不同类型接触变质煤大分子结构差异性研究_束振宇.pdf

不同类型接触变质煤大分子结构差异性研究束振宇1，徐祥1，魏迎春1，王安民1，王路2，刘志飞3，陈高建1，曹代勇1（1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083；2.山西能源学院地质与测绘工程系,山西晋中030600；3.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院,北京100013）摘要：岩浆侵入煤层时发生接触变质作用，导致煤的显微组分、煤级、化学成分、物理化学结构、工艺性质发生改变。不同的构造热条件下形成不同类型的接触变质产物。为从大分子结构尺度揭示不同类型接触变质煤的差异性及其控制因素，采用工业分析、元素分析、反射率测定、X 射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）等测试方法，并结合地质背景分析，开展山西大同塔山矿区天然焦系列样品和湖南鲁塘矿区煤系石墨系列样品的对比研究。结果表明：小型浅成岩体沿断裂侵入煤层后，热作用时间短，热封闭性差，属于高温低压条件，接触变质带窄，发育天然焦热变煤序列；该系列处于碳化作用阶段，煤大分子结构以化学变化为主，芳构化作用和环聚合作用占主导地位，表现为富碳、去氢、脱氧。侧链和官能团等活性部位缺陷减少，芳香结构单元增长并导致芳层面内缺陷增加，芳香层片并未有序排列。区域性挤压构造背景下侵入的岩株、岩基等酸性、中酸性深成岩体，热量充足，热封闭性好，为高温高压条件，接触变质带宽度可超过 1km，发育石墨半石墨无烟煤变质序列；煤系石墨系列的化学成分成熟度高且变化小，大分子结构以物理变化为主，主要发生拼叠作用和秩理化作用。非定向的芳香层片在力的作用下拼接叠合、旋转定向，缺陷不断减少，向三维有序的晶体结构转变。关键词：岩浆接触变质；天然焦；煤系石墨；大分子结构；高温低压；高温高压中图分类号：TQ530文献标志码：A文章编号：02532336（2023）06014711Study on macromolecular structure of different types of contact metamorphic coalsSHUZhenyu1,XUXiang1,WEIYingchun1,WANGAnmin1,WANGLu2,LIUZhifei3,CHENGaojian1,CAODaiyong1（1.School of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and TechnologyBeijing,Beijing 100083,China;2.Department of Geology and Surveying and Mapping Engineering,Shanxi University of Energy,Jinzhong 030600,China;3.Coal Science and Technology Research Institute,Beijing 100013,China）Abstract:Contactmetamorphismoccurswhenmagmaintrudesintothecoalseam,resultinginchangestothemicrofraction,grade,chem-icalcomposition,physico-chemicalstructureandprocesspropertiesofthecoal.Differenttypesofcontactmetamorphicproductsareformedunderdifferenttectonic-thermalconditions.Inordertorevealthevariabilityofdifferenttypesofcontactmetamorphiccoalsandtheircontrollingfactorsfromthemacromolecularstructurescale,acomparativestudyofnaturalcokeseriessamplesfromtheTashanmineinDatong,ShanxiProvinceandcoal-basedgraphiteseriessamplesfromtheLutangmineinHunanProvincewascarriedoutusingindus-trialanalysis,elementalanalysis,reflectancedetermination,X-raydiffraction(XRD)andRamanspectroscopy(Raman)testmethods,andcombinedwithgeologicalbackgroundanalysis.Theresultsshowthatthesmallshallow-formedrockshaveashortthermalactiontime,poorthermalconfinementconditions,belongtohightemperatureandlowpressurecondition,narrowcontactmetamorphiczone,andde-velopnaturalcoke-thermaltransformationcoalsequence;theseriesisinthecarbonationstage,andthecoalmacromolecularstructureis收稿日期：20221101责任编辑：常琛DOI：10.13199/ki.cst.2021-1466基金项目：国家自然科学基金资助项目（42072197，41772156）作者简介：束振宇（1997），男，江苏丹阳人，硕士研究生。E-mail：通讯作者：曹代勇（1955），男，重庆人，教授，博士生导师。E-mail：第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023束振宇，徐祥，魏迎春，等.不同类型接触变质煤大分子结构差异性研究J.煤炭科学技术，2023，51（6）：147157.SHUZhenyu，XUXiang，WEIYingchun，et al.StudyonmacromolecularstructureofdifferenttypesofcontactmetamorphiccoalsJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（6）：147157.147dominatedbychemicalchanges,witharomatizationandringcondensationdominating.Itshowscarbonenrichment,dehydrogenation,deoxygenation,reductionofdefectsintheactivesitessuchassidechainsandfunctionalgroups,growthofaromaticstructuralunitslead-ingtoanincreaseindefectswithinthearomaticlevel,andthearomaticlamellaearenotordered.Theacidicandmoderatelyacidicdeep-formedrockbodiessuchasstrainsandbasesintrudedinaregionalextrusivetectonicsettingarewellheated,thermallyconfinedandunderhightemperatureandpressureconditions,andthecontactmetamorphicwidthcanexceed1km,developinggraphite-semi-graphite-anthra-citemetamorphicsequences;thechemicalcompositionofthecoal-basedgraphiteseriesishighlymatureandlessvariable,andthemacro-molecularstructureisdominatedbyphysicalchanges,mainlyoccurringascollagenesisandrankphysicochemicalinteractions.Thenon-orientedaromaticlamellaearesplicedandstackedandrotatedandorientedbyforces,withacontinuousreductionofdefectsandatrans-itiontoathree-dimensionalorderedcrystalstructure.Key words:magmacontactdeterioration；naturalcoke；coal-basedgraphite；macromolecularstructure；hightemperatureandlowpres-sure；hightemperatureandhighpressure0引言中、新生代岩浆活动所引起的煤的岩浆热变质作用促使中国大量中、高煤级煤的出现，岩浆在拉张、挤压、剪切、走滑等多种构造环境中上升、定位1-2，使区域地热梯度明显上升，形成叠加热场。岩浆热场范围的大小和形状受控于侵入体的温度、成分、形态、大小、侵入深度以及流体、构造、围岩性质等因素，其冷却时间则与岩体的大小、埋深、以及构造形成的热封闭条件有关3。当岩浆侵入煤系或直接侵入煤层时，发生接触变质作用。杨起4将煤的接触变质作用划分为 3 个亚型：脉岩岩浆接触变质作用、小型浅成岩浆接触变质作用和大型深成岩浆接触变质作用。不同构造热条件下煤的接触变质作用通常形成两种演化路径不同的产物，分别为天然焦热变煤序列与煤系石墨无烟煤序列5-10。煤层与小型浅成岩体接触往往形成天然焦热变煤序列。当岩株、岩基等酸性、中酸性深成岩体侵入煤层，封闭性良好时，围绕岩体形成宽厚的石墨半石墨无烟煤变质带11-16。我国接触变质煤分布广泛，类型多样，煤质与工艺性能差异明显，其中天然焦和煤系石墨可作为工业原料，具有重要的经济价值17-19。前人对接触变质煤开展了大量的工作，在煤岩学特征20-24、化学结构18,25-29、影响因素14-15,30-40、赋存规律41-43等方面取得众多研究成果。相对而言，针对天然焦热变煤序列和煤系石墨无烟煤序列的显微组分、煤级、化学成分、物理化学结构、工艺性质的系统性对比研究工作较薄弱，制约了资源的合理开发利用。为区分这 2 种煤接触变质产物，选取山西大同塔山矿天然焦系列样品和湖南鲁塘煤系石墨系列样品，从大分子结构演化差异角度，揭示不同构造热条件下接触变质煤的变质机理，在此基础上，探讨地质条件要素对煤大分子结构演化的控制作用，为查明资源赋存特征提供科学依据。1地质背景与样品采集1.1样品采集天然焦系列样品有 4 个，采自山西大同塔山井田 5222 巷的太原组，离岩体由近及远分别编号 DT-1、DT-2、DT-3、DT-4；煤系石墨系列样品有 6 个，采自湖南鲁塘矿区的二叠系龙潭组，分别编号 LSM-1、LSM-2、LSM-3、LSM-4、LSM-5、LSM-6。研究区地质构造特征及采样点位置如图 1 所示。1.2湖南鲁塘矿区鲁塘矿区位于湘桂粤赣褶皱带南岭褶皱区的鲁塘沙田复式向斜中部。鲁塘沙田复式向斜轴向北北东，轴面倾向西，倾角 7885，长约 3km，东翼缓西翼陡41。矿区东部的骑田岭岩体是燕山期岩浆多期次侵入形成的复合岩基。受区域构造控制，呈 NNE 向展布，分布面积达 520km2，是煤石墨化的主要热源。石墨矿分布受褶皱构造的控制，并不完全与距骑田岭岩体的远近有关。矿区构造格局呈现分区分带特征43，可分为 3 个东西向的条带和 3 个南北向的分区