煤田火區燒變巖成巖機理與利用

王志宇， 史波波， 劉 鵬

(中國礦業大學安全工程學院，徐州 221116)

煤田火災，即煤火，被稱為沒有地理界線的世界性災難。中國是受煤田火災影響最嚴重的國家之一，大量的煤火區存在于在新疆、寧夏、內蒙古、甘肅、青海、陜西、山西省(自治區)[1]。煤火燃燒區域大，溫度高，使其上覆巖層受高溫炙烤,吸收燃燒熱，形成燒變巖。

煤田火區分為已熄滅或處于休眠狀態的死火區，和正處在燃燒狀態的活火區兩種類型。過去的研究采樣多取已熄滅火區的燒變巖體，巖體形成年份早，可能已經歷過復雜地殼運動或變質作用影響，相對于形成初期，已發生較大特性變化，性質評估存在分歧[2-3]，多見于礦井水文地質災害研究。

不同以往，活火區區別于已經熄滅的火區，包含了完整的燒變巖形成過程，成巖年份短，幾乎不受其他成巖作用影響。在燒變過程中，巖石礦物組分改變，使得巖體的電導率和磁性發生變化，這一特征被用來劃定煤火區域范圍。而其吸收的熱能往往只散失到了空氣和含水層中，缺乏利用。同時，由于特殊的成巖過程，與煤層接觸的燒變巖孔隙結構發育，易吸附較多重金屬元素，所以燒變巖的資源化利用也具有環保意義。

綜上所述，為了形成燒變巖由劃定火區范圍，到熱能提取轉化利用，再到巖體廢料處理的綜合利用體系，拓展燒變巖的研究思路，分析了燒變巖的物理構造改變，礦物成分變化，呈色原理，并論述了目前關于燒變巖在煤田探測中的應用及缺陷，討論了其熱能與巖體資源化利用的可能性。

1 燒變巖成巖機理

1.1 燒變巖分類

煤層上覆巖層巖石種類豐富，以細碎屑巖和石灰巖為主。砂巖作為主要種類之一，燒變砂巖常見于煤田火區，筆者采集活火區典型的燒變砂巖樣本，如圖1所示。燒變巖通常分為以下三類[4]。

(1)烘烤巖：巖石受到輕微烘烤，伴有層間脫水形成裂隙或層狀結構，或低溫催化礦物轉化，如長石、碳酸鹽類礦物溶蝕等，無礦物達到熔點[圖1(a)]。

(2)燒結巖：高溫烘烤致使部分礦物熔化，巖石骨架破壞，沉積特征難以肉眼識別，隨動態重結晶現象而有晶體析出[圖1(b)]。

(3)燒熔巖：大量礦物達到熔點，巖石幾乎完全熔化，形成巖漿，最終冷凝而成。巖石中多摻有煤矸石灰和煤灰，礦物組分復雜[5][圖1(c)]。

圖1 陜北地區燒變砂巖Fig.1 Burnt sandstone in northern Shaanxi

1.2 燒變砂巖的礦物成分

砂巖中主要含有石英、長石、黏土礦物(高嶺石，蒙脫石，伊利石等)、白云母、方解石、白云石、綠泥石、鐵礦物等。隨著火區煤層的自燃程度加深，砂巖礦物成分受溫度影響逐步改變，如圖2所示。

圖2 燒變砂巖礦物演化Fig.2 Mineral evolution of burnt sandstone

長石及碳酸鹽類礦物受酸堿條件及煤自燃初期的低溫催化影響以溶蝕為主，隨著溫度上升，溶蝕窗現象衰退。方解石在碳酸鹽類礦物中占比較多，在250 ℃左右可實現動態重結晶[6]。石英、白云母化學性質穩定，耐熱，在火區熱液流體的高溫蝕變作用下甚至能達到僅存這兩種造巖礦物的程度[7]。

受砂巖成巖時間影響，蒙脫石通常僅少量單獨存在，大部分已形成伊-蒙混層，而溫度的升高會催化加速反應，直至蒙脫石完全伊利石化[8]。高嶺石也會伴隨著鉀長石的溶解而向伊利石轉化[9]。高嶺石和蒙脫石若受到高溫影響，則在其結構完全破壞時出現伊利石相，若繼續升溫則伊利石相將結晶為莫來石，如表1所示[10-14]。

表1 燒變砂巖黏土礦物轉化[10-14]Table 1 Evolution of clay minerals of burnt sandstone[10-14]

綠泥石種類豐富，分類方式多樣[15]，以元素含量界定，主要分為三類，不同種類的綠泥石高溫產物也不同，如表2[16-19]所示。同時蒙脫石、伊利石、高嶺石等礦物均可發生綠泥石化但轉化度不高[20]。

1.3 燒變砂巖致色機理

砂巖常包含豐富的染色物質，包括有色長石，鐵礦物，錳化合物，有機質，綠泥石族礦物。

煤火為砂巖提供了強高溫氧化的成巖環境。純凈的砂巖受到烘烤時幾乎不發生顏色變化，僅從白色變為灰白狀態；含染色物質的砂巖在煤火的高溫及灼燒下，色澤趨向深色，常呈現紫紅、棕、紫、黑四種色澤。Fe2O3·H2O未脫去結晶水時呈黃色，使燒變巖出現黃色的過渡態。巖漿與煤灰等混合生成灰色，如圖3所示。

表2 燒變砂巖部分礦物轉化[16-19]Table 2 Evolution of partial minerals of burnt sandstone[16-19]

圖3 陜北地區燒變砂巖呈色Fig.3 Color of burnt sandstone in northern Shaanxi

主要著色礦物演化及其顏色，如圖4、表3所示。紫色的成因較為復雜，推測：一是石英等礦物離子交代及部分礦物重結晶時吸收聚集原本應溶蝕、熔化而散失的紫色雜質；二是+3價態與+2價態的鐵離子比例為1.6～3時，可呈現紫色，三是巖石成巖環境，強氧化狀態時會使巖石成巖呈紫紅色[21]。

2 燒變巖利用

2.1 煤田火災探測

巖石在燒變過程中展現的特質可以作為煤田火災的探測依據。高溫火焰使得巖體吸收大量的熱，從而向燒變巖轉化，產生了異常的熱輻射特征和光譜信息，可以通過紅外遙感法進行捕捉。變質過程中，鐵礦物由黃鐵礦向磁鐵礦變化，使巖石磁性異常，可以通過磁法劃定火區范圍。長石溶蝕，輝石生成等的礦物成分變化，使巖石的電導率改變，可采用電法進行火區勘探。紅外遙感技術，磁法探測，電法勘探等技術手段趨于成熟，但對于煤火區的應用存在一些缺陷，如表4所示，磁法由于巖體磁性的滯后產生而有探測延遲，而巖體隨著溫度升高而呈阻值降低的趨勢，使得電法測量數據失準。為了獲得較為準確探測結果，常多種探測綜合應用。

2.2 燒變巖熱儲回收

燃燒煤層上覆的燒變巖體具有大量熱能，類似于干熱巖，但埋藏淺。以新疆三道壩火區為例，鉆探所得起火點位置為70～200 m，遠遠小于干熱巖的埋藏深度。而在滅火工程完成后，火區仍可以在低溫地熱資源水平維持。且煤田火區極易復燃，持續的熱能提取有助于遲滯[22]甚至阻止煤層復燃發生。

圖4 燒變砂巖主要呈色礦物演化Fig.4 Evolution of color rendering of minerals

表3 燒變砂巖主要呈色礦物顏色Table 3 Color rendering of minerals of burnt sandstone

表4 燒變巖監測技術對比Table 4 Comparison of detection techniques of burnt rock

地熱資源量計算通常包括地表熱流量法，計算公式如式(1)所示：

Q=pt=(p1+p2)t

(1)

式(1)中:Q為地熱田一段時間內的產熱量，J；pt為地熱田單位時間的產熱量，W；p1為單位時間巖石向空氣傳導的熱量，W；p2為單位時間溫泉、熱泉、噴氣孔等的產熱量，W；t為產熱量計算的時間段，s。

熱儲法[23]計算公式如式(2)、式(3)所示:

Qr=Adρrcr(1-φ)(tr-t0)

(2)

Qw=A(φd+SH)cwρw(tr-t0)

(3)

式中：Qr為巖石熱儲量，J；A為產熱區域面積，m2；d為熱儲層厚度，m；ρr為熱儲巖石密度，kg/m3；cr為熱儲巖石的比熱容量，J/(kg℃)；φ為儲熱巖石的空隙度；tr為熱儲溫度, ℃；t0為熱儲區域年平均氣溫，℃；ρw為地熱水密度，kg/m3；S為導水系數；H為計算起始點以上高度，m；cw為水的比熱容量，J/(kg·℃)；Qw為水熱儲量，J。考慮到煤火區的高溫烘烤及裂隙發育，Qw基本可以忽略。也由于這樣的重污染及開放式的環境，不宜采用直注流體進行熱量的提取利用，采用封閉式裝置進行熱量置換，如雙循環系統。

有機朗肯循環(ORC)作為一種成熟的雙循環系統換熱技術，所用工質沸點低，實現中低溫區間的熱能利用凝固點低，可以對抗嚴寒氣候，現已得到廣泛應用和工業化生產，但受限于地面平整等問題，野外難以安裝使用。為此，中國長江動力集團開發了集裝箱式的ORC系統，便于車載運輸，適應地理環境。

周福寶等[24]提出了一種煤田火區熱能可持續利用與煤火治理系統及方法，如圖5所示。通過重力熱管，提取出火區燒變巖體的熱能并轉化電能，設備獨立成體系，只需外部附設相關設施。目前已在新疆三道壩火區進行了較大規模的試驗，如圖6所示，可為火區現場提供照明等電力使用，并能適應惡劣的工況條件。

圖6 重力熱管發電設備現場圖Fig.6 Power generation equipment of gravity heat pipe on site

巖體中提取出的低品位熱能可以用于需要恒溫環境的大棚種植業或養殖業。比如養殖藻類時，需要維持一定水溫才能使其快速生長。而藻類的迅速繁衍還可以更快的消耗CO2，解決部分CO2的處理問題。浙江大學已與鄂爾多斯市合作，在鄂托克旗建設了大面積的藻類養殖實驗區。而近郊火區的熱能則有更加廣泛的用途，可以為居民區供暖，建造生態園區，發展經濟產業等如圖7所示[25]。

1為供熱單元；2為居民區；3為園區；4為提熱單元；5為生態園區；6為供熱區；7為換熱區圖7 煤火熱能利用示意Fig.7 Utilization of thermal energy of coal fire

2.3 燒變巖資源化利用

根據燒變程度及燒變巖層位置不同，燒變巖可以應用于不同領域。

遠離燃煤的巖層，吸附燃煤廢氣及重金屬元素少，通常可直接利用。如砂巖通常作為建筑石材，家居裝飾，雕刻工藝品等。其烘烤巖維持了原巖結構，且石材強度提升[26]，仍可按照砂巖的原本用途使用。

燒結巖形成于較高溫環境，礦物組分變化明顯。黏土礦物集中轉化至伊利石階段，甚至到莫來石階段。伊利石具有高承載能力的物理吸附材料，可用于吸附重金屬元素，尤以鈾元素為主[27]，而莫來石可用作多種耐熱，防火材料制作。析出的方解石結晶可以吸附銅、鉛、磷、氟等元素。而巖體本身還具備發育的孔隙結構，能與上述礦物功能結合，形成天然的吸附材料。燒變巖所產生的煤礦水害也證明了其良好的儲水和滲水性能，可試做滲蓄生態材料[28]。

燒熔巖中礦物達到耐受溫度極限，結構破壞，處于無定型狀態。可作為耐熱材料的添加劑，也可以作為注漿材料，在缺少黃土的煤火區，代替黃土使用[29]。

受成巖環境影響，與燃燒煤層接觸的燒變巖以熱液成礦模式，富集礦物元素。而燒熔后，熔巖可能與煤灰及熱液混合，礦物更加豐富，可用做礦物添加劑或建材骨料，隨礦物堆積時間變長，體量增長甚至可以形成鈾礦[30-31]、銅礦[32]等。而熱液的蝕變作用也可能使得巖體純化，以白云母和石英為主體， 成為良好的電、熱絕緣材料。

3 結論

(1)受成巖溫度和成巖位置影響，燒變巖礦物成分不同。不與煤層接觸的巖體其礦物組分由原巖成分轉化，對應各個溫度階段而不同。

(2)巖石的原生色受多種礦物混合控制，而在燒變過程中，礦物溶蝕、熔化、分解，次生色主要由鐵、錳氧化物控制，呈現黃、紅、棕、紫、黑、灰色。

(3)依據燃燒煤層上覆燒變巖層的熱特征及礦物轉化特性，可以進行火區的探測。有多種探測手段可以使用，但均有缺陷，可搭配使用提高精度。

(4)煤火區燒變巖體在初期具備高品位熱能，且埋藏淺易于開發，長期使用狀態下可提供低品位的熱源。持續的低品位熱源開發使用可以用于養殖或種植業，且有效遲滯煤層復燃。

(5)與燃燒煤層接觸的燒變巖，富集礦物元素，也有部分可以形成大體量的礦產。處于其他層位的燒變巖根據燒變程度不同，可以區分利用，創造價值。