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        臨渙井田巖漿侵入活動(dòng)對(duì)煤體的影響規(guī)律

        2023-02-02 05:38:50秦培建高級(jí)工程師張清勇賀副教授徐超平
        安全 2023年1期
        關(guān)鍵詞:巖漿巖煤體煤樣

        秦培建高級(jí)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(shì)[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(duì)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(duì)大同塔山井田巖漿巖對(duì)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(duì)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(duì)主要煤層影響破壞較大;王偉等[12-15]針對(duì)淮北礦業(yè)的海孜煤礦上覆巨厚巖漿巖,分別對(duì)下伏煤層瓦斯賦存影響與控制作用、采動(dòng)裂隙場(chǎng)與瓦斯流動(dòng)場(chǎng)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(duì)象,從煤質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)及甲烷吸附解吸特性3個(gè)方面,探究巖漿巖侵入對(duì)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)装澹踔翆⒚簩油耆涛g,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(gè)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(gè)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(cè)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(duì)4類不同侵蝕程度,每類侵蝕程度的煤體選擇3個(gè)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(duì)煤質(zhì)的影響;接著,通過壓汞測(cè)試得出巖漿巖侵蝕對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(cè)試;壓汞測(cè)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)。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(shì),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(shì),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(dòng)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(shì)。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(duì)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(shì)。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(duì)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(huì)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(duì)煤體吸附常數(shù)a與甲烷放散初速度ΔP進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)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(shì)。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(shì)。對(duì)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(duì)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(duì)煤體的影響效果分為2個(gè)階段,在侵入早期,熱演化作用與構(gòu)造應(yīng)力對(duì)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(jí)越高。

        (2)巖漿巖侵入對(duì)煤體的影響效果分為2個(gè)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(duì)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。

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