大同煤田接触变质煤的煤岩煤质变化规律

马宏涛，宋晓夏,2，李凯杰，赵金贵,2，章天广，柳建平

大同煤田接触变质煤的煤岩煤质变化规律

马宏涛1，宋晓夏1,2，李凯杰1，赵金贵1,2，章天广3，柳建平4

(1. 太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2. 煤与煤系气地质山西省重点实验室，山西 太原 030024；3. 同煤大唐塔山煤矿有限公司，山西 大同 037000；4. 山西省煤炭地质115勘查院，山西 大同 037003)

大同煤田石炭–二叠纪煤层中的岩浆岩侵入造就了大量的接触变质煤，降低了煤的利用价值。为了详细探讨岩浆岩体距煤层距离对煤的物理化学性质影响，通过对塔山井田5222巷的辉绿岩岩墙及周围煤层的地质编录、系统采样，及煤样的煤岩学分析、工业分析和元素分析，研究接触变质带的煤岩煤质特征。结果表明：接触变质煤在高温条件下生成各种天然焦微观结构，如镶嵌结构、流动结构、热解碳等；侵入体对煤层的瞬时加热显著提升了热变煤的煤级，镜质体最大反射率由正常煤的0.67%~0.87%增至接触变质煤的0.94%~3.67%；接触变质煤中水分含量和灰分产率显著升高，挥发分产率降低；靠近岩墙的煤样中C含量上升，H、N、O含量下降。综合分析认为，岩墙接触变质作用对煤层的影响范围约4.5 m，即1.25倍岩墙宽度，而严重变质带为1.6 m。研究成果为煤的开采利用评价提供依据。

辉绿岩；岩墙；接触变质作用；煤岩学；塔山井田；大同煤田

煤是一种对温度和压力十分敏感的有机岩[1]，温度会导致煤发生一系列物理、化学、结构和构造方面的变化[2-3]。靠近侵入体的煤层常呈现出类似工业焦炭的宏观特征：其体积发生收缩，表面出现裂纹[4]，有时可观察到“龟背结构”[5]；结构致密坚硬，密度变大，层理结构消失或不显著[6-8]；热作用导致煤中的挥发分逸出，留下气孔或囊泡[9-12]。岩浆岩侵入使煤中的活性组分显著减少，如壳质组消失或难以辨别，镜质组转化为天然焦基质。侵入体释放的热量显著提升了其周边煤层的煤级，使接触变质煤的镜质体反射率显著升高。侵入过程中来自岩浆岩的热液流入煤层，导致大量新矿物的引入，煤层的灰分也随之升高[13-16]。接触变质煤通常出现在侵入体附近较局限的区域，根据接触变质煤和正常煤的性质差异可判定接触带的范围。然而对于接触变质带范围的界定，世界各地的研究所得出的结论不尽相同[17-21]。

大同煤田石炭–二叠纪煤层中共131个钻孔发现岩浆岩，侵入面积约240 km2，占煤田总面积的13%。目前对大同煤田接触变质作用的研究仍不够细致[22-23]，特别是对实际开采过程中发现的岩墙侵入体及其对煤层和煤质的影响未做深入研究。笔者对大同煤田塔山井田5222巷进行详细的地质编录，对岩墙及其周边煤层进行系统采样，通过煤岩学观察、工业分析和元素分析，深入研究接触变质煤与正常煤的性质差异，评估岩墙对其周边煤层及煤质的影响程度，以期为研究区煤炭资源合理开发利用提供参考。

1 研究方法

1.1 样品采集

塔山井田5222巷出现一个宽3.6 m的岩墙(图1)。侵入体中部较新鲜部分宽约2.6 m，呈灰绿色。两侧与煤层接触的位置均遭受严重风化，呈棕黄色，各宽0.5 m。岩墙与煤层呈不规则接触(图1b，图1c)。岩墙两侧几米范围内的煤层光泽显著暗淡，发育多条碳酸盐岩细脉。岩墙中部的新鲜岩石在显微镜下可观察到典型的辉绿结构，即半自形辉石充填在以斜长石主体的格架中；自形的橄榄石含量较少，呈无色透明，因此，判定该岩浆岩侵入体为橄榄辉绿岩岩墙。

采样方法按照临近岩墙处取样间隔较小、远离侵入体样品间隔逐渐增大的原则，在5222巷距岩墙17.3 m的范围内采集煤样16块(图1d)。

图1 大同煤田塔山井田5222巷道岩浆岩侵入位置及采样位置

1.2 实验

散装样品风干，密封在聚乙烯袋中以防止污染和氧化。分别根据GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》和GB/T 476—2001《煤的元素分析方法》对煤样进行工业分析和元素分析。依据GB/T 16773—2008《煤岩分析样品制备方法》制备粉煤光片，并利用莱卡DM4500P显微镜在500倍油浸反射光下对显微组分进行识别和图片采集。按照GB/T 8899—2013《煤的显微组分组及矿物测定方法》对样品进行显微组分定量。利用显微镜配合美国3Y显微分光光度计，按照GB/T 6948—2008《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》测定全部煤样的镜质体最大反射率。

2 实验结果

2.1 显微组分的变化

距岩墙2.5 m以外的煤层(T6—T16，图1d)中未观察到热变显微组分，其煤的显微组分定量结果显示，以镜质组和惰质组为主，壳质组和矿物质体积分数总和不超过10%。镜质组体积分数为55%~ 76%，由均质镜质体和胶结其他组分的基质镜质体组成。惰质组体积分数为17%~37%，包含丝质体、半丝质体和碎屑惰质体。除T7和T9号样品外，正常煤中的壳质组体积分数均在5%左右，其中，以蠕虫状小孢子体最为常见，偶见树皮体和角质体(图2)。

图2 塔山井田煤样未显示热变的显微组分

距岩墙2.0 m以内的样品(T1—T5），显微镜下显示，显微组分中出现大量具有各向异性的热变组分(图3)。热变结构的统计结果显示(图4)，靠近岩墙越近煤中原有活性组分体积分数越低，由62.8%锐减至20.4%。相反，随着靠近岩墙，煤中空腔、镶嵌结构、流动结构及碳酸盐矿物的含量呈现增长趋势，例如空腔的体积分数由0.5%增长至6.6%；镶嵌结构和流动结构的体积分数分别由9.8%和1.0%增长至24.5%和2.6%；碳酸盐岩类矿物的体积分数由0.5%增长至6.1%。接近岩墙，接触变质煤中的中间相小球体含量显示出先增大后减小的趋势，在样品T4中达到最大值58.6%，随后在T1中降低至22.5%；有机惰性组分含量先减小后增大，在样品T3中含量最少(6.8%)，但在其余各煤样中并未观察到显著的含量差异。

图3 塔山井田煤岩热变的显微组分(a—c、g—i油浸反射光，d—f、j—l分别为对应a—c、g—i的正交偏光)

图4 塔山井田热变煤各类显微组分和微观结构的含量

2.2 镜质体反射率的变化

煤的镜质体反射率是有机质成熟度的良好指示标志[24-25]，其数值随着煤级的升高而增大。煤的镜质体反射率测定结果(图1d，图5)显示，热变煤在岩浆岩侵入体的热作用下迅速成熟，且成熟度随着靠近热源而增大。未受热影响的煤层的镜质体最大反射率为0.67%~0.87%。镜质体反射率在距岩墙2.7 m处出现首次明显增长，镜质体最大反射率max由0.75%上升至0.94%。T5位于距岩墙1.6 m处，max达到1.57%，显微组分开始出现各向异性，各类天然焦微观结构(镶嵌结构、流动结构)开始形成。随着煤层与岩墙距离进一步减小，镜质体反射率呈飞跃式增长，max在煤岩接触带达到3.67%。

图5 塔山井田煤样镜质体反射率随岩墙距离的变化

2.3 工业分析和元素分析

工业分析、元素分析结果变化趋势如图6所示。随着靠近岩墙，接触变质煤的水分含量出现明显增长，在T1和T2中达到4%以上，未受热影响的煤中水分质量分数为1.24%~1.91%，主要分布在2%左右。正常煤的灰分质量分数为6.63%~14.18%，大多在10%左右，距岩墙较近的高变质煤中灰分质量分数显著增加，在最靠近岩墙的样品中达到27.48%。挥发分产率与灰分产率的变化趋势相反，正常煤的挥发分产率为29.07%~49.92%，多在35%左右，而高变质煤的挥发分产率降至10%左右(T1—T3），其镜质体最大反射率max为2.87%~3.67%。

图6 塔山井田煤样工业分析、元素分析结果变化趋势

煤中C、H、N、O的含量随着与岩墙距离的减小显示出明显的变化趋势。与未变质煤样相比，岩墙接触带上煤样中C含量显著升高，H、N、O含量降低，且距岩墙1.6 m以内的煤层，其元素含量开始发生突变，如C质量分数由82.95%增长至94.66%，H、N、O质量分数分别由5.36%、1.40%、10.29%降低至1.03%、0.50%、3.81%。

3 讨论

3.1 煤岩变化特征

侵入煤层的岩浆岩在短时间内释放的热量对煤的显微组分产生深刻的影响。E. Stach等[26]对热变煤显微组分的研究认为，烟煤发生热变质后，其显微组分中出现了原有组分、天然焦基质和新生成的组分。实验研究发现，镜质组和壳质组在300~500°C时发生深刻的变化[27-28]。本文中实验样品接近岩墙其活性组分的显著减少也证明了来自岩墙的强烈的热改变作用。工业焦炭生产过程中，煤在隔绝空气加热到350~450°C开始软化、熔融并出现脱挥发分液泡。当加热到450~550°C时，中间相开始生长，并逐渐形成镶嵌结构[29]。中间相物质仅具有微弱的各向异性，是初始的天然焦微观结构，其出现标志着接触变质煤的物化性质开始发生改变(图3k)。中间相物质在位于距岩墙1.1 m处的样品T4中含量最高，而在其余位置的样品中中间相物质含量降低。镶嵌结构、流动结构多出现在距岩墙0.6 m以内的样品中。由此推断，距岩墙1.1 m处的热条件最适宜中间相物质的生成，越靠近岩墙处温度越高，越有利于镶嵌结构、流动结构等高温微观结构的形成；而距岩墙1.6 m处温度下降，煤层所受的热条件不足以形成高温天然焦结构，而残余大量活性组分。惰性组分被认为在300°C以下不发生明显改变[29-30]。本研究中的惰性组分在T3中含量较低，在其余样品中并未见明显含量差异。光学性质上，丝质体和碎屑惰质体在正交偏光下完全消光，未观察到各向异性。岩墙的热效应似乎未对高变质煤样中的有机惰性组分产生影响。

接触变质煤中空腔和裂隙的增加显著提高了其水分的含量。宏观结构上，天然焦常出现形似龟背的六边形裂隙[5]；显微结构上，接触变质煤中普遍存在宽度大、长度短的次生微裂隙[15]；天然焦因脱挥发分作用而含有许多空腔和囊泡，因而，多孔天然焦能吸附更多的水分。岩浆岩侵入体对煤层的混染作用可导致接触变质煤灰分产率的升高，但并不是主要因素。相比之下，来自侵入体热液的贯入以及侵入过程中CO2的生成导致了大量碳酸盐岩类矿物的出现，显著提高了接触变质煤的灰分产率[30]。高变质煤中挥发分含量减少的现象已被证实[6,31-32]。来自侵入体的热量使接触变质煤中的挥发分逸出，并在逸出过程中形成脱挥发分液泡。随着煤层与热源距离的增大，脱挥发分作用强度逐渐减小，挥发分含量趋于稳定；显微组分表面脱挥发分液泡含量逐渐减小直至不可见。

煤的镜质体反射率随着靠近侵入体呈稳定增长(图3)，未观察到前人所描述的反转现象[31,33-34]。根据镜质体反射率判断，位于距岩墙2.7 m以内的煤层遭受了强烈的变质作用，则表明距岩墙2.7 m之外，其热量迅速衰减，对煤层未造成显著影响。

3.2 接触变质带范围

根据所有煤样的显微组分特征、镜质体反射率、工业分析和元素分析结果的差异，可推断出热接触变质带范围。位于距岩墙1.6 m以内的煤层，显微组分在300°C以上的高温下经历塑性相而形成具有各向异性的各类天然焦微观结构，此范围内即为严重变质带。距煤岩接触带1.6~2.7 m处，侵入岩体的温度虽不足以使煤层显微结构发生变化，但该区域煤层镜质体反射率的显著升高证明其仍处于接触变质带内。镜质体反射率在2.7~4.5 m出现小幅降低，证明来自侵入体的热效应在2.7 m以外的区域进一步衰减，未对煤级产生显著影响。煤的镜质体反射率在严重变质带内显著升高，由1.57%增加至3.67%。靠近侵入体，煤中C、H、O、N含量发生突变，C含量显著上升，H、N、O含量显著下降。距岩墙1.6~4.5 m，热效应未对煤中C、H、O、N的含量产生影响。然而，煤的挥发分含量在2.7 m处仍处于上升趋势，直到距岩墙4.5 m处达到稳定。综上，推断塔山井田5222巷岩墙的最大影响范围约为4.5 m，即1.25倍岩墙宽度。

4 结论

a.大同煤田塔山井田5222巷侵入的岩墙对煤层的煤岩学特征产生了显著的影响。显微组分中，热变煤的活性组分显著减少，镜质组在高温下经历塑性相而形成天然焦微观结构。惰性组分未见明显变化。接近侵入体处，碳酸盐岩类矿物和无机惰性组分含量显著增多。煤岩学特征的显著变化区域为距岩墙1.6 m范围内，属于严重变质带。

b.岩墙侵入煤层后的瞬时加热，显著提升了热变煤的煤级。镜质体最大反射率在接近侵入体处呈现飞跃式增长，受接触变质影响的样品的最大镜质体反射率由正常煤的0.67%~0.87%增至0.94%~3.67%，离岩体越近，反射率越高，显示煤变质程度越高。

c.热变煤的工业分析和元素分析结果显示，其水分含量和灰分产率远高于正常煤，靠近热源的煤层经历脱挥发分作用而具有较低的挥发分产率；C、H、N、O的含量在严重变质煤中发生突变，C含量显著升高，H、N、O含量下降。

d. 推测岩墙对煤层的接触变质影响范围为4.5 m，约为岩墙宽度的1.25倍。位于接触变质带范围内的煤层性质已发生变化，在开采经济性和综合利用等方面应加以评价。

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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

国家自然科学基金项目(41802191)

National Natural Science Foundation of China(41802191)

马宏涛，1995年生，男，山西临汾人，硕士研究生，从事煤田地质研究工作.E-mail：mahongtao0594@link.tyut.edu.cn

马宏涛，宋晓夏，李凯杰，等. 大同煤田接触变质煤的煤岩煤质变化规律[J]. 煤田地质与勘探，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.

(责任编辑 范章群)