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1、中国科学技术大学地球和空间科学学院 School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China 2010.01,岩浆侵入体在煤矿生产中的危害及其防治技术应用研究,刘桂建 E-mail：,报告内容,岩浆岩基本特征,基本分类 化学成分 矿物成分 结构构造,对煤矿生产的危害,对煤层的影响 对瓦斯的影响 对水文的影响 对地温的影响 其它方面的影响,防治技术应用研究,常规研究手段 物探测试技术 化探分析方法 岩体分布范围研究 岩体赋存状态研究 其它方面研究,岩浆作用 基本分类 物质成分 结构构造,一、
2、岩浆岩基本特征,地下深处的岩浆,在其挥发份和地质应力的作用下,沿构造脆弱带上升到 地壳上部或地表，岩浆上升运移过程中，由于物理化学条件的改变,又不断 地改变自己的成分，最后凝固成岩浆岩，这一复杂过程，称为岩浆作用 侵入地壳之中 侵入作用 侵入岩 喷出地表 喷出作用 喷出岩,岩浆作用,岩浆岩的基本分类,1. 造岩元素：O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, Ti 等， 其总和约占岩浆岩总重量的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。,物质成分-化学成分, 硅铝矿物:SiO2和Al2O3含量较高,不含铁镁.如石英长石类及似长石类,这些矿物颜色均较浅,又叫浅色矿物。 铁镁矿物:FeO与MgO含量较高,SiO2含量较低,如橄榄石、辉石类、角闪石类和黑云母类。这些矿物颜色深(称暗色矿物) 主要矿物：在岩石中含量众多，对于确定岩石名称是不可缺少的，在分类命名上起主要作用。如石英、钾长石是花岗岩的主要矿物。 次要矿物：在岩石中含量次于主要矿物，对于划分岩石大类不起主要作用，但对确定岩石种属起一定作用的那些矿物
4、。如闪长岩中的石英含量约2，没 有石英也叫闪长岩；当石英5时，则叫石英闪长岩。 副矿物：含量很少，常小于1，个别情况可达5，在一般的分类命名中均不起作用。但对于了解一个岩体的形成条件，对比不同岩体，确定岩体时代以及研究稀散元素有重要意义。,物质成分-矿物成分,结构与构造,岩浆岩的结构（texture）: 指组成岩石的 矿物的结晶程度、颗粒大小、晶体形态、自形程度和矿物（ 包 括 玻 璃）相互关系。 岩浆岩的构造（structure）: 指岩石中不同矿物集合体之间或矿物集合体与其它组成部分之间的排列、充填方式等。,全晶质 半晶质 玻璃质,岩浆岩的结构,（1）岩浆岩的结晶程度,（2）岩石中矿物的颗
5、粒大小 显晶质结构：肉眼观察时基本上能分辨矿物颗粒者。 粗粒结构：矿物直径 5mm 中粒结构：矿物直径 25mm 细粒结构：矿物直径 20.2mm 微粒结构：矿物直径 0.2mm 隐晶质结构：矿物颗粒很细，肉眼无法分辨出矿物颗粒者。如 果在显微镜下可以看清矿物颗粒者，称显微晶质结构；如果境下只有偏光反映，而无法分辨矿物颗粒者，称显微隐晶质结构。,二、对煤矿生产的危害,对煤层的影响 对瓦斯的影响 对水体的影响 对地温的影响 其它方面影响,1、对煤层的影响,岩浆侵入煤层产生四方面的影响： 岩浆侵入煤层，导致岩浆熔蚀交代煤层，破坏了煤层的连续性和完整性，减少煤田的可采储量； 引起煤的接触变质，使煤的
6、灰分增高，粘结性降低，煤质变劣，产生天然焦，降低煤的工业价值； 煤层中侵入体硬度较煤大，妨碍采掘工作的正常进行，影响工程进度，增加生产成本； 侵入体在煤层中发育时，使采区和工作面的布置困难，如果对其分布范围、数量、规模了解不清，可造成废巷，引起不可估量的经济损失。,岩浆侵入通道的特点:,岩浆侵入到煤系地层中，常沿软弱部位活动； 软弱部位主要是： 断层带、裂隙、不整合及软弱岩层面； 不同的侵入通道形成不同的侵入体： 岩浆沿这些不同性质的软弱地带侵入围岩中形成的侵人体具有不同的特点。,岩浆侵入体产状不同造成的影响 反映岩浆与煤层接触面积的大小，对煤层接触变质的强弱有密切关系。 岩墙垂直或斜交煤层，
7、以狭窄条带与煤层接触，对煤层影响较小，仅局限于岩墙两侧数米的范围内(见图)。 岩床顺煤层分布，与煤层大面积接触，因而对煤层不仅破坏强烈，而且影响范围较大。,安徽岱河煤矿南配风巷素描图 1-辉绿岩；2-天然焦；3-无烟煤；4-贫煤；5-页岩,岩浆侵入体的主要产状特征：,A、岩墙,山东淄博奎山矿7042顺槽岩墙素描图（剖面上近于直立） 1-辉绿岩；2-微晶辉绿岩；3-天然焦；4-煤层；5-细砂岩,B、岩床,山东陶庄煤矿北225巷道素描图 （层状侵入体）,山东陶庄2145巷道素描图 （似层状侵入体）,山东坊子煤矿北大井南大巷素描图 （不规则树枝状侵入体）,淮北杨庄矿5244巷道素描图 （扁豆状侵入体
8、）,山东陶庄煤矿东井325巷道素描图 （串珠状侵入体）,侵入体的大小： 它反映侵入煤层的岩浆数量及蕴藏热量的多少，因此侵入体越大，煤变质越深，影响范围越广。 在其它因素相同的条件下，侵入体的厚度与煤的变质程度和变质带宽度呈正相关关系(见图)。,辽宁阜新平安矿岩床厚度与变质带的关系（据中国煤田地质学，1979）,侵入体在煤层中的位置： 侵入体对其上面的煤分层影响较大，对其下面的煤分层影响较小。这是由于岩浆中的气体和煤变质过程中产生的挥发分易于携带热量向上扩散的缘故。侵入体位于煤层中不同位置，影响程度不同： 位于煤层顶部，对下部煤分层影响较小； 处于煤层底部，对上部煤分层影响较大； 居于煤层中部，
9、对煤层影响最大，形成上厚下薄的变质带(见图)。,岩浆侵入不同位置对煤层变质作用的影响,1-岩浆岩 2-天然焦 3-煤层,岩浆侵入体与煤层的接触关系：,A、急变接触：,侵入岩与煤层急变接触示意图 1-侵入体；2-天然焦；3-煤层,B、渐变接触：,坊子煤矿正长斑岩与围岩成疙瘩状、锯齿状接触 1-正长斑岩；2-煤层；3-页岩,C、混合接触： 侵人体与围岩界线不清，二者混杂，存在着一定厚度的混合岩带和烘烤带。混合岩带的厚度与侵入体的大小及围岩的岩性有关,煤层距侵入体的距离： 煤的变质程度随距侵入体的远近发生有规律的变化，近者 变质深，远者变质浅，从而形成由高到低的变质带(见图)。,安徽淮北张大庄矿三采
10、区轨道上山素描图 1-辉绿岩；2-二级天然焦；3-一级天然焦；4-无烟煤；5-贫煤；6-瘦煤；7-焦煤；8-焦肥煤；9-夹矸；10-采样位置,a五槽煤二斜坡巷道剖面图,b挥发份曲线图,河北井陉煤矿五槽煤二斜坡巷道剖面及挥发份曲线图,山东官桥煤田接触变质带煤质特征 a-取样点素描图；b-煤质变化曲线,侵入体的岩性： 基性岩浆温度高，挥发组分多，活动性强对煤层的接触变质影响大； 中性和酸性岩浆温度低，活动性差，对煤的接触变质影响小。 煤层原始区域变质程度： 煤层区域变质程度越低，煤层受岩浆侵入时引起的变质程度越高，变质带的宽度越大。如辽宁阜新煤矿原为长焰煤，侵人体附近天然焦很发育。 而在另一些原为
11、高变质烟煤和无烟煤的矿井中，即使侵人体很厚，天然焦也不发育。,从32、61到9煤层： 挥发分逐步减少，从37.63%、35.04%到32.88%； 粘结指数总体上略有增加，从83.63，84.25到87.35； 图中的箭头示意性地反映了从32煤层到61煤层再到9煤层煤变质程度的变化过程：煤质是从气煤和气肥煤向1/3焦煤和肥煤方向转化。,对煤质的影响,受岩浆岩接触影响的煤质特征： 32、61、9三个煤层受岩浆岩接触影响的煤质特征统计结果见下表：,32煤层中没有发现岩浆岩侵入，因而表2中没有受岩浆岩接触影响的煤样； 61煤层有3个勘探钻孔见岩浆岩，但没有对受岩浆岩接触影响的煤样进行测试的数据； 9
12、煤层中，有53个钻孔中见岩浆岩；与岩浆岩接触的煤层则变成天然焦，靠近天然焦的煤质特殊，其中有17个煤质数据，其挥发分急速减少，由正常煤的33%左右减到510%左右，甚至更低；其粘结性变化更突然，从正常煤的强粘结性、特强粘结性变化为不粘结为主、少数微粘结性和弱粘结性。,2、对瓦斯的影响,岩浆侵入煤系地层或直接侵入煤层后，除引起煤层的变质程度升高、对煤层产生破坏外，还对煤中瓦斯的含量，对瓦斯突出有重要影响作用。分析岩浆岩侵人对煤层瓦斯赋存的影响，对开采深部煤层瓦斯治理工作具有指导意义。,煤矿瓦斯突出矿井事件与岩浆岩统计,网上或报道统计：1985年以来，凡是报道的有瓦斯突出事故的矿井（次），共统计了
13、127次（个）。 岩浆岩调查：将127次（个）矿井进行地质资料调查，明确有岩浆岩发育的56个，没有岩浆岩发育的23个，不能确定的48个。 从上可以看出瓦斯突出与岩浆岩发育有重要的影响关系。,为什么？,改变了煤体结构，为瓦斯产生和突出提供了有利地质条件。 改变煤层盖层透气性，为瓦斯存储提供了良好空间；,岩浆活动对瓦斯产生两方面的影响：,CH4, H2O, H2S ,岩浆活动促进了瓦斯产生,（1）岩浆侵入煤层后，改变了煤层盖层的透气性，对煤中瓦斯起封闭作用。这一方面使煤中瓦斯富集。另一方面这种瓦斯的富集又为瓦斯突出准备了条件。 煤体受热后，其内在结构发生变化，最重要的是微裂隙增加。 微裂隙增加，导
14、致增加其内在吸附气体的作用空间，为瓦斯的富集和存储提供了空间和条件。 黄河煤田13煤测试结果知，受岩浆岩影响的煤层其微裂隙是未受影响的5-17倍。 据王大曾等对下花园煤矿3煤层瓦斯突出规律的研究表明。该煤层的瓦斯突出与其上部广泛分布的岩浆侵人体有重要关系。,（2）岩浆侵入煤系，产生强大挤压作用，可引起周围煤层煤体结构的改变。主要表现为煤体力学强度降低，由正常煤变为构造煤。广泛发育的构造煤为瓦斯突出准备了条件。 如下花园煤矿3煤层，其上部多被岩浆岩体覆盖，据观测表明，近顶板的煤层破坏最严重，煤体显示鳞片状结构，滑动面及擦痕纵横交错；近底板煤层破坏稍差；中部又仅次于底部，显示出侵人体对3煤层煤体结
15、构的重要影响作用(见下图)。,下花园煤矿-地质剖面图（据王炳山1989年） 1-3煤；2-岩浆侵入体；3-地质界线,下面以一些煤矿实例来说明岩浆侵入对煤矿瓦斯的影响：,1、徐州矿务集团有限公司张集煤矿煤与瓦斯的突出实例分析：,突出特点： 张集煤矿为煤与瓦斯突出矿井，1995年以来共发生8次煤与瓦斯突出。煤与瓦斯突出点分布除了与构造、围岩、埋深等因素有关外，另有一个共同的特点，7次煤与瓦斯突出地点均位于岩浆岩侵人体覆盖区以下。,王以峰,王彬章,等.岩浆岩侵入对下部煤层瓦斯赋存的影响.煤炭科技.2007,对瓦斯的影响： 该区岩浆岩对煤层中瓦斯的含量影响明显： 钻孔测定9煤在非侵入区瓦斯含量530
16、mm3/g ，侵入区瓦斯含量40239549mm3/g。 矿井生产实际瓦斯绝对涌出量也证实了影响的规律性： 在非侵入区瓦斯绝对涌出量0.101.20m3/min(-700m中央采区、东二采区)。侵人区瓦斯含量4.109.45m3/min(-700m东三采区)。 岩浆侵入对下部煤层中瓦斯的影响主要体现在以下3个方面： 1)岩浆岩体的热力作用使下部9煤的变质程度增高,对促进煤层气的生成起到了重要作用。造成岩浆岩侵入后,煤层中的瓦斯含量增加; 2)破坏了煤层的原生结构,裂隙增多,为瓦斯赋存提供了空间; 3)对9煤的瓦斯运移形成了覆盖层，使煤层顶板整体渗透性差,影响了煤层瓦斯的运移和逸散,覆盖层下顶板
17、砂岩裂隙带瓦斯含量增高。如9365工作面顶板砂岩裂隙带瓦斯含量1086,王以峰,王彬章,等.岩浆岩侵入对下部煤层瓦斯赋存的影响.煤炭科技.2007,河南安林煤矿岩浆岩侵入区示意图,无烟煤区,天然焦区,在6号线以南，地质构造相对复杂，该 区煤质主要以无烟煤为主，煤厚不均， 煤质松软，强度较低，瓦斯涌出量大， 突出较频繁。相反在6号勘探线以北的、 六八采区，由于岩浆岩侵入的影响，煤以天然焦为主，钢灰色，致密，光泽黯淡，硬度及比重较大，瓦斯涌出量特别是在煤层揭露后，其煤的强度明显增加。,六、八采区工作面绝对瓦斯涌出量 一般在3 m3/min以下，而相对瓦斯涌出 量在53 m3/t以下，属低瓦斯区；
18、三采区瓦斯绝对涌出量在53 m3/min 以上，而相对瓦斯量在153 m3/t以上,3河南安阳矿区龙山井田瓦斯突出实例解析：,多年来，瓦斯突出事故频繁发生，是全国有名的瓦斯突出井田，煤与瓦斯突出问题一直困扰着煤矿的安全生产。 突出原因： (1)龙山井田瓦斯突出与岩浆岩的分布有着明显的关系，而煤层滑动构造又是由于岩浆岩顶托与顶压作用所造成。煤层的瓦斯由于岩浆岩上下同时阻挡与覆盖，瓦斯形成了一个封闭的环境，瓦斯无法逃逸，自然会形成特殊的煤与瓦斯突出区域，这就是龙山井田成为煤与瓦斯易突矿井的原因。 (2)受岩浆岩侵入作用，煤层内的瓦斯含量增高明显,煤裂隙增多,吸附瓦斯多,表相当部分会从吸附状态转变为
19、游离状态，一旦被揭露，就很容易发生煤与瓦斯突出。,为什么同一个龙山井田，位于龙山井田东南部的天喜镇煤矿没有煤与瓦斯突出现象? 因为天喜镇煤矿区段既没有地面岩浆覆盖，下部也没有发现岩浆岩侵入到石炭系地层中，没有形成瓦斯聚积基本条件，尽管有多处断层，也不会出现突出现象)，而位于西部的龙山煤矿12，13采区、九龙山煤矿北部、三泉寺煤矿均存在严重突出现象，因为就是岩浆岩(霞石正长岩)覆盖体，石炭系地层或煤层中不同程度地存在着岩浆侵入的现象。,史建民.安阳矿区龙山井田瓦斯突出主因新探.中州煤炭，2008.,4、阜新煤田王营煤矿瓦斯突出特征分析,该矿岩浆岩的发育造成了煤变质程度增高，促进了瓦斯的形成；岩浆的烘烤、挤压破坏了煤的原始裂隙系统，形成了”构造煤“ 带，使岩墙两侧天然焦带中大量高游离态瓦斯受到封闭而形成潜在的煤与瓦斯突出危险区. 2、突出特点： 在王营矿15次瓦斯突出中，有11次发生在岩浆岩岩墙两侧区域，2次发生在岩床附近，占突出次数近90% ，说明岩浆岩对瓦斯突出具有重要的控制作用。特别是岩浆岩岩墙和煤(岩)与瓦斯突出关系极为密切，是王营矿煤(岩)与瓦斯突出最特殊的地质因素。,赵明鹏，王宇林，等.煤（岩）与瓦斯突出的地质条件研究以阜新王营矿为例. 中国地质灾害与防治学报，1999.,