0 引 言
柳江盆地作为我国北方重要的地质实习基地，盆地内的构造、火成岩研究一直是我国地质学者们关注的热点[1-4]。自1958年柳江煤田规模开采至今，煤系侵入岩一直困扰着该区煤炭开发利用。
我国华北地区河南、河北、山西、山东以及内蒙古的部分地区石炭二叠纪含煤地层受火成岩影响严重[5]。
国内学者对含煤盆地侵入岩的关注始于20世纪80年代，季叔康等[6]研究了岩浆对煤层的侵蚀规律，总结了火成岩侵蚀区煤炭资源量估算的方法；赵永晞等[7]提出了岩浆侵入区煤层可采性评价方法，并建立了可采性评价模型；秦忠诚在临沂煤田的研究表明岩浆侵入煤层后，使煤的变质程度发生突变，可将残留煤与原生煤的厚度比值作为火成岩对煤层影响程度进行分级的依据[8]。近年来，相关研究的焦点多聚集于火成岩对煤质、煤炭加工利用、瓦斯赋存规律和冲击地压的影响等方面。文献[9-10]认为岩浆侵入体使煤类由低煤阶煤逐渐向高煤阶煤分带变化，并指出岩浆侵入后使煤的灰分、挥发分增高，碳含量、氢含量和发热量降低；文献[11]提出高温岩浆侵入煤层增强了煤的吸附能力和瓦斯扩散速度，侵入岩盖层为煤层瓦斯富集提供了圈闭条件，增大了瓦斯突出事故的可能性；文献[12-13]分析了巨厚层火成岩下采煤时工作面的来压机理，提出距离煤层较近的坚硬火成岩顶板有利于应力集中，增加了大面积来压和冲击矿压的风险。
随着煤炭资源勘探开发向盆地深部转移，火成岩侵入给煤炭开采利用带来的困难越发突显，因此，侵入岩对煤层、煤质、瓦斯影响研究对于盆地内矿井设计、开采设备选型、煤炭分选和加工利用具有现实意义。基于大量的钻探、测井、岩矿分析、煤岩鉴定、煤质分析数据，笔者按煤层与侵入岩之间的空间位置关系建立了几种岩浆侵入的模式，探讨了不同侵入类型对煤岩特征和煤质参数的影响程度。
1 地质概况
柳江盆地位于燕山断褶带东段，为走向南北、向西开口的箕状断陷盆地，面积约190 km2。盆地周缘由太古界花岗岩和燕山期花岗岩体构成，内部断裂构造发育，SN向、EW向、NW向和NE向断裂构造遍布全区，构造规模大、延伸远、切割深，控制了盆地的构造格架(图1)。盆地中西部发育近南北向东缓西陡的不对称向斜，核部出露侏罗系地层，两翼出露石炭—二叠系地层。盆地内地层由老到新依次有太古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系下统及第四系。
含煤地层为下石炭统太原组、下二叠统山西组和侏罗纪下花园组(以往定名为北票组)。下花园组为内陆河流相及沼泽相沉积，平均厚度255.30 m，含煤10层，自上而下依次为J1—J10，其中J10为可采煤层；山西组为大陆近海沼泽相沉积，平均厚度90.45 m，含可采煤层煤2、煤3上和煤3；太原组为海陆交互泻湖沼泽相沉积，平均厚度49.09 m，含可采煤层煤5(图2)。
对煤系影响最大的侵入事件发生于晚侏罗世，即燕山运动第1期安山岩喷出及闪长岩侵入旋回，大致相当于燕山运动Ⅱ幕末至Ⅲ幕初的火山事件，地质年龄约165±10 Ma。岩浆侵入深度在500～1 200 m，其形成环境介于喷发与侵入岩之间，属次火山岩类[14]。
图1 柳江盆地构造格架
Fig.1 Tectonic frame of Liujiang Basin
2 煤系侵入岩特征
岩浆在压力作用下突破地壳软弱面后，一部分沿通道继续上升到达地表，在老君顶、傍水崖、北峪附近堆积了中性火山熔岩(玄武粗安岩、粗安岩、粗面岩)和次火山岩(粗安岩)；另一部分则以张性断裂为主要通道，在通道附近形成了岩墙和岩株并吞噬煤层。到达煤层附近后沿煤层、(炭质)泥岩等软弱层间面、裂隙、节理横向侵入煤层，形成平行于煤层的岩席和穿插于煤层的岩脉(图3)。岩浆向远端扩散的过程中压力逐渐减小，对煤层的破坏程度也越来越弱。
侵入岩主要分布于含煤地层太原组、山西组和下花园组上部。山西组侵入岩累计厚度2.50～29.24 m，侵入岩占山西组厚度比例最高可达52.36%；太原组侵入岩累计厚度0.78～16.92 m，侵入岩占太原组厚度比例最高可达30.04%。
九龙山组、下花园组下部、上石盒子组和下石盒子组岩性以粗粒陆源碎屑岩为主，胶结致密，裂隙不发育，岩浆侵入有限。
图2 柳江盆地地层综合柱状
Fig.2 Stratigraphic columnar of Liujiang Basin
图3 柳江盆地晚侏罗世中性岩浆侵入模式
Fig.3 Intermediate magma invasion model of late Jurassic in Liujiang Basin
平面上，从晚古生代煤系中现今侵入岩厚度变化(图4)可以看出：①岩浆大面积侵入于盆地的含煤地层中，中部侵入强度大，向东西两翼逐渐减弱；②煤系侵入岩厚度变化与地表喷出岩分布范围之间的相关性间接证明了煤系侵入岩与地表安山岩之间的同期异相关系；③根据煤系侵入岩厚度、喷出岩、煤层吞噬区三者之间的相对位置关系，以及三者与盆地构造走向之间的一致性可大致推断出岩浆上升通道的平面位置主要位于傍水崖—黑峪沟—北峪一线和义院口、蔡庄附近。
煤系侵入岩岩性主要为安山玢岩、玄武安山玢岩和次闪长玢岩，具有斑状结构，斑晶以斜长石为主，少量角闪石和黑云母，基质成分与斑晶相似，细小板状斜长石散乱分布，其间充填暗色矿物和玻璃质。斑晶和基质均发生了强烈的碳酸盐化，呈变余碎屑假象(图5)。
3 岩浆侵入对煤层稳定性和结构的影响
高温岩浆携带大量气体经断裂通道上升到煤系时，沿强度较弱的煤层、炭质泥岩、铝质泥岩等层间面顺层侵入，在煤层顶、底板横向延伸形成岩席；当遇到裂隙或断层时沿通道穿插于煤层中形成岩脉，局部见岩墙或岩柱。岩浆侵入对煤层同时产生了机械破坏和化学吞蚀作用[6]。
根据现有工程控制情况，按盆地内侵入岩与煤层空间关系和对煤层的破坏程度，可建立以下4种侵入类型(图6)：
图4 晚古生代含煤地层中侵入岩厚度分布
Fig.4 Thickness distribution of intrusive rocks in late Paleozoic coal-bearing stratum
图5 煤系侵入岩镜下照片
Fig.5 Microscopic photographs of coal-bearing intrusive rock
1)顶板侵入型(图6a)。岩浆沿煤层顶板软弱岩层或层间面侵入，对煤层进一步压实并局部吞噬煤层，使煤层厚度变薄，使煤的变质程度发生了分带变化。顶部与岩浆直接接触的部分变质为天然焦，向下为煤焦混合带，底部距离侵入岩较远的煤层保留了正常无烟煤。
2)底板侵入型(图6b)。岩浆沿煤层底板软弱岩层或层间面侵入，对煤层压实和局部吞噬的同时具有明显的烘烤作用。相比于顶板侵入型，底板侵入型天然焦和煤焦混合带厚度更大，仅保留了较少的正常无烟煤。
3)复合穿插侵入型(图6c)。岩浆沿煤层顶、底板和夹矸穿插侵入于煤层，对煤层破坏最严重。煤层同时接受压实和烘烤作用，侵入岩夹矸使煤层结构变复杂，当侵入岩厚度较大时将煤层分割成上下2个煤分层：煤3和煤3上。煤层整体变质作用加深，全部变质为结构复杂的天然焦。
4)吞噬型(图6d)。岩浆完全吞噬煤层并占据了煤层原有位置。吞噬区煤层原始沉积厚度较薄且距离岩浆上升通道较近，岩浆侵入强度较大，将煤层全部吞噬，形成了含煤区内的侵入岩“天窗”。
目前已经揭露和控制了4个相对独立煤层吞噬区，累计面积1.29 km2，另外岩浆侵入造成煤3不可采的面积2.07 km2。
盆地内大部可采煤层煤3的厚度变异系数为53%，局部可采煤层煤2厚度变异系数为42%，煤3上厚度变异系数为75%，煤5厚度变异系数为65%。煤3受岩浆侵入最严重，煤层厚度为0～11.56 m，平均厚度3.82 m，均方差为2.03，其他煤层均方差均接近1[15]，表明岩浆侵入是煤3稳定性变差的主要原因。
据统计，钻孔揭露的含夹矸的见煤点中，粉砂岩夹矸占6%，泥岩和炭质泥岩夹矸占9%，闪长岩夹矸占85%，约23%的钻孔见煤点因闪长岩夹矸厚度大于0.8 m，将煤层分割为煤3和煤3上。由此可见，岩浆侵入是导致煤层结构复杂的主要因素。
岩浆侵入对煤层稳定性和结构的破坏程度与煤层原始沉积厚度、结构、顶底板岩性、裂隙/断层发育程度以及与岩浆上升通道之间的距离有密切关系，是多种因素共同作用的结果。
4 岩浆侵入对煤岩特征的影响
区域变质及岩浆接触变质的双重作用，使煤的变质程度升高，使煤类在垂向上形成递变分带[9-10,16]。本区煤变质程度总体较高，目前未发现除
图6 岩浆对煤层侵入破坏的模式
Fig.6 Failure mode of intrusive magma on coal seam
无烟煤以外的其他煤类。但是，根据宏观煤岩类型、显微煤岩特征及镜质体反射率也可将煤层在纵向上划分为正常煤(无烟煤)、煤焦混合带和天然焦3个带，三者宏观上为过渡接触，无明显的分界线。
4.1 宏观煤岩特征
正常煤：一般距侵入岩较远，黑色，金属光泽或弱玻璃光泽，以亮煤为主，暗煤次之，局部夹丝炭薄层和镜煤条带。
煤焦混合带：位于正常煤与天然焦之间，黑褐色，光泽暗淡，以暗煤为主，见细条带状镜煤及亮煤条带，煤体较坚硬。
天然焦：直接与火成岩接触，钢灰色，无光泽，宏观煤岩成分无法辨识，局部可见瘤状煤岩成分，瘤状粒度0.5 cm左右，见烧变方解石部分充填裂隙，局部煤体胶结疏松，锤击后呈碎粒状。
4.2 显微煤岩特征
无烟煤：镜质体以均质镜质体为主，表面平整光滑，可见楔形裂纹，惰质组以丝质体和半丝质体为主(图7a、图7b)。
煤焦混合带：局部仍具有无烟煤的光学特征，大体保留了镜质体组分的轮廓，其多见近圆形或椭圆形的气孔(图7c)。
天然焦：煤岩组分已无法清晰辨识，呈网状结构或镶嵌结构，在正交偏光下具有光学各向异性，呈细花纹状消光(图7d)。
图7 煤、煤焦混合带、天然焦的显微煤岩照片
Fig.7 Microscopic photographs of coal,coal-coke mixing and mineral coke
4.3 镜质体反射率
研究区煤的变质程度整体较高，煤化阶段属高煤阶煤Ⅲ。正常煤Ro,max平均值在4%～5%，煤焦混合带Ro,max一般大于6%，而天然焦因有机组分全部被破坏，Ro,max已无法测定[15](表1)。
表1 不同侵入模式显微煤岩组分及镜质体反射率
Table 1 Macerals and vitrinite reflectance of different invasion modes
煤层编号有矿物基含量/%含矿物基含量/%镜质组惰质组壳质组有机组分黏土含量Ro,max/%侵入模式J1087.112.9 — 98.11.94.80未侵入393.46.6— 93.24.94.8682.817.2— 90.38.84.89顶板侵入型354.645.4— 79.219.46.3934.665.4— 73.425.26.25底板侵入型34件样品因煤层内部结构破坏严重,无法分辨显微组分,Ro,max无法测定复合穿插侵入型
5 岩浆侵入对煤质特征的影响
以全区所有见煤点的煤质化验数据为样本，按前述4种侵入模式分类统计发现(表2)：火成岩侵入对煤层灰分、挥发分、固定碳含量、碳氢原子比、视密度、发热量、热稳定性和可选性等煤化学指标改变较大；不同的侵入类型对煤质的影响各异，随着侵入岩与煤层之间垂向距离逐渐减小，灰分增高、挥发分升高、固定碳含量降低，碳氢原子比增大，视密度增高，发热量降低，煤层热稳定性变差，煤的可选性变差；各项煤质指标的变化趋势大致为未侵入→顶板侵入型→底板侵入型→复合穿插侵入型。
1)灰分(Ad)。岩浆高温烘烤使煤层发生接触热变质作用，破坏煤层部分有机组分，煤中无机组分残留，导致原生矿物质比例上升。岩浆侵入过程中携带大量的矿物质混入煤层，煤层次生矿物质比例升高，煤层灰分进一步增大，同时使煤灰中SiO2含量增大。按GB/T 15224.1—2010《煤炭质量分级第一部分：灰分》煤炭资源灰分分级，未受侵入影响的煤层灰分平均值为22.39%，总体为中灰煤；顶板侵入的煤层少部分为中灰煤，大部分为中高灰煤，底板侵入和复合穿插侵入的煤层全部为中高灰煤或高灰煤。随着火成岩破坏程度的加深，煤层原煤灰分逐渐增高(图8a)。
表2 不同侵入模式的煤质特征[20-22]
Table 2 Coal quality characteristics of different invasion modes
侵入类型见煤点数Ad /%Vdaf /%FCd /%碳氢原子比ARD/(g·cm-3)Qnet,d/(MJ·kg-1)TS+6 /%未侵入2615.47～30.5922.395.69～10.497.6563.34～78.1371.081.76～3.152.571.4523.62～29.6626.1892.3顶板侵入型2525.66～39.2432.585.44～13.798.0455.28～68.1761.681.77～6.713.291.8117.89～23.4920.8275.1底板侵入型1830.24～38.7334.705.43～9.748.4355.29～64.4959.921.93～6.373.761.8118.30～22.1320.6160.9复合穿插侵入型3929.40～39.9435.065.23～12.308.5148.92～64.5058.331.83～7.763.891.8517.49～21.8319.9730.5
注：TS+6为粒度大于6 mm的残焦质量占各粒级残焦质量之和的百分比，为主要热稳定性指标。
图8 不同侵入类型对煤质的影响变化趋势
Fig.8 Coal quality trends of different invasion modes
2)固定碳(FC)。各侵入类型之间煤层固定碳含量(FCd)的变化趋势与灰分变化趋热正好相反。煤层受侵入影响后，固定碳含量明显降低，降幅在11%左右(图8a)。
3)发热量(Q)。本区正常煤层干燥基低位发热量(Qnet,d)为23.62～29.66 MJ/kg，平均26.18 MJ/kg，属中高发热量煤。岩浆侵入后使煤层发热量大幅降低，顶板侵入型和底板侵入型平均发热量相近，复合穿插侵入型发热量大幅降低，降至中低发热量，已不能满足无烟煤资源储量估算的最低发热量工业指标。
4)挥发分(V)。研究区煤类为无烟煤，浮煤的干燥无灰基挥发分产率(Vdaf)在5.23%～13.79%，平均8.12%，总体属特低挥发分煤。随着火成岩破坏程度的加深，浮煤挥发分有微弱增高的趋势(图8b)，说明本区煤层整体变质程度较高，岩浆热液作用对煤变质程度的贡献相对较弱。
5)碳氢原子比。高温岩浆沿煤层侵入后，煤层中的有机质发生二次“热解”，造成一部分C、H元素伴随热解后烃类气体逸散，使煤层中的C、H元素含量同时降低。同时岩浆侵入造成煤的碳氢原子比降低，影响了其燃烧性能(图8b)。
6)视相对密度(ARD)。煤层视相对密度的变化是岩浆侵入机械破坏作用的结果。岩浆沿煤层裂隙、层间面侵入后占据煤层部分原有空间，在原生沉积压实的基础上对煤层产生二次压实，使煤层视密度增大。岩浆侵入煤层层数越多，煤层视密度越大(图5c)。未受侵入岩影响的煤层视相对密度(ARD)平均值为1.45，复合插穿侵入的煤层视密度最高可达2.02，平均1.85。
7)热稳定性(TS+6)。热稳定性是煤在高温燃烧或气化过程中对块煤粒度的稳定程度[17]。通常用6～13 mm煤样在高温(850 ℃)加热后，粒度大于6 mm的残焦质量占各粒级残焦质量之和的百分比来表示(TS+6)。本区煤的热稳定性与岩浆侵入破坏程度之间为负相关关系，破坏程度越高，煤的热稳定性越低(图8c)。岩浆侵入造成煤的原生结构破坏，使其更加致密，当煤层受热时易造成内外温差大，引起内外不均匀膨胀而破裂，甚至有热爆危险。
8)煤的可选性。不同侵入类型煤的可选性试验
结果表明，受岩浆侵入影响严重的煤层原生结构基本破坏，煤的灰分和密度均较高，使可选性曲线变形严重(图9a)，无法进行可选性评价。受岩浆侵入影响较轻的煤层可以进行局部精煤灰分段(Ad：17%～24%)可选性评价(图9b)。在指定精煤灰分为20%、22%时，为“较难选煤”；在指定精煤灰分为24%时，为“难选煤”；可见本区煤层整体可选性差。
图9 不同岩浆侵入影响程度煤的可选性曲线
Fig.9 Coal washability curves of different magma invasion influencing degree
9)纵向上煤质指标的变化规律。纵向上，各项煤质指标及煤层与侵入岩的相对位置之间反映出一定的变化规律(图10)。
图10 纵向上煤岩分带与煤质指标变化
Fig.10 Coal-rock zoning and coal quality index change vertically
岩浆沿煤层中部侵入，形成了2层闪长玢岩夹矸。煤层顶、底板附近距离闪长玢岩夹矸较远，保留了无烟煤的煤岩特征；闪长玢岩夹矸之间以及与夹矸直接接触的部分变质为天然焦；天然焦与正常煤之间形成了煤焦混合带。距离侵入岩较远的煤分层为低灰、高固定碳、高发热量。侵入岩附近的煤分层灰分大幅增高，固定碳和发热量大幅降低。与前人在其他含煤盆地研究成果不同的是[9-10]，本区煤的化学性质和工艺性能变化主要受控于岩浆侵入方式和侵入岩与煤层之间的相对位置关系，而非侵入岩厚度。
6 结 论
1)岩浆沿煤层侵入是本区煤层稳定性变差、结构复杂的主要影响因素。盆地内煤系侵入岩大致可分为顶板侵入、底板侵入和复合穿插侵入和吞噬型4种模式。吞噬型使煤层在平面上形成无煤天窗，工程实践表明地面钻探与井下顺层水平钻探相结合是控制其平面展布的有效手段。侵入岩具有良好的力学特性，是布置高大永久性硐室的有利场所。岩浆复合穿插侵入煤层是导致煤层结构复杂的主要因素。
2)被岩浆侵入的煤层按其变质程度、煤岩特征可分为正常煤、煤焦混合体及天然焦3个带，其各自的宏观和显微煤岩特征明显，易于划分；天然焦的有机组分破坏严重，显微煤岩组分无法分辨，Ro,max无法测定。
3)因岩浆侵入造成本区煤层灰分增高，挥发分略微增高，固定碳降低，视密度增大，碳氢原子比降低，发热量降低，热稳定性和可选性变差。各项煤质指标的变化趋势大致为未侵入→顶板侵入→底板侵入→复合穿插侵入。
4)煤层与侵入岩之间的相对位置是影响煤岩、煤质变化的决定性因素，煤层距离侵入岩越远，影响越小。相比而言，除吞噬型使煤层完全灭失外，复合穿插侵入对煤层的破坏力最强，底板侵入次之，顶板侵入对煤的破坏程度最轻。
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