巖漿巖環(huán)境煤層瓦斯異常賦存特征與動力災(zāi)害防控關(guān)鍵技術(shù)

王 亮，郭海軍，程遠平，王 凱，徐 超，蔣靜宇，吳昱辰，廖曉雪，唐寒露

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點實驗室，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

進入21世紀(jì)，我國煤炭需求量急劇增加，2001年至2020年原煤產(chǎn)量由11.06億t增加到38.4億t。煤炭工業(yè)保障我國經(jīng)濟發(fā)展的同時，采深的快速增加也使煤的開采條件不斷惡化。我國48%以上礦井屬于高瓦斯和突出礦井，是世界煤礦瓦斯災(zāi)害最嚴(yán)重的國家。此外，我國含煤地層經(jīng)歷過多次大型構(gòu)造運動，地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層褶曲發(fā)育，許多煤田還遭受了巖漿入侵影響。筆者檢索文獻發(fā)現(xiàn)，我國受巖漿侵入影響的煤田或礦區(qū)有30個以上，分布在8個億噸級大型煤炭生產(chǎn)基地，包括：兩淮、河南、蒙東、新疆、晉北、晉東、魯西、冀中。巖漿作用對煤體及煤層瓦斯賦存規(guī)律的影響包括兩大類:一是以機械破壞、吞蝕熔化、接觸變質(zhì)等作用將全部或一部分煤層熔化，造成煤層消失或厚度異常的區(qū)域，瓦斯往往較低；二是侵入影響區(qū)域煤層受熱演化作用和局部構(gòu)造雙重作用下，往往成為瓦斯的異常富集區(qū)。筆者以對礦井安全生產(chǎn)嚴(yán)重威脅的第2類情況進行系統(tǒng)研究。

眾多煤與瓦斯動力災(zāi)害事故案例表明，巖漿巖侵入的熱演化作用和力學(xué)作用增加了其覆蓋區(qū)域煤炭開采過程中的煤與瓦斯突出危險性。

巖漿巖侵入后煤層容易導(dǎo)致構(gòu)造煤帶的形成，瓦斯突出判定指標(biāo)(瓦斯放散初速度、瓦斯含量等)往往會超過臨界值。李恒樂等研究發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入導(dǎo)致煤體二次生烴，并對瓦斯產(chǎn)生圈閉作用，易引起采動煤體瓦斯異常涌出。GURBA和WEBER研究發(fā)現(xiàn)煤體受巖漿熱演化作用后，其吸附/解吸能力提高。BEAMISH等發(fā)現(xiàn)巖漿巖賦存對煤與瓦斯突出災(zāi)害有極大的影響。SAGHAFI等研究發(fā)現(xiàn)，巖漿巖侵入后，煤體孔隙體積、瓦斯吸附能力、瓦斯含量等均增大，采動影響下極易發(fā)生突出事故。WANG等發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入?yún)^(qū)煤層具有相對較高的煤與瓦斯突出危險性。

巖漿巖侵入不僅促進了煤的變形-變質(zhì)進程，還改變已有地質(zhì)構(gòu)造格局，導(dǎo)致其影響區(qū)內(nèi)煤層瓦斯賦存出現(xiàn)異常，瓦斯動力災(zāi)害特征和防控關(guān)鍵技術(shù)研究對保障此類地質(zhì)條件煤炭安全開采具有重要現(xiàn)實意義?；诖耍P者對巖漿巖侵入煤系地層后的熱變質(zhì)作用規(guī)律、煤體物理化學(xué)結(jié)構(gòu)變化特征等進行了系統(tǒng)研究與對比分析，并探討了巖漿巖賦存環(huán)境下煤巖瓦斯動力災(zāi)害發(fā)生機制、預(yù)測指標(biāo)體系及防控關(guān)鍵技術(shù)。

1 巖漿侵入煤系地層特征及熱變質(zhì)作用

1.1 巖漿侵入煤系地層特征

巖漿往往沿著深斷裂上涌，并在中、新生代多次侵入我國含煤地層(圖1)。巖漿侵入煤系地層時，大多是順著層間涌入并基本與沉積巖層平行賦存，少部分沿與沉積巖層成一定夾角的方向侵入。侵入煤層的巖漿巖產(chǎn)狀有巖墻和巖床，其中后者的影響范圍較大。除此以外，還有波狀、渾圓狀、串珠狀、樹叉狀等形態(tài)，極大破壞了煤層的完整性，為煤炭開采造成極大困難，尤其對機械式采掘作業(yè)影響較大。

圖1 巖漿巖侵入煤系地層途徑及巖漿巖產(chǎn)狀(改編自文獻[20])Fig.1 Way of magma intruding into the coal measure strata and the occurrence of magmatic rocks(Modified by Reference[20])

圍巖巖性和巖漿侵入層位決定了巖床厚度和層數(shù)，如遇有斷層時，巖漿會跨越多個巖層。如果巖漿涌入煤層頂板附近，煤體在高溫作用下將會分解熔化，導(dǎo)致部分煤層缺失或厚度降低，且?guī)r漿產(chǎn)生的熱力作用在改變煤變質(zhì)程度的同時也會改變煤層結(jié)構(gòu)。我國東部煤系地層中巖漿活動非常頻繁，主要發(fā)生在燕山期，如淮北煤田80%左右礦區(qū)存在巖漿巖體。

1.2 巖漿侵入煤系地層后的熱作用模型

假設(shè)巖漿侵入體為水平形狀(圖2(a))，巖漿侵入是瞬間完成的，之后巖漿侵入體開始冷卻，冷卻和向圍巖傳熱的散熱方式是熱傳導(dǎo)，其冷卻過程中巖漿巖體和圍巖形成與時間和空間有關(guān)的非穩(wěn)態(tài)溫度場。

T1—地表溫度，℃；T2—巖漿巖體初始溫度，℃；h1—巖漿頂板距離地表的埋深，m；h2—底板距離地表的埋深，m；l—巖漿侵入體長度的一半，m圖2 巖漿侵入體冷卻過程及圍巖溫度變化曲線(改編自文獻[12,20])Fig.2 Cooling process of magmatic intrusions and the temperature variation curves of surrounding rocks(Modified by References[12,20])

通過對冷卻過程的簡化，可以建立巖漿侵入體-圍巖溫度分布規(guī)律的熱傳導(dǎo)方程，即

(1)

其中，為物體的熱擴散率,=()；為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；為巖漿巖的密度，g/cm；為巖漿巖的比熱容，J/(kg·K)；為溫度，℃；為巖漿巖體內(nèi)部熱量，J；為時間，a。為了進一步簡化模型，假設(shè)巖漿巖體和圍巖的熱擴散率相同。考慮到巖漿侵入后即進入冷卻過程，只是隨身攜帶著熱量而不再產(chǎn)生熱量，因此可以認為=0。

如果地表溫度為，巖漿巖體初始溫度為，所建模型地溫梯度為Δ，并假設(shè)模型兩側(cè)與下側(cè)無熱量散失，則式(1)通過傅里葉變換可以得到二維熱傳導(dǎo)模型的解：

(2)

式中，erf為誤差函數(shù)。

根據(jù)式(2)，通過確定和，可以對模型內(nèi)任意位置的溫度進行監(jiān)測，如圖2(b)所示。

結(jié)合能量守恒定律可知，單位時間內(nèi)進入煤體的熱量等于單位時間內(nèi)流出煤體的熱量、煤體內(nèi)能的變化以及煤中水分相變吸收的內(nèi)能之和，即

(3)

式中，，和分別為軸、軸和軸方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；為煤中水分相變吸收的內(nèi)能，J；為煤的密度，kg/m；為煤的比熱容，J/(kg·K)。

假設(shè)煤層各處的導(dǎo)熱系數(shù)相同，則式(3)可進一步簡化為

(4)

式中，為煤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

在巖漿的影響下，溫度持續(xù)升高，當(dāng)達到某個溫度后，煤體中的水分發(fā)生相變。此時，煤體繼續(xù)吸收熱量但溫度不再升高，吸收的熱量用于水分的相變。根據(jù)前人研究成果可得

(5)

式中，為水的密度，kg/m；為水的相變潛熱，kJ/kg；為含水率；，為煤中水分發(fā)生相變時的溫度區(qū)間。

將式(5)代入式(4)可得巖漿巖侵入?yún)^(qū)考慮水分影響的煤體熱傳遞模型，即

(6)

1.3 巖漿巖熱變質(zhì)作用特征

我國煤系地層在不同階段經(jīng)歷了不同的熱源及相應(yīng)的地溫梯度。深成變質(zhì)作用與熱演化作用疊加導(dǎo)致煤層具有多階段變質(zhì)演化和多煤級賦存的特征。只有深成變質(zhì)作用時，埋深增大約1 000 m，煤級才會提高1級，但在巖漿巖熱演化作用下，各煤層在間距不到100 m的范圍內(nèi)，煤級也會大不相同，呈現(xiàn)明顯的帶狀分布特征。煤層與巖漿巖距離越小，煤的變質(zhì)程度就越高；巖漿巖厚度越大，附近區(qū)域煤的變質(zhì)程度相對越高；此外，巖漿巖體厚度相同而巖性不同，其影響程度也不一樣，比如，基性巖漿侵入體，因所含氣、液物質(zhì)較酸性巖漿少，即使其原始溫度高于酸性巖漿，其影響范圍也遠小于后者，如圖3所示。

注：圖中表征煤層或巖層類型的字母后面的下標(biāo)數(shù)字代表煤層或巖層編號，非下標(biāo)數(shù)字代表煤層或巖層厚度,m圖3 巖漿巖侵入?yún)^(qū)域煤變質(zhì)程度的帶狀分布[26]Fig.3 Vertical zonation of coal metamorphism after influenced by the magmatic rock[26]

淮北海孜煤礦巖漿巖侵入?yún)^(qū)煤的變質(zhì)程度分帶特征也佐證了上述規(guī)律(圖4(a))，在海孜煤礦19線以西的巖漿巖較厚(達到甚至超過140 m)，其下伏7煤層均為無煙煤(WY)；在19線以東，因巖漿巖變薄，下伏7煤層主要為貧煤(PM)；而在巖漿巖厚度進一步減小以及邊緣地區(qū)，下伏7煤層為焦煤(JM)；同時，煤體發(fā)生二次生烴作用，甲烷生成量由深成變質(zhì)作用時期的220 m/t增大至巖漿熱演化作用時期的340 m/t(圖4(b))。

圖4 海孜煤礦巖漿侵入?yún)^(qū)煤體變質(zhì)程度分區(qū)及生烴示意(改編自文獻[20])Fig.4 Distribution of the coal metamorphism and the hydrocarbon generation after influenced by the magmatic rock (Modified by Reference[20])

總之，巖漿侵入活動的規(guī)模和大小、巖漿的性質(zhì)和產(chǎn)狀、圍巖的性質(zhì)與其組合關(guān)系以及侵入之后保溫條件等均影響著煤變質(zhì)的范圍、程度和分帶特征。

2 巖漿巖對煤體物理化學(xué)特征的影響

2.1 巖漿巖侵入?yún)^(qū)煤體化學(xué)結(jié)構(gòu)特征

巖漿熱演化作用可通過影響煤中化學(xué)元素和由各種元素組成的側(cè)鏈、橋鍵等官能團來決定煤體的宏觀物理性質(zhì)。X射線衍射試驗發(fā)現(xiàn)，煤中碳原子漸漸呈現(xiàn)出有序化排列特征，特別是高階煤中碳含量大量增加致使煤體內(nèi)部逐漸呈現(xiàn)三維有序結(jié)構(gòu)特征，其微晶結(jié)構(gòu)單元更加密集化、堆疊化、縮合化、芳構(gòu)化，促使微孔隙朝更發(fā)育方向演化，而碳原子芳香層之間的距離則逐漸縮小，其結(jié)構(gòu)參數(shù)逐漸趨向于石墨；傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜試驗發(fā)現(xiàn)，隨著巖漿巖影響程度的加深，煤中芳香環(huán)縮合程度增大，側(cè)鏈、橋鍵以及羥基、羧基、羰基等含氧官能團含量逐漸降低。

總之，在巖漿接觸熱演化作用增強煤體變質(zhì)程度的同時，煤體內(nèi)部脫氧、去氫、富碳的趨勢逐漸明顯，碳氫比亦在逐漸加大。

2.2 巖漿巖侵入?yún)^(qū)煤體孔隙結(jié)構(gòu)特征

..巖漿巖環(huán)境煤體構(gòu)造煤化作用

巖漿侵入時會推擠下伏煤層，增加煤層周圍區(qū)域的應(yīng)力(圖5(a)～(c))，破壞煤的孔隙結(jié)構(gòu)，形成不同形式的構(gòu)造煤。煤中孔容和比表面積均隨煤體破壞程度增加而增大，提高了煤對瓦斯的吸附解吸能力。淮北海孜煤礦巖漿巖侵入地層過程中，下伏煤層煤體在自重應(yīng)力和擠壓應(yīng)力耦合作用，加劇了下伏煤層與下地層之間的層滑運動，在這種復(fù)雜的多重應(yīng)力作用下，原本就已經(jīng)破碎的煤體遭到進一步破壞，煤中有機組分的活動加劇，進而發(fā)生韌性變形，形成了粉化煤，如圖5(d)～(f)所示。此類現(xiàn)象在淮北楊柳煤礦、鄭州礦區(qū)、陽泉礦區(qū)等頂板存在厚硬巖漿巖或者其他堅硬巖層的區(qū)域也大量存在。

圖5 海孜煤礦巖漿巖侵入?yún)^(qū)應(yīng)力分布及粉化煤體(改編自文獻[20,22])Fig.5 Stress distribution laws and pulverized coals in the magmatic intrusion area from the Haizi Coal Mine (Modified by References[20，22])

..巖漿巖對煤體孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響

受巖漿侵入影響前的煤體變質(zhì)程度相對較低，深成變質(zhì)作用與巖漿熱演化作用疊加后，煤體生烴速度加快，氣體生成量加大，“疊加生烴”后煤中出現(xiàn)較多孔徑遠大于深成變質(zhì)作用下氣孔孔徑的熱解氣孔。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，靠近巖漿巖的煤體具有大量熱解氣孔，且熱解氣孔的直徑大，分布密集；遠離巖漿巖，熱演化作用逐漸減弱，煤體中熱解氣孔亦逐漸減少，如圖6所示。

巖漿侵入后，煤體變質(zhì)程度提高，煤中形成更多新的孔隙，新生孔隙有利于煤中瓦斯的吸附/解吸和擴散，對煤層氣開發(fā)具有積極意義。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，越靠近巖漿巖，煤中微孔累積比表面積和孔容越大(圖7(a))，說明越靠近巖漿巖，煤中微孔發(fā)育程度越高。巖漿侵入后構(gòu)造應(yīng)力和熱演化作用對下伏煤體的孔隙結(jié)構(gòu)亦具有較大影響，使得上覆巖床越厚，煤中的微孔和小孔相對越發(fā)育(圖7(b))。由于煤體吸附瓦斯主要由微孔完成，而瓦斯擴散主要在小孔中進行，因此巖漿巖通過影響煤中微孔和小孔的分布規(guī)律來控制煤對瓦斯的吸附/解吸能力。

2.3 巖漿巖侵入?yún)^(qū)煤體瓦斯吸附/解吸特征

..巖漿侵入對煤體瓦斯吸附性能的影響

如前所述，巖漿巖侵入對下伏煤層的熱演化作用使煤的變質(zhì)程度增大，并改變了煤體的孔隙結(jié)構(gòu)。一般情況下，煤體與巖漿巖的距離越小，受熱演化作用越強烈，煤中微孔越發(fā)育，煤對瓦斯的吸附能力也越大(圖8(a))；另外，巖漿巖厚度在一定程度上反映了巖漿活動的劇烈程度，相同條件下巖漿巖厚度越大，熱演化作用越強烈，導(dǎo)致煤中微孔大量增加，煤體吸附能力亦呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢(圖8(b))。

圖6 巖漿巖侵入?yún)^(qū)煤體掃描電鏡照片[32]Fig.6 SEM images of coals from the magmatic intrusion area

圖7 巖漿巖侵入體對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響(數(shù)據(jù)來自文獻[25,30,32-43])Fig.7 Effects of the thickness of magmatic intrusions on the coal pore structure(Data originated from References[25, 30, 32-43])

圖8 巖漿巖侵入對煤體吸附能力的影響(數(shù)據(jù)來自文獻[4,16,18,20,30,32,34,39-48])Fig.8 Effects ofthe magmatic rock on the adsorption capacity of coals(Data originated from References [4, 16, 18, 20, 30, 32, 34, 39-48])

..巖漿侵入對煤體瓦斯解吸性能的影響

采掘作業(yè)打破了煤中原有的吸附平衡狀態(tài)，瓦斯持續(xù)解吸，直至新的吸附平衡狀態(tài)出現(xiàn)。巖漿侵入煤系地層后，巖漿巖的高溫烘烤作用在一定程度上可以促進煤體瓦斯解吸擴散能力。一般情況下，巖漿巖越厚，煤層與巖漿巖距離越短，煤的瓦斯解吸能力就越強，其瓦斯放散初速度也越大，如圖9所示。

綜上可知，在一定條件下，巖漿熱演化作用影響區(qū)域煤體吸附能力和解吸擴散能力均顯著增加。另一方面，厚硬巖漿巖的滲透率遠低于泥巖、砂巖和粉砂巖等巖石的滲透率(圖10)，當(dāng)巖漿巖體以巖床形式賦存于煤層頂板時，形成了天然的“瓦斯封存箱”，對瓦斯運移通道起到封閉作用，易于圈閉保存瓦斯。這也是該區(qū)域煤層容易發(fā)生瓦斯異常涌出、煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害的直接原因。

圖9 巖漿巖對煤體瓦斯解吸放散特性的影響(數(shù)據(jù)來自文獻[20,30,32,34,39,41,42,45,46,49-52])Fig.9 Effects of the magmatic rock on the gas desorption properties of coals (Data originated from References[20, 30, 32, 34, 39, 41, 42, 45, 46, 49-52])

圖10 不同種類巖石滲透率測定結(jié)果[20]Fig.10 Permeability of the different rocks[20]

3 上覆巖漿巖床結(jié)構(gòu)失穩(wěn)對下伏煤巖體的致災(zāi)機制

3.1 巖漿巖侵入對煤層應(yīng)力特征的影響

圖11 厚硬巖層破斷對下伏煤體的等效深度作用示意[55]Fig.11 Apparent-depth effects of the thick hard rock strata failure to the underlying coal seams[55]

煤層M(埋深600 m，原巖應(yīng)力16 MPa)開采過程中，厚硬巖漿巖破斷的沖擊荷載和采動引起的應(yīng)力集中均作用于該煤層，可能會使該煤層所受實際地應(yīng)力達到甚至超過25 MPa，力學(xué)狀態(tài)等同于埋深更大的煤層N(埋深1 000 m)，而煤層M受采動卸荷影響，煤層N不受任何擾動，因此煤層M的煤體比煤層N更易發(fā)生劣化失穩(wěn)。

3.2 巖漿巖床結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前的能量積聚-耗散特征

原始煤體中的瓦斯氣體膨脹時可對外釋放能量，煤體本身具有彈性能，厚硬巖漿巖破斷向下伏煤體施加沖擊能量。3者構(gòu)成了煤體蘊含的災(zāi)變潛能，即

=++

(7)

在發(fā)生動力災(zāi)害時，需要破碎功將煤體破碎，瓦斯氣體需要提供動能將破碎煤體拋出，破碎煤體移動時相互碰撞摩擦耗能為。因此，含瓦斯煤體的災(zāi)變耗能為

=++

(8)

如果>，則厚硬巖漿巖破斷易導(dǎo)致下伏煤體瓦斯動力災(zāi)害發(fā)生，而巖漿巖破斷后的沖擊能量越大，越容易引起下伏煤體瓦斯動力災(zāi)害。2011-07-17楊柳煤礦因厚硬巖漿巖床突然破斷擠壓離層空間導(dǎo)致地面鉆井發(fā)生噴水和瓦斯事故，后經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，噴孔事故前的離層空間體積為1.83萬m，受厚硬巖層破斷沖擊后離層空間減小0.58萬m，離層瓦斯壓力由1.15 MPa驟增至1.68 MPa，相當(dāng)于增加了3 074 MJ的能量，瞬間沖破了地面鉆井孔口防爆片。

3.3 巖漿巖床結(jié)構(gòu)失穩(wěn)致災(zāi)機制

巖漿巖侵入后，熱演化作用與深成變質(zhì)作用疊加，促進煤體二次生烴，顯著影響煤層瓦斯賦存特征。作為滲透性極低的致密巖石，上覆巖漿巖像密封層一樣覆蓋在煤層之上，構(gòu)成天然的封閉空間；而在水平方向上，如果頂?shù)装宸忾]條件較好，環(huán)形巖床亦可圈閉影響區(qū)內(nèi)煤層瓦斯。圈閉作用增大了煤層瓦斯壓力和含量，提高了瓦斯膨脹能；巖漿巖侵入時構(gòu)造應(yīng)力作用使煤體集中應(yīng)力增大，彈性能亦增大；厚硬巖漿巖體易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)見方失穩(wěn)，并將沖擊荷載和能量施加于下伏煤體。沖擊荷載與煤層原始應(yīng)力疊加，強化了煤體的塑性變形，不僅增大了煤體彈性能，而且破碎了煤體并降低了其災(zāi)變耗能；而能量疊加使煤體災(zāi)變潛能提高，是導(dǎo)致煤層瓦斯動力災(zāi)害發(fā)生的主因，如圖12所示?；诖?，在進行試驗研究時可分別采取加軸壓和卸圍壓的力學(xué)試驗路徑，如圖13所示。

圖12 巖漿巖床結(jié)構(gòu)失穩(wěn)致災(zāi)原理[57]Fig.12 Schematic diagram of coal and gas dynamic disaster induced by the magmatic sill failure[57]

4 巖漿巖環(huán)境煤層瓦斯動力災(zāi)害特征及防治關(guān)鍵技術(shù)

4.1 巖漿巖環(huán)境煤層瓦斯災(zāi)害分區(qū)分級特征

巖漿侵入煤系地層過程中，熱演化范圍一般可達到巖漿巖厚度的1～1.4倍，而巖漿巖穿過煤層處，其熱演化范圍一般會更大。例如，海孜煤礦120 m的巨厚巖床的熱演化區(qū)邊緣距離巖床約160 m，大興煤礦近30 m厚的巖漿巖墻的熱演化區(qū)邊緣距離巖墻約40 m，而臥龍湖煤礦4 m厚的環(huán)形巖漿巖床穿過煤層處的熱演化區(qū)邊緣距離巖床約60 m。巖漿巖熱演化作用均大幅提高了熱演化區(qū)煤體對瓦斯的吸附能力。

在煤炭開采過程中，從回采煤層底板到采空區(qū)頂部，裂隙連通之處構(gòu)成了采動卸壓瓦斯的運移空間?；夭擅簩雍蜕细矌r層中的卸壓瓦斯涌出和流動的非均衡性以及采空區(qū)垮落煤(巖)體空洞的局部聚集，導(dǎo)致卸壓瓦斯在浮力作用下沿采動裂隙向上運移，而在瓦斯運移過程中涌出源瓦斯與環(huán)境氣體的密度差逐漸減小，直至為0。此時混合氣體將聚集在垮落帶上部的裂隙帶內(nèi)，形成瓦斯聚集帶。

蔡元培的這封復(fù)信，并沒有消除但采爾的擔(dān)憂。1931年東北“九一八”事變后，1932年又發(fā)生“一·二八”上海事變，日本帝國主義得寸進尺，企圖占領(lǐng)上海，作為繼續(xù)侵略中國的基地。在此情形下，但采爾又于1932年2月初提出前往北平呆半個月，“時局轉(zhuǎn)佳，則仍南返；否則提前回國”[11]22，并要求預(yù)支二、三、四月的月俸。

作為礦井的主關(guān)鍵層，厚硬巖漿巖控制著其上部所有巖層的整體運動。采動后其能夠保持長期的不下沉、不垮落，而在其支撐作用下，被保護層的上、下煤巖體內(nèi)部軟硬巖交接處形成了大量不完全閉合的離層空間，此類保護層開采的卸壓效果較其他地質(zhì)條件將更加明顯。厚硬巖漿巖下伏的煤(巖)體卸壓均勻，滲透性急劇增加，特別是彎曲下沉帶內(nèi)的豎向穿層裂隙連通了煤層與離層，導(dǎo)致瓦斯在濃度差作用下不斷涌入離層空間內(nèi)，形成新的瓦斯聚集帶。

圖13 煤巖失穩(wěn)特征實驗室試驗力學(xué)路徑及試驗結(jié)果(數(shù)據(jù)來自文獻[57])Fig.13 Laboratory experiment and results of instability characteristics of coal and rock(Data originated from Reference[57])

總體上，厚硬巖漿巖的圈閉作用較大程度影響了煤層瓦斯的賦存規(guī)律，一方面提高了下伏各煤層的瓦斯含量和壓力，使其成為煤與瓦斯突出煤層，另一方面使煤層突出危險性隨著上覆厚硬巖漿巖厚度以及與上覆巖漿巖層距離的變化呈現(xiàn)多級分布特征，同時厚硬巖漿巖的存在還影響著卸壓瓦斯富集規(guī)律。因此，根據(jù)厚硬巖漿巖層分布特征、地質(zhì)構(gòu)造和煤層賦存規(guī)律的不同，筆者認為巖漿巖影響區(qū)域煤層瓦斯災(zāi)害具有分區(qū)分級特征，而煤巖動力災(zāi)害預(yù)測、治理等均應(yīng)根據(jù)巖漿巖賦存特征及其對煤層的影響程度進行選擇。

4.2 巖漿巖影響區(qū)域煤巖動力災(zāi)害預(yù)測敏感指標(biāo)

煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的動力現(xiàn)象，突出類型和引起突出的危險因素不同，預(yù)測指標(biāo)及其敏感性也就不同。針對巖漿巖影響環(huán)境，建立了更精確預(yù)測煤層突出敏感指標(biāo)及其臨界值的流程，如圖14所示。

通過瓦斯治理工藝流程的模型化分析，確定了設(shè)計指標(biāo)、抽采指標(biāo)和消突判定指標(biāo)等關(guān)鍵節(jié)點控制指標(biāo)；針對不同地質(zhì)條件煤層消突判定指標(biāo)敏感性和臨界值的差異，研究獲得了巖漿侵入?yún)^(qū)不同變質(zhì)程度突出煤層的敏感指標(biāo)和臨界值，針對高水低階煤首次提出了以原煤水分含量作為突出危險補充判定指標(biāo)，創(chuàng)造性地提出使用安全線預(yù)測方法表征煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系；并對關(guān)鍵節(jié)點控制指標(biāo)的有效性、預(yù)警閾值和達標(biāo)體系進行了長期工程驗證與實踐。例如，鐵法大隆礦13煤層區(qū)域敏感指標(biāo)瓦斯壓力臨界值為1.5 MPa，局部敏感指標(biāo)Δ臨界值為220 Pa，以水分含量3%作為補充判定指標(biāo)；皖北臥龍湖煤礦10煤層區(qū)域敏感指標(biāo)瓦斯含量臨界值為9.5 m/t，局部敏感指標(biāo)臨界值為0.45 mL/(g·min)。確定的部分指標(biāo)臨界值優(yōu)于國家規(guī)定數(shù)值，為巖漿侵入?yún)^(qū)不同煤種條件下煤層瓦斯突出預(yù)測和效果檢驗奠定了基礎(chǔ)。

4.3 巖漿侵入?yún)^(qū)域煤巖動力災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)

采煤過程中，作為下伏煤層的主關(guān)鍵層，厚硬巖漿巖撓度較小，易形成大量“瓦斯富集區(qū)-離層區(qū)”。此外，厚硬巖漿巖影響著下伏煤層瓦斯生成—存儲—運移的整個過程，使下伏各煤層多具有突出危險性；同時，工作面回采導(dǎo)致厚硬巖漿巖突然失穩(wěn)破斷易引起復(fù)合型動力災(zāi)害?；诖?，筆者提出了厚硬巖漿巖影響區(qū)煤體瓦斯動力災(zāi)害防治流程，如圖15所示。

..巖漿巖影響區(qū)域煤層瓦斯抽采

針對巖漿巖對瓦斯動力災(zāi)害的影響規(guī)律，筆者提出分區(qū)分級瓦斯綜合立體抽采技術(shù)體系，如圖16所示。

根據(jù)淮北、皖北等礦區(qū)瓦斯治理工程實踐可知，在煤層回采前，如果其位于無突出危險區(qū)，則應(yīng)注重區(qū)域驗證工作；具備保護層開采的區(qū)域，一定優(yōu)先采用保護層；單一煤層或者首采層突出危險區(qū)但瓦斯壓力<3 MPa，可先施工底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽回采巷道瓦斯，然后利用順層鉆孔預(yù)抽工作面瓦斯；如果其位于突出危險區(qū)且≥3 MPa，應(yīng)當(dāng)采用地面井預(yù)抽煤層瓦斯，或者采用底板巖巷大面積穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，待瓦斯壓力降至臨界值以下后開掘煤巷并利用順層鉆孔抽采工作面瓦斯；煤層回采期間，根據(jù)采場覆巖裂隙分布規(guī)律，選擇較佳的方法抽采卸壓瓦斯，可以井上下聯(lián)合抽采為主；煤層回采后，在采空區(qū)埋管抽采采空區(qū)瓦斯，以確保瓦斯治理安全高效。實際施工過程中，可以根據(jù)成本分析確定采用遠距離定向長鉆孔對巷道和密集鉆孔進行優(yōu)化。

圖14 突出敏感指標(biāo)及其臨界值確定流程(改編自文獻[61])Fig.14 Flow chart for determination of coal and gas outburst sensitive index and its critical value (Modified by Reference[61])

圖15 厚硬巖漿巖影響區(qū)煤體瓦斯災(zāi)害治理流程[4]Fig.15 Schematic diagram of the coal and gas dynamic disasters prevention under the thick and hard magmatic rocks

圖16 巖漿巖侵入?yún)^(qū)域煤層瓦斯動力災(zāi)害綜合治理體系(改編自文獻[62])Fig.16 Comprehensive control schematic of coal and gas dynamic disaster in the magmatic intrusion area (Modified by Reference[62])

下保護層開采后，如果彎曲下沉帶內(nèi)的煤層頂板存在厚硬巖漿巖，則煤巖裂隙與離層短期內(nèi)不會閉合，瓦斯氣體將沿煤巖裂隙涌入離層區(qū)，可施工地面鉆井或者遠距離穿層鉆孔抽采離層區(qū)瓦斯，同時還可兼顧抽采上被保護層卸壓瓦斯和采空區(qū)瓦斯，可取得較好的抽采效果。例如，海孜煤礦Ⅱ1021工作面穿層鉆孔共抽采瓦斯485.82萬m，抽采半徑在100 m以上，穩(wěn)定期單孔流量達4～6 m/min，如圖17(a)所示；海孜煤礦Ⅱ1017工作面地面鉆井共抽采瓦斯323萬m，瓦斯抽采半徑達到300 m，穩(wěn)定期平均瓦斯抽采量達6.34 m/min，平均瓦斯體積分數(shù)約為35.6%，如圖17(b)所示。

圖17 海孜煤礦穿層鉆孔和地面鉆井抽采效果[62]Fig.17 Gas drainage effects of the crossing boreholes and the surface wells in Haizi Coal Mine

..采空區(qū)最小充填高度

充填開采技術(shù)既能有效防止厚硬巖漿巖的突然破斷失穩(wěn)，減小離層空間體積和煤體應(yīng)力集中，也使上覆巖體移動變形量減小，影響被保護層卸壓效果，因此，需要獲得采空區(qū)最小充填高度，使采空區(qū)充填和保護層開采能夠高效共存于厚硬巖漿巖賦存地質(zhì)條件。

采空區(qū)充填時，如果上覆巖層與充填矸石接觸時的彎曲下沉量小于其初次破斷時的最大撓度，則其只會發(fā)生彎曲下沉，而不會發(fā)生斷裂。由此，厚硬巖漿巖賦存區(qū)煤層開采時采空區(qū)充填高度和等價采高可分別表示為

(9)

(10)

式中，和分別為采空區(qū)充填高度和等價采高，m；為矸石的碎脹系數(shù)；′為矸石的殘余碎脹系數(shù)；為采高，m；∑為巖層垮落厚度，m；為上覆巖層均布載荷，MPa；為巖層的極限垮斷步距，m；為彈性模量，MPa；為慣性矩，m。

根據(jù)前述研究建立的等價采高模型計算可知，在淮北海孜煤礦巨厚巖漿巖下伏10煤層保護層工作面(采高2.74 m)，當(dāng)采空區(qū)最小充填高度為1.51 m(等價采高1.5 m)時，被保護層7煤層最小垂直應(yīng)力為9.48 MPa，降幅29.78%，最大膨脹變形率約6.8‰，卸壓效果較為理想，如圖18所示。

圖18 不同等價采高條件下被保護層卸壓效果Fig.18 Pressure relief effect of the protected layer under the condition of the different equivalent mining height

5 結(jié)論及展望

(1)以熱傳導(dǎo)的傳熱方式為基礎(chǔ)，構(gòu)建了巖漿巖侵入?yún)^(qū)考慮水分影響的煤體熱傳遞模型，獲得了巖漿巖熱演化作用區(qū)域煤的變質(zhì)程度分帶特征。巖漿巖侵入產(chǎn)生的復(fù)雜應(yīng)力易造成下伏煤體發(fā)生構(gòu)造煤化，在該過程中煤體孔隙損傷劇烈。處于巖漿熱演化區(qū)的煤體由于其孔容和比表面積均呈現(xiàn)增大趨勢，對瓦斯的吸附解吸能力亦相對增強。

(2)巖漿巖侵入時的熱演化作用疊加接觸變質(zhì)作用促進煤體二次生烴，而致密巖漿巖床的圈閉作用提高了煤層的瓦斯含量和壓力，增大了其突出危險性。厚硬巖漿巖層失穩(wěn)破斷產(chǎn)生的沖擊載荷作用在下伏煤層后，應(yīng)力疊加等同于加大煤層埋深并使煤體產(chǎn)生塑性破壞，能量疊加使得煤體災(zāi)變潛能提高，是導(dǎo)致煤層瓦斯動力災(zāi)害發(fā)生的主因。

(3)根據(jù)對厚硬巖漿巖層分布特征、地質(zhì)構(gòu)造和煤層賦存規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，巖漿巖影響區(qū)域煤層瓦斯動力災(zāi)害具有分區(qū)分級特征，并以此提出了針對性的煤層瓦斯災(zāi)害防控關(guān)鍵技術(shù)。

但是，由于巖漿巖的熱作用和煤體變質(zhì)發(fā)育均是一個相當(dāng)長時期的復(fù)雜地質(zhì)過程，因此，未來在巖漿巖賦存區(qū)域煤系地層瓦斯方面還存在潛在的研究方向。

(1)巖漿巖侵入煤系地層后，熱演化作用的時間、溫度和巖漿巖的規(guī)模、巖性等均對煤體物理化學(xué)特性和瓦斯賦存規(guī)律有著巨大影響，因此，需要構(gòu)建更加科學(xué)的理論模型并選擇更加精準(zhǔn)的初始條件和邊界條件來探討巖漿巖侵入對煤巖瓦斯動力災(zāi)害的作用機制，對不同地質(zhì)環(huán)境和煤層特征的礦井技術(shù)和指標(biāo)進行驗證、修訂和進一步系統(tǒng)研究。

(2)構(gòu)造煤賦存區(qū)域一直是瓦斯動力災(zāi)害發(fā)生的重點區(qū)域，特別是具有厚硬巖漿巖賦存的松軟煤層區(qū)域，煤巖瓦斯復(fù)合災(zāi)害時有發(fā)生，煤層增透強化抽采與動力災(zāi)害時空協(xié)同技術(shù)需要進一步探討。