大同煤田接触变质煤的煤岩煤质变化规律_马宏涛.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Shanxi Key Laboratory of Coal and Coal Measure Gas Geology, Taiyuan 030024, China; 3. Tongmei Datang Tashan Coal Mine Co. Ltd., Datong 037000, China; 4. 115 Coal Geological Exploration Institute of Shanxi Province, Datong 037003, China Abstract 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 con- tact-metamorphosed coal experienced significant thermal alteration during intrusive event. Microscopically, various natural coke microstructures, such as mosaic structure, flow structure and pyrolytic carbon were ed under ex- cess heat; instant heating for coals resulted in the elevation of coal ranks, the maximum reflectance of vitrinite in- creased from 0.67-0.87 of the normal coal to 0.94-3.67 of the contact metamorphosed coal; In the con- tact-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. Keywords diabase; dike; contact metamorphism; petrography; Tashan coal mine; Datong coalfield ChaoXing 100 煤田地质与勘探 第 48 卷 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 Fig.1 Location of magmatic intrusion and sampling sites of Tashan coal mine in Datong coalfield 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 2122008煤的工业分析 方法和 GB/T 4762001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 167732008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 88992013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 69482008煤的镜 质体反射率显微镜测定方法测定全部煤样的镜质 ChaoXing 第 2 期 马宏涛等 大同煤田接触变质煤的煤岩煤质变化规律 101 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T6T16， 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 1737， 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 Fig.2 Unaffected macerals of Tashan coal 距岩墙 2.0 m 以内的样品T1T5） ，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 图 3 塔山井田煤岩热变的显微组分ac、gi油浸反射光，df、jl 分别为对应 ac、gi的正交偏光 Fig.3 Thermally alterated macerals of Tashan coala-c, g-i, normal reflected light, d-f, j-l, cross-polarized light corresponding to the same field of a-c, g-i ChaoXing 102 煤田地质与勘探 第 48 卷 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 4 塔山井田热变煤各类显微组分和微观结构的含量 Fig.4 Content of different maceral microstructures of thermally metamorphosed coal of Tashan coal mine 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 0.670.87。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 Rmax 由 0.75上升至 0.94。T5 位于距岩墙 1.6 m 处， Rmax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，Rmax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 Fig.5 Variation of vitrinite reflectance with the distance from the dike of Tashan coal mine 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 1.241.91， 主要分布在 2左 右。正常煤的灰分质量分数为 6.6314.18，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 29.0749.92，多在 35左右，而 高变质煤的挥发分产率降至 10左右T1T3） ，其 镜质体最大反射率 Rmax为 2.873.67。 图 6 塔山井田煤样工业分析、元素分析结果变化趋势 Fig.6 The results of proximate and ultimate analysis of Tashan coal mine ChaoXing 第 2 期 马宏涛等 大同煤田接触变质煤的煤岩煤质变化规律 103 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 300500C 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 350450C 开始软化、熔融并出现脱挥发分 液泡。当加热到 450550C 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 300C 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 300C 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 1.62.7 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 2.74.5 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 1.64.5 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 ChaoXing 104 煤田地质与勘探 第 48 卷 射率由正常煤的 0.670.87增至 0.943.67， 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。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] GOODARZI F，GENTZIS T，JACKSON G，et al. Optical characteristics of heat-affected bitumens from the Nanisivik mine，N.W. Baffin Island，Arctic Canada[J]. Energy Sources， 1993，152359–376. [2] 郭国鹏. 接触变质带煤的物理化学结构及瓦斯赋存特征研 究[D]. 焦作河南理工大学，2012. GUO Guopeng. Research on physical and chemical structure of coal and characteristics of gas occurrence in contact metamor- phic zone[D]. JiaozuoHenan Polytechnic University，2012. [3] 李久庆. 永安超无烟煤显微组分及其光性演化[D]. 徐州中 国矿业大学，2019. LI Jiuqing. Composition and optical property evolution of mac- erals in meta-anthracite from Yongan ， Fujian ， China[D]. XuzhouChina University of Mining and Technology，2019. [4] KARAYIGIT A I， WHATELEY M K G. Properties of a lacustrine subbituminousk1 seam，with special reference to the contact metamorphism，Soma-Turkey[J]. International Journal of Coal Geology，1997，341131–155. [5] SINGH A K，SINGH M P，SHARMA M，et al. Microstructures and microtextures of natural cokesA case study of heat-affected coking coals from the Jharia coalfield，India[J]. International Journal of Coal Geology，2007，712/3153–175. [6] WARD C R，WARBROOKE P R，ROBERTS F I. Geochemical and mineralogical changes in a coal seam due to contact meta- morphism，Sydney basin，New South Wales，Australia[J]. In- ternational Journal of Coal Geology，1989，112105–125. [7] 苗琦，权巨涛，秦云虎，等. 天然焦地质勘查研究[J]. 中国煤 炭地质，2019，3169–14. MIAO Qi， QUAN Jutao， QIN Yunhu， et al. Study on geological exploration for natural coke[J]. Coal Geology of China，2019， 3169–14. [8] 裴文春. 太原西山杨庄勘查区天然焦与煤的参数特征研究[J]. 中国煤炭地质，2018，30417–21. PEI Wenchun. Natural coke and coal distinction parametric char- acteristics study in Yangzhuang exploration area， Xishan coalfield， Taiyuan[J]. Coal Geology of China，2018，30417–21. [9] PADWYSOCKI M H，DUTCHER R R. Coal dikes that intrude lamprophyre sills；Purgatoire River Valley，Colorado[J]. Eco- nomic Geology，1971，662267–280. [10] THORPE A N， SENFTLE F E， FINKELMAN R B， et al. Change in the magnetic properties of bituminous coal intruded by an ig- neous dike，Dutch Creek mine，Pitkin County，Colorado[J]. International Journal of Coal Geology，1998，363243–258. [11] GHOSH T. A study of temperature conditions at igneous contacts with certain Permian coals of India[J]. Economic Geology， 1967，621109–117. [12] COOPER J R，CRELLING J C，RIMMER S M，et al. Coal metamorphism by igneous intrusion in the Raton basin，CO and NMImplications for generation of volatiles[J]. International Journal of Coal Geology，2007，71115–27. [13] JONES J M，CREANEY S. Optical character of thermally metamorphosed coals of northern England[J]. Journal of Mi- croscopy，1977，1091105–118. [14] JIANG J Y，CHENG Y P，WANG L，et al. Petrographic and geochemical effects of sill intrusions on coal and their implications for gas outbursts in the Wolonghu mine， Huaibei coalfield， China[J]. International Journal of Coal Geology，2011，88155–66. [15] YAO Yanbin， LIU Dameng. Effects of igneous intrusions on coal petrology，pore-fracture and coalbed methane characteristics in Hongyang，Handan and Huaibei coalfields，North China[J]. International Journal of Coal Geology，2012，96/9772–81. [16] YAO Yanbin，LIU Dameng，HUANG Wenhui. Influences of ig- neous intrusions on coal rank，coal quality and adsorption capacity in Hongyang，Handan and Huaibei coalfields，North China[J]. International Journal of Coal Geology，2011，882/3135–146. [17] STEWART A K，MASSEY M，PADGETT P L，et al. Influence of a basic intrusion on the vitrinite reflectance and chemistry of the Spring fieldNo.5 coal，Harrisburg，Illinois[J]. International Journal of Coal Geology，2005，631/258–67. [18] RODNOVA E. Change in collector attributes of sediments in contact zone of traps in central part of nosty Tungusskoy sinek- lize[J]. Tr Vsegei Leningard，1976，30818–133. [19] YERMAKOV V I，SKOROBOGATOV V A. Oil and gas geol- ogy of west Siberian plat[J]. Petroleum Geology，1984， 2112537–540. [20] GOLAB A N，CARR P F. Changes in geochemistry and miner- alogy of thermally altered coal ， Upper Hunter Valley ， Australia[J]. International Journal of Coal Geology，2004， 573/4197–210. [21] GALUSHKIN Y I. Thermal effects of igneous intrusions on ma- turity of organic matterA possible mechanism of intrusion[J]. Organic Geochemistry，1997，2611/12645–658. [22] 王泰. 同忻井田煌斑岩侵入特征及对煤层和煤质的影响[J]. 煤田地质与勘探，2002，30511–13. ChaoXing 第 2 期 马宏涛等 大同煤田接触变质煤的煤岩煤质变化规律 105 WANG Tai. Intrusive features and its influence of lamprophyre on coal seams and coal quality in Tongxin mine field[J]. Coal Geology Exploration，2002，30511–13. [23] 张富强. 大同塔山井田煌斑岩侵入对煤层煤质的影响[J]. 山 西煤炭，2007，27217–20. ZHANG Fuqiang. Lamprophyre invasion’s effects on coal seam and its qualities in Tashan coal-field of Datong mining district[J]. Shanxi Coal，2007，27217–20. [24] GURBA L W，WARD C R. Elemental composition of coal macerals in relation to vitrinite reflectance，Gunnedah basin， Australia，as determined by electron microprobe analysis[J]. In- ternational Journal of Coal Geology，2000，442127–147. [25] OTHMAN R，WARD C R. Thermal maturation pattern in the southern Bowen，northern Gunnedah and Surat basins，northern New South Wales，Australia[J]. International Journal of Coal Geology，2002，513145–167. [26] E. 斯塔赫. 斯塔赫煤岩学教程[M]. 杨起等，译. 北京煤炭 工业出版社，1990156–164. STACH E. Textbook of coal petrology[M]. YANG Qi et al， Translated. BeijingChina Coal Industry Publishing House， 1990156–164. [27] TAYLOR G. Development of optical properties of coke during carbonization[J]. Fuel，1961，406465–472. [28] BROOKS J D，TAYLOR G. The ation of some graph- itizing carbons[J]. Chemistry Physics of Carbon，1968，4 243–286. [29] CRELLING J C，DUTCHER R R. A petrologic study of a thermally altered coal from the Purgatoire River Valley of Colo- rado[J]. Geological Society of America Bulletin，1968，7910 1375. [30] KISCH H J. Carbonization of semi-anthracitic vitrinite by an analcime basanite sill[J]. Economic Geology，1966，616 1043–1063. [31] RIMMER S M， YOKSOULIAN L E， HOWER J C. Anatomy of an intruded coal，IEffect of contact metamorphism on whole-coal geochemistry ， SpringfieldNo.5Pennsylvanian coal，Illinois basin[J]. International Journal of Coal Geology， 2009，79374–82. [32] SINGH A K，SHARMA M，SINGH M P . Genesis of natural cokesSome Indian examples[J]. International Journal of Coal Geology，2008，75140–48. [33] RAYMOND A C，MURCHISON D G . Organic maturation and its timing in a Carboniferous sequence in the central Midland Valley of Scotland comparisons with northern England[J]. Fuel， 1989，683328–334. [34] BARKER C E，BONE Y，LEWAN M D . Fluid inclusion and vitrinite-reflectance geothermometry compared to heat-flow models of maximum paleotemperature next to dikes，western onshore Gippsland basin，Australia[J]. International Journal of Coal Geology，1998，37173–111. 责任编辑 范章群 ChaoXing