临涣井田岩浆侵入活动对煤体的影响规律

秦培建高级工程师 张清勇 李 贺副教授 吴 郗 徐超平

(1.山东鲁泰控股集团南家咀煤矿，陕西 延安717300；2.湖南科技大学，湖南 湘潭400201)

0 引言

随着煤炭资源开采强度和深度的加大，高地应力、高瓦斯、高地温现象愈加明显，煤炭资源开采过程中的灾害事故数量与严重性呈上升趋势[1-2]。岩浆岩侵蚀是威胁深部煤炭资源安全开采的因素之一，甚至在我国浅部开采阶段，部分煤田也发现有不同程度的影响[3-8]。辛成华[9]对大同煤田东周窑井田地质构造发育规律进行研究，发现岩浆岩侵入程度与煤层起伏及小断裂发育程度有一定关联；沈宜厚[10]在对大同塔山井田岩浆岩对煤层煤质影响的研究中发现煌斑岩侵入煤层处使煤发生变质和硅化而完全失去工业价值；李井坤等[11]对大兴井田岩浆岩侵入特点进行研究，发现侵入煤层的岩浆主要为辉绿岩，且对主要煤层影响破坏较大；王伟等[12-15]针对淮北矿业的海孜煤矿上覆巨厚岩浆岩，分别对下伏煤层瓦斯赋存影响与控制作用、采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律、高突煤层工作面瓦斯综合治理技术、矿震分布特征和致灾机理等方面进行研究。综上所述，我国不少矿井都受到岩浆岩不同程度的侵蚀，其瓦斯赋存、运移与涌出等与常规条件相比出现异常现象。本文以临涣煤矿4种不同岩浆岩侵蚀程度煤体为研究对象，从煤质、孔隙结构及甲烷吸附解吸特性3个方面，探究岩浆岩侵入对煤体的影响，为岩浆岩侵蚀条件下的煤层安全高效开采提供技术指导与保障。

1 实验准备

1.1 矿井概况

临涣井田位于童亭背斜北部倾伏端，西以骑路周断层为界，西北以骑路周断层与海孜矿为界，东至大辛家断层，南至东南以赵口断层和小陈家断层为界，并分别与童亭矿和杨柳井田接壤，西南起太原组顶界，总体构造形态为走向近东西、呈“S”形向北倾斜的单斜构造。井田南区未发生岩浆岩侵入现象，为非侵蚀区。井田北区出现岩浆岩侵入现象，不过各区域的侵蚀程度有所差异。部分区域的岩浆岩只是局部侵入到煤层顶板，为侵蚀影响区；部分区域的岩浆岩侵入到煤层底板，为部分侵蚀区；还有部分区域的岩浆岩以岩床的形式侵入到煤层顶底板，甚至将煤层完全吞蚀，为严重侵蚀区。

1.2 煤样制备

根据煤体受岩浆岩侵蚀程度的不同，将临涣井田的煤体划分为4个区域，分别为非侵蚀区、侵蚀影响区、部分侵蚀区和严重侵蚀区，如图1。从4个侵蚀区分别采取原煤若干(如图2)，经过粉碎后用于后续测试。

图1 临涣井田岩浆岩侵蚀的空间分布特征

图2 侵蚀区原煤

1.3 实验方案

针对4类不同侵蚀程度，每类侵蚀程度的煤体选择3个煤样(均标记为1、2和3)。首先，开展工业分析与霍普金森杆试验，判断岩浆岩侵蚀对煤质的影响；接着，通过压汞测试得出岩浆岩侵蚀对煤体孔隙结构的影响规律；然后，通过甲烷等温吸附实验，测量各煤样的甲烷吸附常数a与放散初速度ΔP，分析岩浆岩侵蚀对煤体甲烷吸附解吸特性的影响。通过上述实验研究，最终揭示岩浆岩侵蚀过程对煤体的影响规律。其中，工业分析采用ICAP7400型电感耦合等离子体发射光谱仪进行测试；压汞测试采用JK-YG2000型压汞仪；甲烷等温吸附实验采用BSD-PH型全自动高温高压气体吸附仪。

2 研究结果与分析

2.1 岩浆侵入对煤质的影响

灰分、水分与挥发分的含量是表征煤体煤质的重要指标，通过对比不同侵蚀程度煤样各指标间的差异，可以反映岩浆岩侵蚀对煤体煤质的影响规律。不同侵蚀程度煤样各指标的数据对比，如图3。

图3 岩浆岩侵蚀下煤体工业组分及坚固性系数演化规律

由图3(a)可知，随着岩浆岩侵蚀程度的加剧，煤体水分呈先减小后增大的趋势。这是因为在侵蚀初期，岩浆岩的热演化作用使得煤中水分发生汽化，煤样水分由1.19%～1.32%减小到0.87%～0.95%；随着侵蚀程度的加深，岩浆岩床的圈闭作用导致煤体快速热演化过程中的冷凝水得以保存，煤样水分增大到1.76%～1.86%；在侵蚀程度最大时，水分含量增大到3.05%～3.39%。

由图3(b)可知，随着岩浆岩侵蚀程度的加剧，煤体灰分呈增大趋势，由10.23%～11.06%缓慢增大到12.41%～12.6%，然后迅速增大到25.43%～27.26%，最后增大到36.98%～37.93%。这和岩浆的接触变质作用有关，在接触处常出现蚀变现象，煤体由于受岩浆的侵入影响及部分有机质受热呈气态逸散出去，造成煤的灰分急剧增加。

由图3(c)可知，随着岩浆岩侵蚀程度的加剧，煤体挥发分呈减小趋势，由35.25%～37.34%减小到27.16%～28.53%，再减小到20.39%～22.07%，最后减小到10.01%～10.87%，数据波动性较小，整体来看，数据拟合呈线性关系，相关性较大。煤样挥发分的降低说明，岩浆岩的热演化作用使得煤的变质程度增大。

此外，岩浆岩侵蚀作用下，煤体坚固性系数也发生明显变化。由图3(d)可知，随着岩浆岩侵蚀程度的加剧，煤体坚固性系数f值呈先减小后急剧增加的趋势。岩浆岩侵入地层后，在高温烘烤和挤压应力作用下，煤体结构和煤的孔隙发育特征产生极大的改变，主要表现为煤体力学强度降低，由正常煤变为“构造煤”，因此，煤体坚固性系数f值降低，煤抵抗破坏能力变差。而随着侵蚀效果的增强，岩浆的接触变质作用封堵了严重侵蚀区煤体孔裂隙，煤吸附瓦斯能力减弱导致瓦斯压力与瓦斯含量降低，煤体结构趋于致密，煤体坚固性系数f值急剧增大。

2.2 岩浆侵入对煤体孔隙结构的影响

煤是一种复杂的多孔介质，其微观孔隙结构是决定宏观物理性质的重要因素之一，图4反映了岩浆岩侵蚀下煤体的孔隙率演化规律。由图4可知，随着岩浆岩侵蚀程度的加剧，煤体孔隙率呈先增大后减小的趋势。在侵蚀初期，岩浆侵入后的热演化作用与构造应力导致煤体的微孔孔容显著增大，煤体变质程度提高，生烃速度加快，气体生成量加大，“叠加生烃”后煤中出现较多“热解气孔”，从而导致煤体孔隙率增大；随着侵蚀程度的加剧，岩浆岩接触变质作用导致煤体微孔被岩浆热液充填或封堵，微孔孔容降低，煤体结构趋于致密，从而导致煤体孔隙率减小。

图4 岩浆岩侵蚀下煤样孔隙率演化规律

2.3 岩浆侵入对煤体甲烷吸附解吸特性的影响

煤体孔隙结构的改变必然会导致甲烷吸附解吸特性的变化，因此，本研究中通过甲烷等温吸附实验对煤体吸附常数a与甲烷放散初速度ΔP进行检测，检测结果，如图5、6。

图5 岩浆岩侵蚀下煤体吸附常数a演化规律

由图5可知，随着岩浆岩侵蚀程度的加剧，煤体极限吸附常数a呈先缓慢增加后急剧减小的趋势。这是因为在侵蚀初期，在侵蚀作用下煤体变质程度提高，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”，即后生孔隙和后生裂隙，导致煤体甲烷吸附能力上升；在侵蚀后期，岩浆侵入作用推挤上覆、下伏煤层，提高煤层周围区域的应力，破坏煤的孔隙结构，形成不同形式的构造煤，降低了煤体甲烷吸附能力。

由图6可知，随着岩浆岩侵蚀程度的加剧，煤体瓦斯放散初速度ΔP呈先增加后急剧减小的趋势。对比分析图5和图6，发现煤体吸附常数a和瓦斯放散初速度ΔP变化具有较好的相关性。如果把瓦斯放散初速度ΔP看成煤的解吸瓦斯能力，那么极限吸附常数a和瓦斯放散初速度ΔP的相关性，在一定意义上验证了岩浆岩侵蚀边界附近煤的吸附和解吸瓦斯过程是可逆的。

图6 岩浆岩侵蚀下煤体瓦斯放散初速度ΔP演化规律

综上，岩浆岩侵入对煤体产生巨大的影响，煤体的变质程度、孔隙结构及甲烷吸附解吸特性均显著改变。同时，岩浆岩侵入对煤体的影响效果分为2个阶段，在侵入早期，热演化作用与构造应力对煤体进行破坏，挥发分流失，孔隙度增加，坚固性系数下降，瓦斯吸附解吸能力提升；而在后期，岩浆岩床的接触变质作用与圈闭作用导致煤体水分含量增加，孔隙结构趋于紧密，坚固性系数上升，瓦斯吸附解吸能力明显下降。

3 结论

(1)岩浆岩的接触变质作用和热演化作用，导致靠近岩浆岩床的煤体挥发分由35.25%～37.34%减小到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%减小到0.87%～0.95%，随着侵蚀程度的加深，岩浆岩床的圈闭作用导致煤体快速热演化过程中的冷凝水得以保存，水分又增大到1.76%～1.86%，煤的变质程度增加，也可以说离岩浆岩越近，煤级越高。

(2)岩浆岩侵入对煤体的影响效果分为2个阶段，在侵蚀早期，热演化作用与构造应力是煤体特性发生变化的主要影响因素；而在后期，岩浆岩床的接触变质作用与圈闭作用是影响煤体的主要因素。

(3)岩浆侵蚀对煤的吸附、解吸瓦斯能力产生显著影响。在侵蚀早期，岩浆的热演化作用增强热演化区煤的吸附、解吸瓦斯能力；而在侵蚀后期，岩浆的接触变质作用降低接触变质区煤的吸附、解吸瓦斯的能力。

(4)岩浆岩侵入时的热演化作用叠加接触变质作用于煤体，与岩浆岩床的圈闭作用均提高了煤层的瓦斯含量和压力，增大了其突出危险性，不利于煤层安全开采。