王 麒 董正乐 张 波 张平卿 侯泉林 王心义

(1.华北水利水电大学资源与环境学院，河南省郑州市，450046； 2.平顶山天安煤业股份有限公司，河南省平顶山市，467000； 3.中国平煤神马集团能源化工研究院，河南省平顶山市，467000； 4.中国科学院大学地球科学学院，北京市石景山区，100049； 5.河南理工大学资源环境学院，河南省焦作市，454000)

★ 煤炭科技·地质与勘探★

地温异常与岩浆岩协同作用下煤变质程度研究

王 麒1董正乐2张 波3张平卿2侯泉林4王心义5

(1.华北水利水电大学资源与环境学院，河南省郑州市，450046； 2.平顶山天安煤业股份有限公司，河南省平顶山市，467000； 3.中国平煤神马集团能源化工研究院，河南省平顶山市，467000； 4.中国科学院大学地球科学学院，北京市石景山区，100049； 5.河南理工大学资源环境学院，河南省焦作市，454000)

基于在平顶山煤田提取的40个煤样和45组地温梯度数据以及岩浆岩侵入体分布情况，分析了煤变质程度的空间分布特征，研究了岩浆岩侵入和地温梯度对煤变质程度的控制作用。研究结果表明：平顶山煤田内同一矿井，下组煤变质程度高于上组煤；存在岩浆岩侵入体的十三矿二组煤的变质程度最高，燕山晚期岩浆岩侵入是控制煤田煤变质程度的关键因素；地温越高、地温梯度越大，煤的变质程度越高，地温场变化对煤变质程度有重要的影响。

煤变质程度 镜质组反射率 岩浆岩侵入体 地温梯度

煤变质程度受地温、地压和地质作用时间等因素的耦合作用影响，而地温、地压和地质作用时间又受热流背景值、地下水流动、岩层埋深、地质构造、岩浆岩侵入等因素的控制。依据上述影响因素，煤变质作用可划分为深成变质作用、区域岩浆热变质作用、接触变质作用和热液热水变质作用4种类型。分析煤的变质程度，查明其与地质特征和地温场分布之间的关系，不但对于探究煤的成因及影响因素、实现煤的合理分级利用具有重要的意义，同时对于阐明当地的地质、水文地质及温度场特征提供重要的科学支持。

针对平顶山煤田地温较高且有岩浆岩侵入体存在的现象，开展煤变质、岩浆岩侵入、地温场三位一体特征的研究，分析煤变质程度的空间变化特征，解析岩浆岩侵入体和地温异常造成的影响，以期为平顶山煤田煤变质程度的深入研究奠定基础并为相似煤田的同类研究提供参考。

1 研究区概况

平顶山煤田位于华北板块南缘，属秦岭纬向构造带的东延部分。该煤田四周被断陷盆地包围，为中央隆起、四周凹陷的地垒式构造。断陷盆地与中央隆起断块之间均以高角度正断层相接，高角度正断层控制着平顶山煤田的边界。煤田东西走向长约40 km，南北倾向宽约10～20 km，含煤面积约650 km2，煤田矿井及构造分布如图1所示。

图1 平顶山煤田矿井及构造分布图

目前平顶山煤田开采的矿井有17对，煤层采掘深度均超过600 m，八矿和十二矿采掘深度分别达1100 m和1150 m，自下而上开采的煤层主要有石炭系太原组一组煤、二叠系山西组二组煤、二叠系下石盒子组四组煤和五组煤。

2 煤变质程度分布特征

目前，表征煤变质程度的指标有镜质组反射率(RO)、挥发分(V)、碳含量(C)、氢含量(H)、水分(M)、发热量(Q)等。由于镜质组反射率既不受煤岩成分、灰分、煤样代表性的影响，也不受煤还原程度的影响，因此被公认是表征煤变质程度的最好指标。本文应用煤镜质组反射率来分析煤变质程度特征。

2.1 取样及测试

在平顶山煤田共提取煤样40个(其中五组煤7个、四组煤6个、二组煤24个、一组煤3个)，由河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室实测镜质组反射率，测试结果见表1。由表1可知，各矿井煤样的镜质组反射率均在1.240～1.598之间，平均值为1.388。

2.2 垂向分布特征

煤田区内同一矿井分煤层的镜质组反射率见表2，其直方图见图2。明显可以看出，除四矿和十一矿的五组煤镜质组反射率高于四组煤外，其他矿井均表现出下组煤的煤镜质组反射率高于上组煤的特征。从整个平顶山煤田来看，下组煤形成时代早于上组煤；而针对同一矿井来看，下组煤的埋深大于上组煤。因此，平顶山煤田内同一矿井，表现出煤层形成时代越早、埋深越大其变质程度越高的特征。

表1 平顶山煤田各煤层镜质组反射率测试结果

表2 平顶山煤田各矿井煤层镜质组反射率平均值

2.3 平面分布特征

以数据量最为丰富的二组煤为研究对象，分析其煤变质程度的平面分布特征。平顶山煤田不同矿井的二组煤镜质组反射率均值见表3和图3，二组煤样品镜质组反射率平均值为1.407。显然，十三矿二组煤的镜质组反射率最高，五矿锅底山断层北侧采区二组煤的镜质组反射率次之，镜质组反射率最小的是十一矿，其次为九矿。

表3 平顶山煤田二组煤样品镜质组反射率平均值

图2 平顶山煤田各矿井煤层镜质组反射率平均值直方图

图3 平顶山煤田二组煤样品镜质组反射率直方图

平顶山煤田二组煤镜质组反射率的平面分布情况如图4所示。由图4可以看出，总体上煤田北部和东北部二组煤镜质组反射率较南部和西南部高，偏高的区域主要位于十三矿、首山一矿、八矿以及十二矿，同时煤田西南部的五矿锅底山断层北侧采区个别地点也异常高。

图4 平顶山煤田二组煤样品镜质组反射率分布

3 煤变质影响因素分析

3.1 岩浆岩侵入体

平顶山煤田十三矿煤层采掘过程中，在一采区的11040工作面和11080工作面以及三采区的13021工作面和13081工作面均发现有晚中生代燕山晚期岩浆岩存在，主要岩性为中性闪长玢岩基性辉绿岩，岩体走向为北东东向，长度为860 m，最宽处为60 m。岩墙侵入含煤地层，是二组煤层中天然焦存在直接原因。

由表3可以看出，在平顶山煤田所有煤层中，镜质组反射率最大值为1.598，其样品来自十三矿二组煤；在二组煤中，十三矿的镜质组反射率平均值为1.546，远高于其他矿井二组煤的1.296～1.469。而十三矿恰好有岩浆岩侵入体的存在，其产生的较高的古地温场导致本矿井煤变质程度较高，可见岩浆岩的侵入是控制本煤田煤变质程度高低的关键因素。

3.2 地温和地温梯度

关于平顶山煤田煤变质垂向分布特征的研究表明，平顶山煤田内的同一矿井，煤层形成时代越早、埋深越大，其变质程度越高。这是因为煤层形成时代越早，其经受的热作用历时越长；埋深越大，其地温越高。因此地温高低是影响煤变质程度的重要因素。

根据平顶山煤田实测的45个寒武灰岩地热水温度，可计算各矿井平均的地温梯度，其值在1.120～5.560 ℃/hm之间，平均值为3.320 ℃/hm。除十三矿外的二组煤镜质组反射率与地温梯度对比见表4，其关系如图5所示。由图5可以看出，地温梯度越高，煤样镜质组反射率越大，即二者表现出明显的正相关性，表明了现代地温场也是影响煤变质程度的主要因素。

十三矿的现代地温梯度平均值为3.514 ℃/hm，在整个煤田处于中等水平；而二组煤镜质组反射率平均值为1.546，处于最高水平。表明岩浆岩侵入产生的古地温场对煤变质程度影响远大于现代地温场的影响。

表4 煤田内地温梯度与二组煤样品镜质组反射率

图5 煤样品镜质组反射率与地温梯度关系散点图

4 结论

(1)平顶山煤田同一矿井范围内，下组煤的形成时代早于上组煤、埋深大于上组煤，且下组煤变质程度高于上组煤。

(2)平顶山煤田内，存在岩浆岩侵入体的十三矿二组煤的变质程度最高，岩浆岩侵入是控制煤田煤变质程度的关键因素。

(3)平顶山煤田内，地温越高、地温梯度越大，煤的变质程度越高，地温和地温梯度是影响煤变质程度的重要因素。

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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

国家自然科学基金(41672240)，河南省高校科技创新团队支持计划(15IRTSTHN027)，华北水利水电大学博士基金

王麒，董正乐，张波等. 地温异常与岩浆岩协同作用下煤变质程度研究[J]. 中国煤炭，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，讲师，博士，从事构造地质和矿井水文地质的研究工作。

(责任编辑 郭东芝)