火成岩侵入对瓦斯赋存及瓦斯突出风险控制机制与应用研究

作     者：邓鹏鹏 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡千庭

授予年度：2022年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：火成岩侵入 煤与瓦斯突出 瓦斯赋存 热力作用 煤变质 

摘      要：火成岩侵入煤系地层的现象在我国广泛存在,侵入体会改变煤层物性和应力状态、促生大量瓦斯等气体,对于煤矿安全生产构成威胁。我国多个煤矿都发生过受火成岩影响的煤矿瓦斯事故,因此研究火成岩侵入对于治理瓦斯灾害、保障矿井安全生产具有重要意义。为解释火成岩侵入对煤层瓦斯赋存及煤与瓦斯突出风险的控制机理,研究火成岩对于煤的变质程度、孔隙结构、物质变化、有机大分子结构以及吸附解吸特性的影响,论文以火成岩侵入严重的铁法煤田大兴煤矿为研究对象,采用数值模拟结合物理模拟和现场采样实验测试的研究方法,系统性分析了区域岩浆活动史、煤体的热变质理论、火成岩侵入规律、煤层瓦斯赋存规律、煤与瓦斯突出风险等特征。基于这些规律探讨了大兴矿火成岩侵入区瓦斯治理方法。论文的主要工作与结论体现在以下4个方面:(1)中国的岩浆活动是长期复杂的,与构造运动密切相关,与煤的区域性热变质相关。铁法煤田大兴煤矿位于天山-阴山断隆带东部(华北板块北缘)与新华夏系第二沉降带的交接复合部位,早期断隆裂缝为火成岩侵入提供了通道。燕山期以来,岩浆活动剧烈,形成了环太平洋火山-侵入岩带,第三纪的基性岩浆侵入,使煤系地层内大面积存在辉绿岩岩床和岩墙。侵入体有效阻隔了煤层瓦斯的逸散、增强了地层应力、进一步破坏了煤层结构、对煤层产生热变质作用,使得大兴矿的煤与瓦斯突出多数发生在第三纪辉绿岩的火成岩侵入影响区。(2)基于有限元数值模拟建立了岩墙型火成岩侵入体的冷却模型,分析了大兴矿岩墙式火成岩侵入对于煤层热作用的温度场分布,发现受岩浆侵入体影响,在距离岩墙90m范围内,煤层温度整体呈现先上升后下降的趋势,煤层最高温度为275℃到48℃之间,距离岩墙50m时煤层最高温度约75℃左右。通过煤的热作用模拟试验发现,热作用后的煤变质程度增加,孔隙孔容和比表面积先减少后增加;有机组分变化显著、含氧官能团和碳链侧链相继脱落生成甲烷。(3)通过对大兴矿南二采区906工作面距岩墙不同距离取煤样分析发现,距岩墙40m范围内,火成岩侵入的热作用,增加了煤层灰分和变质程度;煤晶体结构聚合、碳链侧链和含氧官能团相继脱落,使甲烷生成量增加;煤的热解使孔容和比表面积增加,孔隙连通性变复杂,非均质性增强,甲烷吸附解吸能力增强。侵入体对煤层瓦斯起到了圈闭保存作用,对煤层加剧了结构破坏和应力叠加作用,热变质作用增加了煤层的瓦斯容量和瓦斯生成量,通过对附近煤层的瓦斯圈闭性、结构破坏性、应力叠加性、煤的热变质作用,控制侵入体附近约40m范围煤层为瓦斯富集区和煤与瓦斯突出高风险区。(4)针对大兴矿南二采区906工作面的岩墙型侵入体,设计了火成岩侵入区防治煤与瓦斯突出的专项措施,核心是在火成岩侵入体周围约50m范围区域,强化火成岩钻孔探测、精准控制火成岩位置,强化预抽煤层瓦斯措施、加密预抽瓦斯钻孔,强化预抽瓦斯效果达标检测、降低达标判据;并在工程实践中应用,取得了有效防治煤与瓦斯突出的安全生产效果。