大同煤田接觸變質煤的煤巖煤質變化規律

馬宏濤，宋曉夏,2，李凱杰，趙金貴,2，章天廣，柳建平

大同煤田接觸變質煤的煤巖煤質變化規律

馬宏濤1，宋曉夏1,2，李凱杰1，趙金貴1,2，章天廣3，柳建平4

(1. 太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2. 煤與煤系氣地質山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3. 同煤大唐塔山煤礦有限公司，山西 大同 037000；4. 山西省煤炭地質115勘查院，山西 大同 037003)

大同煤田石炭–二疊紀煤層中的巖漿巖侵入造就了大量的接觸變質煤，降低了煤的利用價值。為了詳細探討巖漿巖體距煤層距離對煤的物理化學性質影響，通過對塔山井田5222巷的輝綠巖巖墻及周圍煤層的地質編錄、系統采樣，及煤樣的煤巖學分析、工業分析和元素分析，研究接觸變質帶的煤巖煤質特征。結果表明：接觸變質煤在高溫條件下生成各種天然焦微觀結構，如鑲嵌結構、流動結構、熱解碳等；侵入體對煤層的瞬時加熱顯著提升了熱變煤的煤級，鏡質體最大反射率由正常煤的0.67%~0.87%增至接觸變質煤的0.94%~3.67%；接觸變質煤中水分含量和灰分產率顯著升高，揮發分產率降低；靠近巖墻的煤樣中C含量上升，H、N、O含量下降。綜合分析認為，巖墻接觸變質作用對煤層的影響范圍約4.5 m，即1.25倍巖墻寬度，而嚴重變質帶為1.6 m。研究成果為煤的開采利用評價提供依據。

輝綠巖；巖墻；接觸變質作用；煤巖學；塔山井田；大同煤田

煤是一種對溫度和壓力十分敏感的有機巖[1]，溫度會導致煤發生一系列物理、化學、結構和構造方面的變化[2-3]。靠近侵入體的煤層常呈現出類似工業焦炭的宏觀特征：其體積發生收縮，表面出現裂紋[4]，有時可觀察到“龜背結構”[5]；結構致密堅硬，密度變大，層理結構消失或不顯著[6-8]；熱作用導致煤中的揮發分逸出，留下氣孔或囊泡[9-12]。巖漿巖侵入使煤中的活性組分顯著減少，如殼質組消失或難以辨別，鏡質組轉化為天然焦基質。侵入體釋放的熱量顯著提升了其周邊煤層的煤級，使接觸變質煤的鏡質體反射率顯著升高。侵入過程中來自巖漿巖的熱液流入煤層，導致大量新礦物的引入，煤層的灰分也隨之升高[13-16]。接觸變質煤通常出現在侵入體附近較局限的區域，根據接觸變質煤和正常煤的性質差異可判定接觸帶的范圍。然而對于接觸變質帶范圍的界定，世界各地的研究所得出的結論不盡相同[17-21]。

大同煤田石炭–二疊紀煤層中共131個鉆孔發現巖漿巖，侵入面積約240 km2，占煤田總面積的13%。目前對大同煤田接觸變質作用的研究仍不夠細致[22-23]，特別是對實際開采過程中發現的巖墻侵入體及其對煤層和煤質的影響未做深入研究。筆者對大同煤田塔山井田5222巷進行詳細的地質編錄，對巖墻及其周邊煤層進行系統采樣，通過煤巖學觀察、工業分析和元素分析，深入研究接觸變質煤與正常煤的性質差異，評估巖墻對其周邊煤層及煤質的影響程度，以期為研究區煤炭資源合理開發利用提供參考。

1 研究方法

1.1 樣品采集

塔山井田5222巷出現一個寬3.6 m的巖墻(圖1)。侵入體中部較新鮮部分寬約2.6 m，呈灰綠色。兩側與煤層接觸的位置均遭受嚴重風化，呈棕黃色，各寬0.5 m。巖墻與煤層呈不規則接觸(圖1b，圖1c)。巖墻兩側幾米范圍內的煤層光澤顯著暗淡，發育多條碳酸鹽巖細脈。巖墻中部的新鮮巖石在顯微鏡下可觀察到典型的輝綠結構，即半自形輝石充填在以斜長石主體的格架中；自形的橄欖石含量較少，呈無色透明，因此，判定該巖漿巖侵入體為橄欖輝綠巖巖墻。

采樣方法按照臨近巖墻處取樣間隔較小、遠離侵入體樣品間隔逐漸增大的原則，在5222巷距巖墻17.3 m的范圍內采集煤樣16塊(圖1d)。

圖1 大同煤田塔山井田5222巷道巖漿巖侵入位置及采樣位置

1.2 實驗

散裝樣品風干，密封在聚乙烯袋中以防止污染和氧化。分別根據GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》和GB/T 476—2001《煤的元素分析方法》對煤樣進行工業分析和元素分析。依據GB/T 16773—2008《煤巖分析樣品制備方法》制備粉煤光片，并利用萊卡DM4500P顯微鏡在500倍油浸反射光下對顯微組分進行識別和圖片采集。按照GB/T 8899—2013《煤的顯微組分組及礦物測定方法》對樣品進行顯微組分定量。利用顯微鏡配合美國3Y顯微分光光度計，按照GB/T 6948—2008《煤的鏡質體反射率顯微鏡測定方法》測定全部煤樣的鏡質體最大反射率。

2 實驗結果

2.1 顯微組分的變化

距巖墻2.5 m以外的煤層(T6—T16，圖1d)中未觀察到熱變顯微組分，其煤的顯微組分定量結果顯示，以鏡質組和惰質組為主，殼質組和礦物質體積分數總和不超過10%。鏡質組體積分數為55%~ 76%，由均質鏡質體和膠結其他組分的基質鏡質體組成。惰質組體積分數為17%~37%，包含絲質體、半絲質體和碎屑惰質體。除T7和T9號樣品外，正常煤中的殼質組體積分數均在5%左右，其中，以蠕蟲狀小孢子體最為常見，偶見樹皮體和角質體(圖2)。

圖2 塔山井田煤樣未顯示熱變的顯微組分

距巖墻2.0 m以內的樣品(T1—T5），顯微鏡下顯示，顯微組分中出現大量具有各向異性的熱變組分(圖3)。熱變結構的統計結果顯示(圖4)，靠近巖墻越近煤中原有活性組分體積分數越低，由62.8%銳減至20.4%。相反，隨著靠近巖墻，煤中空腔、鑲嵌結構、流動結構及碳酸鹽礦物的含量呈現增長趨勢，例如空腔的體積分數由0.5%增長至6.6%；鑲嵌結構和流動結構的體積分數分別由9.8%和1.0%增長至24.5%和2.6%；碳酸鹽巖類礦物的體積分數由0.5%增長至6.1%。接近巖墻，接觸變質煤中的中間相小球體含量顯示出先增大后減小的趨勢，在樣品T4中達到最大值58.6%，隨后在T1中降低至22.5%；有機惰性組分含量先減小后增大，在樣品T3中含量最少(6.8%)，但在其余各煤樣中并未觀察到顯著的含量差異。

圖3 塔山井田煤巖熱變的顯微組分(a—c、g—i油浸反射光，d—f、j—l分別為對應a—c、g—i的正交偏光)

圖4 塔山井田熱變煤各類顯微組分和微觀結構的含量

2.2 鏡質體反射率的變化

煤的鏡質體反射率是有機質成熟度的良好指示標志[24-25]，其數值隨著煤級的升高而增大。煤的鏡質體反射率測定結果(圖1d，圖5)顯示，熱變煤在巖漿巖侵入體的熱作用下迅速成熟，且成熟度隨著靠近熱源而增大。未受熱影響的煤層的鏡質體最大反射率為0.67%~0.87%。鏡質體反射率在距巖墻2.7 m處出現首次明顯增長，鏡質體最大反射率max由0.75%上升至0.94%。T5位于距巖墻1.6 m處，max達到1.57%，顯微組分開始出現各向異性，各類天然焦微觀結構(鑲嵌結構、流動結構)開始形成。隨著煤層與巖墻距離進一步減小，鏡質體反射率呈飛躍式增長，max在煤巖接觸帶達到3.67%。

圖5 塔山井田煤樣鏡質體反射率隨巖墻距離的變化

2.3 工業分析和元素分析

工業分析、元素分析結果變化趨勢如圖6所示。隨著靠近巖墻，接觸變質煤的水分含量出現明顯增長，在T1和T2中達到4%以上，未受熱影響的煤中水分質量分數為1.24%~1.91%，主要分布在2%左右。正常煤的灰分質量分數為6.63%~14.18%，大多在10%左右，距巖墻較近的高變質煤中灰分質量分數顯著增加，在最靠近巖墻的樣品中達到27.48%。揮發分產率與灰分產率的變化趨勢相反，正常煤的揮發分產率為29.07%~49.92%，多在35%左右，而高變質煤的揮發分產率降至10%左右(T1—T3），其鏡質體最大反射率max為2.87%~3.67%。

圖6 塔山井田煤樣工業分析、元素分析結果變化趨勢

煤中C、H、N、O的含量隨著與巖墻距離的減小顯示出明顯的變化趨勢。與未變質煤樣相比，巖墻接觸帶上煤樣中C含量顯著升高，H、N、O含量降低，且距巖墻1.6 m以內的煤層，其元素含量開始發生突變，如C質量分數由82.95%增長至94.66%，H、N、O質量分數分別由5.36%、1.40%、10.29%降低至1.03%、0.50%、3.81%。

3 討論

3.1 煤巖變化特征

侵入煤層的巖漿巖在短時間內釋放的熱量對煤的顯微組分產生深刻的影響。E. Stach等[26]對熱變煤顯微組分的研究認為，煙煤發生熱變質后，其顯微組分中出現了原有組分、天然焦基質和新生成的組分。實驗研究發現，鏡質組和殼質組在300~500°C時發生深刻的變化[27-28]。本文中實驗樣品接近巖墻其活性組分的顯著減少也證明了來自巖墻的強烈的熱改變作用。工業焦炭生產過程中，煤在隔絕空氣加熱到350~450°C開始軟化、熔融并出現脫揮發分液泡。當加熱到450~550°C時，中間相開始生長，并逐漸形成鑲嵌結構[29]。中間相物質僅具有微弱的各向異性，是初始的天然焦微觀結構，其出現標志著接觸變質煤的物化性質開始發生改變(圖3k)。中間相物質在位于距巖墻1.1 m處的樣品T4中含量最高，而在其余位置的樣品中中間相物質含量降低。鑲嵌結構、流動結構多出現在距巖墻0.6 m以內的樣品中。由此推斷，距巖墻1.1 m處的熱條件最適宜中間相物質的生成，越靠近巖墻處溫度越高，越有利于鑲嵌結構、流動結構等高溫微觀結構的形成；而距巖墻1.6 m處溫度下降，煤層所受的熱條件不足以形成高溫天然焦結構，而殘余大量活性組分。惰性組分被認為在300°C以下不發生明顯改變[29-30]。本研究中的惰性組分在T3中含量較低，在其余樣品中并未見明顯含量差異。光學性質上，絲質體和碎屑惰質體在正交偏光下完全消光，未觀察到各向異性。巖墻的熱效應似乎未對高變質煤樣中的有機惰性組分產生影響。

接觸變質煤中空腔和裂隙的增加顯著提高了其水分的含量。宏觀結構上，天然焦常出現形似龜背的六邊形裂隙[5]；顯微結構上，接觸變質煤中普遍存在寬度大、長度短的次生微裂隙[15]；天然焦因脫揮發分作用而含有許多空腔和囊泡，因而，多孔天然焦能吸附更多的水分。巖漿巖侵入體對煤層的混染作用可導致接觸變質煤灰分產率的升高，但并不是主要因素。相比之下，來自侵入體熱液的貫入以及侵入過程中CO2的生成導致了大量碳酸鹽巖類礦物的出現，顯著提高了接觸變質煤的灰分產率[30]。高變質煤中揮發分含量減少的現象已被證實[6,31-32]。來自侵入體的熱量使接觸變質煤中的揮發分逸出，并在逸出過程中形成脫揮發分液泡。隨著煤層與熱源距離的增大，脫揮發分作用強度逐漸減小，揮發分含量趨于穩定；顯微組分表面脫揮發分液泡含量逐漸減小直至不可見。

煤的鏡質體反射率隨著靠近侵入體呈穩定增長(圖3)，未觀察到前人所描述的反轉現象[31,33-34]。根據鏡質體反射率判斷，位于距巖墻2.7 m以內的煤層遭受了強烈的變質作用，則表明距巖墻2.7 m之外，其熱量迅速衰減，對煤層未造成顯著影響。

3.2 接觸變質帶范圍

根據所有煤樣的顯微組分特征、鏡質體反射率、工業分析和元素分析結果的差異，可推斷出熱接觸變質帶范圍。位于距巖墻1.6 m以內的煤層，顯微組分在300°C以上的高溫下經歷塑性相而形成具有各向異性的各類天然焦微觀結構，此范圍內即為嚴重變質帶。距煤巖接觸帶1.6~2.7 m處，侵入巖體的溫度雖不足以使煤層顯微結構發生變化，但該區域煤層鏡質體反射率的顯著升高證明其仍處于接觸變質帶內。鏡質體反射率在2.7~4.5 m出現小幅降低，證明來自侵入體的熱效應在2.7 m以外的區域進一步衰減，未對煤級產生顯著影響。煤的鏡質體反射率在嚴重變質帶內顯著升高，由1.57%增加至3.67%。靠近侵入體，煤中C、H、O、N含量發生突變，C含量顯著上升，H、N、O含量顯著下降。距巖墻1.6~4.5 m，熱效應未對煤中C、H、O、N的含量產生影響。然而，煤的揮發分含量在2.7 m處仍處于上升趨勢，直到距巖墻4.5 m處達到穩定。綜上，推斷塔山井田5222巷巖墻的最大影響范圍約為4.5 m，即1.25倍巖墻寬度。

4 結論

a.大同煤田塔山井田5222巷侵入的巖墻對煤層的煤巖學特征產生了顯著的影響。顯微組分中，熱變煤的活性組分顯著減少，鏡質組在高溫下經歷塑性相而形成天然焦微觀結構。惰性組分未見明顯變化。接近侵入體處，碳酸鹽巖類礦物和無機惰性組分含量顯著增多。煤巖學特征的顯著變化區域為距巖墻1.6 m范圍內，屬于嚴重變質帶。

b.巖墻侵入煤層后的瞬時加熱，顯著提升了熱變煤的煤級。鏡質體最大反射率在接近侵入體處呈現飛躍式增長，受接觸變質影響的樣品的最大鏡質體反射率由正常煤的0.67%~0.87%增至0.94%~3.67%，離巖體越近，反射率越高，顯示煤變質程度越高。

c.熱變煤的工業分析和元素分析結果顯示，其水分含量和灰分產率遠高于正常煤，靠近熱源的煤層經歷脫揮發分作用而具有較低的揮發分產率；C、H、N、O的含量在嚴重變質煤中發生突變，C含量顯著升高，H、N、O含量下降。

d. 推測巖墻對煤層的接觸變質影響范圍為4.5 m，約為巖墻寬度的1.25倍。位于接觸變質帶范圍內的煤層性質已發生變化，在開采經濟性和綜合利用等方面應加以評價。

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Changes of petrographic characteristics and quality of contact-metamorphosed coals in the Datong coalfield

MA Hongtao1, SONG Xiaoxia1,2, LI Kaijie1, ZHAO Jingui1,2, ZHANG Tianguang3, LIU Jianping4

(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Shanxi Key Laboratory of Coal and Coal Measure Gas Geology, Taiyuan 030024, China; 3. Tongmei Datang Tashan Coal MineCo. Ltd., Datong 037000, China; 4.115 Coal Geological Exploration Instituteof Shanxi Province, Datong 037003, China)

Igneous intrusions in the Datong coalfield caused a considerable amount of contact metamorphosed coal, reducing the industrial value of coal. The effect of a dike in roadway 5222 in Tashan coal mine was determined from analysis of 16 samples collected near the intrusive body. Microscopic and macroscopic observation, proximate and ultimate analysis were used to determine the petrographic characteristics. The results demonstrate that contact-metamorphosed coal experienced significant thermal alteration during intrusive event. Microscopically, various natural coke microstructures, such as mosaic structure, flow structure and pyrolytic carbon were formed under excess heat; instant heating for coals resulted in the elevation of coal ranks, the maximum reflectance of vitrinite increased from 0.67%-0.87% of the normal coal to 0.94%-3.67% of the contact metamorphosed coal; In the contact-metamorphosed coal, the moisture content and the ash yields increased remarkably and volatile yield decreased; In coal samples near dikes, C content increases, H, N and O content decreases. From the comprehensive analysis, it was inferred that the influencing range of the contact metamorphism of the dikes for coal seams is within 4.5 m, 1.25 times of the dike thickness, 1.6 m in a severely metamorphosed zone. The research results provided the basis for assessment of coal mining and utilization.

diabase; dike; contact metamorphism; petrography; Tashan coal mine; Datong coalfield

P618.11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.016

1001-1986(2020)02-0099-07

2019-10-28；

2019-12-11

國家自然科學基金項目(41802191)

National Natural Science Foundation of China(41802191)

馬宏濤，1995年生，男，山西臨汾人，碩士研究生，從事煤田地質研究工作.E-mail：mahongtao0594@link.tyut.edu.cn

馬宏濤，宋曉夏，李凱杰，等. 大同煤田接觸變質煤的煤巖煤質變化規律[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(2)：99–105.

MA Hongtao，SONG Xiaoxia，LI Kaijie，et al.Changes of petrographic characteristics and quality of contact-metamorphosed coals in the Datong coalfield[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：99–105.

(責任編輯 范章群)