岩浆侵入煤层的热变质作用(简称岩-煤蚀变作用),在我国淮北地区异常发育。这些燕山期侵入体,一方面破坏煤层的稳定性和可采性,严重危及煤田生产,对煤炭资源利用造成巨大影响;另一方面,影响和驱动煤层中的元素重新分配,导致煤焦中有毒元素会异常富集,甚至危害环境和人体健康。为了探究岩-煤蚀变过程中有毒元素迁移和异常富集,本研究以淮北石台煤矿受岩浆侵入的3煤层为研究对象,系统采集了侵入岩、蚀变带、火夹焦、天然焦和未受影响煤样品,拟通过工业分析、元素分析、光学显微镜观察、X射线粉晶衍射(XRD)以及电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等现代测试手段,对石台煤矿3煤层的煤质特征、矿物特征以及元素特征进行分析研究。结果显示:(1)趋近岩体,煤的变质程度增加。从未受影响煤→天然焦→火夹焦→蚀变带,由于岩浆侵入作用,煤中灰分、水分、C含量升高,挥发分和H含量降低,N含量没有明显变化趋势,距离岩体越近,煤的变质程度加强。(2)趋近岩体,浆源物质增加。靠近侵入体,火夹焦和蚀变带中矿物种类增多,蚀变强度增大,马赛克结构和气孔(气泡)更发育,镜质体减少至消失;远离侵入体,未受影响煤层受影响减弱,矿物减少。(3)趋近岩体,部分有毒元素富集。其中,V、Cr、Mn、Co、Ni、Zn、Ga、Rb、Zr、Cd在侵入岩中富集,Th在蚀变带中富集,Pb在火夹焦中富集,Cu、Sr、Mo、Ba在天然焦中富集,As和Sb在煤层中的含量较稳定。分析表明,石台煤矿岩-煤蚀变带有毒元素存在如下迁移和富集特征:(1)Mn的富集是与岩浆侵入密切相关。Mn在侵入岩中含量极高,其富集与岩浆热液直接相关(岩浆本身富含Mn);同时由于岩浆侵入作用,煤的挥发分降低,部分Mn随着挥发分的损失而挥发至气相或液相产物中。(2)As与Sb元素主要来源于煤层。As和Sb在整个煤层中的含量处于相对稳定的水平,主要是来自于成煤的土壤和沉积物,岩浆对其几乎没有产生影响;且煤受热分解,As和Sb会随着煤的热解而挥发。(3)V、Cr、Zr、Co、Ni、Zn、Cd、Ga、Rb、Ba、Sr、Mo、Pb、Cu、Th等大部分有毒元素的迁移和富集是岩浆侵入煤的综合结果。这些元素在侵入岩和未受影响煤中的含量都较高,一部分是来自于沉积环境,一部分是源于岩浆热液所带来的矿物(粘土矿物、硫化物、菱铁矿等),是沉积环境与岩浆热液共同作用的结果;另外,由于岩浆侵入煤层导致的热变质作用,使得V和Mo与碳缩聚成高分子化合物残留在半焦中,Zr、Rb随着挥发分损失而挥发,Sr和Ba随着灰分的增加而增加,Co、Ni、Cu和Pb随着黄铁矿的分解而挥发,Zn挥发至大气中,Cd在热液交代的过程中进入闪锌矿中,Cr主要分布在焦化固态产物中,Ga可能生成GaH和Ga₂O、GaO或其有机衍生物而挥发,Th由于水分增加,煤孔裂隙增加而快速析出。本研究主要创新和发现:(1)分析了岩-煤蚀变带不同程度变质煤的煤质特征、矿物组成及有毒元素含量特征,揭示了岩-煤蚀变过程中有毒元素的迁移机制和富集规律。(2)发现岩浆侵入不仅带入V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Ga、Rb、Sr、Zr、Mo、Ba、Pb和Th等有毒元素,而且驱动这些元素在岩浆和煤之间的迁移和富集。