煤田地质与勘探

作者：宋昱, 姜波, 程国玺, 郑司建, 李明, 葛瑶, 戴岩, 王谦, 冯光俊,

关键词：煤大分子结构, 多环芳香烃, 热演化, 结构有序性, 结构跃变,

目的煤对温压条件的变化极为敏感，构造−热作用驱动的大分子结构演化是理解煤级跃变与地质演化的核心。煤多环芳香烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)有序性是表征煤级跃变与地质演变的关键指标。然而，目前对其热演化有序性、微观特征及其与大分子结构跃变的内在关联研究仍较薄弱，缺乏系统实验论证与理论支撑。方法以山西大同煤田吴官屯煤矿烟煤样品为研究对象，通过热解实验(400~1 000 ℃)、高分辨透射电子显微镜(high resolution transmission electron microscope，HRTEM)、激光拉曼光谱(laser Raman spectroscopy，LRS)、傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)测试以及与实际地质演化过程的对比分析，揭示了PAHs有序性热演化机制，为煤大分子结构跃变提供一定启示。结果在原煤~400 ℃时，短PAHs占比升高，而长PAHs的占比降低，而在400~1 000 ℃时，长PAHs占比显著升高。PAHs定向性在低温热解(≤400 ℃)条件下降低，600~800 ℃时略微升高，800~1 000 ℃时显著升高，显示出明显的阶跃性特征。曲率分析表明，随着热解温度的升高，高弯曲度条纹占比总体下降，预示着热演化过程最终会导致形态逐渐趋于平直。PAH堆叠率在原煤~400 ℃阶段变化不大，在400~1 000 ℃时逐渐升高。高温(800~1 000 ℃)热解条件下PAH堆叠出现一种趋近于石墨烯和碳洋葱式的同心层状分布。结论研究挑战了传统“煤石墨化即结构缺陷修复”的单一观点，提出在煤化向石墨化转变的关键窗口期，由于PAHs内部结构的剧烈调整，会诱发显著的次生结构缺陷。这种缺陷本质上是芳香片层在热动力驱动下，为趋向类石墨烯/碳洋葱结构演化而产生的晶格畸变，这也解释了构造煤中普遍发育的微观应变不均一性。800~1 000 ℃阶段整体定向性的出现，标志着煤化作用的终结与石墨化阶段(以Rmax>6.22%为界)的开启。

来源：2026年第4期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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