摘要
岩浆侵入导致的高温高压效应可促使煤层变质程度提高，改变煤质。中、新生代以来，我国东部地区广泛发育多期次不同规模的岩浆活动，致使该地区煤层受到不同程度的影响。而与深成热变质作用相比，这种瞬时高温热变质作用对煤储层成熟度、煤体物理化学性质及煤的生烃演化的影响更甚。因此，开展煤大分子结构及纳米孔隙结构演化对岩浆热作用响应的研究具有重要的理论价值和现实意义。本文以朱仙庄煤矿受岩浆作用影响的系列煤样为研究对象，借助光学显微镜和扫描电镜观察，系统分析了岩浆作用对煤的岩相学及地球化学演化路径的影响；综合运用X射线衍射实验（XRD）、拉曼光谱（Raman）、红外光谱（FTIR）、XPS和高分辨率透射电镜实验（HRTEM）探究了岩浆热作用对煤分子化学结构演化的控制作用，并成功构建了受岩浆作用影响的三维煤分子结构；联合高压压汞、低温液氮吸附、二氧化碳吸附、小角X射线散射和原子力显微镜等多种实验定量表征了岩浆作用下煤孔隙结构发育特征，并探究煤分子结构对孔隙发育控制机理；在所构建的模型基础上，基于蒙特卡洛分子动力学，模拟岩浆作用煤的甲烷吸附特征，并与样品的等温吸附实验结果对比，验证了所构建模型的真实性与可靠性。主要取得以下认识： （1）发现了煤地球化学演化对岩浆热作用响应机理。随着靠近岩浆侵入体位置，煤样的镜质组反射率值Ro由1.60%增加至5.73%。样品中显微组分发生变化，镜质组逐渐焦化，惰质组减少，当Ro＞1.35%时，壳质组消失。有多种热变组分生成，包括中间相小球体、热解碳、各向同性及各向异性焦炭。此外，工业分析与元素数据分析表明，受岩浆作用导致煤的地球化学演化途径发生变化，而其参数变化取决于加热速率、受热时间、最高温度、压力及水热等环境条件。 （2）揭示了岩浆瞬时高温高压对煤大分子结构的控制作用。通过多项光谱实验和HRTEM图像法，将其化学结构演化路径归纳为无烟煤、变质无烟煤、半石墨化煤三个阶段，并总结岩浆作用煤样的晶格条纹特征。在不同阶段，其晶格条纹的图案形状、长度和定向程度均明显不同。尤其是在无烟煤阶段，受岩浆作用影响，煤样的晶格条纹出现典型的“洋葱同心圆结构”。在此过程中，煤晶格条纹长度随煤变质程度提高而增加，且晶格条纹定向程度也明显增强，同时伴随着BSU增长、BSU横向连接生长以及BSU横向拉直等化学结构单元的阶段性变化。 （3）量化了受岩浆作用影响下煤样的纳米孔隙结构的演化特征。流体注入法实验表明，岩浆热作用促进了煤中宏孔、介孔以及微孔的发育。随着煤靠近岩浆侵入位置，其宏孔总体积呈现出减小趋势。微孔总孔体积与比表面积均表现为先增大后减小的“两段式”发育特征。 （4）明确了受岩浆作用影响的煤中微孔发育受控于煤分子结构基本单元的发育。二氧化碳吸附实验表明微孔在变质无烟煤阶段孔体积与比表面积呈增大，这是由于在此阶段煤的基本结构单元的芳香层层片呈褶皱堆积所形成的微孔的总孔体积与比表面积均较大，而至半石墨化阶段芳香层片拉直，堆叠间距减小，因而在此阶段所构成的微孔的总孔体积与比表面积呈减小趋势。 （5）构建了煤三维分子结构模型，阐明了岩浆作用对于煤甲烷吸附能力的影响。首先，基于高分辨率透射电镜（HRTEM）、碳13核磁共振光谱（13CNMR）、红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XPS）等化学分子结构测试结果，构建受岩浆作用影响与未受岩浆作用影响的煤二维分子结构模型。在二维分子结构模型的基础上，根据几何优化与能量最小化原理、二氧化碳孔隙度测试以及样品真密度测试结果，成功构建相应的煤三维分子结构模型。基于蒙特卡洛分子模拟理论与技术，对比模拟了甲烷分子在受岩浆作用煤层与正常煤层中的吸附情况。分子模拟与甲烷物理吸附实验相互印证，验证了三维分子结构模型的真实性以及吸附模拟的准确性。进一步表明，在岩浆热作用影响下，煤对甲烷的吸附量明显提高，明确了岩浆对煤的甲烷赋存能力的积极作用。
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