巖漿侵入體在煤礦生產(chǎn)中的危害及其防治技術(shù)應(yīng)用研究

1、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院 School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China 2010.01,巖漿侵入體在煤礦生產(chǎn)中的危害及其防治技術(shù)應(yīng)用研究,劉桂建 E-mail：,報(bào)告內(nèi)容,巖漿巖基本特征,基本分類 化學(xué)成分 礦物成分 結(jié)構(gòu)構(gòu)造,對(duì)煤礦生產(chǎn)的危害,對(duì)煤層的影響 對(duì)瓦斯的影響 對(duì)水文的影響 對(duì)地溫的影響 其它方面的影響,防治技術(shù)應(yīng)用研究,常規(guī)研究手段 物探測試技術(shù) 化探分析方法 巖體分布范圍研究 巖體賦存狀態(tài)研究 其它方面研究,巖漿作用 基本分類 物質(zhì)成分 結(jié)構(gòu)構(gòu)造,一、

2、巖漿巖基本特征,地下深處的巖漿,在其揮發(fā)份和地質(zhì)應(yīng)力的作用下,沿構(gòu)造脆弱帶上升到 地殼上部或地表，巖漿上升運(yùn)移過程中，由于物理化學(xué)條件的改變,又不斷 地改變自己的成分，最后凝固成巖漿巖，這一復(fù)雜過程，稱為巖漿作用 侵入地殼之中 侵入作用 侵入巖 噴出地表 噴出作用 噴出巖,巖漿作用,巖漿巖的基本分類,1. 造巖元素：O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, Ti 等， 其總和約占巖漿巖總重量的99.25%. 2. 次要元素：P, H, Mn, B 等。 3. 微量元素：Li、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Ba、Ta、Pb、Th、U 等。 4.

3、同位素及其比值：Sr87/Sr86, Pb206/Pb204, Pb207/Pb204, O18/O16, S34/S32等。,物質(zhì)成分-化學(xué)成分, 硅鋁礦物:SiO2和Al2O3含量較高,不含鐵鎂.如石英長石類及似長石類,這些礦物顏色均較淺,又叫淺色礦物。 鐵鎂礦物:FeO與MgO含量較高,SiO2含量較低,如橄欖石、輝石類、角閃石類和黑云母類。這些礦物顏色深(稱暗色礦物) 主要礦物：在巖石中含量眾多，對(duì)于確定巖石名稱是不可缺少的，在分類命名上起主要作用。如石英、鉀長石是花崗巖的主要礦物。 次要礦物：在巖石中含量次于主要礦物，對(duì)于劃分巖石大類不起主要作用，但對(duì)確定巖石種屬起一定作用的那些礦物

4、。如閃長巖中的石英含量約2，沒 有石英也叫閃長巖；當(dāng)石英5時(shí)，則叫石英閃長巖。 副礦物：含量很少，常小于1，個(gè)別情況可達(dá)5，在一般的分類命名中均不起作用。但對(duì)于了解一個(gè)巖體的形成條件，對(duì)比不同巖體，確定巖體時(shí)代以及研究稀散元素有重要意義。,物質(zhì)成分-礦物成分,結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,巖漿巖的結(jié)構(gòu)（texture）: 指組成巖石的 礦物的結(jié)晶程度、顆粒大小、晶體形態(tài)、自形程度和礦物（ 包 括 玻 璃）相互關(guān)系。 巖漿巖的構(gòu)造（structure）: 指巖石中不同礦物集合體之間或礦物集合體與其它組成部分之間的排列、充填方式等。,全晶質(zhì) 半晶質(zhì) 玻璃質(zhì),巖漿巖的結(jié)構(gòu),（1）巖漿巖的結(jié)晶程度,（2）巖石中礦物的顆

5、粒大小 顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu)：肉眼觀察時(shí)基本上能分辨礦物顆粒者。 粗粒結(jié)構(gòu)：礦物直徑 5mm 中粒結(jié)構(gòu)：礦物直徑 25mm 細(xì)粒結(jié)構(gòu)：礦物直徑 20.2mm 微粒結(jié)構(gòu)：礦物直徑 0.2mm 隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)：礦物顆粒很細(xì)，肉眼無法分辨出礦物顆粒者。如 果在顯微鏡下可以看清礦物顆粒者，稱顯微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)；如果境下只有偏光反映，而無法分辨礦物顆粒者，稱顯微隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。,二、對(duì)煤礦生產(chǎn)的危害,對(duì)煤層的影響 對(duì)瓦斯的影響 對(duì)水體的影響 對(duì)地溫的影響 其它方面影響,1、對(duì)煤層的影響,巖漿侵入煤層產(chǎn)生四方面的影響： 巖漿侵入煤層，導(dǎo)致巖漿熔蝕交代煤層，破壞了煤層的連續(xù)性和完整性，減少煤田的可采儲(chǔ)量； 引起煤的接觸變質(zhì)，使煤的

6、灰分增高，粘結(jié)性降低，煤質(zhì)變劣，產(chǎn)生天然焦，降低煤的工業(yè)價(jià)值； 煤層中侵入體硬度較煤大，妨礙采掘工作的正常進(jìn)行，影響工程進(jìn)度，增加生產(chǎn)成本； 侵入體在煤層中發(fā)育時(shí)，使采區(qū)和工作面的布置困難，如果對(duì)其分布范圍、數(shù)量、規(guī)模了解不清，可造成廢巷，引起不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。,巖漿侵入通道的特點(diǎn):,巖漿侵入到煤系地層中，常沿軟弱部位活動(dòng)； 軟弱部位主要是： 斷層帶、裂隙、不整合及軟弱巖層面； 不同的侵入通道形成不同的侵入體： 巖漿沿這些不同性質(zhì)的軟弱地帶侵入圍巖中形成的侵人體具有不同的特點(diǎn)。,巖漿侵入體產(chǎn)狀不同造成的影響 反映巖漿與煤層接觸面積的大小，對(duì)煤層接觸變質(zhì)的強(qiáng)弱有密切關(guān)系。 巖墻垂直或斜交煤層，

7、以狹窄條帶與煤層接觸，對(duì)煤層影響較小，僅局限于巖墻兩側(cè)數(shù)米的范圍內(nèi)(見圖)。 巖床順煤層分布，與煤層大面積接觸，因而對(duì)煤層不僅破壞強(qiáng)烈，而且影響范圍較大。,安徽岱河煤礦南配風(fēng)巷素描圖 1-輝綠巖；2-天然焦；3-無煙煤；4-貧煤；5-頁巖,巖漿侵入體的主要產(chǎn)狀特征：,A、巖墻,山東淄博奎山礦7042順槽巖墻素描圖（剖面上近于直立） 1-輝綠巖；2-微晶輝綠巖；3-天然焦；4-煤層；5-細(xì)砂巖,B、巖床,山東陶莊煤礦北225巷道素描圖 （層狀侵入體）,山東陶莊2145巷道素描圖 （似層狀侵入體）,山東坊子煤礦北大井南大巷素描圖 （不規(guī)則樹枝狀侵入體）,淮北楊莊礦5244巷道素描圖 （扁豆?fàn)钋秩塍w

8、）,山東陶莊煤礦東井325巷道素描圖 （串珠狀侵入體）,侵入體的大?。?它反映侵入煤層的巖漿數(shù)量及蘊(yùn)藏?zé)崃康亩嗌?，因此侵入體越大，煤變質(zhì)越深，影響范圍越廣。 在其它因素相同的條件下，侵入體的厚度與煤的變質(zhì)程度和變質(zhì)帶寬度呈正相關(guān)關(guān)系(見圖)。,遼寧阜新平安礦巖床厚度與變質(zhì)帶的關(guān)系（據(jù)中國煤田地質(zhì)學(xué)，1979）,侵入體在煤層中的位置： 侵入體對(duì)其上面的煤分層影響較大，對(duì)其下面的煤分層影響較小。這是由于巖漿中的氣體和煤變質(zhì)過程中產(chǎn)生的揮發(fā)分易于攜帶熱量向上擴(kuò)散的緣故。侵入體位于煤層中不同位置，影響程度不同： 位于煤層頂部，對(duì)下部煤分層影響較??； 處于煤層底部，對(duì)上部煤分層影響較大； 居于煤層中部，

9、對(duì)煤層影響最大，形成上厚下薄的變質(zhì)帶(見圖)。,巖漿侵入不同位置對(duì)煤層變質(zhì)作用的影響,1-巖漿巖 2-天然焦 3-煤層,巖漿侵入體與煤層的接觸關(guān)系：,A、急變接觸：,侵入巖與煤層急變接觸示意圖 1-侵入體；2-天然焦；3-煤層,B、漸變接觸：,坊子煤礦正長斑巖與圍巖成疙瘩狀、鋸齒狀接觸 1-正長斑巖；2-煤層；3-頁巖,C、混合接觸： 侵人體與圍巖界線不清，二者混雜，存在著一定厚度的混合巖帶和烘烤帶。混合巖帶的厚度與侵入體的大小及圍巖的巖性有關(guān),煤層距侵入體的距離： 煤的變質(zhì)程度隨距侵入體的遠(yuǎn)近發(fā)生有規(guī)律的變化，近者 變質(zhì)深，遠(yuǎn)者變質(zhì)淺，從而形成由高到低的變質(zhì)帶(見圖)。,安徽淮北張大莊礦三采

10、區(qū)軌道上山素描圖 1-輝綠巖；2-二級(jí)天然焦；3-一級(jí)天然焦；4-無煙煤；5-貧煤；6-瘦煤；7-焦煤；8-焦肥煤；9-夾矸；10-采樣位置,a五槽煤二斜坡巷道剖面圖,b揮發(fā)份曲線圖,河北井陘煤礦五槽煤二斜坡巷道剖面及揮發(fā)份曲線圖,山東官橋煤田接觸變質(zhì)帶煤質(zhì)特征 a-取樣點(diǎn)素描圖；b-煤質(zhì)變化曲線,侵入體的巖性： 基性巖漿溫度高，揮發(fā)組分多，活動(dòng)性強(qiáng)對(duì)煤層的接觸變質(zhì)影響大； 中性和酸性巖漿溫度低，活動(dòng)性差，對(duì)煤的接觸變質(zhì)影響小。 煤層原始區(qū)域變質(zhì)程度： 煤層區(qū)域變質(zhì)程度越低，煤層受巖漿侵入時(shí)引起的變質(zhì)程度越高，變質(zhì)帶的寬度越大。如遼寧阜新煤礦原為長焰煤，侵人體附近天然焦很發(fā)育。 而在另一些原為

11、高變質(zhì)煙煤和無煙煤的礦井中，即使侵人體很厚，天然焦也不發(fā)育。,從32、61到9煤層： 揮發(fā)分逐步減少，從37.63%、35.04%到32.88%； 粘結(jié)指數(shù)總體上略有增加，從83.63，84.25到87.35； 圖中的箭頭示意性地反映了從32煤層到61煤層再到9煤層煤變質(zhì)程度的變化過程：煤質(zhì)是從氣煤和氣肥煤向1/3焦煤和肥煤方向轉(zhuǎn)化。,對(duì)煤質(zhì)的影響,受巖漿巖接觸影響的煤質(zhì)特征： 32、61、9三個(gè)煤層受巖漿巖接觸影響的煤質(zhì)特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果見下表：,32煤層中沒有發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入，因而表2中沒有受巖漿巖接觸影響的煤樣； 61煤層有3個(gè)勘探鉆孔見巖漿巖，但沒有對(duì)受巖漿巖接觸影響的煤樣進(jìn)行測試的數(shù)據(jù)； 9

12、煤層中，有53個(gè)鉆孔中見巖漿巖；與巖漿巖接觸的煤層則變成天然焦，靠近天然焦的煤質(zhì)特殊，其中有17個(gè)煤質(zhì)數(shù)據(jù)，其揮發(fā)分急速減少，由正常煤的33%左右減到510%左右，甚至更低；其粘結(jié)性變化更突然，從正常煤的強(qiáng)粘結(jié)性、特強(qiáng)粘結(jié)性變化為不粘結(jié)為主、少數(shù)微粘結(jié)性和弱粘結(jié)性。,2、對(duì)瓦斯的影響,巖漿侵入煤系地層或直接侵入煤層后，除引起煤層的變質(zhì)程度升高、對(duì)煤層產(chǎn)生破壞外，還對(duì)煤中瓦斯的含量，對(duì)瓦斯突出有重要影響作用。分析巖漿巖侵人對(duì)煤層瓦斯賦存的影響，對(duì)開采深部煤層瓦斯治理工作具有指導(dǎo)意義。,煤礦瓦斯突出礦井事件與巖漿巖統(tǒng)計(jì),網(wǎng)上或報(bào)道統(tǒng)計(jì)：1985年以來，凡是報(bào)道的有瓦斯突出事故的礦井（次），共統(tǒng)計(jì)了

13、127次（個(gè)）。 巖漿巖調(diào)查：將127次（個(gè)）礦井進(jìn)行地質(zhì)資料調(diào)查，明確有巖漿巖發(fā)育的56個(gè)，沒有巖漿巖發(fā)育的23個(gè)，不能確定的48個(gè)。 從上可以看出瓦斯突出與巖漿巖發(fā)育有重要的影響關(guān)系。,為什么？,改變了煤體結(jié)構(gòu)，為瓦斯產(chǎn)生和突出提供了有利地質(zhì)條件。 改變煤層蓋層透氣性，為瓦斯存儲(chǔ)提供了良好空間；,巖漿活動(dòng)對(duì)瓦斯產(chǎn)生兩方面的影響：,CH4, H2O, H2S ,巖漿活動(dòng)促進(jìn)了瓦斯產(chǎn)生,（1）巖漿侵入煤層后，改變了煤層蓋層的透氣性，對(duì)煤中瓦斯起封閉作用。這一方面使煤中瓦斯富集。另一方面這種瓦斯的富集又為瓦斯突出準(zhǔn)備了條件。 煤體受熱后，其內(nèi)在結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最重要的是微裂隙增加。 微裂隙增加，導(dǎo)

14、致增加其內(nèi)在吸附氣體的作用空間，為瓦斯的富集和存儲(chǔ)提供了空間和條件。 黃河煤田13煤測試結(jié)果知，受巖漿巖影響的煤層其微裂隙是未受影響的5-17倍。 據(jù)王大曾等對(duì)下花園煤礦3煤層瓦斯突出規(guī)律的研究表明。該煤層的瓦斯突出與其上部廣泛分布的巖漿侵人體有重要關(guān)系。,（2）巖漿侵入煤系，產(chǎn)生強(qiáng)大擠壓作用，可引起周圍煤層煤體結(jié)構(gòu)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)闃?gòu)造煤。廣泛發(fā)育的構(gòu)造煤為瓦斯突出準(zhǔn)備了條件。 如下花園煤礦3煤層，其上部多被巖漿巖體覆蓋，據(jù)觀測表明，近頂板的煤層破壞最嚴(yán)重，煤體顯示鱗片狀結(jié)構(gòu)，滑動(dòng)面及擦痕縱橫交錯(cuò)；近底板煤層破壞稍差；中部又僅次于底部，顯示出侵人體對(duì)3煤層煤體結(jié)

15、構(gòu)的重要影響作用(見下圖)。,下花園煤礦-地質(zhì)剖面圖（據(jù)王炳山1989年） 1-3煤；2-巖漿侵入體；3-地質(zhì)界線,下面以一些煤礦實(shí)例來說明巖漿侵入對(duì)煤礦瓦斯的影響：,1、徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司張集煤礦煤與瓦斯的突出實(shí)例分析：,突出特點(diǎn)： 張集煤礦為煤與瓦斯突出礦井，1995年以來共發(fā)生8次煤與瓦斯突出。煤與瓦斯突出點(diǎn)分布除了與構(gòu)造、圍巖、埋深等因素有關(guān)外，另有一個(gè)共同的特點(diǎn)，7次煤與瓦斯突出地點(diǎn)均位于巖漿巖侵人體覆蓋區(qū)以下。,王以峰,王彬章,等.巖漿巖侵入對(duì)下部煤層瓦斯賦存的影響.煤炭科技.2007,對(duì)瓦斯的影響： 該區(qū)巖漿巖對(duì)煤層中瓦斯的含量影響明顯： 鉆孔測定9煤在非侵入?yún)^(qū)瓦斯含量530

16、mm3/g ，侵入?yún)^(qū)瓦斯含量40239549mm3/g。 礦井生產(chǎn)實(shí)際瓦斯絕對(duì)涌出量也證實(shí)了影響的規(guī)律性： 在非侵入?yún)^(qū)瓦斯絕對(duì)涌出量0.101.20m3/min(-700m中央采區(qū)、東二采區(qū))。侵人區(qū)瓦斯含量4.109.45m3/min(-700m東三采區(qū))。 巖漿侵入對(duì)下部煤層中瓦斯的影響主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面： 1)巖漿巖體的熱力作用使下部9煤的變質(zhì)程度增高,對(duì)促進(jìn)煤層氣的生成起到了重要作用。造成巖漿巖侵入后,煤層中的瓦斯含量增加; 2)破壞了煤層的原生結(jié)構(gòu),裂隙增多,為瓦斯賦存提供了空間; 3)對(duì)9煤的瓦斯運(yùn)移形成了覆蓋層，使煤層頂板整體滲透性差,影響了煤層瓦斯的運(yùn)移和逸散,覆蓋層下頂板

17、砂巖裂隙帶瓦斯含量增高。如9365工作面頂板砂巖裂隙帶瓦斯含量1086,王以峰,王彬章,等.巖漿巖侵入對(duì)下部煤層瓦斯賦存的影響.煤炭科技.2007,河南安林煤礦巖漿巖侵入?yún)^(qū)示意圖,無煙煤區(qū),天然焦區(qū),在6號(hào)線以南，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，該 區(qū)煤質(zhì)主要以無煙煤為主，煤厚不均， 煤質(zhì)松軟，強(qiáng)度較低，瓦斯涌出量大， 突出較頻繁。相反在6號(hào)勘探線以北的、 六八采區(qū)，由于巖漿巖侵入的影響，煤以天然焦為主，鋼灰色，致密，光澤黯淡，硬度及比重較大，瓦斯涌出量特別是在煤層揭露后，其煤的強(qiáng)度明顯增加。,六、八采區(qū)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量 一般在3 m3/min以下，而相對(duì)瓦斯涌出 量在53 m3/t以下，屬低瓦斯區(qū)；

18、三采區(qū)瓦斯絕對(duì)涌出量在53 m3/min 以上，而相對(duì)瓦斯量在153 m3/t以上,3河南安陽礦區(qū)龍山井田瓦斯突出實(shí)例解析：,多年來，瓦斯突出事故頻繁發(fā)生，是全國有名的瓦斯突出井田，煤與瓦斯突出問題一直困擾著煤礦的安全生產(chǎn)。 突出原因： (1)龍山井田瓦斯突出與巖漿巖的分布有著明顯的關(guān)系，而煤層滑動(dòng)構(gòu)造又是由于巖漿巖頂托與頂壓作用所造成。煤層的瓦斯由于巖漿巖上下同時(shí)阻擋與覆蓋，瓦斯形成了一個(gè)封閉的環(huán)境，瓦斯無法逃逸，自然會(huì)形成特殊的煤與瓦斯突出區(qū)域，這就是龍山井田成為煤與瓦斯易突礦井的原因。 (2)受巖漿巖侵入作用，煤層內(nèi)的瓦斯含量增高明顯,煤裂隙增多,吸附瓦斯多,表相當(dāng)部分會(huì)從吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)，一旦被揭露，就很容易發(fā)生煤與瓦斯突出。,為什么同一個(gè)龍山井田，位于龍山井田東南部的天喜鎮(zhèn)煤礦沒有煤與瓦斯突出現(xiàn)象? 因?yàn)樘煜叉?zhèn)煤礦區(qū)段既沒有地面巖漿覆蓋，下部也沒有發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入到石炭系地層中，沒有形成瓦斯聚積基本條件，盡管有多處斷層，也不會(huì)出現(xiàn)突出現(xiàn)象)，而位于西部的龍山煤礦12，13采區(qū)、九龍山煤礦北部、三泉寺煤礦均存在嚴(yán)重突出現(xiàn)象，因?yàn)榫褪菐r漿巖(霞石正長巖)覆蓋體，石炭系地層或煤層中不同程度地存在著巖漿侵入的現(xiàn)象。,史建民.安陽礦區(qū)龍山井田瓦斯突出主因新探.中州煤炭，2008.,4