基于煤層揮發(fā)分的狐偃山巖體隱伏形態(tài)特征研究

趙智陽 ，趙金貴 ，楊高峰

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西焦煤能源集團股份有限公司 西山分公司，山西 太原 030024）

火成巖的侵入對煤層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了極大的破壞，降低了煤的利用價值，嚴重影響了煤礦的經(jīng)濟效益與安全生產(chǎn)，研究火成巖形態(tài)學(xué)特征，對煤礦安全高效的開采有重要的科學(xué)意義[1]。中國無煙煤分布區(qū)大多與巖漿熱場有關(guān)，煤質(zhì)和煤級是尋找隱伏巖體的良好指示劑[2]。煤層揮發(fā)分是個矢量，是在高溫條件下，將煤干餾有機質(zhì)熱解形成，并呈氣態(tài)析出的化合物[3-4]，在遭受熱變質(zhì)后會遞減，且不可逆，可有效記錄巖漿熱場達到的最高溫度，一般以揮發(fā)分作為表示煤化程度的指標[4]。煤的變質(zhì)程度越高，煤的揮發(fā)分越低[3]，侵入巖體接觸變質(zhì)帶的分布序列是侵入體-柱狀焦-塊狀焦-高變質(zhì)煤-正常煤層，依此序列，煤的揮發(fā)分增高。因此，根據(jù)煤層揮發(fā)分等值線圖，結(jié)合柱狀焦垂直侵入體接觸面，即可推斷侵入體接觸面形態(tài)及與侵入體邊界的大致距離[5]，進而可刻畫出侵入巖體在煤系中的空間形態(tài)。

由于巖漿巖侵入，使局部煤層在深成變質(zhì)作用下疊加了區(qū)域變質(zhì)及巖漿接觸變質(zhì)的作用，從而出現(xiàn)了高變質(zhì)階段的貧煤、無煙煤，甚至出現(xiàn)天然焦[6]；煤級圍繞侵入體出現(xiàn)環(huán)帶分布，煤的變質(zhì)程度升高，揮發(fā)分降低。太原西山煤田中生代狐偃山堿性二長巖體側(cè)畔積累了海量的C-P 煤系煤質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，巖體側(cè)畔煤層揮發(fā)分數(shù)據(jù)的環(huán)帶分布是巖體熱場過程的有效記錄，是探索巖體熱場耗散過程的良好場所。為此，借助狐偃山巖體側(cè)畔煤田勘探鉆孔中的揮發(fā)分數(shù)據(jù)以及前人研究結(jié)果，通過制作狐偃山巖體附近02＃、2＃、6＃、8＃、9＃煤層揮發(fā)分等值線圖、垂直揮發(fā)分變化方向剖面圖，分析各煤層揮發(fā)分空間變化規(guī)律，探究太原西山狐偃山巖體在煤系中的隱伏形態(tài)特征。

1 巖體概況

太原西山煤田主要的含煤層系為石炭-二疊系，賦存15 層煤，其中山西組2#煤層，太原組8#和9#煤層為全區(qū)可采，其余煤層僅為局部可采[7]。狐偃山燕山期侵入體位于西山煤田西翼，出露面積約50 km2，是1 個呈環(huán)帶狀分布的堿性雜巖體群[8-9]。其中，地質(zhì)圖上反映的巖體出露形態(tài)，并不能代表某個巖層面上巖體的形態(tài)。年代測試與巖性分析顯示，狐偃山巖體經(jīng)歷了3 期侵入，分別是：①以巖株形式產(chǎn)出的燕山早期的（146～130 Ma）二長巖；②以巖墻或巖脈穿插在二長巖體內(nèi)的燕山中期（107～120 Ma）的霓輝二長斑巖；③以巖墻和巖床產(chǎn)出的燕山晚期（109～94 Ma）的正長巖[10-11]，其中燕山早期為區(qū)內(nèi)主要侵入體。

狐偃山巖體西側(cè)與南側(cè)迄今還沒有系統(tǒng)的煤質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，為此，選擇山西焦煤集團已勘探了的楊莊原相后備礦區(qū)作為研究區(qū)，數(shù)據(jù)較為充分，基本達到可以尋找熱場過程的要求。研究區(qū)整體還處于未開采開發(fā)狀態(tài)，因此，研究結(jié)果還可指導(dǎo)未采區(qū)煤炭及煤層氣開發(fā)。

研究區(qū)鉆孔煤質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果顯示：02＃煤層有63 個鉆孔煤質(zhì)數(shù)據(jù)，2＃煤層有115 個鉆孔煤質(zhì)數(shù)據(jù)，6＃煤層有90 個鉆孔煤質(zhì)數(shù)據(jù)，8＃煤層有110 個鉆孔煤質(zhì)數(shù)據(jù)，9＃煤層有91 個鉆孔煤質(zhì)數(shù)據(jù)，研究區(qū)揮發(fā)分數(shù)據(jù)共計469 個，鉆孔位置整體分布相對均勻。其中，02＃煤層揮發(fā)分在15.18%～34.3%，平均20.14%；2＃煤層揮發(fā)分在6.5%～28.83%，平均19.3%；6＃煤層揮發(fā)分在7.08%～31.84%，平均18.84%；8＃煤層揮發(fā)分在6.15%～24.15%，平均17.51%；9＃煤層揮發(fā)分在5.71%～35.06%，平均16.5%。研究區(qū)左下角出露有正長斑巖，野外調(diào)查顯示，正長斑巖是以巖床的形式侵入到P2sh 地層之中，為燕山晚期侵入體。

2 巖體側(cè)畔煤層揮發(fā)分空間變化特征

揮發(fā)分是表征煤變質(zhì)程度的良好指標[9]。巖體側(cè)畔煤層揮發(fā)分的層面特征與剖面特征，可清晰顯示煤層變質(zhì)程度的空間變化特征。

2.1 揮發(fā)分層面特征

依據(jù)鉆孔煤質(zhì)揮發(fā)分數(shù)據(jù)，分別制作的各煤層揮發(fā)分等值線圖如圖1～圖5。

圖1 02#煤層揮發(fā)分等值線圖Fig.1 Volatile matter contour diagram of 02# coal seam

圖2 2#煤層揮發(fā)分等值線圖Fig.2 Volatile matter contour diagram of 2# coal seam

圖3 6#煤層揮發(fā)分等值線圖Fig.3 Volatile matter contour diagram of 6# coal seam

圖4 8#煤層揮發(fā)分等值線圖Fig.4 Volatile matter contour diagram of 8# coal seam

圖5 9#煤層揮發(fā)分等值線圖Fig.5 Volatile matter contour diagram of 9# coal seam

由圖1～圖5 可知：02＃、2＃、6＃、8＃、9＃煤層揮發(fā)分自西南向東北方向呈環(huán)帶狀分布，并逐漸趨于煤層正常揮發(fā)分值；各煤層揮發(fā)分值在垂向上總體呈現(xiàn)自上而下有逐漸降低的趨勢；在西南角、中北部，各煤層組揮發(fā)分出現(xiàn)環(huán)帶狀異常低值區(qū)，且自下而上環(huán)帶逐漸減小；表明研究區(qū)西南角煤系側(cè)畔侵入巖為1 個大巖體，在研究區(qū)中北部9＃煤層下伏有巖株存在。

2.2 揮發(fā)分剖面特征

以各煤層揮發(fā)分等值線圖為依據(jù)，沿著多煤層揮發(fā)分變化最大方向，即SW→NE 方向作垂直各煤層揮發(fā)分自然分布曲線。揮發(fā)分垂直主要構(gòu)造線方向的自然分布曲線如圖6。

圖6 揮發(fā)分垂直主要構(gòu)造線方向的自然分布曲線Fig.6 Natural distribution curves of volatile content perpendicular to the direction of the main construction line

由圖6 可知：煤層變質(zhì)帶、揮發(fā)分趨于恒定值的恒溫變質(zhì)帶和揮發(fā)分呈單調(diào)函數(shù)關(guān)系的耗散變質(zhì)帶，隨著遠離巖體揮發(fā)分逐漸增加并趨于穩(wěn)定，耗散變質(zhì)帶也逐漸趨于正常煤帶；侵入巖體側(cè)畔呈環(huán)帶狀分布的依次是柱狀焦、塊狀焦、高變質(zhì)煤[12]；因此，在恒溫變質(zhì)帶與侵入巖體之間還包含1 個狹義的接觸變質(zhì)帶，其范圍是揮發(fā)分值從0 逐漸上升到恒溫變質(zhì)帶揮發(fā)分值。

接觸變質(zhì)是在相對低壓條件下的短期快速高溫的1 個變質(zhì)過程[1]，巖漿接觸變質(zhì)帶最低溫度一般在250～300 ℃以上，在巖體邊部接觸帶常形成一定規(guī)模的天然焦或石墨；接觸變質(zhì)帶是巖漿熱場直接具體的體現(xiàn)，一般不超過1 km；在狐偃山巖體附近，還沒有系統(tǒng)的勘探數(shù)據(jù)支撐接觸變質(zhì)帶寬度，具體表現(xiàn)為接觸變質(zhì)帶函數(shù)自變量斜率大小。

野外調(diào)查顯示，在寺溝，巖體侵入到奧陶系馬家溝組灰?guī)r中，肉眼可見的接觸變質(zhì)影響帶在太原組中上部；在狐偃山山頂則發(fā)育淺變質(zhì)的下石盒子組地層，上白泉、上石砂附近上石盒子組地層并未遭受變質(zhì)，其接觸變質(zhì)帶的寬度一般不超過500～1 000 m。對于巖體側(cè)畔9＃煤層到02＃煤層，狐偃山侵入巖體接觸變質(zhì)帶若以煤層揮發(fā)分V為因變量，以距離巖體遠近L為自變量，其函數(shù)關(guān)系為V=kL，呈線性相關(guān)，其斜率k值范圍為0.005～0.01。

恒溫變質(zhì)帶是巖漿熱場相對穩(wěn)定過程中形成的，在研究區(qū)內(nèi)，巖漿熱場對煤層恒溫變質(zhì)帶的影響寬度，隨著煤層的埋深逐漸增大。

2.3 耗散變質(zhì)帶函數(shù)

恒溫變質(zhì)帶的外圍，就是巖漿熱場的耗散變質(zhì)帶。巖漿熱場演化盡管經(jīng)歷擴展期、穩(wěn)定期、萎縮期以及期后熱巖體期，但熱場對圍巖，特別是耗散變質(zhì)帶的影響也僅限于巖漿熱場穩(wěn)定期，因為巖漿熱場萎縮期以及期后熱巖體期的溫度難以超越熱場穩(wěn)定期，在煤層中留不下溫度記錄信息。

為了進一步研究在遠離巖漿巖過程中煤層揮發(fā)分變化的規(guī)律性，選取侵入巖體影響帶范圍內(nèi)曲線作為研究對象，以研究區(qū)邊界為起點，在各煤層等值線圖上切剖面線，選取呈單調(diào)函數(shù)關(guān)系的耗散變質(zhì)帶區(qū)間作為研究對象，對剖面線與揮發(fā)分等值線圖的交點取值，并將其整理統(tǒng)計，將整理統(tǒng)計的數(shù)據(jù)分別從Excel 表格中調(diào)入SPSS 系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)文件。然后單擊主菜單中分析/回歸/曲線估算，選擇揮發(fā)分（V）為因變量，距離(L)為自變量進行回歸分析，并對回歸方程進行檢驗，獲得狐偃山巖體側(cè)畔各層煤揮發(fā)分揭示的耗散變質(zhì)帶函數(shù)。巖體側(cè)畔煤層揮發(fā)分揭示的耗散變質(zhì)帶函數(shù)見表1。

表1 巖體側(cè)畔煤層揮發(fā)分揭示的耗散變質(zhì)帶函數(shù)Table 1 Dissipative metamorphic zone function revealed by volatile content of coal seam on the side of rock mass

其中，R為表示空間變化函數(shù)與樣本數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，R2取值范圍為0～1；R2值越接近1，空間變化函數(shù)與實際吻合程度越高。函數(shù)自變量系數(shù)表示因變量的變化幅度大小，自變量系數(shù)越大，因變量變化幅度越大。

各煤層揮發(fā)分空間變化函數(shù)R2值均在0.977以上，可認為空間變化函數(shù)的線性擬合程度與實際情況吻合。揮發(fā)分空間變化函數(shù)的自變量系數(shù)為正值，表明揮發(fā)分值大小與距離侵入巖體距離呈正相關(guān)關(guān)系，煤層距侵入巖體越遠，揮發(fā)分越高；自變量系數(shù)自上而下從0.001 變化至0.004，表明煤層自上而下遭受巖體烘烤影響的程度逐漸增大。

3 煤系侵入巖體隱伏形態(tài)特征

在揮發(fā)分垂直主要構(gòu)造線方向自然分布曲線的8 000～12 000 m 范圍內(nèi)，揮發(fā)分曲線出現(xiàn)震蕩，其原因是9＃煤層之下隱伏有侵入巖體，這種現(xiàn)象在9＃、6＃、2＃各煤層揮發(fā)分等值線圖中表現(xiàn)為同心環(huán)帶分布，并在空間上具有對應(yīng)性，且自下而上同心環(huán)逐漸減小，以致在02＃煤層中消失。

根據(jù)侵入巖體熱場耗散結(jié)構(gòu)曲線與函數(shù)，結(jié)合勘查區(qū)煤層數(shù)據(jù)及相關(guān)研究資料，獲得侵入巖熱場影響帶及煤層的相關(guān)參數(shù)。耗散帶函數(shù)系數(shù)隨著埋深的增大而增大，具體到狐偃山巖體側(cè)畔的02＃煤至9＃煤，耗散函數(shù)系數(shù)范圍為0.001～0.004，溫度是從160 ℃左右遞增到210 ℃左右，恒溫層對應(yīng)的揮發(fā)分從15.9%降至5.9%。

02＃煤至9＃煤的煤層平均厚度分別為0.98、1.49、1.12、2.67、1.98 m，耗散變質(zhì)帶范圍分別為2 642、3 253、3 164、2 328、3 527 m。各煤層受影響范圍均不同，2＃煤層影響帶寬度比02＃煤層多1 010 m，比6＃煤層受影響范圍少514 m；8＃煤層較6＃煤層受影響范圍多622 m，較9＃煤層少383 m。

現(xiàn)有的研究表明：從未變質(zhì)區(qū)到侵入煤接觸帶，可分為正常煤、貧煤、無煙煤、天然焦4 種變質(zhì)帶[13]。煤層變質(zhì)程度與距巖漿巖體的距離有關(guān)[14-15]。在狐偃山侵入巖體側(cè)畔接觸變質(zhì)帶內(nèi)，由于在靠近侵入巖體處，揮發(fā)分值為0，因此煤層揮發(fā)分值滿足線性函數(shù)（V=kL，其中k為系數(shù)，L為煤層到侵入巖體的距離）。各煤層恒溫變質(zhì)帶內(nèi)的揮發(fā)分值是穩(wěn)定的，其中02＃煤層揮發(fā)分值為15.9%，2＃煤層揮發(fā)分值穩(wěn)定于10.5%，6＃煤層揮發(fā)分值穩(wěn)定于10%，8＃煤層揮發(fā)分值為8.94%，9＃煤層揮發(fā)分值穩(wěn)定于5.9%。依據(jù)E Stach 等煤化作用階段揮發(fā)分與變質(zhì)溫度的對應(yīng)關(guān)系可知，煤層對應(yīng)的變質(zhì)溫度也從02＃煤的160 ℃左右逐漸增大到9＃煤的210 ℃左右[16]，各煤層揮發(fā)分值在正常煤帶均趨向20%。

熱場影響帶寬度自上而下逐漸增大，狐偃山巖體9#煤熱場影響帶寬度可達7 km 以上。其中接觸變質(zhì)帶的寬度在1 km 內(nèi)，溫度在250 ℃以上；恒溫變質(zhì)帶寬度在4～5 km，02#煤變質(zhì)溫度在160℃以上，且隨著埋深的變淺，變質(zhì)溫度逐漸降低；耗散變質(zhì)帶寬度在2～4 km，逐漸從恒溫變質(zhì)帶過渡到正常地溫梯度帶。

野外調(diào)查顯示：狐偃山堿性-偏堿性巖體侵入到山西組和太原組煤層中，呈半隱伏狀態(tài)出露地表。主要以巖體、巖株的形式產(chǎn)出，巖床與巖脈僅發(fā)現(xiàn)有2 處出露。

4 結(jié) 語

1）狐偃山侵入體在煤系中的隱伏形態(tài)為一大型巖體，其中9＃煤層下伏有多個小型巖株。煤層自上而下遭受巖體烘烤影響的程度逐漸增大。

2）狐偃山巖體側(cè)畔各煤層揮發(fā)分值均呈環(huán)帶狀分布，在垂向上自上而下逐漸降低，各煤層揮發(fā)分由于侵入巖體的影響，出現(xiàn)環(huán)帶狀異常低值區(qū)，且自下而上環(huán)帶逐漸減小。