摘要
区别于深成变质作用形成的煤，岩浆侵入形成的接触变质煤具有快速热变特征，致使其物理化学性质发生了明显的非线性变化，影响了煤的开采与利用。精细表征接触变质煤的纳米结构（化学结构和孔隙结构）是探明热变煤特殊性质的基础，对系统认识煤的接触变质作用机理和煤的清洁利用具有重要的理论与现实意义。山西大同煤田石炭系煤层岩浆侵入体现象普遍存在，是分析接触变质煤的天然场所。为此，本文以大同煤田塔山煤矿接触变质煤为研究对象，联合工业分析、元素分析、光学显微镜和扫描电镜测试方法分析了距岩墙侵入不同距离内煤变质程度、元素组成和微观结构分布的差异性，明确了不同变质程度热变煤的微观结构特征。在此基础上，采用高级固相核磁共振技术定量化表征了煤脂族基团和芳香官能团的变化特征，探讨了岩墙侵入对煤化学结构的影响；联用低温气体吸附（N2、CO2）和小角X射线散射技术（SAXS）研究了脱灰前后热变煤的孔隙分布特征，分析了岩墙侵入模式下有机化学结构和无机矿物协同演化作用下煤纳米孔隙的变化规律。基于上述工作，阐明了煤纳米结构对岩墙侵入的响应。主要研究成果包括： （1）依据煤岩参数变化特征，接触变质煤可划分为严重热变煤（Ro,maxgt;2%）和轻微热变煤（1%lt;Ro,maxlt;2%）。严重热变煤内在水分和灰分含量上升，挥发分含量降低，天然焦脱挥发分气孔发育，具有明显的镶嵌结构和流变现象，含有一定量的热解碳，具有较多的碳酸盐类矿物和粘土矿物。轻微热变煤中天然焦组分比例下降，热变结构明显减弱，矿物类型以高岭石为主，脆性破裂张裂隙发育。 （2）受岩墙侵入影响，煤化学结构的演化表现出“渐变”与“突变”的特征，突变点是焦煤至无烟煤阶段。接触变质煤化学结构的演化可划分为三个阶段：（1）烷基侧链脱落致芳碳率提高，演化机制以芳构化作用为主，表现为：①CCH2基团的脱落显著大于CCH3基团，即更多是侧链的断裂，而不是芳环上CH3基团的脱落。②稠环芳香团簇大小增长缓慢，芳碳率和非质子化碳的增加更多是2-3个芳环的增加所致；（2）稠环芳香团簇显著增大，烷基侧链脱落速率依然较大，环缩聚作用控制了芳碳率的增大。表现为：CH3和CH2基团含量均显著降低，稠环碳原子数急剧增大，非质子化碳含量迅速增大，但质子化碳含量微弱下降；（3）质子化碳含量急剧下降，靠近侵入体的煤样内保留了较高含量的烷基和含氧基团。 （3）受岩墙侵入影响，微孔和中大孔的孔隙度、孔体积和比表面积均随着煤变质程度的升高呈U型变化趋势，区别于正常变质煤样，“U”型拐点的Ro,max约为1.55%。接触变质作用新生成的矿物增加了中大孔含量，但充填了0.4-0.7nm的孔隙，由此降低了微孔孔隙度。与此同时，当Ro,maxlt;1.55%时，脂肪结构分解使大分子网状结构中孔隙增大，从而使微孔含量降低；随着成熟度进一步增加，由于芳构化和稠环缩聚作用的影响，大分子结构之间逐渐变的紧密，微孔含量增加。接触变质作用增加了封闭孔的含量，临近岩墙的煤样尤为显著，同时增加了孔隙分布及表面的非均质性。
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