臨渙井田巖漿侵入活動對煤體的影響規(guī)律

秦培建高級工程師 張清勇 李 賀副教授 吳 郗 徐超平

(1.山東魯泰控股集團(tuán)南家咀煤礦，陜西 延安717300；2.湖南科技大學(xué)，湖南 湘潭400201)

0 引言

隨著煤炭資源開采強度和深度的加大，高地應(yīng)力、高瓦斯、高地溫現(xiàn)象愈加明顯，煤炭資源開采過程中的災(zāi)害事故數(shù)量與嚴(yán)重性呈上升趨勢[1-2]。巖漿巖侵蝕是威脅深部煤炭資源安全開采的因素之一，甚至在我國淺部開采階段，部分煤田也發(fā)現(xiàn)有不同程度的影響[3-8]。辛成華[9]對大同煤田東周窯井田地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入程度與煤層起伏及小斷裂發(fā)育程度有一定關(guān)聯(lián)；沈宜厚[10]在對大同塔山井田巖漿巖對煤層煤質(zhì)影響的研究中發(fā)現(xiàn)煌斑巖侵入煤層處使煤發(fā)生變質(zhì)和硅化而完全失去工業(yè)價值；李井坤等[11]對大興井田巖漿巖侵入特點進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)侵入煤層的巖漿主要為輝綠巖，且對主要煤層影響破壞較大；王偉等[12-15]針對淮北礦業(yè)的海孜煤礦上覆巨厚巖漿巖，分別對下伏煤層瓦斯賦存影響與控制作用、采動裂隙場與瓦斯流動場耦合規(guī)律、高突煤層工作面瓦斯綜合治理技術(shù)、礦震分布特征和致災(zāi)機理等方面進(jìn)行研究。綜上所述，我國不少礦井都受到巖漿巖不同程度的侵蝕，其瓦斯賦存、運移與涌出等與常規(guī)條件相比出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。本文以臨渙煤礦4種不同巖漿巖侵蝕程度煤體為研究對象，從煤質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)及甲烷吸附解吸特性3個方面，探究巖漿巖侵入對煤體的影響，為巖漿巖侵蝕條件下的煤層安全高效開采提供技術(shù)指導(dǎo)與保障。

1 實驗準(zhǔn)備

1.1 礦井概況

臨渙井田位于童亭背斜北部傾伏端，西以騎路周斷層為界，西北以騎路周斷層與海孜礦為界，東至大辛家斷層，南至東南以趙口斷層和小陳家斷層為界，并分別與童亭礦和楊柳井田接壤，西南起太原組頂界，總體構(gòu)造形態(tài)為走向近東西、呈“S”形向北傾斜的單斜構(gòu)造。井田南區(qū)未發(fā)生巖漿巖侵入現(xiàn)象，為非侵蝕區(qū)。井田北區(qū)出現(xiàn)巖漿巖侵入現(xiàn)象，不過各區(qū)域的侵蝕程度有所差異。部分區(qū)域的巖漿巖只是局部侵入到煤層頂板，為侵蝕影響區(qū)；部分區(qū)域的巖漿巖侵入到煤層底板，為部分侵蝕區(qū)；還有部分區(qū)域的巖漿巖以巖床的形式侵入到煤層頂?shù)装?，甚至將煤層完全吞蝕，為嚴(yán)重侵蝕區(qū)。

1.2 煤樣制備

根據(jù)煤體受巖漿巖侵蝕程度的不同，將臨渙井田的煤體劃分為4個區(qū)域，分別為非侵蝕區(qū)、侵蝕影響區(qū)、部分侵蝕區(qū)和嚴(yán)重侵蝕區(qū)，如圖1。從4個侵蝕區(qū)分別采取原煤若干(如圖2)，經(jīng)過粉碎后用于后續(xù)測試。

圖1 臨渙井田巖漿巖侵蝕的空間分布特征

圖2 侵蝕區(qū)原煤

1.3 實驗方案

針對4類不同侵蝕程度，每類侵蝕程度的煤體選擇3個煤樣(均標(biāo)記為1、2和3)。首先，開展工業(yè)分析與霍普金森桿試驗，判斷巖漿巖侵蝕對煤質(zhì)的影響；接著，通過壓汞測試得出巖漿巖侵蝕對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；然后，通過甲烷等溫吸附實驗，測量各煤樣的甲烷吸附常數(shù)a與放散初速度ΔP，分析巖漿巖侵蝕對煤體甲烷吸附解吸特性的影響。通過上述實驗研究，最終揭示巖漿巖侵蝕過程對煤體的影響規(guī)律。其中，工業(yè)分析采用ICAP7400型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行測試；壓汞測試采用JK-YG2000型壓汞儀；甲烷等溫吸附實驗采用BSD-PH型全自動高溫高壓氣體吸附儀。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 巖漿侵入對煤質(zhì)的影響

灰分、水分與揮發(fā)分的含量是表征煤體煤質(zhì)的重要指標(biāo)，通過對比不同侵蝕程度煤樣各指標(biāo)間的差異，可以反映巖漿巖侵蝕對煤體煤質(zhì)的影響規(guī)律。不同侵蝕程度煤樣各指標(biāo)的數(shù)據(jù)對比，如圖3。

圖3 巖漿巖侵蝕下煤體工業(yè)組分及堅固性系數(shù)演化規(guī)律

由圖3(a)可知，隨著巖漿巖侵蝕程度的加劇，煤體水分呈先減小后增大的趨勢。這是因為在侵蝕初期，巖漿巖的熱演化作用使得煤中水分發(fā)生汽化，煤樣水分由1.19%～1.32%減小到0.87%～0.95%；隨著侵蝕程度的加深，巖漿巖床的圈閉作用導(dǎo)致煤體快速熱演化過程中的冷凝水得以保存，煤樣水分增大到1.76%～1.86%；在侵蝕程度最大時，水分含量增大到3.05%～3.39%。

由圖3(b)可知，隨著巖漿巖侵蝕程度的加劇，煤體灰分呈增大趨勢，由10.23%～11.06%緩慢增大到12.41%～12.6%，然后迅速增大到25.43%～27.26%，最后增大到36.98%～37.93%。這和巖漿的接觸變質(zhì)作用有關(guān)，在接觸處常出現(xiàn)蝕變現(xiàn)象，煤體由于受巖漿的侵入影響及部分有機質(zhì)受熱呈氣態(tài)逸散出去，造成煤的灰分急劇增加。

由圖3(c)可知，隨著巖漿巖侵蝕程度的加劇，煤體揮發(fā)分呈減小趨勢，由35.25%～37.34%減小到27.16%～28.53%，再減小到20.39%～22.07%，最后減小到10.01%～10.87%，數(shù)據(jù)波動性較小，整體來看，數(shù)據(jù)擬合呈線性關(guān)系，相關(guān)性較大。煤樣揮發(fā)分的降低說明，巖漿巖的熱演化作用使得煤的變質(zhì)程度增大。

此外，巖漿巖侵蝕作用下，煤體堅固性系數(shù)也發(fā)生明顯變化。由圖3(d)可知，隨著巖漿巖侵蝕程度的加劇，煤體堅固性系數(shù)f值呈先減小后急劇增加的趨勢。巖漿巖侵入地層后，在高溫烘烤和擠壓應(yīng)力作用下，煤體結(jié)構(gòu)和煤的孔隙發(fā)育特征產(chǎn)生極大的改變，主要表現(xiàn)為煤體力學(xué)強度降低，由正常煤變?yōu)椤皹?gòu)造煤”，因此，煤體堅固性系數(shù)f值降低，煤抵抗破壞能力變差。而隨著侵蝕效果的增強，巖漿的接觸變質(zhì)作用封堵了嚴(yán)重侵蝕區(qū)煤體孔裂隙，煤吸附瓦斯能力減弱導(dǎo)致瓦斯壓力與瓦斯含量降低，煤體結(jié)構(gòu)趨于致密，煤體堅固性系數(shù)f值急劇增大。

2.2 巖漿侵入對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響

煤是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，其微觀孔隙結(jié)構(gòu)是決定宏觀物理性質(zhì)的重要因素之一，圖4反映了巖漿巖侵蝕下煤體的孔隙率演化規(guī)律。由圖4可知，隨著巖漿巖侵蝕程度的加劇，煤體孔隙率呈先增大后減小的趨勢。在侵蝕初期，巖漿侵入后的熱演化作用與構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致煤體的微孔孔容顯著增大，煤體變質(zhì)程度提高，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“熱解氣孔”，從而導(dǎo)致煤體孔隙率增大；隨著侵蝕程度的加劇，巖漿巖接觸變質(zhì)作用導(dǎo)致煤體微孔被巖漿熱液充填或封堵，微孔孔容降低，煤體結(jié)構(gòu)趨于致密，從而導(dǎo)致煤體孔隙率減小。

圖4 巖漿巖侵蝕下煤樣孔隙率演化規(guī)律

2.3 巖漿侵入對煤體甲烷吸附解吸特性的影響

煤體孔隙結(jié)構(gòu)的改變必然會導(dǎo)致甲烷吸附解吸特性的變化，因此，本研究中通過甲烷等溫吸附實驗對煤體吸附常數(shù)a與甲烷放散初速度ΔP進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果，如圖5、6。

圖5 巖漿巖侵蝕下煤體吸附常數(shù)a演化規(guī)律

由圖5可知，隨著巖漿巖侵蝕程度的加劇，煤體極限吸附常數(shù)a呈先緩慢增加后急劇減小的趨勢。這是因為在侵蝕初期，在侵蝕作用下煤體變質(zhì)程度提高，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(yuǎn)大于深成變質(zhì)作用下氣孔孔徑的“熱解氣孔”，即后生孔隙和后生裂隙，導(dǎo)致煤體甲烷吸附能力上升；在侵蝕后期，巖漿侵入作用推擠上覆、下伏煤層，提高煤層周圍區(qū)域的應(yīng)力，破壞煤的孔隙結(jié)構(gòu)，形成不同形式的構(gòu)造煤，降低了煤體甲烷吸附能力。

由圖6可知，隨著巖漿巖侵蝕程度的加劇，煤體瓦斯放散初速度ΔP呈先增加后急劇減小的趨勢。對比分析圖5和圖6，發(fā)現(xiàn)煤體吸附常數(shù)a和瓦斯放散初速度ΔP變化具有較好的相關(guān)性。如果把瓦斯放散初速度ΔP看成煤的解吸瓦斯能力，那么極限吸附常數(shù)a和瓦斯放散初速度ΔP的相關(guān)性，在一定意義上驗證了巖漿巖侵蝕邊界附近煤的吸附和解吸瓦斯過程是可逆的。

圖6 巖漿巖侵蝕下煤體瓦斯放散初速度ΔP演化規(guī)律

綜上，巖漿巖侵入對煤體產(chǎn)生巨大的影響，煤體的變質(zhì)程度、孔隙結(jié)構(gòu)及甲烷吸附解吸特性均顯著改變。同時，巖漿巖侵入對煤體的影響效果分為2個階段，在侵入早期，熱演化作用與構(gòu)造應(yīng)力對煤體進(jìn)行破壞，揮發(fā)分流失，孔隙度增加，堅固性系數(shù)下降，瓦斯吸附解吸能力提升；而在后期，巖漿巖床的接觸變質(zhì)作用與圈閉作用導(dǎo)致煤體水分含量增加，孔隙結(jié)構(gòu)趨于緊密，堅固性系數(shù)上升，瓦斯吸附解吸能力明顯下降。

3 結(jié)論

(1)巖漿巖的接觸變質(zhì)作用和熱演化作用，導(dǎo)致靠近巖漿巖床的煤體揮發(fā)分由35.25%～37.34%減小到10.01%～10.87%；灰分由10.23%～11.06%增大到36.98%～37.93%；水分先由1.19%～1.32%減小到0.87%～0.95%，隨著侵蝕程度的加深，巖漿巖床的圈閉作用導(dǎo)致煤體快速熱演化過程中的冷凝水得以保存，水分又增大到1.76%～1.86%，煤的變質(zhì)程度增加，也可以說離巖漿巖越近，煤級越高。

(2)巖漿巖侵入對煤體的影響效果分為2個階段，在侵蝕早期，熱演化作用與構(gòu)造應(yīng)力是煤體特性發(fā)生變化的主要影響因素；而在后期，巖漿巖床的接觸變質(zhì)作用與圈閉作用是影響煤體的主要因素。

(3)巖漿侵蝕對煤的吸附、解吸瓦斯能力產(chǎn)生顯著影響。在侵蝕早期，巖漿的熱演化作用增強熱演化區(qū)煤的吸附、解吸瓦斯能力；而在侵蝕后期，巖漿的接觸變質(zhì)作用降低接觸變質(zhì)區(qū)煤的吸附、解吸瓦斯的能力。

(4)巖漿巖侵入時的熱演化作用疊加接觸變質(zhì)作用于煤體，與巖漿巖床的圈閉作用均提高了煤層的瓦斯含量和壓力，增大了其突出危險性，不利于煤層安全開采。