巨厚岩浆岩下煤层瓦斯赋存特征及其动力灾害防治技术研究

发布时间：2020-07-22 10:17

【摘要】：煤系地层中岩浆侵入现象在世界各主要产煤国普遍存在,岩浆侵入体的产状、厚度和分布形式对煤矿安全开采具有极其重要的影响,我国煤矿灾害中因受岩浆侵入影响引发的事故非常多。岩浆侵入所营造的高温、高压环境促进了煤层热演化,改变了煤体的变质程度、孔隙结构、吸附-解吸特性,从而对煤层瓦斯赋存和突出灾害起到控制作用。论文以岩浆侵入严重的淮北矿区海孜井田为研究对象,采用理论分析、实验室试验、相似模拟、数值模拟和现场工程实践相结合的研究方法,系统地开展了岩浆侵入对下伏煤层的热演化作用机制、巨厚岩浆岩床对煤层瓦斯圈闭效应以及巨厚岩床下卸压煤岩体裂隙演化与渗流特征等基础研究,在此基础上提出并实践了岩浆侵入矿井分区分级瓦斯灾害综合治理技术。论文主要结论与创新工作体现在以下四个方面:(1)构建了岩浆侵入煤系地层后热传导作用的数学模型,综合考虑地温梯度得到二维热传导模型的解。通过MATLAB、COMSOL数值解算和实验室验证方法分析了岩浆侵入对下伏煤层的热演化作用机制,对影响岩浆岩冷却过程围岩温度分布的主控因素(岩浆岩冷却时间、岩浆岩的厚度和初始温度等)进行对比分析。结果表明:随着距岩浆岩距离的增加,煤层的最大有效温度和持续高温作用时间随之减少,通过热史模拟计算,分析可知海孜井田岩浆岩下8煤和10煤最大热演化温度分别为258℃和228℃,煤体演化最大热演化温度持续的时间分别为600a和500a。同时结合淮北含煤地层演化特征和岩浆侵入时空演化过程,获得了淮北矿区岩浆侵入井田煤层的热演化生烃特征,燕山期岩浆侵入后煤层二次生烃量最大约为340m3/t。(2)获得了不同岩浆侵入体厚度对煤层瓦斯赋存的圈闭效应。结果表明:随着岩浆岩体厚度的增加,下伏10煤层变质程度出现显著提升,孔隙-裂隙发育程度不断增加,使煤层生成、吸附和储集瓦斯的能力得到增强。致密坚硬的岩浆岩侵入体渗透率较低,当以岩床盖成形式赋存于煤层顶板时,形成了天然的“瓦斯封存箱”来圈闭下伏煤层瓦斯,且瓦斯圈闭效应随着岩体的厚度增加表现越为明显,导致煤层赋存的原始瓦斯压力和瓦斯含量超过了突出临界值,在采掘作用影响下更容易发生突出事故。(3)系统分析了巨厚岩浆岩下远程下保护层(10煤)开采后采场覆岩离层裂隙动态演化规律及卸压瓦斯储运特征。结果表明,在巨厚岩浆岩的支撑作用下,采场覆岩弯曲带内能够形成大量不完全闭合的离层,离层区成为卸压瓦斯(甚至地下水)的富集区,为远距离卸压瓦斯高效抽采方法的选择提供了理论基础。同时由于巨厚岩浆岩体呈整体块状结构,力学强度等符合矿井主关键层条件,计算垮落步距可达332m。但随着开采面积的增大,岩浆岩体垮落破断后释放大量的弹性能并形成冲击效应作用于离层空间和下伏各煤层,导致瓦斯突出、冲击地压、突水、地表沉陷等多元动力灾害。(4)针对巨厚岩浆岩热演化和圈闭作用导致的矿井不同区域瓦斯赋存特征和突出灾害危险程度所呈现的差异性现象,依据井田内岩浆岩体分布形式、煤系地层赋存特征和瓦斯动力灾害等级,提出了适合岩浆侵入矿井分区分级瓦斯灾害综合治理技术,并在现场进行了成功应用。同时基于巨厚岩浆岩破断冲击形成多元动力灾害的致因分析,提出了采空区合理充填高度的概念,实现了保护层开采卸压瓦斯高效抽采与采空区充填技术在巨厚岩浆岩赋存条件下共存,为巨厚岩浆岩下多元动力灾害的防治提供了技术保障。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.2
【图文】：

岩浆作用,脆弱带,岩浆岩,上地幔

图 1-1 岩浆作用及岩浆岩产状Figure 1-1 Magmatism and occurrence of magmatic rock于地壳深处或上地幔中的岩浆，在地应力的作用下，沿构造脆弱带上表，岩浆上升运移过程中，由于物理化学条件的改变，不断地改变自成岩浆岩，岩浆形成、运移和冷凝成岩的整个活动过程称为岩浆作用。岩浆作用包括侵入作用和喷出作用，并在冷却后会形成岩盖、岩基

事故图,瓦斯突出,岩浆岩

图 1-2 海孜矿巨厚岩浆岩下瓦斯突出事故图Figure 1-2 Gas outburst accident under the extremely magmatic rock in the Haizi coalmine为了保障巨厚岩浆岩下突出煤层安全高效开采，本文以淮北矿区海孜井田为研深入研究岩浆侵入事件对煤层的热演化机制、岩浆侵入对煤层多元物性参数和特征的控制作用、采场上覆煤岩体离层裂隙发育和卸压瓦斯储运规律，在此基岩浆岩侵入造成多元动力灾害发生的致因，从而构建针对性的瓦斯灾害防治技

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研究思路与技术路线

【参考文献】