地勘时期无烟煤与天然焦的煤岩学识别C-P煤系为例——以柳江盆地

刘善德

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077)

目前，我国山东、河北、两淮煤田等北方石炭-二叠系(C-P)煤层中普遍存在煤受岩浆岩侵入现象，岩浆岩的侵入致使煤的变质程度增加，甚至石墨化，同时，岩浆岩的侵入常伴随着焦化作用，产生天然焦等焦化作用产物；在岩浆岩侵入区的煤层普遍存在无烟煤、天然焦、石墨化及其相互间的过渡现象。目前，对无烟煤与天然焦划分问题已经进行了较多的研究和探讨[1-10]，普遍推荐应用H含量、C/H比、镜质组最大反射率(Rmax)及视电阻率等，在无烟煤与天然焦划分方面取得了一定的成果，但还没有一个统一的划分及命名原则，有待进一步的研究；同时，国际煤岩学与有机岩石学会(ICCP)依据镜质体最大反射率Rmax、晶格间距d002 及H/C原子比将无烟煤至石墨的转化过程分为4 个阶段：石墨、半石墨、变无烟煤和无烟煤，具有一定的参考意义。地勘阶段采样测试依据《煤、泥炭地质勘查规范》(DZ/T 0215-2002)进行，鉴于地勘阶段时间紧、任务重及经济控制严格等，很难大量设计晶格d002等测试。

柳江盆地含煤地层主力煤层中未见因岩浆岩侵入致煤层石墨化现象，但普遍存在煤层天然焦化现象，煤的Vdaf<10%，GR.I=0，煤种为无烟煤，故本文以柳江盆地地勘为实例，从地勘角度提出了一套大体识别无烟煤与天然焦的煤岩学识别方法，为存在岩浆岩侵入致煤层焦化地区勘探提供参考，亦为无烟煤与天然焦的划分提供资料补充。

1 地质概况

柳江盆地位于秦皇岛市以北25km处，地层区划属华北塔里木大区华北区，除普遍缺失下石炭统、白垩系及新近系之外，各时代地层发育较好，出露较全，各地层单位划分标志明显，是我国北方最大的地质认知实习基地之一(图1)。

图1 研究区交通位置图

含煤地层有侏罗系下统下花园组、二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，各含煤地层普遍存在岩浆岩侵入现象，侵入岩多发育于煤层、炭质泥岩、铝质泥岩(黏土岩)等周围。其中下花园组因煤层不稳定，对比性差，研究价值不高，故文中主要以C-P煤系煤层煤岩数据为研究依据。

2 采样测试

本区岩浆侵入对煤层造成破坏，岩浆岩的高温热液通过裂隙通道上升对煤层进行烘烤，使煤变质程度增高，并伴随焦化作用的进行；垂向上距侵入岩距离相对较近的煤大部分变质程度较高，且普遍具有焦化现象，为天然焦、高变质无烟煤等，其宏观、微观特征与正常无烟煤差异较大；而垂向上距侵入岩距离相对较远的煤变质程度相对较较低，为变质程度相对较低的无烟煤；无烟煤与天然焦之间为过渡变化，无明显区分界线；为减少煤与天然焦之间过渡成份对两者识别的影响，依据区内存在的四种侵入岩与煤层接触关系类型进行选择性取样，仅选择正常煤及天然焦煤岩数据做为分析对象，并参照部分过渡层煤岩数据(图2)。

图2 无烟煤与侵入岩接触关系类型

煤岩数据为区内勘探阶段各钻孔原煤检测结果，样品的检测工作由中煤科工集团西安研究院有限公司物化测试中心承担完成；各项检测均依据现行国家标准：煤的宏观煤岩类型描述参照烟《煤的宏观煤岩类型分类》(GB/T18023-2000)；煤的显微组分观测依据《烟煤显微组分分类》(GB/T 15588-2013)；煤的镜质体反射率依据《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》(GB/T 6948-2008)；显微组分定量依据《煤的显微组分组和矿物测定方法》(GB/T 8899-2013)。

3 煤岩特征

3.1 宏观煤岩特征

无烟煤：灰褐色-钢灰色，似金属光泽，镜煤、亮煤、丝炭及暗煤等煤岩成分清晰可见，易识别；煤体较完整，层状结构清晰可辨，煤层较坚硬、锤击易碎，密度小，具棱角状断口，裂隙发育，裂隙中常充填脉状方解石，各煤层局部受构造作用影响明显，偶有小型褶皱，构造滑面发育，但不影响层理的连续性；无岩浆岩细脉侵入现象。

天然焦：灰色为主，光泽暗淡，煤岩成分难以鉴别；局部煤体受构造错动影响较破碎，层理不可辨，煤体极坚硬，密度大，裂隙发育，但裂隙错乱，无主次裂隙之分，裂隙中充填的方解石多具有侵入岩烘烤特征，呈白褐色粉状。

3.2 显微煤岩特征

研究区主力煤层显微煤岩特征(表1)表明，煤层的宏观煤岩类型主要为半亮煤—光亮煤，少量半暗煤，煤岩成分主要为亮煤，少量镜煤条带；显微煤岩鉴定显示：煤中有机组分含量较高，平均值91.8%，有机组分主要为镜质组，惰质组少量，未见壳质组；煤中无机矿物含量较低，以块状及分散状黏土矿物为主，碳酸盐矿物等其他矿物少量。

过渡层：宏观煤岩类型主要为暗淡煤，少量半暗煤，煤岩成分主要为暗煤，少量亮煤条带，裂隙中大量充填碳酸盐矿物，少量碳酸盐有烘烤现象。有机组分含量不高，平均值76.3%，有机组分主要为惰质组，镜质组少量，未见壳质组。各煤层煤中无机成分含量较高，以分散状和片状黏土矿物为主。

天然焦：宏观暗淡，密度大，具压手感，多见侵入岩细岩脉穿插煤层，裂隙中多见烘烤后的白褐色粉末状矿物。显微组分明显具焦化特征，多呈网状结构和镶嵌结构，常见黏土矿物充填组分空隙，亦可见烘烤变质后的方解石等。

表1 研究区主力煤层显微煤岩特征

4 煤与天然焦的煤岩学识别

煤天然焦化过程一般指具有一定特性的煤，在隔绝空气的埋深状态下，经高温岩浆热液烘烤，缓慢转化为天然焦的过程，煤天然焦化使煤的变质程度增高，挥发分降低，同时伴随着碳的富集过程；这一过程在煤的宏观及微观上均有明显反映，故可以从煤的煤岩学特征层面予以识别。

4.1 宏观煤岩特征识别

无烟煤和天然焦在宏观煤岩特征上有较大的区别，其中以密度、硬度、结构、煤岩成分清晰度及有无岩浆岩细脉侵入煤层并交代煤岩成分最为明显。

另据地勘现场观测，天然焦密度较大，有明显压手感；除受构造错动处易碎外(图3a)，大部分天然焦硬度较大、锤击不易破碎，破碎后断口处常呈粉末状；不显层状，多呈块状；无法具体分辨煤岩成分，光泽暗淡(图3b)；常见岩浆岩细脉侵入煤体(图3c)，其裂隙中的矿物多有烘烤特征，炭质泥岩夹矸经岩浆岩烘烤后呈黑色(图3d)。

4.2 反射率识别

煤级是表征煤在变质过程中，即从植物物质分解开始到最后阶段(以石墨为代表)所处的阶段；煤级的不同直接影响煤的工艺性能，精准的确定煤级是研究煤炭的基础；通过测定镜质组反射率可以定量地确定煤级。煤炭受到岩浆岩侵入影响后，煤的变质程度增加，煤级随之增加，故用反射率反演煤受岩浆岩影响后的变质阶段具有可行性。

研究区C-P地层中无烟煤的镜质体最大反射率(Rmax)为4.27%～5.39%，均值4.88%，属高变质无烟煤；对天然焦中少有的似镜质组的各项同性结构进行反射率检测，Rmax为5.18%～7.54%，均值为6.32%，明显高于高变质无烟煤Rmax检测值。

据此，初步认为将无烟煤和天然焦Rmax内插中值Rmax=5.60%作为研究区煤与天然焦反射率识别界限；Rmax>5.60%为天然焦，Rmax<5.60%为高变质无烟煤。

4.3 显微煤岩特征识别

煤的显微组分是在显微镜下划分的煤的基本组成成分；包括镜质组、惰质组、壳质组及无机组分等。显微结构形态上看，无烟煤阶段，显微组分已趋于一致，但组分间界限依然存在，组分各项异性现象明显(图4a、图4b)。煤经天然焦化后，变为天然焦，显微镜下观察，已无法分辨显微组分，显微镜下观察，可见大量的长型状、近椭圆形及不规则状的大小气孔，具各项同性结构、细-粗粒镶嵌结构及流动状结构(图4c、图4d、图4e)；同时，天然焦中看到的矿物形态亦具有明显的气孔状，如经焦化后的方解石(图4f)，已不具有条带状各向异性消光现象，其各项异性呈不规则状，且差异性加大。

从无烟煤及过渡层的显微组分统计看(表1)，无烟煤经岩浆岩热液烘烤影响后，变质程度加剧，部分煤中的不稳定镜质组分过渡为惰质组分， 致使无烟煤中镜质组分明显高于过渡层中镜质组含量，惰质组分相反。

图3 天然焦钻孔样品

图4 无烟煤和天然焦显微照片(反光，油侵，500×)

同时，煤具有吸附作用，岩浆热液烘烤后，吸附部分挥发分矿物质，这些挥发分矿物质在煤层中聚集，致使过渡层中有机组分含量较煤中明显降低，矿物含量增高；从矿物组成看，这些被煤吸附的挥发分矿物多以黏土矿物的形式存在。无烟煤→过渡层→天然焦属过渡关系，由无烟煤与过渡层显微煤岩特征可以推定，天然焦阶段灰分会更加富集，经实际检测，灰分多在35%以上，与推定基本吻合。

从上述分析看，无烟煤与天然焦可以从煤岩学角度快速识别，即通过宏观特征、反射率、显微组分特征等方面加以判别，具体区别特征总结如表2。运用该识别特征，在研究区后期多个钻孔中进行了实际应用，均可以较好的识别无烟煤与天然焦；可见该识别特征可供岩浆岩侵入区识别无烟煤与天然焦。

表2 无烟煤与天然焦简易识别特征

5 结论

1)在地勘阶段，可以通过煤岩学方法对无烟煤与天然焦进行准确的识别；无烟煤与天然焦在煤岩学上的明显区别，主要表现为密度、结构、宏观煤岩成分等宏观煤岩特征上的差异以及反射率、显微组分划分等显微煤岩特征上的差异。

2)在同一研究区内，无烟煤表现为低密度，较轻，具层状构造，且宏观煤岩成分清晰可见等宏观煤岩特征；同时，显微煤岩特征表现为较高反射率(Rmax<5.60%)，显微煤岩组分清晰可见等特征。

3)在同一研究区内，天然焦表现为高密度，质重，不具层理等沉积构造特征，且宏观煤岩成分无法分辨；同时，显微煤岩特征表现为高反射率(Rmax>5.60%)，显微煤岩组分无法分辨，具明显气孔状、镶嵌结构等焦炭特征。

4)无烟煤及天然焦的煤岩学识别特征明显，在宏观及显微煤岩特征方面均具有较强的对比性(表2)，经实际验证具有较好的应用效果，可应用于地勘时期识别无烟煤与天然焦。