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(qiáng)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(jià)值；李井坤等[11]對大興井田巖漿巖侵入特點(diǎn)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(jī)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)，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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jiān)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?yàn)樵谇治g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(shí)，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(jī)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(jiān)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(jiān)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(qiáng)度降低，由正常煤變?yōu)椤皹?gòu)造煤”，因此，煤體堅(jiān)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(qiáng)，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(jiān)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(shí)驗(yàn)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?yàn)樵谇治g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(yàn)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(shí)，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(jiān)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(jiān)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(qiáng)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(shí)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(xiǎn)性，不利于煤層安全開采。