鄒莊煤礦火成巖巖床侵蝕條件下煤層穩(wěn)定性*

袁晗,羅文柯,*,李文豪

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201； 2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

火成巖侵入煤層是煤礦井下比較常見(jiàn)的一種地質(zhì)現(xiàn)象,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在火成巖侵入對(duì)煤層賦存的影響方面做了大量研究[1].巖漿侵入會(huì)降低煤層穩(wěn)定性,加劇煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度,對(duì)煤礦的生產(chǎn)帶來(lái)很大的阻力[2-4].王亮[5]等研究發(fā)現(xiàn)火成巖侵入煤層后對(duì)煤層表現(xiàn)為不同程度的破壞作用,改變了煤體的變質(zhì)程度、孔隙結(jié)構(gòu)、吸附解吸特征和煤體結(jié)構(gòu)等;蔡春城[6]等發(fā)現(xiàn)火成巖侵入煤層后,受火成巖自身大小、產(chǎn)狀以及侵入體的位置和煤層之間遠(yuǎn)近距離的影響,對(duì)煤層的破壞程度不同;王金喜等[7]分析了郭二莊井田火成巖呈巖脈或巖柱狀侵蝕時(shí)的煤層連續(xù)性和完整性特征;李永高等[8]針對(duì)永夏煤田火成巖侵蝕條件下煤層煤質(zhì)和煤層賦存形態(tài)的影響程度進(jìn)行分析;李昌盛[9]研究發(fā)現(xiàn)火成巖侵蝕對(duì)煤層的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和賦存穩(wěn)定性影響較大;李如剛[10]發(fā)現(xiàn)火成巖侵入在橫向與垂向上的不均衡性及差異性,對(duì)煤層的影響程度由強(qiáng)至弱;馬良[11]發(fā)現(xiàn)火成巖侵入對(duì)煤層的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的破壞程度是多種因素共同作用的結(jié)果.筆者以鄒莊礦井72煤火成巖侵蝕區(qū)和非侵蝕區(qū)的煤層為研究對(duì)象,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的方法,系統(tǒng)地研究礦井火成巖巖床侵蝕條件下72煤煤層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、厚度及其傾角的變異程度,為該特殊地質(zhì)條件下煤層的安全高效開(kāi)采提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)背景

鄒莊煤礦位于宿州西南,礦井總體構(gòu)造形態(tài)較寬緩,其東翼被雙堆斷層切割,西翼邊緣被一系列斷層切割.礦井含煤地層為石炭系和二疊系.二疊系下石盒子組(P1x)為本礦主要含煤地層,山西組(P1s)次之,其中32,62,72,82煤層為主采煤層.綜合柱狀圖如圖1所示.

圖1 鄒莊煤礦煤層綜合柱狀圖

在礦井勘探階段共設(shè)計(jì)勘探線13條(每500 m設(shè)一條),每條勘探線施工5～13個(gè)不等勘探鉆孔,共計(jì)施工勘探鉆孔123個(gè),其中揭露發(fā)現(xiàn)火成巖的鉆孔有53個(gè),占勘探鉆孔總數(shù)的43%.礦井火成巖對(duì)煤層的侵蝕主要為主采的72煤層和局部可采的62煤層,其侵蝕方式主要以“巖床”形式展現(xiàn),即在火成巖侵蝕通道附近,火成巖全部或部分吞蝕煤層,而在其能量減弱的邊緣則以火成巖薄層狀穿插分割煤層.

2 火成巖侵蝕區(qū)煤層結(jié)構(gòu)特征分析

2.1 煤層結(jié)構(gòu)特征

煤層的結(jié)構(gòu)變化對(duì)采煤方法和設(shè)備選擇影響甚大,需要對(duì)煤層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi),根據(jù)煤層中有無(wú)較穩(wěn)定的夾矸層(厚度小于0.5 m的沉積巖層)將煤層分為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層和復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層.簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層是指煤層不含夾矸煤層,但可能有較小的礦物質(zhì)透鏡體和結(jié)核;復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層是指含有較穩(wěn)定的夾矸層,少則1～2層,多則數(shù)層.

2.2 對(duì)煤層結(jié)構(gòu)特征的分析

各勘探鉆孔揭露中組煤62煤、72煤和82煤的分層及含夾矸情況如表1所示.其中72煤15#勘探線各鉆孔火成巖侵蝕情況如圖2所示.

表1 可采煤層厚度及結(jié)構(gòu)一覽表

圖2 72煤15#勘探線各鉆孔火成巖侵蝕情況

由表1和圖2可以看出:因62煤、72煤受火成巖侵蝕后成為煤、火成巖、炭質(zhì)泥巖、天然焦及大夾焦等不等形式的互層結(jié)構(gòu),使62煤成為較復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層,72煤成復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層,82煤受火成巖侵蝕程度小,含矸鉆孔數(shù)少,為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層;受火成巖侵蝕的62煤、72煤的可采面積與可采指數(shù)明顯低于82煤,說(shuō)明火成巖侵蝕導(dǎo)致煤層的可采面積縮小,可采指數(shù)降低.

3 煤層厚度特征分析

3.1 煤厚變化對(duì)瓦斯突出的控制作用

煤厚變化對(duì)瓦斯突出的控制機(jī)理是當(dāng)煤層厚度由厚急劇變薄時(shí),瓦斯含量和瓦斯壓力減小,但水平地應(yīng)力增大,最容易出現(xiàn)壓出,壓出過(guò)程中地應(yīng)力起著比較重要的作用;當(dāng)煤層厚度由薄急劇變厚時(shí),地應(yīng)力作用的水平分量指向巷道里端,其趨勢(shì)是不利于瓦斯突出,但瓦斯含量和瓦斯壓力不斷增大,容易發(fā)生突出[12].通常用煤厚變異系數(shù)γ來(lái)表征煤層厚度的變化程度,具體根據(jù)式(1)計(jì)算.

(1)

3.2 火成巖侵蝕區(qū)與無(wú)火成巖侵蝕區(qū)煤層平均厚度的對(duì)比分析

鄒莊煤礦72煤火成巖侵蝕鉆孔與無(wú)火成巖侵蝕鉆孔的平均煤層厚度對(duì)比分析如圖3所示.

圖3 鄒莊煤礦72煤火成巖侵蝕區(qū)與無(wú)火成巖侵蝕區(qū)煤層平均厚度對(duì)比分析

由圖3可以看出:中組煤72煤受火成巖侵蝕鉆孔的平均厚度小于無(wú)火成巖侵蝕鉆孔的煤層平均厚度,說(shuō)明遭受火成巖侵蝕鉆孔的煤層變成天然焦、火夾焦或72煤缺失后煤層厚度變薄,甚至出現(xiàn)無(wú)煤或不可采;火成巖侵蝕鉆孔煤厚變化區(qū)間為1.84～6.95 m,未受火成巖侵蝕鉆孔煤厚變化區(qū)間為3.94～9.17 m,說(shuō)明煤層受火成巖侵蝕后,厚度變化范圍明顯縮小.

3.3 火成巖侵蝕區(qū)與無(wú)火成巖侵蝕區(qū)煤厚變異系數(shù)的對(duì)比分析

由圖4可以看出:中組煤72煤受火成巖侵蝕鉆孔的煤厚變異系數(shù)為0.30～0.61,平均0.47,非侵蝕鉆孔的煤厚變異系數(shù)為0.12～0.35,平均0.28,說(shuō)明火成巖侵入導(dǎo)致煤層的煤厚變異系數(shù)增大,煤層由厚變薄和由薄變厚的概率增大,突出危險(xiǎn)性增高.

圖4 鄒莊煤礦72煤火成巖侵蝕區(qū)與無(wú)火成巖侵蝕區(qū)煤厚變異系數(shù)對(duì)比分析

4 煤層傾角特征分析

4.1 煤層傾角變化對(duì)瓦斯的控制作用

煤層傾角(底板傾角)是煤層層面與水平面的二面角,根據(jù)當(dāng)前地下開(kāi)采技術(shù),我國(guó)將煤層按傾角分為4類(lèi):①近水平煤層(小于8°);②緩(傾)斜煤層(8°～25°);③中斜煤層(25°～45°);④急(傾)斜煤層(大于45°).一般來(lái)說(shuō),用煤層傾角變異系數(shù)α及其變化來(lái)表征煤層局部褶曲發(fā)育情況,α越大,則表明煤層突出危險(xiǎn)性越大(如圖5)[13],具體根據(jù)式(2)計(jì)算.

(2)

圖5 傾角變化引起的瓦斯突出機(jī)理示意圖

4.2 火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)煤層平均傾角的對(duì)比分析

火成巖侵蝕的72煤勘探鉆孔平均傾角與未遭受火成巖侵蝕的正常鉆孔的平均傾角對(duì)比分析如圖6所示.

圖6 鄒莊煤礦72煤火成巖侵蝕與非侵蝕區(qū)煤層平均傾角對(duì)比分析

由圖6可以看出:遭受火成巖侵蝕區(qū)域的72煤層平均傾角變化區(qū)間為10°～29°,平均17°;未受火成巖侵蝕區(qū)域的72煤層平均傾角變化區(qū)間為13°～39°,平均20°,說(shuō)明遭受火成巖侵蝕鉆孔的煤層變成天然焦、火夾焦或72煤缺失后,煤層的平均傾角變小,火成巖侵蝕后煤層傾角的變化范圍縮小.

4.3 火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)煤層傾角變異系數(shù)的對(duì)比分析

火成巖侵蝕的72煤勘探鉆孔與未遭受火成巖侵蝕的正常鉆孔的傾角變異系數(shù)對(duì)比分析如圖7所示.

圖7 鄒莊煤礦72煤火成巖侵蝕與非侵蝕區(qū)煤層傾角變異系數(shù)對(duì)比分析

由圖7可以看出:中組煤72煤受火成巖侵蝕鉆孔的傾角變異系數(shù)范圍為0.23～0.60,平均0.41,非侵蝕鉆孔的傾角變異系數(shù)范圍為0.12～0.41,平均0.27,說(shuō)明巖漿侵入使煤層的傾角變異系數(shù)增大,煤層底板由平緩變急傾斜或由急傾斜變平緩的概率增大,突出危險(xiǎn)性增高.

5 結(jié)論

1)火成巖侵蝕導(dǎo)致煤層結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,可采面積縮小,可采指數(shù)變小,煤層的穩(wěn)定性降低.

2)火成巖侵蝕后煤層厚度的變化范圍明顯縮小,煤厚變異系數(shù)增大,煤層由厚變薄或由薄變厚的概率增大,突出危險(xiǎn)性增高.

3)火成巖侵蝕后煤層傾角的變化范圍縮小,其傾角變異系數(shù)增大,煤層底板由平緩變急傾斜或由急傾斜變平緩的概率增大,突出危險(xiǎn)性增高.