柳江盆地岩浆侵入对煤层顶板岩石力学特征的影响

王 海 军

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077; 2.西北大学 地质学系，陕西 西安 710069; 3.西北大学 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

柳江盆地作为河北省重要的煤炭资源供应基地，同时作为华北板块及河北省内板块构造的缩影，其构造演化、岩浆侵入过程对华北克拉通破坏的研究具有典型性和重要意义[1-2]。盆地赋存石炭二叠纪和侏罗纪2个煤田，属于典型的双煤系煤田，也代表了华北煤田的2种典型类型煤田。其中的石炭二叠纪煤田是盆地内的主力煤田，其内赋存的优质无烟煤是周边市县的主要煤炭供应基地。侏罗纪以来盆地经历了多个期次的岩浆活动，在盆地中部形成了巨厚层、大面积分布的中性安山岩岩体，同时在岩浆的喷发过程中岩浆熔岩沿着煤层内、煤层其顶底板围岩软弱界面侵入，因此，在煤层及其围岩内形成了一系列的岩浆岩侵入体。经过多年的野外地质调查、地质填图、遥感地质解译、矿井生产地质调查、煤田地质勘查、钻孔岩芯精细描述以及煤层顶底板岩石力学测试等发现:相同岩性的煤层顶板岩石力学性质存在巨大的差异，煤层顶板的岩性组合类型在平面上分布具规律性，且盆地内火成岩的分布尤其是古火山口位置的分布与具有耦合性。

国内外对柳江盆地的研究最早可追溯到20世纪四五十年代，国内学者刘锡文、刘发等先后在盆地内开展了地质构造[3]、地层古生物[4-5]等方面的研究;近年来郝素琴、陈丹玲、李越等[6-8]对盆地内的火成岩、盆地周边火成岩岩性组合、盆地基底构造及其演化过程等进行了研究;马良、刘善德等[9-10]盆地内煤炭煤岩煤质受火成岩的影响以及盆地内的煤与天然焦的划分等进行了研究。此外，国内的学者[11-19]对我国不同煤田侵入煤层对煤岩煤质、孔隙结构、煤层瓦斯吸附性以及坚硬顶板致灾机理和防治措施等[20-21]进行了研究，且取得了理想的效果。但是以往研究多针对某一个矿井，而对盆地尺度的研究尤其是以柳江盆地具为代表且有典型性的盆地的研究较少，尤其缺少对盆地内岩浆的喷发、侵入对盆地内资源赋存及其开采技术条件的系统研究。

岩石力学特征是进行煤层顶、底板稳定性评价，矿井开拓设计和井巷围岩支护以及矿井采掘支护设备选型等的重要依据。研究表明，岩石力学特征决定煤层顶板的稳定性，而岩石力学特征受岩石岩性、成分、胶结物、填充物等多种因素的影响[22-23]，后期的构造运动起着强化早期特征的作用[24-27]。而后期的构造运动尤其是煤系地层内岩浆侵入活动究竟对原生顶板力学性质有如何的影响呢？基于上述问题开展本次研究，以柳江盆地石炭二叠纪煤田主采煤层3煤层及其顶板为研究对象，从岩浆侵入煤层及其顶板的模式入手研究其对岩石力学特征的影响，通过建立盆地岩浆侵入煤层及其顶板的模式，对不同岩浆侵入模式下煤层顶板不同岩性、不同位置，与岩浆岩不同距离、厚度下的煤层及其顶板岩石进行系统的样品采集和室内测试分析，以期为柳江盆地内煤层顶板稳定性评价、矿井设计、井巷围岩采掘支护以及我国相同地质条件的煤田等提供参考。

1 地质概况

1.1 地层及构造特征

图1 区域构造及其位置Fig.1 Regional structure and its location

柳江盆地构造演化大致经历了基底形成、稳定盖层沉积和强烈活动3个阶段。盖层沉积阶段沉积了本区含煤地层太原组、山西组、下花园组;强烈活动阶段的中生代由于强烈的构造运动和岩浆活动，使得区内构造复杂化，形成不同类型的褶皱断裂构造，最终形成了盆地中西部近南北向东缓西陡的不对称向斜构造格局[8]。

盆地内的主力煤田为石炭二叠纪煤田，煤系太原组、山西组是主要层系。山西组的3煤层是主力煤层，太原组的4，5煤层为辅煤层。煤系厚度87～200 m，平均170 m;地层倾角5°～15°，平均10°;含煤层数3～5层，其中可采煤层3层，主力煤层3煤层厚度0～11.86 m，平均4.25m。煤层结构受侏罗纪岩浆侵入活动的影响导致煤层结构复杂、厚度变化大;煤类以无烟煤为主;3煤层直接顶板以闪长玢岩为主，局部发育粉砂岩、细粒砂岩、泥岩直接顶板(图2)。

图2 柳江盆地煤系地层综合柱状Fig.2 Comprehensive histogram of coal rocks measures strata in Liujiang Basin

1.2 岩浆活动特征

柳江盆地火成岩包括盆地周缘前寒武纪太古界花岗岩、燕山期花岗岩和盆地内中部大积分布的巨厚层状的中性安山岩体(图2)。其中对煤系影响大的侵入事件发生于侏罗世，即燕山运动第1期安山岩喷出及闪长岩侵入旋回，相当于燕山运动Ⅱ幕未至Ⅲ幕初的火山事件，地质年龄约165±10 Ma;岩浆侵入深度为500～1 200 m，其形成环境介于喷发与侵入岩之间，属次火山岩类[19]。

本次地质调查、钻孔揭露及以往研究[10]均表明侏罗纪髫髻山期火成岩的喷发通道为盆地中部的断裂构造，喷发方式为裂隙式间歇式喷发。钻孔及地面地质剖面测量发现火山的喷发序列大概经历了4～5个期次的喷发，在盆地内形成了由爆发相-喷出-溢流相的火山岩序列。在岩浆喷发过程中岩浆熔岩在煤系地层内顺煤层、构造、裂隙以及软弱面侵入、吞噬煤系从而形成了目前的煤层及其顶底板结构。煤系内侵入岩以浅灰白色、浅灰黑色安山玢岩、玄武安山玢岩和次闪长玢岩为主，显微镜下具有斑状结构，斑晶以斜长石为主含少量的角闪石和黑云母，基质与斑晶相似，细小板状斜长石散乱分布，其间充填暗色矿物和玻璃质;斑晶和基质均发生了强烈的碳酸盐化，呈变余碎屑假象(图3(f))。

盆地内岩浆岩在地表的盆地中部大面积分布在平面上岩性以安山岩、安山玄武岩(图3(e)～(f))、辉石安山岩、角闪安山岩(图3(d))、火山角砾岩、火山熔岩为主，局部可见火山弹(图3(h))、火山熔岩、枕状熔岩(图3(h))等；在纵向上发育火山集块岩(图3(i))、火山角砾岩(图3(a))、粗面安山岩(图3(c))、粗面岩、安山岩等；火成岩的厚度在平面上中部厚向四周变薄，地形高点和地层厚度极值点分布在老君顶、305高地、大石洼、265高地等地。经统计侵入岩的厚度总体上中部较厚、向四周变薄；各地层内侵入岩的厚度与地表喷出岩体的厚度呈正相关性。

2 煤层顶板岩石力学特征

2.1 煤层直接顶板划分方法

按照文献[25-29]中提出的煤层直接顶板划分方法(表1)，结合煤层直接顶板各类岩石力学测试结果，采用《煤矿区水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》(MT/T 1091—2008)中煤层开采后冒落带的高度计算公式，同时参考盆地内现有国有大型煤矿采用的煤层开采工艺、工作面的长度、宽度等布置情况以及生产矿井揭露取4倍的煤层厚度作为垮落带高度即煤直接顶板厚度计算的参数。

图3 岩浆岩特征Fig.3 Characteristics of magmatic

表1 煤层顶板类型划分方案[28-29]Table 1 Coal seam roof type division scheme[28-29]

2.2 直接顶板组合类型

按照上述方法结合本次勘查工程部署的62个钻孔，共对盆地内162个煤田地质勘查钻孔的煤层顶底板进行逐孔直接顶板岩性组合、厚度、类型划分和归纳，将盆地内主力煤层3煤层直接顶板类型归纳划分为5种类型(图4):

(1)吞噬型顶板。岩浆岩将煤层顶板炭质泥岩、泥岩或煤层全部吞噬煤层、岩浆沿着断裂通道向上喷出过程中的岩溶通道区域。该区域在盆地内主要为2种形式:① 岩浆岩吞噬煤层区域的无煤区(图4中的2205孔区域);② 3煤与3上煤层之间由于岩浆的顺煤层侵入形成的岩浆岩顶板及煤层分叉，岩浆的吞噬不仅完全改变了煤体及其特性，而且改造煤层宏观煤岩结构、显微煤岩组分(图5,图6(e)～(k))和煤质特征以及煤炭资源的加工利用[10-11]。

(2)侵入型顶板。岩浆岩沿着3煤顶部的泥岩、煤层侵入，但是3煤仍然具有一定的厚度，形成了煤层顶板岩性全部或大部分为侵入的闪长玢岩侵入岩体，厚度为煤层厚度的3～4倍的区域(图4中的3410孔区域)。从图5可以看出，岩浆侵入煤层后煤层的变质改造程度随着距离的增加而减弱。

(3)复合型顶板。在直接顶板范围内存在岩浆侵入体，形成了岩浆侵入体与其它岩性沉积岩的顶板岩性组合如图4中的3405孔区域(图6(a),(c))。

(4)强化改造型顶板。煤层直接顶板范围无岩浆侵入体，但是在其近距离范围内发育侵入岩，同时岩浆对顶板岩性及其力学性质发生了改造作用，强化并改造了顶板的力学性质，导致顶板岩石力学性质远优于原岩的岩石力学性质如图4的3402和3408孔区域(图6(d),(e))。

图4 柳江盆地石炭二叠纪煤田岩浆侵入及煤层直接顶板类型组合模式Fig.4 Magma intrusion and coal seam direct roof type combination model of carboniferous-Permian coalfield in Liujiang Basin

(5)原生型顶板。岩浆的活动对直接顶板岩石力学性质基本无影响，因此，煤层顶板基本上保持了原始的岩石力学性质(图4的3411孔区域)。

2.3 直接顶板岩石力学特征

在地面地质填图和矿井地质调查的基础上，根据古火山口的大概位置结合盆地构造复杂程度和煤层稳定程度，部署煤田地质勘查工程，详细开展地质岩芯钻探、岩芯精细描述、工程地质编录，并布设4条工程地质剖面，对剖面上的11个钻孔煤层顶板垮落带范围内的岩芯进行岩石力学样采集和剖面上的16个钻孔进行工程地质编录及工程地质测井(图1,2)。岩石力学样品根据岩浆侵入煤层顶板的模式分层系统采集，所有采样钻孔均采用绳索钻具、φ95 mm的金刚石钻头钻进，共采集175组、1 595块岩石力学样品，所有样品长度均大于120 mm，岩芯直径大于60 mm，在岩芯管提出井口后第一时间内进行采集，并及时密封防止岩芯风化、失水;根据试验结果分析不同岩性的岩石力学参数特征与侵入岩的厚度、与侵入岩的距离的关系。

2.3.1煤层及其顶板总体特征

根据测试结果重点分析其中的149组煤层顶板岩石样品，对抗压强度、抗剪切强度、抗拉强度、岩石密度、孔隙度、含水率、杨氏模量、泊松比、RQD等关键力学参数进行测试(表2)，结果发现:

(1)盆地内石炭二叠纪煤田煤层及其顶底板围岩岩石属于较软弱～坚硬岩类，以较坚硬岩类为主;其中泥岩、粉砂质泥岩、煤层属于较软弱岩类，粉砂岩属于较坚硬岩类，细粒砂岩、中粗粒砂岩属于坚硬岩类;侵入岩闪长玢岩、安山玢岩属于坚硬岩类，岩体完整，岩体质量好;各类顶板岩石完整性劣～完整，以较完整为主。

(2)盆地内煤层受到岩浆侵入活动的影响，导致煤层的岩石力学特征发生了改变，表现为抗压强度的增强，密度变大，抗剪强度增大等。

(3)各类岩石的抗压强度、抗剪切强度、RQD等关键岩石力学参数具有煤层<泥岩类<砂岩类<火成岩类的特征，其中砂岩类岩石具有随着砂岩粒度增加力学性质增强的特征;而岩石的含水率则相反，泊松比、孔隙度相差不大。

图6 火成岩侵入对煤系岩石的影响Fig.6 Effect of igneous rock intrusion on coal measure rocks

表2 煤层顶板岩石力学总体特征Table 2 Overall rock mechanics characteristics of coal seam roof

2.3.2不同侵入模式下岩石力学特征

在煤层顶板岩浆岩侵入煤层顶板类型划分和岩石力学特征总体分类统计、分析的基础上，按照岩性、距离侵入岩的距离、侵入岩的厚度等分类统计，分析岩石力学各参数与上述各因素之间的相关关系(表3，4)。

表3 岩浆对煤层及其顶板不同岩性岩石力学参数的影响Table 3 Influence of magma on rock mechanical parameters of different lithology in coal seam and its roof

表4 岩浆活动对岩石力学参数的影响总体特征Table 4 Statistical table of overall characteristics of influence of magmatic activities on rock mechanical parameters

图7 岩浆侵入厚度、侵入距离与岩石力学参数关系Fig.7 Relationship diagram of magma intrusion thickness,distance and rock mechanical parameters

(1)盆地内煤层及其直接顶板岩石的抗压强度、抗剪强度、弹性模量与岩浆侵入岩层的距离呈负相关性，且为指数关系(图7(e));而与岩石的密度、孔隙度、含水率以及泊松比等呈正相关性，且为对数关系(图7(f));但是各类岩石力学参数与岩层侵入岩层的厚度相关性不明显，可能是多期次、长时间的岩浆活动作用相叠加而掩盖了二者之间的关系。

(2)通过统计盆地内地表喷出中性安山岩体的厚度与煤系地层内侵入岩闪长玢岩、安山玢岩等岩体的在同一个钻孔上的厚度，发现二者具有正相关性(图7(a))，侧面印证了侵入岩与喷出岩是同期的产物、盆地中部的岩浆岩为原地喷发的观点[6]。

(3)在与煤层顶、底板岩浆侵入体距离相同的情况下，各类岩石的抗压强度、抗剪切强度、杨氏模量力学参数与岩浆侵入岩体的厚度呈正相关性，且为线性关系(图7(c),8);而与内摩擦角、泊松比、岩石的密度等相关不明显(图7(b),8);而与岩石的含水率、孔隙度呈负相关性，其中的含水率表现为幂函数相关关系、孔隙度表现为线性相关关系(图7(d),8)。

(4)岩浆活动对煤层及其顶板侵入程度不同对岩石力学参数的影响表现为:抗压强度、内摩擦角、岩石的密度、弹性模量吞噬区>侵入区>原岩区;含水率、泊松比、孔隙度等参数均受岩浆侵入影响均减少，表现为孔隙度、泊松比原岩区>侵入区>吞噬区(图8(g)～(i),8(j)～(l),9)。

3 综合评价

根据上述统计分析所得的结论，对盆地内主力煤层3煤进行顶板稳定性评价，根据传统的煤层直接顶板划分方法和前述划分结果将顶板按照吞噬型、侵入型、复合型、改造型、原生型5种岩性组合进行分类统计，最后按照两种划分方法分别进行煤层顶底板稳定性评价，并对比评价结果、分析方法的先进性。

3.1 评价参数选择

评价方法统一采用RQD,Z,M,BQ值评价指标法结合煤层顶板岩性组合、顶板面积占比、顶板厚度等进行综合评价，评价结果见表5。

3.2 评价方法

采用《煤矿区水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》(MT/T1091—2008)、《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719—91)和《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)中提供的RQD值法(表6)、岩体质量系数法(表7、式(1))和岩体质量指标法(表8、式(2))以及岩体基本质量评价法(式(3))对比评价个岩层岩体质量及其完整性，评价方法见表7～9和式(1)～(3)。

RQD值评价法:岩石质量等级和岩体完整性评价。

岩体质量系数法Z值为

Z=IfS

(1)

岩体质量指标法M值为

(2)

式中,Z为岩体质量系数;I为岩体完整系数(以RQD值代替);f为结构面摩擦因数;S为岩块坚硬系数(S=Rc/10);M为岩体质量指标;Rc为岩石饱和抗压强度，MPa。

BQ值评价法:

BQ=100+3Rc+250Kv

(3)

式中，Kv为岩体完整性系数(以RQD值代替)。

3.3 评价结果

按照上述评价方法，采用揭露点面积占比、平面上的分布的连续性、Z值、M值、BQ值等指标，根据3煤层直接顶板的类型分区分类进行顶板稳定性评价，评价结果表明(表3、图4):

(1)煤层顶板的岩石力学性质受岩浆侵入的影响和控制，形成了顶板类型平面上环条带状分布的特征，其中以侵入型为主，复合型、强化型、原生型次之(表5);相应的顶板稳定性评价的结果亦具有这一特征(图10(a),(b))，2种方法评价的结果均显示了这一规律，但是新的评价方法表现的这种规律性更强、且更为全面，同时也符合地质规律。

图8 岩浆侵入距离、厚度与岩石力学特征关系Fig.8 Relationship between magma intrusion distance,hickness and rock mechanics characteristics

图9 煤层顶板岩石力学特征总体特征Fig.9 General characteristics of rock mechanics characteristics of coal seam roof

表5 煤层顶板稳定性评价成果Table 5 Evaluation results of coal seam roof stability

表6 岩石坚硬程度分级Table 6 Rock hardness grading table

表7 岩体Z值范围及其优劣分级Table 7 Rock mass Z value range and its advantages and disadvantages classification table

表8 岩体质量分级Table 8 Rock mass quality classification table

表9 岩石质量等级Table 9 Rock quality grade table

图10 煤层顶板稳定性分区评价及其对比Fig.10 Zoning evaluation chart of roof stability of coal seam

(2)按照传统的直接顶板岩性进行评价，研究区内顶板以侵入岩为主，掩盖了顶板岩性组合类型、岩浆侵入对顶板岩石力学特征的影响且忽略了开采因素、开采引发的顶板工程地质问题(图10(a));而按照新的顶板类型划分方法与岩浆侵入岩层对岩石力学特征的影响程度相结合，进行岩浆侵入区煤层顶板类型划分和稳定性评价，进而揭露潜在的工程地质问题(图10(b))。

(3)盆地内主力煤层顶板大面积受岩浆活动的影响，岩浆对煤层顶板岩石力学性质发生了不同程度的改造作用，总体上强化了岩石力学参数和岩石的完整性;导致盆地内受岩浆活动影响范围内煤层顶板的稳定性评价为中等～难冒落顶板，而原生型顶板区域为易于冒落顶板。

(4)盆地内的生产矿井对于吞噬区的探查、需要采取有效的措施，该区是未来矿井生产能否正常生产的关键，同时可以利用岩浆吞噬区作为矿井设计关键硐室、井筒落地的层位选择区域;侵入型顶板区域顶板坚硬，存在长期悬顶，需要采取人工强制放顶而避免一次性大面积跨落造成矿震动和应力集中形成的矿井冲击地压显现;而对于复合型顶板区域，薄层的坚硬的侵入岩浆岩与软弱的砂、泥岩互层层面是软弱面，易于形成顶板事故，是顶板管理的重点区域;强化区域和原岩区域顶板易冒落。

(5)盆地内的煤层及其直接顶板岩石力学性质受岩浆侵入活动的影响，尤其是对煤层，其本质是煤体结构的改造，导致煤层变为较坚硬-坚硬岩体，因此，在巷道掘进、工作面回采及其顶板支护设备的参数选择中需要重点考虑;同时，吞噬和煤层内的岩浆侵入体将严重影响采掘的进度，首先需要采取有效的技术措施查明吞噬区分布位置、火成岩夹矸在工作面的空间展布特征，然后采区有效的措施进行超前设计和弱化处理。

4 结论与讨论

(1)建立了柳江盆地内侏罗纪岩浆活动对盆地内煤层及其顶板岩石力学特征的侵入模式，盆地侏罗纪经历了多期次喷发和侵入活动，对煤层顶板发生了改造作用，并将煤层顶板划分为5种类型，即顶板泥岩、煤层的吞噬型、侵入型、复合型和强化改造型以及原生型。

(2)岩浆的侵入、高温烘烤、吞噬及侵入和喷发过程中的挤压作用等综合效应强化了煤层及其顶底板岩石的力学和工程地质参数特征，表现为岩石密度增加,孔隙度、含水率等减少;抗压强度、抗剪强度、岩体的完整性等关键力学参数增大，且与侵入岩体的厚度、距离等具有一定的相关性。

(3)在盆地内圈定了5个岩浆吞噬区，吞噬区位于古火山口或岩浆喷发通道相上;以古火山口或火山通道相形成的吞噬区为中心煤层顶板类型向外依次渐变为侵入型、复合型、强化改造型和原生型。吞噬型顶板区可以作为矿井关键硐室、井筒落底的理想选择位置;复合型顶板区域是顶板事故的多发区，是顶板管理的重点区域;侵入型顶板区域在工作面回采过程中存在坚硬顶板长期悬的安全开采地质问题，需要采用人工强制放顶措施，该区也是矿井冲击地压管理的重点区域;强化改造型、原生型顶板区域属于中等-易于冒落顶板。

(4)柳江盆地作为华北板块的典型和缩影，上述评价方法及其岩浆活动对煤层顶板岩石力学特征的影响研究结果不仅可以指导盆地内矿井设计、顶板稳定性评价、顶板支护管理以及开采设备的选型;而且可以为华北煤田具有同或相似地质条件的矿井提供参考和研究思路。

(5)揭示了柳江盆地内侏罗纪岩浆侵入活动对煤层及其顶板岩石力学各参数的影响程度，岩石力学参数与岩浆岩侵入层厚度、距离之间的关系;揭露了盆地内主力煤层顶板类型的环带状分布的特征，同时顶板稳定性评价结果与其具有一致性。

(6)通过对比分析文中采用的顶板类型划分方法与传统的顶板类型划分、评价的结果，说明文中采用的方法可以揭示矿井开采过程中顶板潜在的工程地质问题，适合于岩浆岩侵入煤层类的顶板类型划分和顶板稳定性评价。

(7)盆地内的矿井设备选型中一定要考虑岩浆侵入对煤及其顶板岩石力学特征的强化作用，为了保证矿井正常开采，在工作面回采前需要对工作面内火成岩夹矸、吞噬体及其改造后的坚硬煤体首先需要进行有效的探查，查明吞噬体的规模、火成岩夹矸的空间展布，然后采区有效的技术措施如吞噬区的预先采掘，厚层岩浆岩夹矸的水力致裂、爆破等超前弱化预处理，以保证矿井的安全、正常生产。