地溫異常與巖漿巖協(xié)同作用下煤變質(zhì)程度研究

王 麒 董正樂 張 波 張平卿 侯泉林 王心義

(1.華北水利水電大學資源與環(huán)境學院，河南省鄭州市，450046； 2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南省平頂山市，467000； 3.中國平煤神馬集團能源化工研究院，河南省平頂山市，467000； 4.中國科學院大學地球科學學院，北京市石景山區(qū)，100049； 5.河南理工大學資源環(huán)境學院，河南省焦作市，454000)

★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

地溫異常與巖漿巖協(xié)同作用下煤變質(zhì)程度研究

王 麒1董正樂2張 波3張平卿2侯泉林4王心義5

(1.華北水利水電大學資源與環(huán)境學院，河南省鄭州市，450046； 2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南省平頂山市，467000； 3.中國平煤神馬集團能源化工研究院，河南省平頂山市，467000； 4.中國科學院大學地球科學學院，北京市石景山區(qū)，100049； 5.河南理工大學資源環(huán)境學院，河南省焦作市，454000)

基于在平頂山煤田提取的40個煤樣和45組地溫梯度數(shù)據(jù)以及巖漿巖侵入體分布情況，分析了煤變質(zhì)程度的空間分布特征，研究了巖漿巖侵入和地溫梯度對煤變質(zhì)程度的控制作用。研究結(jié)果表明：平頂山煤田內(nèi)同一礦井，下組煤變質(zhì)程度高于上組煤；存在巖漿巖侵入體的十三礦二組煤的變質(zhì)程度最高，燕山晚期巖漿巖侵入是控制煤田煤變質(zhì)程度的關(guān)鍵因素；地溫越高、地溫梯度越大，煤的變質(zhì)程度越高，地溫場變化對煤變質(zhì)程度有重要的影響。

煤變質(zhì)程度 鏡質(zhì)組反射率 巖漿巖侵入體 地溫梯度

煤變質(zhì)程度受地溫、地壓和地質(zhì)作用時間等因素的耦合作用影響，而地溫、地壓和地質(zhì)作用時間又受熱流背景值、地下水流動、巖層埋深、地質(zhì)構(gòu)造、巖漿巖侵入等因素的控制。依據(jù)上述影響因素，煤變質(zhì)作用可劃分為深成變質(zhì)作用、區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用、接觸變質(zhì)作用和熱液熱水變質(zhì)作用4種類型。分析煤的變質(zhì)程度，查明其與地質(zhì)特征和地溫場分布之間的關(guān)系，不但對于探究煤的成因及影響因素、實現(xiàn)煤的合理分級利用具有重要的意義，同時對于闡明當?shù)氐牡刭|(zhì)、水文地質(zhì)及溫度場特征提供重要的科學支持。

針對平頂山煤田地溫較高且有巖漿巖侵入體存在的現(xiàn)象，開展煤變質(zhì)、巖漿巖侵入、地溫場三位一體特征的研究，分析煤變質(zhì)程度的空間變化特征，解析巖漿巖侵入體和地溫異常造成的影響，以期為平頂山煤田煤變質(zhì)程度的深入研究奠定基礎(chǔ)并為相似煤田的同類研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

平頂山煤田位于華北板塊南緣，屬秦嶺緯向構(gòu)造帶的東延部分。該煤田四周被斷陷盆地包圍，為中央隆起、四周凹陷的地壘式構(gòu)造。斷陷盆地與中央隆起斷塊之間均以高角度正斷層相接，高角度正斷層控制著平頂山煤田的邊界。煤田東西走向長約40 km，南北傾向?qū)捈s10～20 km，含煤面積約650 km2，煤田礦井及構(gòu)造分布如圖1所示。

圖1 平頂山煤田礦井及構(gòu)造分布圖

目前平頂山煤田開采的礦井有17對，煤層采掘深度均超過600 m，八礦和十二礦采掘深度分別達1100 m和1150 m，自下而上開采的煤層主要有石炭系太原組一組煤、二疊系山西組二組煤、二疊系下石盒子組四組煤和五組煤。

2 煤變質(zhì)程度分布特征

目前，表征煤變質(zhì)程度的指標有鏡質(zhì)組反射率(RO)、揮發(fā)分(V)、碳含量(C)、氫含量(H)、水分(M)、發(fā)熱量(Q)等。由于鏡質(zhì)組反射率既不受煤巖成分、灰分、煤樣代表性的影響，也不受煤還原程度的影響，因此被公認是表征煤變質(zhì)程度的最好指標。本文應(yīng)用煤鏡質(zhì)組反射率來分析煤變質(zhì)程度特征。

2.1 取樣及測試

在平頂山煤田共提取煤樣40個(其中五組煤7個、四組煤6個、二組煤24個、一組煤3個)，由河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室實測鏡質(zhì)組反射率，測試結(jié)果見表1。由表1可知，各礦井煤樣的鏡質(zhì)組反射率均在1.240～1.598之間，平均值為1.388。

2.2 垂向分布特征

煤田區(qū)內(nèi)同一礦井分煤層的鏡質(zhì)組反射率見表2，其直方圖見圖2。明顯可以看出，除四礦和十一礦的五組煤鏡質(zhì)組反射率高于四組煤外，其他礦井均表現(xiàn)出下組煤的煤鏡質(zhì)組反射率高于上組煤的特征。從整個平頂山煤田來看，下組煤形成時代早于上組煤；而針對同一礦井來看，下組煤的埋深大于上組煤。因此，平頂山煤田內(nèi)同一礦井，表現(xiàn)出煤層形成時代越早、埋深越大其變質(zhì)程度越高的特征。

表1 平頂山煤田各煤層鏡質(zhì)組反射率測試結(jié)果

表2 平頂山煤田各礦井煤層鏡質(zhì)組反射率平均值

2.3 平面分布特征

以數(shù)據(jù)量最為豐富的二組煤為研究對象，分析其煤變質(zhì)程度的平面分布特征。平頂山煤田不同礦井的二組煤鏡質(zhì)組反射率均值見表3和圖3，二組煤樣品鏡質(zhì)組反射率平均值為1.407。顯然，十三礦二組煤的鏡質(zhì)組反射率最高，五礦鍋底山斷層北側(cè)采區(qū)二組煤的鏡質(zhì)組反射率次之，鏡質(zhì)組反射率最小的是十一礦，其次為九礦。

表3 平頂山煤田二組煤樣品鏡質(zhì)組反射率平均值

圖2 平頂山煤田各礦井煤層鏡質(zhì)組反射率平均值直方圖

圖3 平頂山煤田二組煤樣品鏡質(zhì)組反射率直方圖

平頂山煤田二組煤鏡質(zhì)組反射率的平面分布情況如圖4所示。由圖4可以看出，總體上煤田北部和東北部二組煤鏡質(zhì)組反射率較南部和西南部高，偏高的區(qū)域主要位于十三礦、首山一礦、八礦以及十二礦，同時煤田西南部的五礦鍋底山斷層北側(cè)采區(qū)個別地點也異常高。

圖4 平頂山煤田二組煤樣品鏡質(zhì)組反射率分布

3 煤變質(zhì)影響因素分析

3.1 巖漿巖侵入體

平頂山煤田十三礦煤層采掘過程中，在一采區(qū)的11040工作面和11080工作面以及三采區(qū)的13021工作面和13081工作面均發(fā)現(xiàn)有晚中生代燕山晚期巖漿巖存在，主要巖性為中性閃長玢巖基性輝綠巖，巖體走向為北東東向，長度為860 m，最寬處為60 m。巖墻侵入含煤地層，是二組煤層中天然焦存在直接原因。

由表3可以看出，在平頂山煤田所有煤層中，鏡質(zhì)組反射率最大值為1.598，其樣品來自十三礦二組煤；在二組煤中，十三礦的鏡質(zhì)組反射率平均值為1.546，遠高于其他礦井二組煤的1.296～1.469。而十三礦恰好有巖漿巖侵入體的存在，其產(chǎn)生的較高的古地溫場導(dǎo)致本礦井煤變質(zhì)程度較高，可見巖漿巖的侵入是控制本煤田煤變質(zhì)程度高低的關(guān)鍵因素。

3.2 地溫和地溫梯度

關(guān)于平頂山煤田煤變質(zhì)垂向分布特征的研究表明，平頂山煤田內(nèi)的同一礦井，煤層形成時代越早、埋深越大，其變質(zhì)程度越高。這是因為煤層形成時代越早，其經(jīng)受的熱作用歷時越長；埋深越大，其地溫越高。因此地溫高低是影響煤變質(zhì)程度的重要因素。

根據(jù)平頂山煤田實測的45個寒武灰?guī)r地熱水溫度，可計算各礦井平均的地溫梯度，其值在1.120～5.560 ℃/hm之間，平均值為3.320 ℃/hm。除十三礦外的二組煤鏡質(zhì)組反射率與地溫梯度對比見表4，其關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出，地溫梯度越高，煤樣鏡質(zhì)組反射率越大，即二者表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性，表明了現(xiàn)代地溫場也是影響煤變質(zhì)程度的主要因素。

十三礦的現(xiàn)代地溫梯度平均值為3.514 ℃/hm，在整個煤田處于中等水平；而二組煤鏡質(zhì)組反射率平均值為1.546，處于最高水平。表明巖漿巖侵入產(chǎn)生的古地溫場對煤變質(zhì)程度影響遠大于現(xiàn)代地溫場的影響。

表4 煤田內(nèi)地溫梯度與二組煤樣品鏡質(zhì)組反射率

圖5 煤樣品鏡質(zhì)組反射率與地溫梯度關(guān)系散點圖

4 結(jié)論

(1)平頂山煤田同一礦井范圍內(nèi)，下組煤的形成時代早于上組煤、埋深大于上組煤，且下組煤變質(zhì)程度高于上組煤。

(2)平頂山煤田內(nèi)，存在巖漿巖侵入體的十三礦二組煤的變質(zhì)程度最高，巖漿巖侵入是控制煤田煤變質(zhì)程度的關(guān)鍵因素。

(3)平頂山煤田內(nèi)，地溫越高、地溫梯度越大，煤的變質(zhì)程度越高，地溫和地溫梯度是影響煤變質(zhì)程度的重要因素。

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Studyoncoalmetamorphicdegreeunderthesynergisticeffectofgeothermalanomalyandmagmaticrock

Wang Qi1, Dong Zhengle2, Zhang Bo3, Zhang Pingqing2, Hou Quanlin4, Wang Xinyi5

(1. School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou, Henan 450046, China; 2.Pingdingshan Tianan Coal Industry Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000, China; 3. Institute of Energy and Chemical Industry, China Pingmei Shenma Group, Pingdingshan, Henan 467000, China; 4.College of Earth Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Shijingshan, Beijing 100049, China; 5. Resources & Environment Institute, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000, China)

Based upon the 40 coal samples, 45 geothermal gradient data and the distribution of magmatic intrusions in Pingdingshan coal field, the distribution law of coal metamorphic degree was analyzed and the controlling effect of magmatic intrusion and geothermal gradient on the coal metamorphic degree was studied. The research results showed that in the same coal mine of Pingdingshan coal field, the metamorphic degree of lower coal group was higher than that of upper coal group; in No.13 Mine, the metamorphic degree of the second coal group with magmatic intrusions was the highest, and magmatic intrusions of late Yanshanian was the key controlling factor of coal metamorphic degree; the coal metamorphic degree increased with the increasing of geotherm and the geothermal gradient, and the change of geothermal field had an important effect on the coal metamorphic degree.

coal metamorphic degree, vitrinite reflectance, magmatic intrusions, geothermal gradient

國家自然科學基金(41672240)，河南省高校科技創(chuàng)新團隊支持計劃(15IRTSTHN027)，華北水利水電大學博士基金

王麒，董正樂，張波等. 地溫異常與巖漿巖協(xié)同作用下煤變質(zhì)程度研究[J]. 中國煤炭，2017,43(12)：50-54.

Wang Qi, Dong Zhengle, Zhang Bo, et al. Study on coal metamorphic degree under the synergistic effect of geothermal anomaly and magmatic rock[J]. China Coal, 2017, 43(12):50-54.

P618.11

A

王麒(1988-)，河南焦作人，講師，博士，從事構(gòu)造地質(zhì)和礦井水文地質(zhì)的研究工作。

(責任編輯 郭東芝)