王 亮，郭海軍，程遠(yuǎn)平，王 凱，徐 超，蔣靜宇，吳昱辰，廖曉雪，唐寒露

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 共伴生能源精準(zhǔn)開(kāi)采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國(guó)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(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，采深的快速增加也使煤的開(kāi)采條件不斷惡化。我國(guó)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(guó)家。此外，我國(guó)含煤地層經(jīng)歷過(guò)多次大型構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，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(xiàn)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)受巖漿侵入影響的煤田或礦區(qū)有30個(gè)以上，分布在8個(gè)億噸級(jí)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(duì)煤體及煤層瓦斯賦存規(guī)律的影響包括兩大類:一是以機(jī)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(duì)礦井安全生產(chǎn)嚴(yán)重威脅的第2類情況進(jìn)行系統(tǒng)研究。

眾多煤與瓦斯動(dòng)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(kāi)采過(guò)程中的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)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(huì)超過(guò)臨界值。李恒樂(lè)等研究發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入導(dǎo)致煤體二次生烴，并對(duì)瓦斯產(chǎn)生圈閉作用，易引起采動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)較高的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

巖漿巖侵入不僅促進(jìn)了煤的變形-變質(zhì)進(jìn)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(dòng)力災(zāi)害特征和防控關(guān)鍵技術(shù)研究對(duì)保障此類地質(zhì)條件煤炭安全開(kāi)采具有重要現(xiàn)實(shí)意義。基于此，筆者對(duì)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(jìn)行了系統(tǒng)研究與對(duì)比分析，并探討了巖漿巖賦存環(huán)境下煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)制、預(yù)測(cè)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(guó)含煤地層(圖1)。巖漿侵入煤系地層時(shí)，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(shù)叉狀等形態(tài)，極大破壞了煤層的完整性，為煤炭開(kāi)采造成極大困難，尤其對(duì)機(jī)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(xiàn)[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(shí)，巖漿會(huì)跨越多個(gè)巖層。如果巖漿涌入煤層頂板附近，煤體在高溫作用下將會(huì)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(shí)也會(huì)改變煤層結(jié)構(gòu)。我國(guó)東部煤系地層中巖漿活動(dòng)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(kāi)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(guò)程中巖漿巖體和圍巖形成與時(shí)間和空間有關(guān)的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。

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(zhǎng)度的一半，m圖2 巖漿侵入體冷卻過(guò)程及圍巖溫度變化曲線(改編自文獻(xiàn)[12,20])Fig.2 Cooling process of magmatic intrusions and the temperature variation curves of surrounding rocks(Modified by References[12,20])

通過(guò)對(duì)冷卻過(guò)程的簡(jiǎn)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(kuò)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(shí)間，a。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，假設(shè)巖漿巖體和圍巖的熱擴(kuò)散率相同?？紤]到巖漿侵入后即進(jìn)入冷卻過(guò)程，只是隨身攜帶著熱量而不再產(chǎn)生熱量，因此可以認(rèn)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(wú)熱量散失，則式(1)通過(guò)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(guò)確定和，可以對(duì)模型內(nèi)任意位置的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖2(b)所示。

結(jié)合能量守恒定律可知，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入煤體的熱量等于單位時(shí)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(jìn)一步簡(jiǎn)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(dá)到某個(gè)溫度后，煤體中的水分發(fā)生相變。此時(shí)，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(shí)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(guó)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(jí)賦存的特征。只有深成變質(zhì)作用時(shí)，埋深增大約1 000 m，煤級(jí)才會(huì)提高1級(jí)，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(jí)也會(huì)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(duì)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(yuǎn)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(hào)，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(dá)到甚至超過(guò)140 m)，其下伏7煤層均為無(wú)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(jìn)一步減小以及邊緣地區(qū)，下伏7煤層為焦煤(JM)；同時(shí)，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(shí)期的220 m/t增大至巖漿熱演化作用時(shí)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(xiàn)[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(dòng)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(duì)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(guò)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(tuán)來(lái)決定煤體的宏觀物理性質(zhì)。X射線衍射試驗(yàn)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(yàn)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(tuán)含量逐漸降低。

總之，在巖漿接觸熱演化作用增強(qiáng)煤體變質(zhì)程度的同時(shí)，煤體內(nèi)部脫氧、去氫、富碳的趨勢(shì)逐漸明顯，碳?xì)浔纫嘣谥饾u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(shí)會(huì)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(duì)瓦斯的吸附解吸能力?；幢焙Ｗ蚊旱V巖漿巖侵入地層過(guò)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(yùn)動(dòng)，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(jìn)一步破壞，煤中有機(jī)組分的活動(dòng)加劇，進(jìn)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(yáng)泉礦區(qū)等頂板存在厚硬巖漿巖或者其他堅(jiān)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(xiàn)[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(duì)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(duì)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(yuǎn)大于深成變質(zhì)作用下氣孔孔徑的熱解氣孔。通過(guò)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(yuǎn)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(kuò)散，對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)具有積極意義。通過(guò)試驗(yàn)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(shuō)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(duì)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(duì)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(kuò)散主要在小孔中進(jìn)行，因此巖漿巖通過(guò)影響煤中微孔和小孔的分布規(guī)律來(lái)控制煤對(duì)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(duì)煤體瓦斯吸附性能的影響

如前所述，巖漿巖侵入對(duì)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(qiáng)烈，煤中微孔越發(fā)育，煤對(duì)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(dòng)的劇烈程度，相同條件下巖漿巖厚度越大，熱演化作用越強(qiáng)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(qiáng)的趨勢(shì)(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(duì)煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響(數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[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(duì)煤體吸附能力的影響(數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[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(duì)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(jìn)煤體瓦斯解吸擴(kuò)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(qiáng)，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(kuò)散能力均顯著增加。另一方面，厚硬巖漿巖的滲透率遠(yuǎn)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(shí)，形成了天然的“瓦斯封存箱”，對(duì)瓦斯運(yùn)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(dòng)力災(zāi)害的直接原因。

圖9 巖漿巖對(duì)煤體瓦斯解吸放散特性的影響(數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[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(cè)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(duì)下伏煤巖體的致災(zāi)機(jī)制

3.1 巖漿巖侵入對(duì)煤層應(yīng)力特征的影響

圖11 厚硬巖層破斷對(duì)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(kāi)采過(guò)程中，厚硬巖漿巖破斷的沖擊荷載和采動(dòng)引起的應(yīng)力集中均作用于該煤層，可能會(huì)使該煤層所受實(shí)際地應(yīng)力達(dá)到甚至超過(guò)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(dòng)卸荷影響，煤層N不受任何擾動(dòng)，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(shí)可對(duì)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(yùn)含的災(zāi)變潛能，即

=++

(7)

在發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害時(shí)，需要破碎功將煤體破碎，瓦斯氣體需要提供動(dòng)能將破碎煤體拋出，破碎煤體移動(dòng)時(shí)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(dòng)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(dòng)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(jì)算發(fā)現(xiàn)，噴孔事故前的離層空間體積為1.83萬(wàn)m，受厚硬巖層破斷沖擊后離層空間減小0.58萬(wàn)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(jī)制

巖漿巖侵入后，熱演化作用與深成變質(zhì)作用疊加，促進(jìn)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(shí)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(jiàn)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(qiáng)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(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的主因，如圖12所示?；诖耍谶M(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)可分別采取加軸壓和卸圍壓的力學(xué)試驗(yàn)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(dòng)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(jí)特征

巖漿侵入煤系地層過(guò)程中，熱演化范圍一般可達(dá)到巖漿巖厚度的1～1.4倍，而巖漿巖穿過(guò)煤層處，其熱演化范圍一般會(huì)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(guò)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(duì)瓦斯的吸附能力。

在煤炭開(kāi)采過(guò)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(dòng)卸壓瓦斯的運(yùn)移空間?；夭擅簩雍蜕细矌r層中的卸壓瓦斯涌出和流動(dòng)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(dòng)裂隙向上運(yùn)移，而在瓦斯運(yùn)移過(guò)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(shí)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(méi)有消除但采爾的擔(dān)憂。1931年?yáng)|北“九一八”事變后，1932年又發(fā)生“一·二八”上海事變，日本帝國(guó)主義得寸進(jìn)尺，企圖占領(lǐng)上海，作為繼續(xù)侵略中國(guó)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(gè)月，“時(shí)局轉(zhuǎn)佳，則仍南返；否則提前回國(guó)”[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(yùn)動(dòng)。采動(dòng)后其能夠保持長(zhǎng)期的不下沉、不垮落，而在其支撐作用下，被保護(hù)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(hù)層開(kāi)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)力學(xué)路徑及試驗(yàn)結(jié)果(數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[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(xiǎn)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(jí)分布特征，同時(shí)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(rèn)為巖漿巖影響區(qū)域煤層瓦斯災(zāi)害具有分區(qū)分級(jí)特征，而煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)、治理等均應(yīng)根據(jù)巖漿巖賦存特征及其對(duì)煤層的影響程度進(jìn)行選擇。

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

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

通過(guò)瓦斯治理工藝流程的模型化分析，確定了設(shè)計(jì)指標(biāo)、抽采指標(biāo)和消突判定指標(biāo)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制指標(biāo)；針對(duì)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(duì)高水低階煤首次提出了以原煤水分含量作為突出危險(xiǎn)補(bǔ)充判定指標(biāo)，創(chuàng)造性地提出使用安全線預(yù)測(cè)方法表征煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系；并對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制指標(biāo)的有效性、預(yù)警閾值和達(dá)標(biāo)體系進(jìn)行了長(zhǎng)期工程驗(yàn)證與實(shí)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(bǔ)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(guó)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(cè)和效果檢驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

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

采煤過(guò)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(chǔ)—運(yùn)移的整個(gè)過(guò)程，使下伏各煤層多具有突出危險(xiǎn)性；同時(shí)，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(dòng)力災(zāi)害?；诖耍P者提出了厚硬巖漿巖影響區(qū)煤體瓦斯動(dòng)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(duì)巖漿巖對(duì)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的影響規(guī)律，筆者提出分區(qū)分級(jí)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(shí)踐可知，在煤層回采前，如果其位于無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)，則應(yīng)注重區(qū)域驗(yàn)證工作；具備保護(hù)層開(kāi)采的區(qū)域，一定優(yōu)先采用保護(hù)層；單一煤層或者首采層突出危險(xiǎn)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(xiǎn)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(kāi)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(chǎng)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(shí)際施工過(guò)程中，可以根據(jù)成本分析確定采用遠(yuǎn)距離定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)巷道和密集鉆孔進(jìn)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(xiàn)[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(dòng)力災(zāi)害綜合治理體系(改編自文獻(xiàn)[62])Fig.16 Comprehensive control schematic of coal and gas dynamic disaster in the magmatic intrusion area (Modified by Reference[62])

下保護(hù)層開(kāi)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(huì)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(yuǎn)距離穿層鉆孔抽采離層區(qū)瓦斯，同時(shí)還可兼顧抽采上被保護(hù)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(wàn)m，抽采半徑在100 m以上，穩(wěn)定期單孔流量達(dá)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(wàn)m，瓦斯抽采半徑達(dá)到300 m，穩(wěn)定期平均瓦斯抽采量達(dá)6.34 m/min，平均瓦斯體積分?jǐn)?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(kāi)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(dòng)變形量減小，影響被保護(hù)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(hù)層開(kāi)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(shí)，如果上覆巖層與充填矸石接觸時(shí)的彎曲下沉量小于其初次破斷時(shí)的最大撓度，則其只會(huì)發(fā)生彎曲下沉，而不會(huì)發(fā)生斷裂。由此，厚硬巖漿巖賦存區(qū)煤層開(kāi)采時(shí)采空區(qū)充填高度和等價(jià)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(jià)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(jià)采高模型計(jì)算可知，在淮北海孜煤礦巨厚巖漿巖下伏10煤層保護(hù)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(jià)采高1.5 m)時(shí)，被保護(hù)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(jià)采高條件下被保護(hù)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(guò)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(shì)，對(duì)瓦斯的吸附解吸能力亦相對(duì)增強(qiáng)。

(2)巖漿巖侵入時(shí)的熱演化作用疊加接觸變質(zhì)作用促進(jìn)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(xiǎn)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(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的主因。

(3)根據(jù)對(duì)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(dòng)力災(zāi)害具有分區(qū)分級(jí)特征，并以此提出了針對(duì)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(gè)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期的復(fù)雜地質(zhì)過(guò)程，因此，未來(lái)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(shí)間、溫度和巖漿巖的規(guī)模、巖性等均對(duì)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(lái)探討巖漿巖侵入對(duì)煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的作用機(jī)制，對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境和煤層特征的礦井技術(shù)和指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證、修訂和進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

(2)構(gòu)造煤賦存區(qū)域一直是瓦斯動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的重點(diǎn)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(shí)有發(fā)生，煤層增透強(qiáng)化抽采與動(dòng)力災(zāi)害時(shí)空協(xié)同技術(shù)需要進(jìn)一步探討。