基于煤层挥发分的狐偃山岩体隐伏形态特征研究

赵智阳 ，赵金贵 ，杨高峰

（1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.山西焦煤能源集团股份有限公司 西山分公司，山西 太原 030024）

火成岩的侵入对煤层结构产生了极大的破坏，降低了煤的利用价值，严重影响了煤矿的经济效益与安全生产，研究火成岩形态学特征，对煤矿安全高效的开采有重要的科学意义[1]。中国无烟煤分布区大多与岩浆热场有关，煤质和煤级是寻找隐伏岩体的良好指示剂[2]。煤层挥发分是个矢量，是在高温条件下，将煤干馏有机质热解形成，并呈气态析出的化合物[3-4]，在遭受热变质后会递减，且不可逆，可有效记录岩浆热场达到的最高温度，一般以挥发分作为表示煤化程度的指标[4]。煤的变质程度越高，煤的挥发分越低[3]，侵入岩体接触变质带的分布序列是侵入体-柱状焦-块状焦-高变质煤-正常煤层，依此序列，煤的挥发分增高。因此，根据煤层挥发分等值线图，结合柱状焦垂直侵入体接触面，即可推断侵入体接触面形态及与侵入体边界的大致距离[5]，进而可刻画出侵入岩体在煤系中的空间形态。

由于岩浆岩侵入，使局部煤层在深成变质作用下叠加了区域变质及岩浆接触变质的作用，从而出现了高变质阶段的贫煤、无烟煤，甚至出现天然焦[6]；煤级围绕侵入体出现环带分布，煤的变质程度升高，挥发分降低。太原西山煤田中生代狐偃山碱性二长岩体侧畔积累了海量的C-P 煤系煤质勘探数据，岩体侧畔煤层挥发分数据的环带分布是岩体热场过程的有效记录，是探索岩体热场耗散过程的良好场所。为此，借助狐偃山岩体侧畔煤田勘探钻孔中的挥发分数据以及前人研究结果，通过制作狐偃山岩体附近02＃、2＃、6＃、8＃、9＃煤层挥发分等值线图、垂直挥发分变化方向剖面图，分析各煤层挥发分空间变化规律，探究太原西山狐偃山岩体在煤系中的隐伏形态特征。

1 岩体概况

太原西山煤田主要的含煤层系为石炭-二叠系，赋存15 层煤，其中山西组2#煤层，太原组8#和9#煤层为全区可采，其余煤层仅为局部可采[7]。狐偃山燕山期侵入体位于西山煤田西翼，出露面积约50 km2，是1 个呈环带状分布的碱性杂岩体群[8-9]。其中，地质图上反映的岩体出露形态，并不能代表某个岩层面上岩体的形态。年代测试与岩性分析显示，狐偃山岩体经历了3 期侵入，分别是：①以岩株形式产出的燕山早期的（146～130 Ma）二长岩；②以岩墙或岩脉穿插在二长岩体内的燕山中期（107～120 Ma）的霓辉二长斑岩；③以岩墙和岩床产出的燕山晚期（109～94 Ma）的正长岩[10-11]，其中燕山早期为区内主要侵入体。

狐偃山岩体西侧与南侧迄今还没有系统的煤质勘探数据，为此，选择山西焦煤集团已勘探了的杨庄原相后备矿区作为研究区，数据较为充分，基本达到可以寻找热场过程的要求。研究区整体还处于未开采开发状态，因此，研究结果还可指导未采区煤炭及煤层气开发。

研究区钻孔煤质数据的统计结果显示：02＃煤层有63 个钻孔煤质数据，2＃煤层有115 个钻孔煤质数据，6＃煤层有90 个钻孔煤质数据，8＃煤层有110 个钻孔煤质数据，9＃煤层有91 个钻孔煤质数据，研究区挥发分数据共计469 个，钻孔位置整体分布相对均匀。其中，02＃煤层挥发分在15.18%～34.3%，平均20.14%；2＃煤层挥发分在6.5%～28.83%，平均19.3%；6＃煤层挥发分在7.08%～31.84%，平均18.84%；8＃煤层挥发分在6.15%～24.15%，平均17.51%；9＃煤层挥发分在5.71%～35.06%，平均16.5%。研究区左下角出露有正长斑岩，野外调查显示，正长斑岩是以岩床的形式侵入到P2sh 地层之中，为燕山晚期侵入体。

2 岩体侧畔煤层挥发分空间变化特征

挥发分是表征煤变质程度的良好指标[9]。岩体侧畔煤层挥发分的层面特征与剖面特征，可清晰显示煤层变质程度的空间变化特征。

2.1 挥发分层面特征

依据钻孔煤质挥发分数据，分别制作的各煤层挥发分等值线图如图1～图5。

图1 02#煤层挥发分等值线图Fig.1 Volatile matter contour diagram of 02# coal seam

图2 2#煤层挥发分等值线图Fig.2 Volatile matter contour diagram of 2# coal seam

图3 6#煤层挥发分等值线图Fig.3 Volatile matter contour diagram of 6# coal seam

图4 8#煤层挥发分等值线图Fig.4 Volatile matter contour diagram of 8# coal seam

图5 9#煤层挥发分等值线图Fig.5 Volatile matter contour diagram of 9# coal seam

由图1～图5 可知：02＃、2＃、6＃、8＃、9＃煤层挥发分自西南向东北方向呈环带状分布，并逐渐趋于煤层正常挥发分值；各煤层挥发分值在垂向上总体呈现自上而下有逐渐降低的趋势；在西南角、中北部，各煤层组挥发分出现环带状异常低值区，且自下而上环带逐渐减小；表明研究区西南角煤系侧畔侵入岩为1 个大岩体，在研究区中北部9＃煤层下伏有岩株存在。

2.2 挥发分剖面特征

以各煤层挥发分等值线图为依据，沿着多煤层挥发分变化最大方向，即SW→NE 方向作垂直各煤层挥发分自然分布曲线。挥发分垂直主要构造线方向的自然分布曲线如图6。

图6 挥发分垂直主要构造线方向的自然分布曲线Fig.6 Natural distribution curves of volatile content perpendicular to the direction of the main construction line

由图6 可知：煤层变质带、挥发分趋于恒定值的恒温变质带和挥发分呈单调函数关系的耗散变质带，随着远离岩体挥发分逐渐增加并趋于稳定，耗散变质带也逐渐趋于正常煤带；侵入岩体侧畔呈环带状分布的依次是柱状焦、块状焦、高变质煤[12]；因此，在恒温变质带与侵入岩体之间还包含1 个狭义的接触变质带，其范围是挥发分值从0 逐渐上升到恒温变质带挥发分值。

接触变质是在相对低压条件下的短期快速高温的1 个变质过程[1]，岩浆接触变质带最低温度一般在250～300 ℃以上，在岩体边部接触带常形成一定规模的天然焦或石墨；接触变质带是岩浆热场直接具体的体现，一般不超过1 km；在狐偃山岩体附近，还没有系统的勘探数据支撑接触变质带宽度，具体表现为接触变质带函数自变量斜率大小。

野外调查显示，在寺沟，岩体侵入到奥陶系马家沟组灰岩中，肉眼可见的接触变质影响带在太原组中上部；在狐偃山山顶则发育浅变质的下石盒子组地层，上白泉、上石砂附近上石盒子组地层并未遭受变质，其接触变质带的宽度一般不超过500～1 000 m。对于岩体侧畔9＃煤层到02＃煤层，狐偃山侵入岩体接触变质带若以煤层挥发分V为因变量，以距离岩体远近L为自变量，其函数关系为V=kL，呈线性相关，其斜率k值范围为0.005～0.01。

恒温变质带是岩浆热场相对稳定过程中形成的，在研究区内，岩浆热场对煤层恒温变质带的影响宽度，随着煤层的埋深逐渐增大。

2.3 耗散变质带函数

恒温变质带的外围，就是岩浆热场的耗散变质带。岩浆热场演化尽管经历扩展期、稳定期、萎缩期以及期后热岩体期，但热场对围岩，特别是耗散变质带的影响也仅限于岩浆热场稳定期，因为岩浆热场萎缩期以及期后热岩体期的温度难以超越热场稳定期，在煤层中留不下温度记录信息。

为了进一步研究在远离岩浆岩过程中煤层挥发分变化的规律性，选取侵入岩体影响带范围内曲线作为研究对象，以研究区边界为起点，在各煤层等值线图上切剖面线，选取呈单调函数关系的耗散变质带区间作为研究对象，对剖面线与挥发分等值线图的交点取值，并将其整理统计，将整理统计的数据分别从Excel 表格中调入SPSS 系统，建立数据文件。然后单击主菜单中分析/回归/曲线估算，选择挥发分（V）为因变量，距离(L)为自变量进行回归分析，并对回归方程进行检验，获得狐偃山岩体侧畔各层煤挥发分揭示的耗散变质带函数。岩体侧畔煤层挥发分揭示的耗散变质带函数见表1。

表1 岩体侧畔煤层挥发分揭示的耗散变质带函数Table 1 Dissipative metamorphic zone function revealed by volatile content of coal seam on the side of rock mass

其中，R为表示空间变化函数与样本数据的相关系数，R2取值范围为0～1；R2值越接近1，空间变化函数与实际吻合程度越高。函数自变量系数表示因变量的变化幅度大小，自变量系数越大，因变量变化幅度越大。

各煤层挥发分空间变化函数R2值均在0.977以上，可认为空间变化函数的线性拟合程度与实际情况吻合。挥发分空间变化函数的自变量系数为正值，表明挥发分值大小与距离侵入岩体距离呈正相关关系，煤层距侵入岩体越远，挥发分越高；自变量系数自上而下从0.001 变化至0.004，表明煤层自上而下遭受岩体烘烤影响的程度逐渐增大。

3 煤系侵入岩体隐伏形态特征

在挥发分垂直主要构造线方向自然分布曲线的8 000～12 000 m 范围内，挥发分曲线出现震荡，其原因是9＃煤层之下隐伏有侵入岩体，这种现象在9＃、6＃、2＃各煤层挥发分等值线图中表现为同心环带分布，并在空间上具有对应性，且自下而上同心环逐渐减小，以致在02＃煤层中消失。

根据侵入岩体热场耗散结构曲线与函数，结合勘查区煤层数据及相关研究资料，获得侵入岩热场影响带及煤层的相关参数。耗散带函数系数随着埋深的增大而增大，具体到狐偃山岩体侧畔的02＃煤至9＃煤，耗散函数系数范围为0.001～0.004，温度是从160 ℃左右递增到210 ℃左右，恒温层对应的挥发分从15.9%降至5.9%。

02＃煤至9＃煤的煤层平均厚度分别为0.98、1.49、1.12、2.67、1.98 m，耗散变质带范围分别为2 642、3 253、3 164、2 328、3 527 m。各煤层受影响范围均不同，2＃煤层影响带宽度比02＃煤层多1 010 m，比6＃煤层受影响范围少514 m；8＃煤层较6＃煤层受影响范围多622 m，较9＃煤层少383 m。

现有的研究表明：从未变质区到侵入煤接触带，可分为正常煤、贫煤、无烟煤、天然焦4 种变质带[13]。煤层变质程度与距岩浆岩体的距离有关[14-15]。在狐偃山侵入岩体侧畔接触变质带内，由于在靠近侵入岩体处，挥发分值为0，因此煤层挥发分值满足线性函数（V=kL，其中k为系数，L为煤层到侵入岩体的距离）。各煤层恒温变质带内的挥发分值是稳定的，其中02＃煤层挥发分值为15.9%，2＃煤层挥发分值稳定于10.5%，6＃煤层挥发分值稳定于10%，8＃煤层挥发分值为8.94%，9＃煤层挥发分值稳定于5.9%。依据E Stach 等煤化作用阶段挥发分与变质温度的对应关系可知，煤层对应的变质温度也从02＃煤的160 ℃左右逐渐增大到9＃煤的210 ℃左右[16]，各煤层挥发分值在正常煤带均趋向20%。

热场影响带宽度自上而下逐渐增大，狐偃山岩体9#煤热场影响带宽度可达7 km 以上。其中接触变质带的宽度在1 km 内，温度在250 ℃以上；恒温变质带宽度在4～5 km，02#煤变质温度在160℃以上，且随着埋深的变浅，变质温度逐渐降低；耗散变质带宽度在2～4 km，逐渐从恒温变质带过渡到正常地温梯度带。

野外调查显示：狐偃山碱性-偏碱性岩体侵入到山西组和太原组煤层中，呈半隐伏状态出露地表。主要以岩体、岩株的形式产出，岩床与岩脉仅发现有2 处出露。

4 结 语

1）狐偃山侵入体在煤系中的隐伏形态为一大型岩体，其中9＃煤层下伏有多个小型岩株。煤层自上而下遭受岩体烘烤影响的程度逐渐增大。

2）狐偃山岩体侧畔各煤层挥发分值均呈环带状分布，在垂向上自上而下逐渐降低，各煤层挥发分由于侵入岩体的影响，出现环带状异常低值区，且自下而上环带逐渐减小。