岩浆岩环境煤层瓦斯异常赋存特征与动力灾害防控关键技术

王 亮，郭海军，程远平，王 凯，徐 超，蒋静宇，吴昱辰，廖晓雪，唐寒露

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学(北京) 共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083；3.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083)

进入21世纪，我国煤炭需求量急剧增加，2001年至2020年原煤产量由11.06亿t增加到38.4亿t。煤炭工业保障我国经济发展的同时，采深的快速增加也使煤的开采条件不断恶化。我国48%以上矿井属于高瓦斯和突出矿井，是世界煤矿瓦斯灾害最严重的国家。此外，我国含煤地层经历过多次大型构造运动，地质条件复杂，断层褶曲发育，许多煤田还遭受了岩浆入侵影响。笔者检索文献发现，我国受岩浆侵入影响的煤田或矿区有30个以上，分布在8个亿吨级大型煤炭生产基地，包括：两淮、河南、蒙东、新疆、晋北、晋东、鲁西、冀中。岩浆作用对煤体及煤层瓦斯赋存规律的影响包括两大类:一是以机械破坏、吞蚀熔化、接触变质等作用将全部或一部分煤层熔化，造成煤层消失或厚度异常的区域，瓦斯往往较低；二是侵入影响区域煤层受热演化作用和局部构造双重作用下，往往成为瓦斯的异常富集区。笔者以对矿井安全生产严重威胁的第2类情况进行系统研究。

众多煤与瓦斯动力灾害事故案例表明，岩浆岩侵入的热演化作用和力学作用增加了其覆盖区域煤炭开采过程中的煤与瓦斯突出危险性。

岩浆岩侵入后煤层容易导致构造煤带的形成，瓦斯突出判定指标(瓦斯放散初速度、瓦斯含量等)往往会超过临界值。李恒乐等研究发现岩浆岩侵入导致煤体二次生烃，并对瓦斯产生圈闭作用，易引起采动煤体瓦斯异常涌出。GURBA和WEBER研究发现煤体受岩浆热演化作用后，其吸附/解吸能力提高。BEAMISH等发现岩浆岩赋存对煤与瓦斯突出灾害有极大的影响。SAGHAFI等研究发现，岩浆岩侵入后，煤体孔隙体积、瓦斯吸附能力、瓦斯含量等均增大，采动影响下极易发生突出事故。WANG等发现岩浆岩侵入区煤层具有相对较高的煤与瓦斯突出危险性。

岩浆岩侵入不仅促进了煤的变形-变质进程，还改变已有地质构造格局，导致其影响区内煤层瓦斯赋存出现异常，瓦斯动力灾害特征和防控关键技术研究对保障此类地质条件煤炭安全开采具有重要现实意义。基于此，笔者对岩浆岩侵入煤系地层后的热变质作用规律、煤体物理化学结构变化特征等进行了系统研究与对比分析，并探讨了岩浆岩赋存环境下煤岩瓦斯动力灾害发生机制、预测指标体系及防控关键技术。

1 岩浆侵入煤系地层特征及热变质作用

1.1 岩浆侵入煤系地层特征

岩浆往往沿着深断裂上涌，并在中、新生代多次侵入我国含煤地层(图1)。岩浆侵入煤系地层时，大多是顺着层间涌入并基本与沉积岩层平行赋存，少部分沿与沉积岩层成一定夹角的方向侵入。侵入煤层的岩浆岩产状有岩墙和岩床，其中后者的影响范围较大。除此以外，还有波状、浑圆状、串珠状、树叉状等形态，极大破坏了煤层的完整性，为煤炭开采造成极大困难，尤其对机械式采掘作业影响较大。

图1 岩浆岩侵入煤系地层途径及岩浆岩产状(改编自文献[20])Fig.1 Way of magma intruding into the coal measure strata and the occurrence of magmatic rocks(Modified by Reference[20])

围岩岩性和岩浆侵入层位决定了岩床厚度和层数，如遇有断层时，岩浆会跨越多个岩层。如果岩浆涌入煤层顶板附近，煤体在高温作用下将会分解熔化，导致部分煤层缺失或厚度降低，且岩浆产生的热力作用在改变煤变质程度的同时也会改变煤层结构。我国东部煤系地层中岩浆活动非常频繁，主要发生在燕山期，如淮北煤田80%左右矿区存在岩浆岩体。

1.2 岩浆侵入煤系地层后的热作用模型

假设岩浆侵入体为水平形状(图2(a))，岩浆侵入是瞬间完成的，之后岩浆侵入体开始冷却，冷却和向围岩传热的散热方式是热传导，其冷却过程中岩浆岩体和围岩形成与时间和空间有关的非稳态温度场。

T1—地表温度，℃；T2—岩浆岩体初始温度，℃；h1—岩浆顶板距离地表的埋深，m；h2—底板距离地表的埋深，m；l—岩浆侵入体长度的一半，m图2 岩浆侵入体冷却过程及围岩温度变化曲线(改编自文献[12,20])Fig.2 Cooling process of magmatic intrusions and the temperature variation curves of surrounding rocks(Modified by References[12,20])

通过对冷却过程的简化，可以建立岩浆侵入体-围岩温度分布规律的热传导方程，即

(1)

其中，为物体的热扩散率,=()；为导热系数，W/(m·K)；为岩浆岩的密度，g/cm；为岩浆岩的比热容，J/(kg·K)；为温度，℃；为岩浆岩体内部热量，J；为时间，a。为了进一步简化模型，假设岩浆岩体和围岩的热扩散率相同。考虑到岩浆侵入后即进入冷却过程，只是随身携带着热量而不再产生热量，因此可以认为=0。

如果地表温度为，岩浆岩体初始温度为，所建模型地温梯度为Δ，并假设模型两侧与下侧无热量散失，则式(1)通过傅里叶变换可以得到二维热传导模型的解：

(2)

式中，erf为误差函数。

根据式(2)，通过确定和，可以对模型内任意位置的温度进行监测，如图2(b)所示。

结合能量守恒定律可知，单位时间内进入煤体的热量等于单位时间内流出煤体的热量、煤体内能的变化以及煤中水分相变吸收的内能之和，即

(3)

式中，，和分别为轴、轴和轴方向的导热系数，W/(m·K)；为煤中水分相变吸收的内能，J；为煤的密度，kg/m；为煤的比热容，J/(kg·K)。

假设煤层各处的导热系数相同，则式(3)可进一步简化为

(4)

式中，为煤的导热系数，W/(m·K)。

在岩浆的影响下，温度持续升高，当达到某个温度后，煤体中的水分发生相变。此时，煤体继续吸收热量但温度不再升高，吸收的热量用于水分的相变。根据前人研究成果可得

(5)

式中，为水的密度，kg/m；为水的相变潜热，kJ/kg；为含水率；，为煤中水分发生相变时的温度区间。

将式(5)代入式(4)可得岩浆岩侵入区考虑水分影响的煤体热传递模型，即

(6)

1.3 岩浆岩热变质作用特征

我国煤系地层在不同阶段经历了不同的热源及相应的地温梯度。深成变质作用与热演化作用叠加导致煤层具有多阶段变质演化和多煤级赋存的特征。只有深成变质作用时，埋深增大约1 000 m，煤级才会提高1级，但在岩浆岩热演化作用下，各煤层在间距不到100 m的范围内，煤级也会大不相同，呈现明显的带状分布特征。煤层与岩浆岩距离越小，煤的变质程度就越高；岩浆岩厚度越大，附近区域煤的变质程度相对越高；此外，岩浆岩体厚度相同而岩性不同，其影响程度也不一样，比如，基性岩浆侵入体，因所含气、液物质较酸性岩浆少，即使其原始温度高于酸性岩浆，其影响范围也远小于后者，如图3所示。

注：图中表征煤层或岩层类型的字母后面的下标数字代表煤层或岩层编号，非下标数字代表煤层或岩层厚度,m图3 岩浆岩侵入区域煤变质程度的带状分布[26]Fig.3 Vertical zonation of coal metamorphism after influenced by the magmatic rock[26]

淮北海孜煤矿岩浆岩侵入区煤的变质程度分带特征也佐证了上述规律(图4(a))，在海孜煤矿19线以西的岩浆岩较厚(达到甚至超过140 m)，其下伏7煤层均为无烟煤(WY)；在19线以东，因岩浆岩变薄，下伏7煤层主要为贫煤(PM)；而在岩浆岩厚度进一步减小以及边缘地区，下伏7煤层为焦煤(JM)；同时，煤体发生二次生烃作用，甲烷生成量由深成变质作用时期的220 m/t增大至岩浆热演化作用时期的340 m/t(图4(b))。

图4 海孜煤矿岩浆侵入区煤体变质程度分区及生烃示意(改编自文献[20])Fig.4 Distribution of the coal metamorphism and the hydrocarbon generation after influenced by the magmatic rock (Modified by Reference[20])

总之，岩浆侵入活动的规模和大小、岩浆的性质和产状、围岩的性质与其组合关系以及侵入之后保温条件等均影响着煤变质的范围、程度和分带特征。

2 岩浆岩对煤体物理化学特征的影响

2.1 岩浆岩侵入区煤体化学结构特征

岩浆热演化作用可通过影响煤中化学元素和由各种元素组成的侧链、桥键等官能团来决定煤体的宏观物理性质。X射线衍射试验发现，煤中碳原子渐渐呈现出有序化排列特征，特别是高阶煤中碳含量大量增加致使煤体内部逐渐呈现三维有序结构特征，其微晶结构单元更加密集化、堆叠化、缩合化、芳构化，促使微孔隙朝更发育方向演化，而碳原子芳香层之间的距离则逐渐缩小，其结构参数逐渐趋向于石墨；傅里叶转换红外光谱试验发现，随着岩浆岩影响程度的加深，煤中芳香环缩合程度增大，侧链、桥键以及羟基、羧基、羰基等含氧官能团含量逐渐降低。

总之，在岩浆接触热演化作用增强煤体变质程度的同时，煤体内部脱氧、去氢、富碳的趋势逐渐明显，碳氢比亦在逐渐加大。

2.2 岩浆岩侵入区煤体孔隙结构特征

..岩浆岩环境煤体构造煤化作用

岩浆侵入时会推挤下伏煤层，增加煤层周围区域的应力(图5(a)～(c))，破坏煤的孔隙结构，形成不同形式的构造煤。煤中孔容和比表面积均随煤体破坏程度增加而增大，提高了煤对瓦斯的吸附解吸能力。淮北海孜煤矿岩浆岩侵入地层过程中，下伏煤层煤体在自重应力和挤压应力耦合作用，加剧了下伏煤层与下地层之间的层滑运动，在这种复杂的多重应力作用下，原本就已经破碎的煤体遭到进一步破坏，煤中有机组分的活动加剧，进而发生韧性变形，形成了粉化煤，如图5(d)～(f)所示。此类现象在淮北杨柳煤矿、郑州矿区、阳泉矿区等顶板存在厚硬岩浆岩或者其他坚硬岩层的区域也大量存在。

图5 海孜煤矿岩浆岩侵入区应力分布及粉化煤体(改编自文献[20,22])Fig.5 Stress distribution laws and pulverized coals in the magmatic intrusion area from the Haizi Coal Mine (Modified by References[20，22])

..岩浆岩对煤体孔隙结构特征的影响

受岩浆侵入影响前的煤体变质程度相对较低，深成变质作用与岩浆热演化作用叠加后，煤体生烃速度加快，气体生成量加大，“叠加生烃”后煤中出现较多孔径远大于深成变质作用下气孔孔径的热解气孔。通过扫描电镜观察发现，靠近岩浆岩的煤体具有大量热解气孔，且热解气孔的直径大，分布密集；远离岩浆岩，热演化作用逐渐减弱，煤体中热解气孔亦逐渐减少，如图6所示。

岩浆侵入后，煤体变质程度提高，煤中形成更多新的孔隙，新生孔隙有利于煤中瓦斯的吸附/解吸和扩散，对煤层气开发具有积极意义。通过试验研究发现，越靠近岩浆岩，煤中微孔累积比表面积和孔容越大(图7(a))，说明越靠近岩浆岩，煤中微孔发育程度越高。岩浆侵入后构造应力和热演化作用对下伏煤体的孔隙结构亦具有较大影响，使得上覆岩床越厚，煤中的微孔和小孔相对越发育(图7(b))。由于煤体吸附瓦斯主要由微孔完成，而瓦斯扩散主要在小孔中进行，因此岩浆岩通过影响煤中微孔和小孔的分布规律来控制煤对瓦斯的吸附/解吸能力。

2.3 岩浆岩侵入区煤体瓦斯吸附/解吸特征

..岩浆侵入对煤体瓦斯吸附性能的影响

如前所述，岩浆岩侵入对下伏煤层的热演化作用使煤的变质程度增大，并改变了煤体的孔隙结构。一般情况下，煤体与岩浆岩的距离越小，受热演化作用越强烈，煤中微孔越发育，煤对瓦斯的吸附能力也越大(图8(a))；另外，岩浆岩厚度在一定程度上反映了岩浆活动的剧烈程度，相同条件下岩浆岩厚度越大，热演化作用越强烈，导致煤中微孔大量增加，煤体吸附能力亦呈现逐渐增强的趋势(图8(b))。

图6 岩浆岩侵入区煤体扫描电镜照片[32]Fig.6 SEM images of coals from the magmatic intrusion area

图7 岩浆岩侵入体对煤体孔隙结构的影响(数据来自文献[25,30,32-43])Fig.7 Effects of the thickness of magmatic intrusions on the coal pore structure(Data originated from References[25, 30, 32-43])

图8 岩浆岩侵入对煤体吸附能力的影响(数据来自文献[4,16,18,20,30,32,34,39-48])Fig.8 Effects ofthe magmatic rock on the adsorption capacity of coals(Data originated from References [4, 16, 18, 20, 30, 32, 34, 39-48])

..岩浆侵入对煤体瓦斯解吸性能的影响

采掘作业打破了煤中原有的吸附平衡状态，瓦斯持续解吸，直至新的吸附平衡状态出现。岩浆侵入煤系地层后，岩浆岩的高温烘烤作用在一定程度上可以促进煤体瓦斯解吸扩散能力。一般情况下，岩浆岩越厚，煤层与岩浆岩距离越短，煤的瓦斯解吸能力就越强，其瓦斯放散初速度也越大，如图9所示。

综上可知，在一定条件下，岩浆热演化作用影响区域煤体吸附能力和解吸扩散能力均显著增加。另一方面，厚硬岩浆岩的渗透率远低于泥岩、砂岩和粉砂岩等岩石的渗透率(图10)，当岩浆岩体以岩床形式赋存于煤层顶板时，形成了天然的“瓦斯封存箱”，对瓦斯运移通道起到封闭作用，易于圈闭保存瓦斯。这也是该区域煤层容易发生瓦斯异常涌出、煤与瓦斯突出等动力灾害的直接原因。

图9 岩浆岩对煤体瓦斯解吸放散特性的影响(数据来自文献[20,30,32,34,39,41,42,45,46,49-52])Fig.9 Effects of the magmatic rock on the gas desorption properties of coals (Data originated from References[20, 30, 32, 34, 39, 41, 42, 45, 46, 49-52])

图10 不同种类岩石渗透率测定结果[20]Fig.10 Permeability of the different rocks[20]

3 上覆岩浆岩床结构失稳对下伏煤岩体的致灾机制

3.1 岩浆岩侵入对煤层应力特征的影响

图11 厚硬岩层破断对下伏煤体的等效深度作用示意[55]Fig.11 Apparent-depth effects of the thick hard rock strata failure to the underlying coal seams[55]

煤层M(埋深600 m，原岩应力16 MPa)开采过程中，厚硬岩浆岩破断的冲击荷载和采动引起的应力集中均作用于该煤层，可能会使该煤层所受实际地应力达到甚至超过25 MPa，力学状态等同于埋深更大的煤层N(埋深1 000 m)，而煤层M受采动卸荷影响，煤层N不受任何扰动，因此煤层M的煤体比煤层N更易发生劣化失稳。

3.2 岩浆岩床结构失稳前的能量积聚-耗散特征

原始煤体中的瓦斯气体膨胀时可对外释放能量，煤体本身具有弹性能，厚硬岩浆岩破断向下伏煤体施加冲击能量。3者构成了煤体蕴含的灾变潜能，即

=++

(7)

在发生动力灾害时，需要破碎功将煤体破碎，瓦斯气体需要提供动能将破碎煤体抛出，破碎煤体移动时相互碰撞摩擦耗能为。因此，含瓦斯煤体的灾变耗能为

=++

(8)

如果>，则厚硬岩浆岩破断易导致下伏煤体瓦斯动力灾害发生，而岩浆岩破断后的冲击能量越大，越容易引起下伏煤体瓦斯动力灾害。2011-07-17杨柳煤矿因厚硬岩浆岩床突然破断挤压离层空间导致地面钻井发生喷水和瓦斯事故，后经计算发现，喷孔事故前的离层空间体积为1.83万m，受厚硬岩层破断冲击后离层空间减小0.58万m，离层瓦斯压力由1.15 MPa骤增至1.68 MPa，相当于增加了3 074 MJ的能量，瞬间冲破了地面钻井孔口防爆片。

3.3 岩浆岩床结构失稳致灾机制

岩浆岩侵入后，热演化作用与深成变质作用叠加，促进煤体二次生烃，显著影响煤层瓦斯赋存特征。作为渗透性极低的致密岩石，上覆岩浆岩像密封层一样覆盖在煤层之上，构成天然的封闭空间；而在水平方向上，如果顶底板封闭条件较好，环形岩床亦可圈闭影响区内煤层瓦斯。圈闭作用增大了煤层瓦斯压力和含量，提高了瓦斯膨胀能；岩浆岩侵入时构造应力作用使煤体集中应力增大，弹性能亦增大；厚硬岩浆岩体易出现结构见方失稳，并将冲击荷载和能量施加于下伏煤体。冲击荷载与煤层原始应力叠加，强化了煤体的塑性变形，不仅增大了煤体弹性能，而且破碎了煤体并降低了其灾变耗能；而能量叠加使煤体灾变潜能提高，是导致煤层瓦斯动力灾害发生的主因，如图12所示。基于此，在进行试验研究时可分别采取加轴压和卸围压的力学试验路径，如图13所示。

图12 岩浆岩床结构失稳致灾原理[57]Fig.12 Schematic diagram of coal and gas dynamic disaster induced by the magmatic sill failure[57]

4 岩浆岩环境煤层瓦斯动力灾害特征及防治关键技术

4.1 岩浆岩环境煤层瓦斯灾害分区分级特征

岩浆侵入煤系地层过程中，热演化范围一般可达到岩浆岩厚度的1～1.4倍，而岩浆岩穿过煤层处，其热演化范围一般会更大。例如，海孜煤矿120 m的巨厚岩床的热演化区边缘距离岩床约160 m，大兴煤矿近30 m厚的岩浆岩墙的热演化区边缘距离岩墙约40 m，而卧龙湖煤矿4 m厚的环形岩浆岩床穿过煤层处的热演化区边缘距离岩床约60 m。岩浆岩热演化作用均大幅提高了热演化区煤体对瓦斯的吸附能力。

在煤炭开采过程中，从回采煤层底板到采空区顶部，裂隙连通之处构成了采动卸压瓦斯的运移空间。回采煤层和上覆岩层中的卸压瓦斯涌出和流动的非均衡性以及采空区垮落煤(岩)体空洞的局部聚集，导致卸压瓦斯在浮力作用下沿采动裂隙向上运移，而在瓦斯运移过程中涌出源瓦斯与环境气体的密度差逐渐减小，直至为0。此时混合气体将聚集在垮落带上部的裂隙带内，形成瓦斯聚集带。

蔡元培的这封复信，并没有消除但采尔的担忧。1931年东北“九一八”事变后，1932年又发生“一·二八”上海事变，日本帝国主义得寸进尺，企图占领上海，作为继续侵略中国的基地。在此情形下，但采尔又于1932年2月初提出前往北平呆半个月，“时局转佳，则仍南返；否则提前回国”[11]22，并要求预支二、三、四月的月俸。

作为矿井的主关键层，厚硬岩浆岩控制着其上部所有岩层的整体运动。采动后其能够保持长期的不下沉、不垮落，而在其支撑作用下，被保护层的上、下煤岩体内部软硬岩交接处形成了大量不完全闭合的离层空间，此类保护层开采的卸压效果较其他地质条件将更加明显。厚硬岩浆岩下伏的煤(岩)体卸压均匀，渗透性急剧增加，特别是弯曲下沉带内的竖向穿层裂隙连通了煤层与离层，导致瓦斯在浓度差作用下不断涌入离层空间内，形成新的瓦斯聚集带。

图13 煤岩失稳特征实验室试验力学路径及试验结果(数据来自文献[57])Fig.13 Laboratory experiment and results of instability characteristics of coal and rock(Data originated from Reference[57])

总体上，厚硬岩浆岩的圈闭作用较大程度影响了煤层瓦斯的赋存规律，一方面提高了下伏各煤层的瓦斯含量和压力，使其成为煤与瓦斯突出煤层，另一方面使煤层突出危险性随着上覆厚硬岩浆岩厚度以及与上覆岩浆岩层距离的变化呈现多级分布特征，同时厚硬岩浆岩的存在还影响着卸压瓦斯富集规律。因此，根据厚硬岩浆岩层分布特征、地质构造和煤层赋存规律的不同，笔者认为岩浆岩影响区域煤层瓦斯灾害具有分区分级特征，而煤岩动力灾害预测、治理等均应根据岩浆岩赋存特征及其对煤层的影响程度进行选择。

4.2 岩浆岩影响区域煤岩动力灾害预测敏感指标

煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象，突出类型和引起突出的危险因素不同，预测指标及其敏感性也就不同。针对岩浆岩影响环境，建立了更精确预测煤层突出敏感指标及其临界值的流程，如图14所示。

通过瓦斯治理工艺流程的模型化分析，确定了设计指标、抽采指标和消突判定指标等关键节点控制指标；针对不同地质条件煤层消突判定指标敏感性和临界值的差异，研究获得了岩浆侵入区不同变质程度突出煤层的敏感指标和临界值，针对高水低阶煤首次提出了以原煤水分含量作为突出危险补充判定指标，创造性地提出使用安全线预测方法表征煤层瓦斯压力与埋深的关系；并对关键节点控制指标的有效性、预警阈值和达标体系进行了长期工程验证与实践。例如，铁法大隆矿13煤层区域敏感指标瓦斯压力临界值为1.5 MPa，局部敏感指标Δ临界值为220 Pa，以水分含量3%作为补充判定指标；皖北卧龙湖煤矿10煤层区域敏感指标瓦斯含量临界值为9.5 m/t，局部敏感指标临界值为0.45 mL/(g·min)。确定的部分指标临界值优于国家规定数值，为岩浆侵入区不同煤种条件下煤层瓦斯突出预测和效果检验奠定了基础。

4.3 岩浆侵入区域煤岩动力灾害防治关键技术

采煤过程中，作为下伏煤层的主关键层，厚硬岩浆岩挠度较小，易形成大量“瓦斯富集区-离层区”。此外，厚硬岩浆岩影响着下伏煤层瓦斯生成—存储—运移的整个过程，使下伏各煤层多具有突出危险性；同时，工作面回采导致厚硬岩浆岩突然失稳破断易引起复合型动力灾害。基于此，笔者提出了厚硬岩浆岩影响区煤体瓦斯动力灾害防治流程，如图15所示。

..岩浆岩影响区域煤层瓦斯抽采

针对岩浆岩对瓦斯动力灾害的影响规律，笔者提出分区分级瓦斯综合立体抽采技术体系，如图16所示。

根据淮北、皖北等矿区瓦斯治理工程实践可知，在煤层回采前，如果其位于无突出危险区，则应注重区域验证工作；具备保护层开采的区域，一定优先采用保护层；单一煤层或者首采层突出危险区但瓦斯压力<3 MPa，可先施工底板岩巷穿层钻孔预抽回采巷道瓦斯，然后利用顺层钻孔预抽工作面瓦斯；如果其位于突出危险区且≥3 MPa，应当采用地面井预抽煤层瓦斯，或者采用底板岩巷大面积穿层钻孔预抽煤层瓦斯，待瓦斯压力降至临界值以下后开掘煤巷并利用顺层钻孔抽采工作面瓦斯；煤层回采期间，根据采场覆岩裂隙分布规律，选择较佳的方法抽采卸压瓦斯，可以井上下联合抽采为主；煤层回采后，在采空区埋管抽采采空区瓦斯，以确保瓦斯治理安全高效。实际施工过程中，可以根据成本分析确定采用远距离定向长钻孔对巷道和密集钻孔进行优化。

图14 突出敏感指标及其临界值确定流程(改编自文献[61])Fig.14 Flow chart for determination of coal and gas outburst sensitive index and its critical value (Modified by Reference[61])

图15 厚硬岩浆岩影响区煤体瓦斯灾害治理流程[4]Fig.15 Schematic diagram of the coal and gas dynamic disasters prevention under the thick and hard magmatic rocks

图16 岩浆岩侵入区域煤层瓦斯动力灾害综合治理体系(改编自文献[62])Fig.16 Comprehensive control schematic of coal and gas dynamic disaster in the magmatic intrusion area (Modified by Reference[62])

下保护层开采后，如果弯曲下沉带内的煤层顶板存在厚硬岩浆岩，则煤岩裂隙与离层短期内不会闭合，瓦斯气体将沿煤岩裂隙涌入离层区，可施工地面钻井或者远距离穿层钻孔抽采离层区瓦斯，同时还可兼顾抽采上被保护层卸压瓦斯和采空区瓦斯，可取得较好的抽采效果。例如，海孜煤矿Ⅱ1021工作面穿层钻孔共抽采瓦斯485.82万m，抽采半径在100 m以上，稳定期单孔流量达4～6 m/min，如图17(a)所示；海孜煤矿Ⅱ1017工作面地面钻井共抽采瓦斯323万m，瓦斯抽采半径达到300 m，稳定期平均瓦斯抽采量达6.34 m/min，平均瓦斯体积分数约为35.6%，如图17(b)所示。

图17 海孜煤矿穿层钻孔和地面钻井抽采效果[62]Fig.17 Gas drainage effects of the crossing boreholes and the surface wells in Haizi Coal Mine

..采空区最小充填高度

充填开采技术既能有效防止厚硬岩浆岩的突然破断失稳，减小离层空间体积和煤体应力集中，也使上覆岩体移动变形量减小，影响被保护层卸压效果，因此，需要获得采空区最小充填高度，使采空区充填和保护层开采能够高效共存于厚硬岩浆岩赋存地质条件。

采空区充填时，如果上覆岩层与充填矸石接触时的弯曲下沉量小于其初次破断时的最大挠度，则其只会发生弯曲下沉，而不会发生断裂。由此，厚硬岩浆岩赋存区煤层开采时采空区充填高度和等价采高可分别表示为

(9)

(10)

式中，和分别为采空区充填高度和等价采高，m；为矸石的碎胀系数；′为矸石的残余碎胀系数；为采高，m；∑为岩层垮落厚度，m；为上覆岩层均布载荷，MPa；为岩层的极限垮断步距，m；为弹性模量，MPa；为惯性矩，m。

根据前述研究建立的等价采高模型计算可知，在淮北海孜煤矿巨厚岩浆岩下伏10煤层保护层工作面(采高2.74 m)，当采空区最小充填高度为1.51 m(等价采高1.5 m)时，被保护层7煤层最小垂直应力为9.48 MPa，降幅29.78%，最大膨胀变形率约6.8‰，卸压效果较为理想，如图18所示。

图18 不同等价采高条件下被保护层卸压效果Fig.18 Pressure relief effect of the protected layer under the condition of the different equivalent mining height

5 结论及展望

(1)以热传导的传热方式为基础，构建了岩浆岩侵入区考虑水分影响的煤体热传递模型，获得了岩浆岩热演化作用区域煤的变质程度分带特征。岩浆岩侵入产生的复杂应力易造成下伏煤体发生构造煤化，在该过程中煤体孔隙损伤剧烈。处于岩浆热演化区的煤体由于其孔容和比表面积均呈现增大趋势，对瓦斯的吸附解吸能力亦相对增强。

(2)岩浆岩侵入时的热演化作用叠加接触变质作用促进煤体二次生烃，而致密岩浆岩床的圈闭作用提高了煤层的瓦斯含量和压力，增大了其突出危险性。厚硬岩浆岩层失稳破断产生的冲击载荷作用在下伏煤层后，应力叠加等同于加大煤层埋深并使煤体产生塑性破坏，能量叠加使得煤体灾变潜能提高，是导致煤层瓦斯动力灾害发生的主因。

(3)根据对厚硬岩浆岩层分布特征、地质构造和煤层赋存规律的研究发现，岩浆岩影响区域煤层瓦斯动力灾害具有分区分级特征，并以此提出了针对性的煤层瓦斯灾害防控关键技术。

但是，由于岩浆岩的热作用和煤体变质发育均是一个相当长时期的复杂地质过程，因此，未来在岩浆岩赋存区域煤系地层瓦斯方面还存在潜在的研究方向。

(1)岩浆岩侵入煤系地层后，热演化作用的时间、温度和岩浆岩的规模、岩性等均对煤体物理化学特性和瓦斯赋存规律有着巨大影响，因此，需要构建更加科学的理论模型并选择更加精准的初始条件和边界条件来探讨岩浆岩侵入对煤岩瓦斯动力灾害的作用机制，对不同地质环境和煤层特征的矿井技术和指标进行验证、修订和进一步系统研究。

(2)构造煤赋存区域一直是瓦斯动力灾害发生的重点区域，特别是具有厚硬岩浆岩赋存的松软煤层区域，煤岩瓦斯复合灾害时有发生，煤层增透强化抽采与动力灾害时空协同技术需要进一步探讨。