邹庄煤矿火成岩侵蚀对煤质的影响

李文豪,罗文柯,*,袁晗

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201)

近年来,许多矿井在开采过程中均发现火成岩侵蚀煤层.由于火成岩的侵入,对原有煤层的煤质造成重大影响,大大降低了开采效率和工业价值[1].李井坤[2]等研究了辉绿岩侵入煤层时,煤层受到冷凝作用以及高温对煤层的烘烤作用,对煤质的影响程度加深;辛成化[3]研究了煌斑岩侵入煤层时,煤质的影响程度与煌斑岩侵入的方式、位置和程度等有关;刘希庆[4]等研究了煌斑岩侵入煤层后导致原煤的工业性指标(灰分、挥发分)、原煤发热量等化学性质及物理特征发生较大变化;王麒[5]等研究了火成岩侵入和地温梯度对煤变质程度的影响;杨阳[6]等研究了瞬变电磁法能有效勘探出岩浆岩的侵入范围;马良[7]研究了火成岩侵入煤层的4种方式:顶板侵入式、底板侵入式、复合穿插侵入式和吞噬式;周丽丽[8]研究发现受火成岩侵入和热液的影响,各煤层的变质程度在原有变质的基础上叠加了接触变质,导致煤变质程度增大.火成岩的侵入导致煤发生热变质作用,镜质组反射率增大,煤的吸附能力和瓦斯放散能力增强[9-11].

本文以邹庄矿井72煤火成岩侵蚀区和非侵蚀区的煤层为研究对象,采用数理统计和现场验证的方法,分析火成岩的侵入方式,对81采区内的72煤层的侵蚀区与非侵蚀区的工业性指标、发热量、全硫含量、黏结性等指标进行对比分析,研究成果为采区内煤层开采的可行性和安全性提供理论依据.

1 区域地质构造

邹庄矿井位于宿州西南,淮北濉溪境内,其中心距宿州市约25 km.矿井东以双堆断层及F22断层为界,西以南坪断层为界,南以石炭系太原组顶部第一层灰岩露头线为界,北以27#勘探线及宿州钱营孜井田为界.南北长约6.5 km,东西宽约3～5 km,井田面积约26.98 km2.邹庄井田位于淮北平原中部,地面标高+20.50～+24.88 m,一般在+23 m左右,地势大致呈西北高,东南低的趋势.81采区位于矿井的西南部,南坪向斜的西翼南段.整体形状为向东倾斜的单斜构造,地层倾角18°～41°,一般30°左右.综合钻探和地震资料,发现采区内共有落差不低于5 m的断层49条.81采区构造如图1所示.

图1 邹庄矿井81采区构造

2 火成岩侵入方式

2.1 火成岩侵蚀剖面范围分析

72煤位于下石盒子组下部,上与62煤层的平均间距为18.57 m.煤层两极点138个,其中可采点111个,不可采点18个,沉缺点1个,断缺点4个,岩浆吞蚀点4个.可采指数0.80,变异系数为39%,面积可采率70%.该煤层由于受岩浆侵蚀穿插,煤层结构变为复杂,但在煤区,煤层原生结构较简单,含1层夹矸有30个点,含2层夹矸有8个点,含3层及3层以上夹矸有13个点,夹矸以泥岩为主,其次为炭质泥岩,3层及3层以上夹矸主要是火成岩.顶板以泥岩为主,其次为粉砂岩,个别为细砂岩;底板以泥岩为主,其次为粉砂岩及细砂岩.岩浆侵蚀对该煤层破坏严重,火成岩侵蚀点多达45个,占见煤点的36%,煤层被部分侵蚀和完全吞蚀或变质成天然焦,大部分为可采的较稳定煤层.

邹庄煤矿72煤层侵入的火成岩主要呈“岩床分布”,侵蚀方式主要是吞噬煤层或以薄层状穿插分割煤层.邹庄矿井勘探钻孔火成岩揭露特征图如图2所示.

由图2和矿井地质勘探报告可以看出:

图2 邹庄矿井勘探钻孔火成岩揭露特征

1)火成岩勘探钻孔:矿井在勘探线上共施工123个勘探钻孔,其中揭露发现火成岩的钻孔有53个,火成岩侵蚀钻孔率为43%.

2)火成岩侵蚀的煤层:火成岩对邹庄矿井煤层的侵蚀区主要在主采的72煤层和局部可采的62煤层.

3)火成岩侵蚀区的特征:火成岩对72煤的侵蚀从10#勘探线开始,止于26#勘探线.其中12#,15#,18#,20#,21#和22#勘探线的火成岩侵蚀长度略长,而10#,23#,24#,(24-25)#,25#和26#勘探线的火成岩侵蚀长度稍短,从南向北呈收敛状,侵蚀范围见图2中的折线区域内.

2.2 火成岩侵入形式分析

根据火成岩侵蚀严重的勘探线,选取10#,12#,15#,18#这4条勘探线作为侵入形式研究对象,4条勘探线上各钻孔火成岩侵蚀情况如图3和图4所示.

图3 邹庄矿井10#,12#勘探线各钻孔火成岩侵蚀情况

图4 邹庄矿井15#,18#勘探线各钻孔火成岩侵蚀情况

由图3可以看出:10#勘探线中的5个勘探钻孔,2个钻孔被火成岩侵蚀,侵蚀形式从72煤顶板侵蚀,底板下面仍然留有薄或中厚煤层,如101和102勘探钻孔;12#勘探线中的5个勘探钻孔均被火成岩侵蚀,侵蚀形式从72煤的中部开始分1次(121,122,123钻孔)或多次(6810,124钻孔)侵蚀,在煤层顶底板留有煤层、天然焦或火夹焦,中间为火成岩或火成岩与天然焦、火夹焦互层.

由图4可以看出:15#勘探线中的7个勘探钻孔,其中5个钻孔被火成岩侵蚀,侵蚀形式是(1)从72煤底板侵蚀,顶板下面仍然留有薄的火夹焦(0.30 m),底部为火成岩,如151勘探钻孔;(2)从72煤的中部开始分1次(152,156,678钻孔)或2次(153钻孔)侵蚀,在煤层顶底板留有天然焦或火夹焦,中间为火成岩、辉绿岩(火成岩一种)或其与天然焦、火夹焦互层.18#勘探线中的6个勘探钻孔中,其中4个被火成岩侵蚀,侵蚀形式是(1)从72煤的中部开始侵蚀,煤层受到侵蚀后,在煤层顶底板留有天然焦,中间为火成岩,如181,185钻孔;(2)从72煤的顶板侵蚀,下部仍留有中厚煤层,中间为火成岩与天然焦互层,如182钻孔;(3)从72煤底板侵蚀,上部留有中厚煤层,中下部为火成岩与火夹焦互层,如183钻孔.

综上所述,根据火成岩侵入的位置不同,火成岩大致从煤层的顶板、中部、底板3个方向侵入:

1)火成岩位于煤层顶板,下部留有不同厚度的煤层、炭质泥岩、天然焦和火夹焦及其互层.

2)火成岩位于煤层中部,在其顶板和底板留有不同厚度的煤层、炭质泥岩、天然焦和火夹焦及其互层.

从图2可见，盐酸浓度不变，液固比对盐酸浸出含钛高炉渣效果明显，液固比越大，酸量越多，有助于钙、镁、铁和铝的溶出，当液固比达到5时，CaO和MgO的脱除率达到95%以上，Fe和Al2O3的脱除率达到了85%，TiO2的损失率小于4.5%。

3)火成岩位于煤层底部,在其上部留有不同厚度的煤层、炭质泥岩、天然焦和火夹焦及其互层.

3 火成岩侵蚀对煤质的影响

根据邹庄矿的特点,将矿井所有勘探钻孔有关72煤进行工业性指标分析的煤样及结果分为两类:非火成岩侵蚀区和火成岩侵蚀区.矿井范围由13条勘探线控制,为方便进行火成岩侵蚀区与未侵蚀区的煤质研究,将不同侵蚀区72煤的工业性指标、煤样发热量、煤样全硫含量、煤样黏结指数(均取平均值)进行对比分析.

3.1 火成岩侵蚀区与非侵蚀区工业性指标对比分析

72煤火成岩侵蚀区与非侵蚀区空气干燥基水分、干燥基灰分、干燥无灰基挥发分对比分析如图5所示.

图5 72煤火成岩侵蚀区与非侵蚀区工业性指标对比分析

由图5可以看出:

1)火成岩侵蚀区的煤层空气干燥基水分(Mad)较非火成岩侵蚀区内的空气干燥基水分普遍增加0.10%～1.34%.

2)非火成岩侵蚀区煤样的干燥基灰分(Ad)变化幅度较小,在14.29%～24.54%内变化,区间差值为10.25%;火成岩侵蚀区煤样的干燥基灰分变化幅度较大,平均在12.76%～37.73%内变化,区间差值为24.97%,为非火成岩的2.44倍.说明火成岩侵蚀区煤层的干燥基灰分呈明显增加趋势,普遍增加0.76%～14.93%,且变化幅度大,表现出不稳定性.

3)火成岩侵蚀区煤层的干燥无灰基挥发分(Vdaf)明显低于非火成岩侵蚀区煤层的干燥无灰基挥发分,且在22#勘探线附近72煤干燥无灰基挥发分急剧下降.说明火成岩侵蚀时,22#勘探线周围温度较高,对煤质影响较大,煤层受火成岩高温影响,变质程度增加,煤的干燥无灰基挥发分普遍降低0.13%～25.00%.

3.2 火成岩侵蚀条件下72煤发热量指标的对比分析

邹庄矿井72煤火成岩侵蚀区与非侵蚀区煤样发热量对比分析如图6所示.

由图6可以看出:火成岩侵蚀区72煤的发热量变化范围为31.58～34.93 MJ/kg,平均值为33.48 MJ/kg;非火成岩侵蚀区72煤的发热量变化范围为32.99 ～35.37 MJ/kg,平均值为34.57 MJ/kg.侵蚀区煤发热量普遍较非侵蚀区的低1.0～3.5 MJ/kg,说明火成岩侵入煤层后在原有变质基础上增加了接触变质,使煤层夹有天然焦或火夹焦等,导致煤的发热量要比非侵蚀区的煤发热量低.

3.3 火成岩侵蚀下72煤全硫含量对比分析

统计邹庄矿井72煤火成岩侵蚀区与非侵蚀区的钻孔煤样全硫含量数据,对比分析如图7所示.

图6 邹庄矿井72煤火成岩侵蚀与非侵蚀区煤发热量对比分析

图7 邹庄矿井72煤火成岩侵蚀区与非侵蚀区煤全硫含量对比分析

由图7可以看出:火成岩侵蚀区与非侵蚀区72煤煤样的全硫含量变化范围不同,火成岩侵蚀区72煤全硫含量变化范围为0.06%～0.46%,变化范围较大;非火成岩侵蚀区72煤的全硫含量变化范围为0.10%～0.37%,其变化范围相对较小.说明火成岩的侵入导致煤中全硫含量变化范围变大,煤中黄铁矿被氧化数量增多,期间释放出来的热量会加速煤的自燃和氧化,使之危险性增加.

3.4 火成岩侵蚀条件下72煤黏结指数的对比分析

邹庄煤矿72煤火成岩侵蚀区与非侵蚀区黏结指数的统计结果如图8所示.

图8 邹庄矿井72煤火成岩侵蚀区与非侵蚀区煤黏结指数对比分析

由图8可以看出:火成岩侵蚀区与非侵蚀区72煤煤样的黏结指数变化范围不同,火成岩侵蚀区72煤黏结指数变化范围为13.40%～90.45%,变化范围特别大;非火成岩侵蚀区72煤黏结指数变化范围为56.76%～87.58%,其变化范围相对较小.说明火成岩的侵入使部分煤丧失了黏结性.

4 结论

1)火成岩对煤层侵蚀主要呈“岩床”形式,多为吞噬煤层或以薄层状火成岩穿插分割煤层.火成岩分别从煤层的顶板、中部、底板3个方向侵入,受到火成岩侵入的煤层部分变质为天然焦或火夹焦,导致煤层可采率变低,煤层的稳定性降低.

2)火成岩侵蚀后煤层的空气干燥基水分(Mad)普遍增大0.10%～1.34%,干燥基灰分(Ad)普遍增大0.76%～14.93%,干燥无灰基挥发分(Vdaf)普遍减少0.13%～25.00%;

3)火成岩侵入煤层后在原有变质基础上增加了接触变质,使煤层夹有天然焦或火夹焦等,导致煤的发热量要比非侵蚀区的煤发热量低;侵蚀区煤层全硫含量低于非火成岩侵蚀区;侵蚀区煤层的黏结性丧失,导致其危险性增加.