袁晗,羅文柯,*,李文豪

(1.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院,湖南 湘潭 411201； 2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

火成巖侵入煤層是煤礦井下比較常見的一種地質(zhì)現(xiàn)象,國內(nèi)外學者在火成巖侵入對煤層賦存的影響方面做了大量研究[1].巖漿侵入會降低煤層穩(wěn)定性,加劇煤層結構復雜程度,對煤礦的生產(chǎn)帶來很大的阻力[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、孔隙結構、吸附解吸特征和煤體結構等;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近距離的影響,對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的煤層連續(xù)性和完整性特征;李永高等[8]針對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)的影響程度進行分析;李昌盛[9]研究發(fā)現(xiàn)火成巖侵蝕對煤層的結構復雜性和賦存穩(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,對煤層的影響程度由強至弱;馬良[11]發(fā)現(xiàn)火成巖侵入對煤層的穩(wěn)定性和結構的破壞程度是多種因素共同作用的結果.筆者以鄒莊礦井72煤火成巖侵蝕區(qū)和非侵蝕區(qū)的煤層為研究對象,采用數(shù)理統(tǒng)計和現(xiàn)場驗證的方法,系統(tǒng)地研究礦井火成巖巖床侵蝕條件下72煤煤層結構的復雜性、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計勘探線13條(每500 m設一條),每條勘探線施工5～13個不等勘探鉆孔,共計施工勘探鉆孔123個,其中揭露發(fā)現(xiàn)火成巖的鉆孔有53個,占勘探鉆孔總數(shù)的43%.礦井火成巖對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)煤層結構特征分析

2.1 煤層結構特征

煤層的結構變化對采煤方法和設備選擇影響甚大,需要對煤層結構進行分類,根據(jù)煤層中有無較穩(wěn)定的夾矸層(厚度小于0.5 m的沉積巖層)將煤層分為簡單結構煤層和復雜結構煤層.簡單結構煤層是指煤層不含夾矸煤層,但可能有較小的礦物質(zhì)透鏡體和結核;復雜結構煤層是指含有較穩(wěn)定的夾矸層,少則1～2層,多則數(shù)層.

2.2 對煤層結構特征的分析

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 可采煤層厚度及結構一覽表

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構,使62煤成為較復雜結構煤層,72煤成復雜結構煤層,82煤受火成巖侵蝕程度小,含矸鉆孔數(shù)少,為簡單結構煤層;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,說明火成巖侵蝕導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 煤厚變化對瓦斯突出的控制作用

煤厚變化對瓦斯突出的控制機理是當煤層厚度由厚急劇變薄時,瓦斯含量和瓦斯壓力減小,但水平地應力增大,最容易出現(xiàn)壓出,壓出過程中地應力起著比較重要的作用;當煤層厚度由薄急劇變厚時,地應力作用的水平分量指向巷道里端,其趨勢是不利于瓦斯突出,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來表征煤層厚度的變化程度,具體根據(jù)式(1)計算.

(1)

3.2 火成巖侵蝕區(qū)與無火成巖侵蝕區(qū)煤層平均厚度的對比分析

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

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

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火成巖侵蝕鉆孔的煤層平均厚度,說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)與無火成巖侵蝕區(qū)煤厚變異系數(shù)的對比分析

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,說明火成巖侵入導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,突出危險性增高.

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

4 煤層傾角特征分析

4.1 煤層傾角變化對瓦斯的控制作用

煤層傾角(底板傾角)是煤層層面與水平面的二面角,根據(jù)當前地下開采技術,我國將煤層按傾角分為4類: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°).一般來說,用煤層傾角變異系數(shù)α及其變化來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性越大(如圖5)[13],具體根據(jù)式(2)計算.

(2)

圖5 傾角變化引起的瓦斯突出機理示意圖

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,突出危險性增高.

5 結論

1)火成巖侵蝕導致煤層結構變得復雜,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,突出危險性增高.