个环），这使得它们成为多种碳基化学品的有用原料（Schobert 和 Song，2002）。目前大多数由煤和焦炭副产品生产的化学品也可以由石油和天然气精炼中化学衍生的碳生产，但一些碳化合物和化学品更容易从煤中提取。

煤制化学品:我们每天使用的许多化学品和产品最初都来自煤炭。尽管用于制造化学品的煤炭的总市场很小，但许多重要的化学品都来自煤炭气化和炼钢过程中的焦炭气。许多这些碳基化学​​品也可以源自其他富含碳的来源，例如石油、天然气以及石油和天然气的精炼副产品。

煤炭的其他特殊用途:除了电力、钢铁工业和化学工业外，少量煤炭还用于制造活性炭（也由煤焦油制成）、肥料用腐植酸以及用于各种硅产品的金属硅。煤炭和煤炭副产品也经过了活性炭和化学筛等多种化学产品的测试，但这些产品目前是由其他材料制成的。

蓝色宝石煤和金属硅:二氧化硅 (\(SiO_2\)) 是地球上最常见的元素之一。它是大多数海滩沙子和砂岩的主要成分。硅（Si）是二氧化硅中的一种元素。纯硅或金属硅用于有机硅工业、铝工业以及光伏电池的构造。

金属硅是通过化学和热还原硅砂 (\(SiO_2\)) 与碳 © 材料（焦炭、煤、木屑和/或木炭）在水下电弧炉中在极高温度（4000°F、2350 ℃）。反应，

\(SiO_{2} + 2C \Rightarrow Si + 2CO\)

产生熔融二氧化硅 (Si) 和一氧化碳 (CO) 气体。熔融二氧化硅被冷却并作为硅金属出售。可以将其他元素添加到熔融二氧化硅中以制造用于半导体工业的合金。

肯塔基州东南部的蓝色宝石煤被广泛认为是世界上最好的金属硅煤碳来源之一。这是一种不寻常的煤炭，硫含量极低 (1%)，灰分含量极低 (1.5%)。相比之下，肯塔基州东部开采的煤炭平均硫含量为 1% 至 2%，灰分含量为 8% 至 10%。蓝色宝石煤的灰分含量非常独特，实际上低于形成煤的活植物的灰分含量！由于其灰熔融温度低（Gardner 等人，2007 年；Hower 等人，2007 年）和硅反应性高（Myrvagnes 和 Lindstad，2007 年），Blue Gem 煤也可用于制造金属硅。硅反应性是煤中碳与硅反应的相对能力。与大多数其他煤炭相比，蓝色宝石煤具有非常高的反应性。

从泥炭到煤的物理和化学变化阶段称为煤化，并按等级进行分类和描述。一般来说，等级类别是根据煤炭参数的可识别变化来定义的。不同国家使用的类别和参数略有不同，但总体而言，按从褐煤到次烟煤、烟煤、无烟煤的顺序递增。不同等级的煤炭不能仅根据其外观来区分。通常需要测试不同的参数来区分煤的等级。

根据其碳化程度不同分类，可以依次分为泥炭、褐煤（棕褐煤、黑褐煤）、次烟煤（亚烟煤）、烟煤（生煤）、无烟煤、亚煤(褐煤的一种，是日本的特有分类）。无烟煤碳化程度最高，泥炭碳化程度最低。

根据其岩石结构不同分类，可以分为烛煤、丝炭、暗煤、亮煤和镜煤。含有95%以上镜质体的为镜煤，煤表面光亮，结构坚实，含有镜质体和亮质体的为亮煤，含粗粒体的为暗煤，含丝质体的为丝炭，由许多小孢子形成的微粒体组成的为烛煤。

根据煤中含有的挥发性成分多少来分类，可以分为贫煤（无烟煤，含挥发分低于12%）、瘦煤（含挥发分为12-18%）、焦煤（含挥发分为18-26%）、肥煤（含挥发分为26-35%）、气煤（含挥发分为35-44%）和长焰煤（含挥发分超过42%）。其中焦煤和肥煤最适合用于炼焦碳，挥发分过低不粘结，过高会膨胀都无法用于炼焦，但一般炼焦要将多种煤配合。

1989年10月，中华人民共和国国家标准局发布《中国煤炭分类国家标准》（GB5751-86），依据干燥无灰基挥发分Vdaf、粘结指数G、胶质层最大厚度Y、奥亚膨胀度b、煤样透光性P、煤的恒湿无灰基高位发热量Qgr，maf等6项分类指标，将煤分为14类。即褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1／2中粘煤、气煤、气肥煤、1／3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤和无烟煤。

（1）褐煤

褐煤是等级最低的煤。褐煤呈棕色，质地易碎。它们看起来更像泥土，而不是人们通常想到的煤炭。在美国等级分类中，褐煤是根据热值来定义的。褐煤的热值（加热）低于 8，300 Btu/lb（ASTM，2014）。在其他一些国家，褐煤是根据其水分含量来定义的。在其他分类中，镜质体反射率 (%Ro) 可用于定义褐煤。褐煤中的镜质体反射率通常 %Ro 小于 0.4（UNECE,1998:Alpern 和 DeSousa,2002:ISO,2005）。

褐煤煤化阶段的主要过程是物理压实、脱水（有时称为脱水）和生物地球化学凝胶化。生化凝胶化是褐煤中碳分子的生物和化学分解（Stach 等，1992；Teichmüller，1989）。这些过程是更广泛的成岩作用阶段和煤化过程中的始成岩阶段的一部分（见图 64 ）。泥炭、褐煤等级、水的排出以及生化凝胶化导致煤化学性质的改变（某些化学官能团的损失）使水分含量急剧下降（Barnes 等，1984 年；Levine，1993 年；Mukhopadhyay 和 Hatcher，1993 年） ）。在泥炭到褐煤的转变过程中，褐煤的含水量通常为 60%，但次烟煤中的含水量降至约 20%（Teichmüller 和 Teichmüller，1982 年；UNECE，1998 年）。

在伴随凝胶化的化学和物理变化过程中，生物来源的甲烷 (\(CH_4\)) 和二氧化碳 (\(CO_2\)) 也会从褐煤中排出（Stach 等，1982；Levine，1993）。

在褐煤煤化过程中，煤炭的一个重要物理变化是形成有组织的裂缝或节理，称为割理。割理使煤炭呈现出常见的块状外观。它们也是水分和气体运动以及随后矿化的通道（Stach 等，1992；Laubach 等，1998）。

褐煤是一种低热质的煤炭，是发育不完全，处于次烟煤和泥炭之间状态的煤。在煤炭资源比较缺乏的地区应用比较广泛，俄罗斯、美国、加拿大、印度、澳大利亚和欧洲一些国家都在开采，其中作为发电厂燃料应用比较广泛的有希腊，占电厂总燃料的50%，在德国占25%。全世界褐煤总储量估量4兆吨，占全世界煤炭总储量40%。

褐煤的颜色为深褐色，含碳量为25-35%，水分含量高达66%，灰分含量为6%-19%。其发热量为10-20 兆焦/公斤

褐煤含挥发分较高，因此比较容易进行液化或气化。但由于其含有较多的水分，且易自燃，会增加运输和储存成本，因此很少在市场流通。一般会在褐煤矿附近建设发电厂，直接做燃料消耗。褐煤电厂的污染物排放量要比消耗普通煤的电厂大，尤其是和露天煤矿一起，经常会引起环境保护人士和政治家的异议。

褐煤的成煤年代要比普通煤年轻，一般存在于第三纪的地层中。一般分为两种：木煤和真褐煤。

（2）长焰煤
（3）不黏煤
（4）弱黏煤
（5）1/2中黏煤
（6）气煤
（7）气肥煤
（8）1/3焦煤
（9）肥煤
（10）焦煤

生产焦炭的焦煤（coking coal），也称作冶金煤，属于烟煤或次烟煤。或用多种煤炭配比混合后炼焦。焦煤在炼焦炉中隔绝氧气经过1,000°C干馏后，可挥发成分已经去除，剩余的固态物质即焦炭。由于炼铁需要尽可能少的硫、磷杂质，所以应选择低硫低磷的焦煤。

国际上一般把焦煤分为六种：

中国的焦煤分类（GB5751-1986）为：

（11）瘦煤
（12）贫瘦煤
（13）贫煤

（14） 次烟煤

次烟煤是第二类低阶煤。它们是褐煤和烟煤之间的过渡煤。在美国等级分类中，次烟煤及其细分（A、B、C）应基于热值。根据 ASTM 标准，次烟煤的发热量（加热）值为 8,300 至 11,500 Btu/lb（ASTM，2014 年）。然而，实际上，所谓的较高级次烟煤（次烟煤 A）和较低级烟煤（高挥发性 C）之间存在相当大的重叠。例如，伊利诺伊州盆地（和肯塔基州西部）的煤层被认为是高挥发性 C 烟煤，尽管它们的热值低于 11，500 Btu/lb。次烟煤中的镜质体反射率 (%Ro) 通常为 0.4 至 0.5%Ro 之间。与热值一样，在美国被视为烟煤 C 和次烟煤 A 的反射率值重叠。

美国等级系统中的次烟煤 C（较低等级次烟煤）呈棕色和土状，类似于褐煤，而次烟煤 A（较高等级次烟煤）煤呈灰色到黑色，并且像烟煤一样有光泽。次烟煤有时被称为黑褐煤（Jackson,1997）。

在次烟煤的煤化过程中，水分继续损失，但生物化学凝胶化被地球化学凝胶化（也称为玻璃化）所取代。镜质化是煤的低阶组分（称为腐殖质显微组分）转变成玻璃质（有光泽）镜质组显微组分的过程，这是较高阶煤的特征。玻璃化之后是沥青化，其中煤基质的生物分解被热分解所取代（Mukhopadhya 和 Hatcher,1993:Levine,1993:Teichmüller,1989:Stach 等，1982）。在次烟煤 B 级以上，煤炭化学和结构的大部分变化是由热（加热）增加而不是生物过程驱动的。热驱动变化增加的阶段在成熟研究中被称为退化（例如，Tissot 和 Welte，1984）。

（15） 烟煤

烟煤呈黑色、有光泽且通常坚硬。它们是中级煤炭。烟煤的热值通常高于 11，500 Btu/lb，挥发分低于 14%（ASTM，Jackson，1997）。然而，在伊利诺伊州盆地（和肯塔基州西部），美国所谓的低级烟煤的热值为 11，100 至 11，300 Btu/磅。国际煤炭分类系统采用镜质体反射率（%Ro）对烟煤进行细分。在该系统中，烟煤的 %Ro 介于 0.5 和 1.9 之间。至于热值，在美国被视为烟煤 C 和次烟煤 A 的反射率值重叠。

在美国分类系统中，烟煤分为五个细分。高挥发分烟煤（高挥发分 B 和 C）根据总热值（加热）进行分类。高挥发性烟煤的热值为 11,500 至 13,000 Btu/lb。高挥发性烟煤 B 的热值为 13,000 至 14,000 Btu/磅。然而，在高挥发性沥青等级以上，随着等级的提高，热值的特征就不那么明显了。美国体系中的中低挥发性沥青等级是根据挥发性物质或固定碳而不是热值来定义的。中等挥发性烟煤的挥发性物质以干燥无矿物质计为 22% 至 31%。这对应于69%至78%的固定碳含量。低挥发性烟煤在干燥不含矿物质的基础上具有 14% 至 22% 的挥发性物质。这对应于 78% 至 86% 的固定碳含量（ASTM,2014）。

烟煤开始时具有丰富的挥发性物质（高挥发性烟煤），但随着等级的增加，挥发性物质损失，形成中挥发性烟煤，然后形成低挥发性烟煤（例如，Stach 等，1982）。从化学角度来看，沥青化过程在沥青等级中持续进行。术语“沥青”来自于该级别沥青的增加。沥青是石油焦油或天然沥青。将煤加热至高烟煤等级大约相当于富含有机质烃源岩中产生石油的成熟水平（Dow,1977:Teichmüller,1974:1989:Tissot 和 Welte,1984:Levine,1993:Mukhopadhyay 和哈切尔，1993）。沥青是石油焦油或天然沥青。

从上部高挥发性沥青到低挥发性沥青的煤化主要是煤分子成分的热降解和“裂解”以及产热甲烷（由加热产生的甲烷）的排出。裂解过程也称为“再聚合”，本质上是将复杂的碳化合物分解成更简单的碳化合物。这个过程是成熟的还原阶段的一部分。热成甲烷的产生开始于早期的还原作用阶段，但从煤基质中排出的峰值甲烷出现在还原作用中期，处于中等和低挥发性沥青等级中（Dow，1977:Hunt,1979:Teichmüller,1974:1989:Tissot 和 Welte,1984）。这就是为什么一些中等挥发性烟煤和高级煤在地下含有气体的原因。甲烷是易燃的，因此在地下矿井中要注意监测和防止甲烷从较高等级煤层泄漏，以防止地下矿井爆炸。

烟煤（英语：Bituminous coal; 希腊语：Λιθάνθρακας），是一种相对软的煤，包含类似焦油的沥青物质。燃烧品质优于褐煤但低于无烟煤。一般为褐色，有的为暗褐色，经常有亮-暗相间的材质。

烟煤是褐煤经地层高压变质的产物，基本成分是煤显微组分、镜质体、壳质体等。烟煤中的碳占45-86%; 其它成分是水、空气、氢、硫等未能从煤显微组分中去除掉的物质。

烟煤的燃烧热值为24-35 MJ/kg。 烟煤因烟量大而得名，燃烧空气污染严重，烟气中含硫，易致病。

煤层密度平均为1346 kg/m³ 。烟煤的堆积密度平均为833 kg/m³。

（16）无烟煤

无烟煤是高级煤。它们有光泽（玻璃状），破裂时呈贝壳状（玻璃状）断口。大多数煤都没有达到无烟煤等级，这需要来自深埋、构造变质作用或与火成岩侵入的接触变质作用的高热量。无烟煤等级分为三部分；半无烟煤、无烟煤和偏无烟煤。在美国等级分类系统中，无烟煤等级是根据挥发物和固定碳含量来定义的。按干燥无矿物质基准 (ASTM) 计算，无烟煤的挥发分低于 14%，固定碳含量高于 86%。

无烟煤是无烟煤的一种特定等级，在干燥无矿物质的基础上，挥发性物质为 2% 至 8%，固定碳含量为 92% 至 98%（ASTM:Jackson,1977）。

无烟煤等级标志着煤炭独特的物理和化学变化的开始，在不同的报告中被称为无烟化、石墨化、元成岩作用和远成岩作用（见图）。无烟煤级最独特的物理变化是贝壳状断裂的发展和煤中割理的损失。贝壳状裂缝是弯曲的、反射性的玻璃状表面。从化学角度来看，与中低阶煤相比，无烟煤的氢含量和氢碳比 (H/C) 急剧下降。在分子水平上，无烟煤等级的煤化涉及芳族碳环系统缩合成更大的有序碳结构（Stach等，1982:Krevelen,1993:Levine,1993）。这会产生非常有序、富含碳（98 至 100% C）的偏无烟煤等级煤。

Beyond Anthracite？人们曾经认为，持续加热和埋藏无烟煤会导致矿物石墨（碳的结晶形式）的形成，甚至钻石；最纯净、最有序的天然碳晶体形式。然而，最近的研究表明，石墨形成的活化能可能太高，无法仅通过正常的地质埋藏加热过程在自然界中形成。相反，似乎需要相当大的应变能（如大陆地壳的造山区域中发生的那样）才能将无烟煤转化为石墨（Wilkes 等，1993；Bustin 等，1995）。

无烟煤（anthracite、希腊语：ανθρακίτης，意为“类煤”，衍生于“木炭”的希腊语άνθραξ），也称为黑煤、硬煤（英语：black coal， hard coal），是一种坚硬、致密且高光泽的煤矿品种。在所有的煤品种中，变质作用的程度最高，具有高的热含量和碳含量，以及最少的杂质。

https://www.zmescience.com/feature-post/natural-sciences/geology-and-paleontology/rocks-and-minerals/how-coal-is-formed/
在温度和压力的作用下改变某种物质的地质过程称为变质作用。煤被认为是沉积岩，而不是变质岩，因为它只经历低温热化学变化——为了使岩石被认为是变质岩，它需要经历更多的变化。尽管如此，煤炭还是发生了一定的变质作用，不同类型的煤炭通常根据变质程度进行分类。一般来说，变质程度越高，煤炭的质量就越高（这意味着煤炭具有更多的内含能量）。

以下是煤炭的主要类型：

煤可以以其天然形式使用，也可以气化、液化或精炼。然而，无论煤炭的类型或如何使用它，煤炭都是不可再生资源。实际上，并没有形成煤炭来补充我们正在使用的资源。

https://zh.wikipedia.org/wiki/中国煤炭工业

我国煤炭资源丰富，品种齐全、分布广泛。全国32个省（区、市）中除上海市外，都有煤炭资源，但区域分布极不均衡，地理分布上的总格局是西多东少、北富南贫。按区域分布，华北地区占57.87%，华中地区占4.46%，华南地区占0.34%；华东地区占7.60%，东北地区占4.33%，西北地区占16.70%，西南地区占8.70%。