袁晗,罗文柯,*,李文豪

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 411201； 2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201)

火成岩侵入煤层是煤矿井下比较常见的一种地质现象,国内外学者在火成岩侵入对煤层赋存的影响方面做了大量研究[1].岩浆侵入会降低煤层稳定性,加剧煤层结构复杂程度,对煤矿的生产带来很大的阻力[2-4].王亮[5]等研究发现火成岩侵入煤层后对煤层表现为不同程度的破坏作用,改变了煤体的变质程度、孔隙结构、吸附解吸特征和煤体结构等;蔡春城[6]等发现火成岩侵入煤层后,受火成岩自身大小、产状以及侵入体的位置和煤层之间远近距离的影响,对煤层的破坏程度不同;王金喜等[7]分析了郭二庄井田火成岩呈岩脉或岩柱状侵蚀时的煤层连续性和完整性特征;李永高等[8]针对永夏煤田火成岩侵蚀条件下煤层煤质和煤层赋存形态的影响程度进行分析;李昌盛[9]研究发现火成岩侵蚀对煤层的结构复杂性和赋存稳定性影响较大;李如刚[10]发现火成岩侵入在横向与垂向上的不均衡性及差异性,对煤层的影响程度由强至弱;马良[11]发现火成岩侵入对煤层的稳定性和结构的破坏程度是多种因素共同作用的结果.笔者以邹庄矿井72煤火成岩侵蚀区和非侵蚀区的煤层为研究对象,采用数理统计和现场验证的方法,系统地研究矿井火成岩岩床侵蚀条件下72煤煤层结构的复杂性、厚度及其倾角的变异程度,为该特殊地质条件下煤层的安全高效开采提供理论依据.

1 研究区背景

邹庄煤矿位于宿州西南,矿井总体构造形态较宽缓,其东翼被双堆断层切割,西翼边缘被一系列断层切割.矿井含煤地层为石炭系和二叠系.二叠系下石盒子组(P1x)为本矿主要含煤地层,山西组(P1s)次之,其中32,62,72,82煤层为主采煤层.综合柱状图如图1所示.

图1 邹庄煤矿煤层综合柱状图

在矿井勘探阶段共设计勘探线13条(每500 m设一条),每条勘探线施工5～13个不等勘探钻孔,共计施工勘探钻孔123个,其中揭露发现火成岩的钻孔有53个,占勘探钻孔总数的43%.矿井火成岩对煤层的侵蚀主要为主采的72煤层和局部可采的62煤层,其侵蚀方式主要以“岩床”形式展现,即在火成岩侵蚀通道附近,火成岩全部或部分吞蚀煤层,而在其能量减弱的边缘则以火成岩薄层状穿插分割煤层.

2 火成岩侵蚀区煤层结构特征分析

2.1 煤层结构特征

煤层的结构变化对采煤方法和设备选择影响甚大,需要对煤层结构进行分类,根据煤层中有无较稳定的夹矸层(厚度小于0.5 m的沉积岩层)将煤层分为简单结构煤层和复杂结构煤层.简单结构煤层是指煤层不含夹矸煤层,但可能有较小的矿物质透镜体和结核;复杂结构煤层是指含有较稳定的夹矸层,少则1～2层,多则数层.

2.2 对煤层结构特征的分析

各勘探钻孔揭露中组煤62煤、72煤和82煤的分层及含夹矸情况如表1所示.其中72煤15#勘探线各钻孔火成岩侵蚀情况如图2所示.

表1 可采煤层厚度及结构一览表

图2 72煤15#勘探线各钻孔火成岩侵蚀情况

由表1和图2可以看出:因62煤、72煤受火成岩侵蚀后成为煤、火成岩、炭质泥岩、天然焦及大夹焦等不等形式的互层结构,使62煤成为较复杂结构煤层,72煤成复杂结构煤层,82煤受火成岩侵蚀程度小,含矸钻孔数少,为简单结构煤层;受火成岩侵蚀的62煤、72煤的可采面积与可采指数明显低于82煤,说明火成岩侵蚀导致煤层的可采面积缩小,可采指数降低.

3 煤层厚度特征分析

3.1 煤厚变化对瓦斯突出的控制作用

煤厚变化对瓦斯突出的控制机理是当煤层厚度由厚急剧变薄时,瓦斯含量和瓦斯压力减小,但水平地应力增大,最容易出现压出,压出过程中地应力起着比较重要的作用;当煤层厚度由薄急剧变厚时,地应力作用的水平分量指向巷道里端,其趋势是不利于瓦斯突出,但瓦斯含量和瓦斯压力不断增大,容易发生突出[12].通常用煤厚变异系数γ来表征煤层厚度的变化程度,具体根据式(1)计算.

(1)

3.2 火成岩侵蚀区与无火成岩侵蚀区煤层平均厚度的对比分析

邹庄煤矿72煤火成岩侵蚀钻孔与无火成岩侵蚀钻孔的平均煤层厚度对比分析如图3所示.

图3 邹庄煤矿72煤火成岩侵蚀区与无火成岩侵蚀区煤层平均厚度对比分析

由图3可以看出:中组煤72煤受火成岩侵蚀钻孔的平均厚度小于无火成岩侵蚀钻孔的煤层平均厚度,说明遭受火成岩侵蚀钻孔的煤层变成天然焦、火夹焦或72煤缺失后煤层厚度变薄,甚至出现无煤或不可采;火成岩侵蚀钻孔煤厚变化区间为1.84～6.95 m,未受火成岩侵蚀钻孔煤厚变化区间为3.94～9.17 m,说明煤层受火成岩侵蚀后,厚度变化范围明显缩小.

3.3 火成岩侵蚀区与无火成岩侵蚀区煤厚变异系数的对比分析

由图4可以看出:中组煤72煤受火成岩侵蚀钻孔的煤厚变异系数为0.30～0.61,平均0.47,非侵蚀钻孔的煤厚变异系数为0.12～0.35,平均0.28,说明火成岩侵入导致煤层的煤厚变异系数增大,煤层由厚变薄和由薄变厚的概率增大,突出危险性增高.

图4 邹庄煤矿72煤火成岩侵蚀区与无火成岩侵蚀区煤厚变异系数对比分析

4 煤层倾角特征分析

4.1 煤层倾角变化对瓦斯的控制作用

煤层倾角(底板倾角)是煤层层面与水平面的二面角,根据当前地下开采技术,我国将煤层按倾角分为4类:①近水平煤层(小于8°);②缓(倾)斜煤层(8°～25°);③中斜煤层(25°～45°);④急(倾)斜煤层(大于45°).一般来说,用煤层倾角变异系数α及其变化来表征煤层局部褶曲发育情况,α越大,则表明煤层突出危险性越大(如图5)[13],具体根据式(2)计算.

(2)

图5 倾角变化引起的瓦斯突出机理示意图

4.2 火成岩侵蚀区与非侵蚀区煤层平均倾角的对比分析

火成岩侵蚀的72煤勘探钻孔平均倾角与未遭受火成岩侵蚀的正常钻孔的平均倾角对比分析如图6所示.

图6 邹庄煤矿72煤火成岩侵蚀与非侵蚀区煤层平均倾角对比分析

由图6可以看出:遭受火成岩侵蚀区域的72煤层平均倾角变化区间为10°～29°,平均17°;未受火成岩侵蚀区域的72煤层平均倾角变化区间为13°～39°,平均20°,说明遭受火成岩侵蚀钻孔的煤层变成天然焦、火夹焦或72煤缺失后,煤层的平均倾角变小,火成岩侵蚀后煤层倾角的变化范围缩小.

4.3 火成岩侵蚀区与非侵蚀区煤层倾角变异系数的对比分析

火成岩侵蚀的72煤勘探钻孔与未遭受火成岩侵蚀的正常钻孔的倾角变异系数对比分析如图7所示.

图7 邹庄煤矿72煤火成岩侵蚀与非侵蚀区煤层倾角变异系数对比分析

由图7可以看出:中组煤72煤受火成岩侵蚀钻孔的倾角变异系数范围为0.23～0.60,平均0.41,非侵蚀钻孔的倾角变异系数范围为0.12～0.41,平均0.27,说明岩浆侵入使煤层的倾角变异系数增大,煤层底板由平缓变急倾斜或由急倾斜变平缓的概率增大,突出危险性增高.

5 结论

1)火成岩侵蚀导致煤层结构变得复杂,可采面积缩小,可采指数变小,煤层的稳定性降低.

2)火成岩侵蚀后煤层厚度的变化范围明显缩小,煤厚变异系数增大,煤层由厚变薄或由薄变厚的概率增大,突出危险性增高.

3)火成岩侵蚀后煤层倾角的变化范围缩小,其倾角变异系数增大,煤层底板由平缓变急倾斜或由急倾斜变平缓的概率增大,突出危险性增高.