鄒莊煤礦火成巖侵蝕對(duì)煤質(zhì)的影響

李文豪,羅文柯,*,袁晗

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

近年來(lái),許多礦井在開(kāi)采過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)火成巖侵蝕煤層.由于火成巖的侵入,對(duì)原有煤層的煤質(zhì)造成重大影響,大大降低了開(kāi)采效率和工業(yè)價(jià)值[1].李井坤[2]等研究了輝綠巖侵入煤層時(shí),煤層受到冷凝作用以及高溫對(duì)煤層的烘烤作用,對(duì)煤質(zhì)的影響程度加深;辛成化[3]研究了煌斑巖侵入煤層時(shí),煤質(zhì)的影響程度與煌斑巖侵入的方式、位置和程度等有關(guān);劉希慶[4]等研究了煌斑巖侵入煤層后導(dǎo)致原煤的工業(yè)性指標(biāo)(灰分、揮發(fā)分)、原煤發(fā)熱量等化學(xué)性質(zhì)及物理特征發(fā)生較大變化;王麒[5]等研究了火成巖侵入和地溫梯度對(duì)煤變質(zhì)程度的影響;楊陽(yáng)[6]等研究了瞬變電磁法能有效勘探出巖漿巖的侵入范圍;馬良[7]研究了火成巖侵入煤層的4種方式:頂板侵入式、底板侵入式、復(fù)合穿插侵入式和吞噬式;周麗麗[8]研究發(fā)現(xiàn)受火成巖侵入和熱液的影響,各煤層的變質(zhì)程度在原有變質(zhì)的基礎(chǔ)上疊加了接觸變質(zhì),導(dǎo)致煤變質(zhì)程度增大.火成巖的侵入導(dǎo)致煤發(fā)生熱變質(zhì)作用,鏡質(zhì)組反射率增大,煤的吸附能力和瓦斯放散能力增強(qiáng)[9-11].

本文以鄒莊礦井72煤火成巖侵蝕區(qū)和非侵蝕區(qū)的煤層為研究對(duì)象,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的方法,分析火成巖的侵入方式,對(duì)81采區(qū)內(nèi)的72煤層的侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)的工業(yè)性指標(biāo)、發(fā)熱量、全硫含量、黏結(jié)性等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,研究成果為采區(qū)內(nèi)煤層開(kāi)采的可行性和安全性提供理論依據(jù).

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

鄒莊礦井位于宿州西南,淮北濉溪境內(nèi),其中心距宿州市約25 km.礦井東以雙堆斷層及F22斷層為界,西以南坪斷層為界,南以石炭系太原組頂部第一層灰?guī)r露頭線為界,北以27#勘探線及宿州錢(qián)營(yíng)孜井田為界.南北長(zhǎng)約6.5 km,東西寬約3～5 km,井田面積約26.98 km2.鄒莊井田位于淮北平原中部,地面標(biāo)高+20.50～+24.88 m,一般在+23 m左右,地勢(shì)大致呈西北高,東南低的趨勢(shì).81采區(qū)位于礦井的西南部,南坪向斜的西翼南段.整體形狀為向東傾斜的單斜構(gòu)造,地層傾角18°～41°,一般30°左右.綜合鉆探和地震資料,發(fā)現(xiàn)采區(qū)內(nèi)共有落差不低于5 m的斷層49條.81采區(qū)構(gòu)造如圖1所示.

圖1 鄒莊礦井81采區(qū)構(gòu)造

2 火成巖侵入方式

2.1 火成巖侵蝕剖面范圍分析

72煤位于下石盒子組下部,上與62煤層的平均間距為18.57 m.煤層兩極點(diǎn)138個(gè),其中可采點(diǎn)111個(gè),不可采點(diǎn)18個(gè),沉缺點(diǎn)1個(gè),斷缺點(diǎn)4個(gè),巖漿吞蝕點(diǎn)4個(gè).可采指數(shù)0.80,變異系數(shù)為39%,面積可采率70%.該煤層由于受巖漿侵蝕穿插,煤層結(jié)構(gòu)變?yōu)閺?fù)雜,但在煤區(qū),煤層原生結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,含1層夾矸有30個(gè)點(diǎn),含2層夾矸有8個(gè)點(diǎn),含3層及3層以上夾矸有13個(gè)點(diǎn),夾矸以泥巖為主,其次為炭質(zhì)泥巖,3層及3層以上夾矸主要是火成巖.頂板以泥巖為主,其次為粉砂巖,個(gè)別為細(xì)砂巖;底板以泥巖為主,其次為粉砂巖及細(xì)砂巖.巖漿侵蝕對(duì)該煤層破壞嚴(yán)重,火成巖侵蝕點(diǎn)多達(dá)45個(gè),占見(jiàn)煤點(diǎn)的36%,煤層被部分侵蝕和完全吞蝕或變質(zhì)成天然焦,大部分為可采的較穩(wěn)定煤層.

鄒莊煤礦72煤層侵入的火成巖主要呈“巖床分布”,侵蝕方式主要是吞噬煤層或以薄層狀穿插分割煤層.鄒莊礦井勘探鉆孔火成巖揭露特征圖如圖2所示.

由圖2和礦井地質(zhì)勘探報(bào)告可以看出:

圖2 鄒莊礦井勘探鉆孔火成巖揭露特征

1)火成巖勘探鉆孔:礦井在勘探線上共施工123個(gè)勘探鉆孔,其中揭露發(fā)現(xiàn)火成巖的鉆孔有53個(gè),火成巖侵蝕鉆孔率為43%.

2)火成巖侵蝕的煤層:火成巖對(duì)鄒莊礦井煤層的侵蝕區(qū)主要在主采的72煤層和局部可采的62煤層.

3)火成巖侵蝕區(qū)的特征:火成巖對(duì)72煤的侵蝕從10#勘探線開(kāi)始,止于26#勘探線.其中12#,15#,18#,20#,21#和22#勘探線的火成巖侵蝕長(zhǎng)度略長(zhǎng),而10#,23#,24#,(24-25)#,25#和26#勘探線的火成巖侵蝕長(zhǎng)度稍短,從南向北呈收斂狀,侵蝕范圍見(jiàn)圖2中的折線區(qū)域內(nèi).

2.2 火成巖侵入形式分析

根據(jù)火成巖侵蝕嚴(yán)重的勘探線,選取10#,12#,15#,18#這4條勘探線作為侵入形式研究對(duì)象,4條勘探線上各鉆孔火成巖侵蝕情況如圖3和圖4所示.

圖3 鄒莊礦井10#,12#勘探線各鉆孔火成巖侵蝕情況

圖4 鄒莊礦井15#,18#勘探線各鉆孔火成巖侵蝕情況

由圖3可以看出:10#勘探線中的5個(gè)勘探鉆孔,2個(gè)鉆孔被火成巖侵蝕,侵蝕形式從72煤頂板侵蝕,底板下面仍然留有薄或中厚煤層,如101和102勘探鉆孔;12#勘探線中的5個(gè)勘探鉆孔均被火成巖侵蝕,侵蝕形式從72煤的中部開(kāi)始分1次(121,122,123鉆孔)或多次(6810,124鉆孔)侵蝕,在煤層頂?shù)装辶粲忻簩印⑻烊唤够蚧饖A焦,中間為火成巖或火成巖與天然焦、火夾焦互層.

由圖4可以看出:15#勘探線中的7個(gè)勘探鉆孔,其中5個(gè)鉆孔被火成巖侵蝕,侵蝕形式是(1)從72煤底板侵蝕,頂板下面仍然留有薄的火夾焦(0.30 m),底部為火成巖,如151勘探鉆孔;(2)從72煤的中部開(kāi)始分1次(152,156,678鉆孔)或2次(153鉆孔)侵蝕,在煤層頂?shù)装辶粲刑烊唤够蚧饖A焦,中間為火成巖、輝綠巖(火成巖一種)或其與天然焦、火夾焦互層.18#勘探線中的6個(gè)勘探鉆孔中,其中4個(gè)被火成巖侵蝕,侵蝕形式是(1)從72煤的中部開(kāi)始侵蝕,煤層受到侵蝕后,在煤層頂?shù)装辶粲刑烊唤?中間為火成巖,如181,185鉆孔;(2)從72煤的頂板侵蝕,下部仍留有中厚煤層,中間為火成巖與天然焦互層,如182鉆孔;(3)從72煤底板侵蝕,上部留有中厚煤層,中下部為火成巖與火夾焦互層,如183鉆孔.

綜上所述,根據(jù)火成巖侵入的位置不同,火成巖大致從煤層的頂板、中部、底板3個(gè)方向侵入:

1)火成巖位于煤層頂板,下部留有不同厚度的煤層、炭質(zhì)泥巖、天然焦和火夾焦及其互層.

2)火成巖位于煤層中部,在其頂板和底板留有不同厚度的煤層、炭質(zhì)泥巖、天然焦和火夾焦及其互層.

從圖2可見(jiàn)，鹽酸濃度不變，液固比對(duì)鹽酸浸出含鈦高爐渣效果明顯，液固比越大，酸量越多，有助于鈣、鎂、鐵和鋁的溶出，當(dāng)液固比達(dá)到5時(shí)，CaO和MgO的脫除率達(dá)到95%以上，F(xiàn)e和Al2O3的脫除率達(dá)到了85%，TiO2的損失率小于4.5%。

3)火成巖位于煤層底部,在其上部留有不同厚度的煤層、炭質(zhì)泥巖、天然焦和火夾焦及其互層.

3 火成巖侵蝕對(duì)煤質(zhì)的影響

根據(jù)鄒莊礦的特點(diǎn),將礦井所有勘探鉆孔有關(guān)72煤進(jìn)行工業(yè)性指標(biāo)分析的煤樣及結(jié)果分為兩類(lèi):非火成巖侵蝕區(qū)和火成巖侵蝕區(qū).礦井范圍由13條勘探線控制,為方便進(jìn)行火成巖侵蝕區(qū)與未侵蝕區(qū)的煤質(zhì)研究,將不同侵蝕區(qū)72煤的工業(yè)性指標(biāo)、煤樣發(fā)熱量、煤樣全硫含量、煤樣黏結(jié)指數(shù)(均取平均值)進(jìn)行對(duì)比分析.

3.1 火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)工業(yè)性指標(biāo)對(duì)比分析

72煤火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)空氣干燥基水分、干燥基灰分、干燥無(wú)灰基揮發(fā)分對(duì)比分析如圖5所示.

圖5 72煤火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)工業(yè)性指標(biāo)對(duì)比分析

由圖5可以看出:

1)火成巖侵蝕區(qū)的煤層空氣干燥基水分(Mad)較非火成巖侵蝕區(qū)內(nèi)的空氣干燥基水分普遍增加0.10%～1.34%.

2)非火成巖侵蝕區(qū)煤樣的干燥基灰分(Ad)變化幅度較小,在14.29%～24.54%內(nèi)變化,區(qū)間差值為10.25%;火成巖侵蝕區(qū)煤樣的干燥基灰分變化幅度較大,平均在12.76%～37.73%內(nèi)變化,區(qū)間差值為24.97%,為非火成巖的2.44倍.說(shuō)明火成巖侵蝕區(qū)煤層的干燥基灰分呈明顯增加趨勢(shì),普遍增加0.76%～14.93%,且變化幅度大,表現(xiàn)出不穩(wěn)定性.

3)火成巖侵蝕區(qū)煤層的干燥無(wú)灰基揮發(fā)分(Vdaf)明顯低于非火成巖侵蝕區(qū)煤層的干燥無(wú)灰基揮發(fā)分,且在22#勘探線附近72煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分急劇下降.說(shuō)明火成巖侵蝕時(shí),22#勘探線周?chē)鷾囟容^高,對(duì)煤質(zhì)影響較大,煤層受火成巖高溫影響,變質(zhì)程度增加,煤的干燥無(wú)灰基揮發(fā)分普遍降低0.13%～25.00%.

3.2 火成巖侵蝕條件下72煤發(fā)熱量指標(biāo)的對(duì)比分析

鄒莊礦井72煤火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)煤樣發(fā)熱量對(duì)比分析如圖6所示.

由圖6可以看出:火成巖侵蝕區(qū)72煤的發(fā)熱量變化范圍為31.58～34.93 MJ/kg,平均值為33.48 MJ/kg;非火成巖侵蝕區(qū)72煤的發(fā)熱量變化范圍為32.99 ～35.37 MJ/kg,平均值為34.57 MJ/kg.侵蝕區(qū)煤發(fā)熱量普遍較非侵蝕區(qū)的低1.0～3.5 MJ/kg,說(shuō)明火成巖侵入煤層后在原有變質(zhì)基礎(chǔ)上增加了接觸變質(zhì),使煤層夾有天然焦或火夾焦等,導(dǎo)致煤的發(fā)熱量要比非侵蝕區(qū)的煤發(fā)熱量低.

3.3 火成巖侵蝕下72煤全硫含量對(duì)比分析

統(tǒng)計(jì)鄒莊礦井72煤火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)的鉆孔煤樣全硫含量數(shù)據(jù),對(duì)比分析如圖7所示.

圖6 鄒莊礦井72煤火成巖侵蝕與非侵蝕區(qū)煤發(fā)熱量對(duì)比分析

圖7 鄒莊礦井72煤火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)煤全硫含量對(duì)比分析

由圖7可以看出:火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)72煤煤樣的全硫含量變化范圍不同,火成巖侵蝕區(qū)72煤全硫含量變化范圍為0.06%～0.46%,變化范圍較大;非火成巖侵蝕區(qū)72煤的全硫含量變化范圍為0.10%～0.37%,其變化范圍相對(duì)較小.說(shuō)明火成巖的侵入導(dǎo)致煤中全硫含量變化范圍變大,煤中黃鐵礦被氧化數(shù)量增多,期間釋放出來(lái)的熱量會(huì)加速煤的自燃和氧化,使之危險(xiǎn)性增加.

3.4 火成巖侵蝕條件下72煤黏結(jié)指數(shù)的對(duì)比分析

鄒莊煤礦72煤火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)黏結(jié)指數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示.

圖8 鄒莊礦井72煤火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)煤黏結(jié)指數(shù)對(duì)比分析

由圖8可以看出:火成巖侵蝕區(qū)與非侵蝕區(qū)72煤煤樣的黏結(jié)指數(shù)變化范圍不同,火成巖侵蝕區(qū)72煤黏結(jié)指數(shù)變化范圍為13.40%～90.45%,變化范圍特別大;非火成巖侵蝕區(qū)72煤黏結(jié)指數(shù)變化范圍為56.76%～87.58%,其變化范圍相對(duì)較小.說(shuō)明火成巖的侵入使部分煤?jiǎn)适Я损そY(jié)性.

4 結(jié)論

1)火成巖對(duì)煤層侵蝕主要呈“巖床”形式,多為吞噬煤層或以薄層狀火成巖穿插分割煤層.火成巖分別從煤層的頂板、中部、底板3個(gè)方向侵入,受到火成巖侵入的煤層部分變質(zhì)為天然焦或火夾焦,導(dǎo)致煤層可采率變低,煤層的穩(wěn)定性降低.

2)火成巖侵蝕后煤層的空氣干燥基水分(Mad)普遍增大0.10%～1.34%,干燥基灰分(Ad)普遍增大0.76%～14.93%,干燥無(wú)灰基揮發(fā)分(Vdaf)普遍減少0.13%～25.00%;

3)火成巖侵入煤層后在原有變質(zhì)基礎(chǔ)上增加了接觸變質(zhì),使煤層夾有天然焦或火夾焦等,導(dǎo)致煤的發(fā)熱量要比非侵蝕區(qū)的煤發(fā)熱量低;侵蝕區(qū)煤層全硫含量低于非火成巖侵蝕區(qū);侵蝕區(qū)煤層的黏結(jié)性喪失,導(dǎo)致其危險(xiǎn)性增加.