地勘時(shí)期無煙煤與天然焦的煤巖學(xué)識(shí)別C-P煤系為例
——以柳江盆地

劉善德

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

目前，我國山東、河北、兩淮煤田等北方石炭-二疊系(C-P)煤層中普遍存在煤受巖漿巖侵入現(xiàn)象，巖漿巖的侵入致使煤的變質(zhì)程度增加，甚至石墨化，同時(shí)，巖漿巖的侵入常伴隨著焦化作用，產(chǎn)生天然焦等焦化作用產(chǎn)物；在巖漿巖侵入?yún)^(qū)的煤層普遍存在無煙煤、天然焦、石墨化及其相互間的過渡現(xiàn)象。目前，對(duì)無煙煤與天然焦劃分問題已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究和探討[1-10]，普遍推薦應(yīng)用H含量、C/H比、鏡質(zhì)組最大反射率(Rmax)及視電阻率等，在無煙煤與天然焦劃分方面取得了一定的成果，但還沒有一個(gè)統(tǒng)一的劃分及命名原則，有待進(jìn)一步的研究；同時(shí)，國際煤巖學(xué)與有機(jī)巖石學(xué)會(huì)(ICCP)依據(jù)鏡質(zhì)體最大反射率Rmax、晶格間距d002 及H/C原子比將無煙煤至石墨的轉(zhuǎn)化過程分為4 個(gè)階段：石墨、半石墨、變無煙煤和無煙煤，具有一定的參考意義。地勘階段采樣測試依據(jù)《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0215-2002)進(jìn)行，鑒于地勘階段時(shí)間緊、任務(wù)重及經(jīng)濟(jì)控制嚴(yán)格等，很難大量設(shè)計(jì)晶格d002等測試。

柳江盆地含煤地層主力煤層中未見因巖漿巖侵入致煤層石墨化現(xiàn)象，但普遍存在煤層天然焦化現(xiàn)象，煤的Vdaf<10%，GR.I=0，煤種為無煙煤，故本文以柳江盆地地勘為實(shí)例，從地勘角度提出了一套大體識(shí)別無煙煤與天然焦的煤巖學(xué)識(shí)別方法，為存在巖漿巖侵入致煤層焦化地區(qū)勘探提供參考，亦為無煙煤與天然焦的劃分提供資料補(bǔ)充。

1 地質(zhì)概況

柳江盆地位于秦皇島市以北25km處，地層區(qū)劃屬華北塔里木大區(qū)華北區(qū)，除普遍缺失下石炭統(tǒng)、白堊系及新近系之外，各時(shí)代地層發(fā)育較好，出露較全，各地層單位劃分標(biāo)志明顯，是我國北方最大的地質(zhì)認(rèn)知實(shí)習(xí)基地之一(圖1)。

圖1 研究區(qū)交通位置圖

含煤地層有侏羅系下統(tǒng)下花園組、二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，各含煤地層普遍存在巖漿巖侵入現(xiàn)象，侵入巖多發(fā)育于煤層、炭質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖(黏土巖)等周圍。其中下花園組因煤層不穩(wěn)定，對(duì)比性差，研究價(jià)值不高，故文中主要以C-P煤系煤層煤巖數(shù)據(jù)為研究依據(jù)。

2 采樣測試

本區(qū)巖漿侵入對(duì)煤層造成破壞，巖漿巖的高溫?zé)嵋和ㄟ^裂隙通道上升對(duì)煤層進(jìn)行烘烤，使煤變質(zhì)程度增高，并伴隨焦化作用的進(jìn)行；垂向上距侵入巖距離相對(duì)較近的煤大部分變質(zhì)程度較高，且普遍具有焦化現(xiàn)象，為天然焦、高變質(zhì)無煙煤等，其宏觀、微觀特征與正常無煙煤差異較大；而垂向上距侵入巖距離相對(duì)較遠(yuǎn)的煤變質(zhì)程度相對(duì)較較低，為變質(zhì)程度相對(duì)較低的無煙煤；無煙煤與天然焦之間為過渡變化，無明顯區(qū)分界線；為減少煤與天然焦之間過渡成份對(duì)兩者識(shí)別的影響，依據(jù)區(qū)內(nèi)存在的四種侵入巖與煤層接觸關(guān)系類型進(jìn)行選擇性取樣，僅選擇正常煤及天然焦煤巖數(shù)據(jù)做為分析對(duì)象，并參照部分過渡層煤巖數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 無煙煤與侵入巖接觸關(guān)系類型

煤巖數(shù)據(jù)為區(qū)內(nèi)勘探階段各鉆孔原煤檢測結(jié)果，樣品的檢測工作由中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司物化測試中心承擔(dān)完成；各項(xiàng)檢測均依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)：煤的宏觀煤巖類型描述參照煙《煤的宏觀煤巖類型分類》(GB/T18023-2000)；煤的顯微組分觀測依據(jù)《煙煤顯微組分分類》(GB/T 15588-2013)；煤的鏡質(zhì)體反射率依據(jù)《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法》(GB/T 6948-2008)；顯微組分定量依據(jù)《煤的顯微組分組和礦物測定方法》(GB/T 8899-2013)。

3 煤巖特征

3.1 宏觀煤巖特征

無煙煤：灰褐色-鋼灰色，似金屬光澤，鏡煤、亮煤、絲炭及暗煤等煤巖成分清晰可見，易識(shí)別；煤體較完整，層狀結(jié)構(gòu)清晰可辨，煤層較堅(jiān)硬、錘擊易碎，密度小，具棱角狀斷口，裂隙發(fā)育，裂隙中常充填脈狀方解石，各煤層局部受構(gòu)造作用影響明顯，偶有小型褶皺，構(gòu)造滑面發(fā)育，但不影響層理的連續(xù)性；無巖漿巖細(xì)脈侵入現(xiàn)象。

天然焦：灰色為主，光澤暗淡，煤巖成分難以鑒別；局部煤體受構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)影響較破碎，層理不可辨，煤體極堅(jiān)硬，密度大，裂隙發(fā)育，但裂隙錯(cuò)亂，無主次裂隙之分，裂隙中充填的方解石多具有侵入巖烘烤特征，呈白褐色粉狀。

3.2 顯微煤巖特征

研究區(qū)主力煤層顯微煤巖特征(表1)表明，煤層的宏觀煤巖類型主要為半亮煤—光亮煤，少量半暗煤，煤巖成分主要為亮煤，少量鏡煤條帶；顯微煤巖鑒定顯示：煤中有機(jī)組分含量較高，平均值91.8%，有機(jī)組分主要為鏡質(zhì)組，惰質(zhì)組少量，未見殼質(zhì)組；煤中無機(jī)礦物含量較低，以塊狀及分散狀黏土礦物為主，碳酸鹽礦物等其他礦物少量。

過渡層：宏觀煤巖類型主要為暗淡煤，少量半暗煤，煤巖成分主要為暗煤，少量亮煤條帶，裂隙中大量充填碳酸鹽礦物，少量碳酸鹽有烘烤現(xiàn)象。有機(jī)組分含量不高，平均值76.3%，有機(jī)組分主要為惰質(zhì)組，鏡質(zhì)組少量，未見殼質(zhì)組。各煤層煤中無機(jī)成分含量較高，以分散狀和片狀黏土礦物為主。

天然焦：宏觀暗淡，密度大，具壓手感，多見侵入巖細(xì)巖脈穿插煤層，裂隙中多見烘烤后的白褐色粉末狀礦物。顯微組分明顯具焦化特征，多呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和鑲嵌結(jié)構(gòu)，常見黏土礦物充填組分空隙，亦可見烘烤變質(zhì)后的方解石等。

表1 研究區(qū)主力煤層顯微煤巖特征

4 煤與天然焦的煤巖學(xué)識(shí)別

煤天然焦化過程一般指具有一定特性的煤，在隔絕空氣的埋深狀態(tài)下，經(jīng)高溫巖漿熱液烘烤，緩慢轉(zhuǎn)化為天然焦的過程，煤天然焦化使煤的變質(zhì)程度增高，揮發(fā)分降低，同時(shí)伴隨著碳的富集過程；這一過程在煤的宏觀及微觀上均有明顯反映，故可以從煤的煤巖學(xué)特征層面予以識(shí)別。

4.1 宏觀煤巖特征識(shí)別

無煙煤和天然焦在宏觀煤巖特征上有較大的區(qū)別，其中以密度、硬度、結(jié)構(gòu)、煤巖成分清晰度及有無巖漿巖細(xì)脈侵入煤層并交代煤巖成分最為明顯。

另據(jù)地勘現(xiàn)場觀測，天然焦密度較大，有明顯壓手感；除受構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)處易碎外(圖3a)，大部分天然焦硬度較大、錘擊不易破碎，破碎后斷口處常呈粉末狀；不顯層狀，多呈塊狀；無法具體分辨煤巖成分，光澤暗淡(圖3b)；常見巖漿巖細(xì)脈侵入煤體(圖3c)，其裂隙中的礦物多有烘烤特征，炭質(zhì)泥巖夾矸經(jīng)巖漿巖烘烤后呈黑色(圖3d)。

4.2 反射率識(shí)別

煤級(jí)是表征煤在變質(zhì)過程中，即從植物物質(zhì)分解開始到最后階段(以石墨為代表)所處的階段；煤級(jí)的不同直接影響煤的工藝性能，精準(zhǔn)的確定煤級(jí)是研究煤炭的基礎(chǔ)；通過測定鏡質(zhì)組反射率可以定量地確定煤級(jí)。煤炭受到巖漿巖侵入影響后，煤的變質(zhì)程度增加，煤級(jí)隨之增加，故用反射率反演煤受巖漿巖影響后的變質(zhì)階段具有可行性。

研究區(qū)C-P地層中無煙煤的鏡質(zhì)體最大反射率(Rmax)為4.27%～5.39%，均值4.88%，屬高變質(zhì)無煙煤；對(duì)天然焦中少有的似鏡質(zhì)組的各項(xiàng)同性結(jié)構(gòu)進(jìn)行反射率檢測，Rmax為5.18%～7.54%，均值為6.32%，明顯高于高變質(zhì)無煙煤Rmax檢測值。

據(jù)此，初步認(rèn)為將無煙煤和天然焦Rmax內(nèi)插中值Rmax=5.60%作為研究區(qū)煤與天然焦反射率識(shí)別界限；Rmax>5.60%為天然焦，Rmax<5.60%為高變質(zhì)無煙煤。

4.3 顯微煤巖特征識(shí)別

煤的顯微組分是在顯微鏡下劃分的煤的基本組成成分；包括鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組及無機(jī)組分等。顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)上看，無煙煤階段，顯微組分已趨于一致，但組分間界限依然存在，組分各項(xiàng)異性現(xiàn)象明顯(圖4a、圖4b)。煤經(jīng)天然焦化后，變?yōu)樘烊唤?，顯微鏡下觀察，已無法分辨顯微組分，顯微鏡下觀察，可見大量的長型狀、近橢圓形及不規(guī)則狀的大小氣孔，具各項(xiàng)同性結(jié)構(gòu)、細(xì)-粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)及流動(dòng)狀結(jié)構(gòu)(圖4c、圖4d、圖4e)；同時(shí)，天然焦中看到的礦物形態(tài)亦具有明顯的氣孔狀，如經(jīng)焦化后的方解石(圖4f)，已不具有條帶狀各向異性消光現(xiàn)象，其各項(xiàng)異性呈不規(guī)則狀，且差異性加大。

從無煙煤及過渡層的顯微組分統(tǒng)計(jì)看(表1)，無煙煤經(jīng)巖漿巖熱液烘烤影響后，變質(zhì)程度加劇，部分煤中的不穩(wěn)定鏡質(zhì)組分過渡為惰質(zhì)組分， 致使無煙煤中鏡質(zhì)組分明顯高于過渡層中鏡質(zhì)組含量，惰質(zhì)組分相反。

圖3 天然焦鉆孔樣品

圖4 無煙煤和天然焦顯微照片(反光，油侵，500×)

同時(shí)，煤具有吸附作用，巖漿熱液烘烤后，吸附部分揮發(fā)分礦物質(zhì)，這些揮發(fā)分礦物質(zhì)在煤層中聚集，致使過渡層中有機(jī)組分含量較煤中明顯降低，礦物含量增高；從礦物組成看，這些被煤吸附的揮發(fā)分礦物多以黏土礦物的形式存在。無煙煤→過渡層→天然焦屬過渡關(guān)系，由無煙煤與過渡層顯微煤巖特征可以推定，天然焦階段灰分會(huì)更加富集，經(jīng)實(shí)際檢測，灰分多在35%以上，與推定基本吻合。

從上述分析看，無煙煤與天然焦可以從煤巖學(xué)角度快速識(shí)別，即通過宏觀特征、反射率、顯微組分特征等方面加以判別，具體區(qū)別特征總結(jié)如表2。運(yùn)用該識(shí)別特征，在研究區(qū)后期多個(gè)鉆孔中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，均可以較好的識(shí)別無煙煤與天然焦；可見該識(shí)別特征可供巖漿巖侵入?yún)^(qū)識(shí)別無煙煤與天然焦。

表2 無煙煤與天然焦簡易識(shí)別特征

5 結(jié)論

1)在地勘階段，可以通過煤巖學(xué)方法對(duì)無煙煤與天然焦進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別；無煙煤與天然焦在煤巖學(xué)上的明顯區(qū)別，主要表現(xiàn)為密度、結(jié)構(gòu)、宏觀煤巖成分等宏觀煤巖特征上的差異以及反射率、顯微組分劃分等顯微煤巖特征上的差異。

2)在同一研究區(qū)內(nèi)，無煙煤表現(xiàn)為低密度，較輕，具層狀構(gòu)造，且宏觀煤巖成分清晰可見等宏觀煤巖特征；同時(shí)，顯微煤巖特征表現(xiàn)為較高反射率(Rmax<5.60%)，顯微煤巖組分清晰可見等特征。

3)在同一研究區(qū)內(nèi)，天然焦表現(xiàn)為高密度，質(zhì)重，不具層理等沉積構(gòu)造特征，且宏觀煤巖成分無法分辨；同時(shí)，顯微煤巖特征表現(xiàn)為高反射率(Rmax>5.60%)，顯微煤巖組分無法分辨，具明顯氣孔狀、鑲嵌結(jié)構(gòu)等焦炭特征。

4)無煙煤及天然焦的煤巖學(xué)識(shí)別特征明顯，在宏觀及顯微煤巖特征方面均具有較強(qiáng)的對(duì)比性(表2)，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證具有較好的應(yīng)用效果，可應(yīng)用于地勘時(shí)期識(shí)別無煙煤與天然焦。