煤田火区烧变岩成岩机理与利用

王志宇， 史波波， 刘 鹏

(中国矿业大学安全工程学院，徐州 221116)

煤田火灾，即煤火，被称为没有地理界线的世界性灾难。中国是受煤田火灾影响最严重的国家之一，大量的煤火区存在于在新疆、宁夏、内蒙古、甘肃、青海、陕西、山西省(自治区)[1]。煤火燃烧区域大，温度高，使其上覆岩层受高温炙烤,吸收燃烧热，形成烧变岩。

煤田火区分为已熄灭或处于休眠状态的死火区，和正处在燃烧状态的活火区两种类型。过去的研究采样多取已熄灭火区的烧变岩体，岩体形成年份早，可能已经历过复杂地壳运动或变质作用影响，相对于形成初期，已发生较大特性变化，性质评估存在分歧[2-3]，多见于矿井水文地质灾害研究。

不同以往，活火区区别于已经熄灭的火区，包含了完整的烧变岩形成过程，成岩年份短，几乎不受其他成岩作用影响。在烧变过程中，岩石矿物组分改变，使得岩体的电导率和磁性发生变化，这一特征被用来划定煤火区域范围。而其吸收的热能往往只散失到了空气和含水层中，缺乏利用。同时，由于特殊的成岩过程，与煤层接触的烧变岩孔隙结构发育，易吸附较多重金属元素，所以烧变岩的资源化利用也具有环保意义。

综上所述，为了形成烧变岩由划定火区范围，到热能提取转化利用，再到岩体废料处理的综合利用体系，拓展烧变岩的研究思路，分析了烧变岩的物理构造改变，矿物成分变化，呈色原理，并论述了目前关于烧变岩在煤田探测中的应用及缺陷，讨论了其热能与岩体资源化利用的可能性。

1 烧变岩成岩机理

1.1 烧变岩分类

煤层上覆岩层岩石种类丰富，以细碎屑岩和石灰岩为主。砂岩作为主要种类之一，烧变砂岩常见于煤田火区，笔者采集活火区典型的烧变砂岩样本，如图1所示。烧变岩通常分为以下三类[4]。

(1)烘烤岩：岩石受到轻微烘烤，伴有层间脱水形成裂隙或层状结构，或低温催化矿物转化，如长石、碳酸盐类矿物溶蚀等，无矿物达到熔点[图1(a)]。

(2)烧结岩：高温烘烤致使部分矿物熔化，岩石骨架破坏，沉积特征难以肉眼识别，随动态重结晶现象而有晶体析出[图1(b)]。

(3)烧熔岩：大量矿物达到熔点，岩石几乎完全熔化，形成岩浆，最终冷凝而成。岩石中多掺有煤矸石灰和煤灰，矿物组分复杂[5][图1(c)]。

图1 陕北地区烧变砂岩Fig.1 Burnt sandstone in northern Shaanxi

1.2 烧变砂岩的矿物成分

砂岩中主要含有石英、长石、黏土矿物(高岭石，蒙脱石，伊利石等)、白云母、方解石、白云石、绿泥石、铁矿物等。随着火区煤层的自燃程度加深，砂岩矿物成分受温度影响逐步改变，如图2所示。

图2 烧变砂岩矿物演化Fig.2 Mineral evolution of burnt sandstone

长石及碳酸盐类矿物受酸碱条件及煤自燃初期的低温催化影响以溶蚀为主，随着温度上升，溶蚀窗现象衰退。方解石在碳酸盐类矿物中占比较多，在250 ℃左右可实现动态重结晶[6]。石英、白云母化学性质稳定，耐热，在火区热液流体的高温蚀变作用下甚至能达到仅存这两种造岩矿物的程度[7]。

受砂岩成岩时间影响，蒙脱石通常仅少量单独存在，大部分已形成伊-蒙混层，而温度的升高会催化加速反应，直至蒙脱石完全伊利石化[8]。高岭石也会伴随着钾长石的溶解而向伊利石转化[9]。高岭石和蒙脱石若受到高温影响，则在其结构完全破坏时出现伊利石相，若继续升温则伊利石相将结晶为莫来石，如表1所示[10-14]。

表1 烧变砂岩黏土矿物转化[10-14]Table 1 Evolution of clay minerals of burnt sandstone[10-14]

绿泥石种类丰富，分类方式多样[15]，以元素含量界定，主要分为三类，不同种类的绿泥石高温产物也不同，如表2[16-19]所示。同时蒙脱石、伊利石、高岭石等矿物均可发生绿泥石化但转化度不高[20]。

1.3 烧变砂岩致色机理

砂岩常包含丰富的染色物质，包括有色长石，铁矿物，锰化合物，有机质，绿泥石族矿物。

煤火为砂岩提供了强高温氧化的成岩环境。纯净的砂岩受到烘烤时几乎不发生颜色变化，仅从白色变为灰白状态；含染色物质的砂岩在煤火的高温及灼烧下，色泽趋向深色，常呈现紫红、棕、紫、黑四种色泽。Fe2O3·H2O未脱去结晶水时呈黄色，使烧变岩出现黄色的过渡态。岩浆与煤灰等混合生成灰色，如图3所示。

表2 烧变砂岩部分矿物转化[16-19]Table 2 Evolution of partial minerals of burnt sandstone[16-19]

图3 陕北地区烧变砂岩呈色Fig.3 Color of burnt sandstone in northern Shaanxi

主要着色矿物演化及其颜色，如图4、表3所示。紫色的成因较为复杂，推测：一是石英等矿物离子交代及部分矿物重结晶时吸收聚集原本应溶蚀、熔化而散失的紫色杂质；二是+3价态与+2价态的铁离子比例为1.6～3时，可呈现紫色，三是岩石成岩环境，强氧化状态时会使岩石成岩呈紫红色[21]。

2 烧变岩利用

2.1 煤田火灾探测

岩石在烧变过程中展现的特质可以作为煤田火灾的探测依据。高温火焰使得岩体吸收大量的热，从而向烧变岩转化，产生了异常的热辐射特征和光谱信息，可以通过红外遥感法进行捕捉。变质过程中，铁矿物由黄铁矿向磁铁矿变化，使岩石磁性异常，可以通过磁法划定火区范围。长石溶蚀，辉石生成等的矿物成分变化，使岩石的电导率改变，可采用电法进行火区勘探。红外遥感技术，磁法探测，电法勘探等技术手段趋于成熟，但对于煤火区的应用存在一些缺陷，如表4所示，磁法由于岩体磁性的滞后产生而有探测延迟，而岩体随着温度升高而呈阻值降低的趋势，使得电法测量数据失准。为了获得较为准确探测结果，常多种探测综合应用。

2.2 烧变岩热储回收

燃烧煤层上覆的烧变岩体具有大量热能，类似于干热岩，但埋藏浅。以新疆三道坝火区为例，钻探所得起火点位置为70～200 m，远远小于干热岩的埋藏深度。而在灭火工程完成后，火区仍可以在低温地热资源水平维持。且煤田火区极易复燃，持续的热能提取有助于迟滞[22]甚至阻止煤层复燃发生。

图4 烧变砂岩主要呈色矿物演化Fig.4 Evolution of color rendering of minerals

表3 烧变砂岩主要呈色矿物颜色Table 3 Color rendering of minerals of burnt sandstone

表4 烧变岩监测技术对比Table 4 Comparison of detection techniques of burnt rock

地热资源量计算通常包括地表热流量法，计算公式如式(1)所示：

Q=pt=(p1+p2)t

(1)

式(1)中:Q为地热田一段时间内的产热量，J；pt为地热田单位时间的产热量，W；p1为单位时间岩石向空气传导的热量，W；p2为单位时间温泉、热泉、喷气孔等的产热量，W；t为产热量计算的时间段，s。

热储法[23]计算公式如式(2)、式(3)所示:

Qr=Adρrcr(1-φ)(tr-t0)

(2)

Qw=A(φd+SH)cwρw(tr-t0)

(3)

式中：Qr为岩石热储量，J；A为产热区域面积，m2；d为热储层厚度，m；ρr为热储岩石密度，kg/m3；cr为热储岩石的比热容量，J/(kg℃)；φ为储热岩石的空隙度；tr为热储温度, ℃；t0为热储区域年平均气温，℃；ρw为地热水密度，kg/m3；S为导水系数；H为计算起始点以上高度，m；cw为水的比热容量，J/(kg·℃)；Qw为水热储量，J。考虑到煤火区的高温烘烤及裂隙发育，Qw基本可以忽略。也由于这样的重污染及开放式的环境，不宜采用直注流体进行热量的提取利用，采用封闭式装置进行热量置换，如双循环系统。

有机朗肯循环(ORC)作为一种成熟的双循环系统换热技术，所用工质沸点低，实现中低温区间的热能利用凝固点低，可以对抗严寒气候，现已得到广泛应用和工业化生产，但受限于地面平整等问题，野外难以安装使用。为此，中国长江动力集团开发了集装箱式的ORC系统，便于车载运输，适应地理环境。

周福宝等[24]提出了一种煤田火区热能可持续利用与煤火治理系统及方法，如图5所示。通过重力热管，提取出火区烧变岩体的热能并转化电能，设备独立成体系，只需外部附设相关设施。目前已在新疆三道坝火区进行了较大规模的试验，如图6所示，可为火区现场提供照明等电力使用，并能适应恶劣的工况条件。

图6 重力热管发电设备现场图Fig.6 Power generation equipment of gravity heat pipe on site

岩体中提取出的低品位热能可以用于需要恒温环境的大棚种植业或养殖业。比如养殖藻类时，需要维持一定水温才能使其快速生长。而藻类的迅速繁衍还可以更快的消耗CO2，解决部分CO2的处理问题。浙江大学已与鄂尔多斯市合作，在鄂托克旗建设了大面积的藻类养殖实验区。而近郊火区的热能则有更加广泛的用途，可以为居民区供暖，建造生态园区，发展经济产业等如图7所示[25]。

1为供热单元；2为居民区；3为园区；4为提热单元；5为生态园区；6为供热区；7为换热区图7 煤火热能利用示意Fig.7 Utilization of thermal energy of coal fire

2.3 烧变岩资源化利用

根据烧变程度及烧变岩层位置不同，烧变岩可以应用于不同领域。

远离燃煤的岩层，吸附燃煤废气及重金属元素少，通常可直接利用。如砂岩通常作为建筑石材，家居装饰，雕刻工艺品等。其烘烤岩维持了原岩结构，且石材强度提升[26]，仍可按照砂岩的原本用途使用。

烧结岩形成于较高温环境，矿物组分变化明显。黏土矿物集中转化至伊利石阶段，甚至到莫来石阶段。伊利石具有高承载能力的物理吸附材料，可用于吸附重金属元素，尤以铀元素为主[27]，而莫来石可用作多种耐热，防火材料制作。析出的方解石结晶可以吸附铜、铅、磷、氟等元素。而岩体本身还具备发育的孔隙结构，能与上述矿物功能结合，形成天然的吸附材料。烧变岩所产生的煤矿水害也证明了其良好的储水和渗水性能，可试做渗蓄生态材料[28]。

烧熔岩中矿物达到耐受温度极限，结构破坏，处于无定型状态。可作为耐热材料的添加剂，也可以作为注浆材料，在缺少黄土的煤火区，代替黄土使用[29]。

受成岩环境影响，与燃烧煤层接触的烧变岩以热液成矿模式，富集矿物元素。而烧熔后，熔岩可能与煤灰及热液混合，矿物更加丰富，可用做矿物添加剂或建材骨料，随矿物堆积时间变长，体量增长甚至可以形成铀矿[30-31]、铜矿[32]等。而热液的蚀变作用也可能使得岩体纯化，以白云母和石英为主体， 成为良好的电、热绝缘材料。

3 结论

(1)受成岩温度和成岩位置影响，烧变岩矿物成分不同。不与煤层接触的岩体其矿物组分由原岩成分转化，对应各个温度阶段而不同。

(2)岩石的原生色受多种矿物混合控制，而在烧变过程中，矿物溶蚀、熔化、分解，次生色主要由铁、锰氧化物控制，呈现黄、红、棕、紫、黑、灰色。

(3)依据燃烧煤层上覆烧变岩层的热特征及矿物转化特性，可以进行火区的探测。有多种探测手段可以使用，但均有缺陷，可搭配使用提高精度。

(4)煤火区烧变岩体在初期具备高品位热能，且埋藏浅易于开发，长期使用状态下可提供低品位的热源。持续的低品位热源开发使用可以用于养殖或种植业，且有效迟滞煤层复燃。

(5)与燃烧煤层接触的烧变岩，富集矿物元素，也有部分可以形成大体量的矿产。处于其他层位的烧变岩根据烧变程度不同，可以区分利用，创造价值。