火成巖侵入體不規則性及巷道圍巖壓力顯現規律研究

杜俊培，劉樹輪

（冀中能源股份有限公司 郭二莊礦，河北 邯鄲 056300）

1 區域地質概況

火成巖侵入體在華北地區石炭二疊紀煤系地層中普遍發育，尤其隨近年開采深度的增加，很多煤礦的主采煤層受到了火成巖侵蝕的影響。火成巖侵入煤層，除了會導致煤層變薄、連續性遭受破壞，還會在熱液作用下，改變煤巖結構特性，使煤巖的物理力學性能弱化，同時，由于火成巖侵入的不規則性，導致煤體巷道揭露后，圍巖壓力表現出各項異性，應力分布的復雜化，使得圍巖壓力顯現呈現出不同特征，給巷道的支護及后期維護帶來極大挑戰。因此，有必要對華北地區石炭二疊紀火成巖侵入體的不規則性進行分析、研究，歸納不同侵入層位及不同侵入形態下，巷道揭露煤體的上覆巖層結構特征、巖石物理學特性，總結不同侵入條件下圍巖壓力顯現規律，為該種特殊地質條件下巷道的掘進支護提供理論依據。

以冀中能源股份有限公司邯鄲郭二莊礦二坑為研究背景，該礦主采煤層9 號煤位于太原組中、上部，為井田內主要含煤地層，煤層厚度平均為2.85 m，受印支期火山巖活動影響，煤層上部被火成巖侵入，巖性為閃長玢巖，厚度8.60～26.95 m，該層火成巖以巖床的形式大范圍覆蓋于9 號煤層之上，由于侵入的不規則性，侵入層位上至8 號煤煤體的中下部，下至9 號煤層底板，均有發育。大部分條件下火成巖沿煤層頂板順層侵入，局部煤體被侵蝕。煤層上覆及下伏巖層組合結構如圖1 所示。

圖1 煤層上覆下伏巖層柱狀圖Fig.1 Rock property histogram of coal seam roof and floor

2 火成巖侵入體頂板的不規則性分析

火成巖是地殼深部巖漿沿特定通道上涌，噴出地表或侵入地層裂隙冷卻凝結而成的巖石，在煤系地層中主要產狀為巖墻、巖床等。有別于沉積巖的成層性和沉積厚度的穩定性，火成巖在熱液侵涌的過程中，表現出侵入的極不規則性，具體表現為巖漿侵入地層層位的不規則及巖漿侵入體空間形態的不規則兩方面。

2.1 侵入層位的不規則性

巖漿在地幔熱液壓力（相當于數千個大氣壓）的推動下，侵入地層層間及裂隙，巖漿的這一特性決定其侵入的對象多數為巖石力學性能相對較弱的煤巖層，或者同一煤巖層內裂隙較為發育的部位。在熱液涌力的作用下，這些部位最先遭受破壞，形成侵入通道，引導巖漿沿通道逐步侵入地層深部。這一原理也解釋了深部煤系地層相對其相鄰巖層更易受到火成巖侵蝕的現象。

以郭二莊礦二坑為例，主采煤層9 號煤，上覆厚層狀火成巖侵入體，火成巖侵蝕煤層范圍大且不規則，侵入巖體并未全部表現為煤層的頂板，而是在煤巖層中不規則穿插，侵蝕地層上至8 號煤體中部，下至9 號煤層底板，涉及范圍較大，體現出了侵入層位的不規則性。根據該礦見煤鉆孔資料及井下揭露情況，將火成巖侵入煤巖層的形式歸納為典型的3 類，如圖2 所示。

圖2 火成巖侵入煤巖層頂板的三類形式Fig.2 Three types of igneous rock intrusion into coal roof

第一類火成巖沿8 號煤中下部侵蝕，巷道揭露煤巖層自上而下為8 號煤局部、泥質粉砂巖、9 號煤上部，由于煤體軟弱破碎，頂板線呈現波浪起伏狀。此種侵入形式下，9 號煤的直接頂板為上部泥質粉砂巖（掘進過程中垮落），火成巖作為煤層的基本頂存在，如圖2（a） 所示。

第二類火成巖沿8 號煤底板侵入，巷道揭露為上泥質粉砂巖，下9 號煤局部，由于沉積巖的成層性，層間間隙穩定，侵入頂板線呈現為直線狀，火成巖頂板展現出如沉積巖一樣的光滑層狀表面，9 號煤直接頂及基本頂情況與第一類相同，如圖2（b） 所示。

第三類火成巖沿9 號煤上部侵蝕，巷道揭露煤巖層為全部9 號煤煤體，同樣由于煤體的力學參數較弱，巖漿侵入呈現出不規則性，導致頂板線表現為波浪狀起伏。此種侵入形式下，火成巖作為9 號煤層直接頂板存在，如圖2（c） 所示。

三類接觸形式下，煤巖組合的巖石力學性能及火成巖侵入層間厚度均有所不同。

2.1.1 煤巖組合的巖石力學性能變化

火成巖體與煤層形成直接接觸，在炙熱巖漿的烘烤作用下，接觸煤體會發生變質作用。根據煤體的變質、硅化程度，火成巖附近煤體可分為天然焦、硅化煤和原煤3 種，如圖3 所示。

圖3 火成巖附近煤體類型Fig.3 Types of coal body near igneous rock

根據井下實際揭露情況發現，在第一類與第三類侵入形式下，受巖漿熱液接觸變質作用后，接觸煤體大部分變質為硅化煤，而第二類侵入形式下，由于煤體未與巖漿熱液直接接觸，煤體結構未產生變化，仍為原煤。硅化煤由于與火成巖侵入體接觸，煤體硅化易碎，各項巖石力學特征均較原煤有所降低。采樣試驗結果顯示，硅化煤粘聚力較原煤降低了54.5%，內摩擦角僅為原煤的73.2%，詳見表1。

2.1.2 火成巖侵入層間厚度的變化

收集該礦43 個見煤鉆孔資料，分析不同埋深、不同火成巖侵入形式下侵入巖體厚度情況，統計結果如圖4 所示。

表1 火成巖侵入范圍內煤巖體強度測試結果Table 1 Strength test results of coal and rock mass within igneous rock intrusion range

圖4 不同埋深、不同火成巖侵入形式下侵入巖體厚度統計分布Fig.4 Statistical distribution of thickness of intrusive rock mass with different buried depth and different igneous rock intrusion forms

由圖4 可以看出，火成巖侵入體厚度與侵入體埋深之間并無明顯線性規律，表明火成巖侵入層間厚度與頂板以上覆巖厚度無直接關系。第二類侵入形式較第一、三類，火成巖侵入層間厚度明顯變厚，而第一、三類之間，則無此變化，這一結果表明，火成巖順煤巖層層間線侵入形式下，相較火成巖在煤體中侵蝕的情況，侵入層間厚度更大。

2.2 侵入體頂板空間形態的不規則性

煤系地層火成巖侵入頂板的不規則性同樣體現在侵入體空間形態的不規則上，根據郭二莊礦二坑井下現場揭露情況分析，將火成巖侵入體頂板的空間形態歸納為以下4 類，如圖5 所示。

圖5 四種典型的火成巖侵入體頂板形態Fig.5 Four typical roof forms of igneous rock intrusions

第一類。巖漿沿煤巖層層間線侵入，火成巖頂板表面平整，巖體完整，堅硬。由于上部泥質粉砂巖阻隔，9 號煤未受巖漿熱液變質作用，煤體結構完整，層理清晰，如圖5（a） 所示。

第二類。巖漿侵蝕煤層內部，火成巖頂板表面呈波浪狀起伏，巖體凹凸不平，局部少量裂隙發育，較堅硬。巖漿與煤體接觸帶，有一層厚約幾厘米的天然焦，形狀多呈條帶狀結構，由于煤體與巖漿直接接觸，9 號煤中上部多數轉化為硅化煤，煤體酥脆，原有的煤巖結構肉眼已分辨不清，物理力學性能較原煤降低，如圖5（b） 所示。

第三類。巖漿在煤體侵蝕過程中，局部下沉侵入煤體深部，形成類似煤包的渾圓狀下垂侵入體，在平面上呈獨立的圓心或橢圓形分布，如圖5（c）所示。下垂體附著有較厚的呈板狀的天然焦，且下垂體表面有明顯的巖漿滑移留下的擦痕、階步、反階步等特征，而平緩接觸面并未發現類似痕跡，說明此種下垂體結構是在巖漿冷卻過程中受到局部擠壓力，侵入煤體二次朔變后形成的。

第四類。巖漿沿著巖層裂隙或先生斷層斷裂面貫入而形成的板狀巖體，它與煤層面高角度斜交或垂直，在平面上呈條帶狀分布，形成近似火成巖墻體的構造，墻體表面有明顯的擦痕、階步等類似斷層面的痕跡，但此構造形式有別于斷層，一方面，侵入煤體未有明顯斷裂滑移跡象，煤層未斷開；另一方面，巖墻與火成巖頂板結合部位無明顯斷裂破碎帶，即下沉的巖墻與巖漿母體為一整體結構。

為進一步掌握不同侵入形態下火成巖侵入體巖石力學性能異同，分別選取上述4 類典型侵入形態下頂板火成巖樣品（每組5 個試件，結果取均值），利用RMT150B 巖石力學實驗系統，進行巖石力學參數測定，結果見表2。

表2 不同侵入形態火成巖力學指標測定結果Table 2 Determination of mechanical indexes of igneous rocks with different intrusive forms

從表2 可以看出，第一類及第二類侵入形態下的巖樣單軸抗壓及抗拉強度都較高，彈性模量也大，說明巖漿在侵入過程中受力平緩均勻，巖漿在擠壓推進的過程中沿單一方向流動，均質性較好，冷卻過程中未受二次擠壓，因此強度高，不易破壞，屬于硬巖；第三類侵入形態下，巖石力學性能均較前兩類有所弱化，尤其彈性模量下降較快，該種侵入形態下，巖漿冷卻過程中發生二次塑性流變，相較原始狀態下巖石致密性降低，同向均質性遭受破壞，從而降低了巖體的抗壓及抗剪強度，在受到上部斷裂巖體的垂直應力下，易發生剪切破壞；第四類侵入形態巖體，力學指介于前述兩者之間，該形態下，巖漿在局部改變流動方向，破壞了巖漿體的單向均一性，但巖漿冷卻過程未發生二次塑性流變，因此，巖石致密性未受影響，因此，巖石的抗壓強度與原始狀態近似，但抗拉及抗剪切強度稍受影響。

3 不規則火成巖侵入頂板下巷道圍巖壓力顯現規律

3.1 現場圍巖破壞特征

不規則火成巖侵入體頂板條件下的巷道圍巖壓力顯現規律也是不同的。由井下掘進工作面現場觀測可以看出，在相同坡度、煤層厚度穩定的情況下，順煤巷道圍巖表現出不同的破壞特征。

（1） 火成巖沿煤層侵蝕時，巷道直接頂板為火成巖侵入體，巷道揭露后，頂底板移進量較大，兩側煤體幫鼓突出，變形嚴重，兩幫水平位移量長時間達不到穩定狀態；而當火成巖沿煤層以上泥質粉砂巖層間侵入時，頂板下沉速度較小，兩幫煤體較為穩定，變形也限制在合理區間，兩幫位移量隨時間推移逐步趨緩并穩定，如圖6 所示。

圖6 不同火成巖侵入層位段巷道頂底板及兩幫移進量時間曲線Fig.6 Time curve of roadway roof and floor and two sides displacement in different igneous rock intrusion layers

（2） 在火成巖侵入層位一致的情況下，不同形態的火成巖侵入體頂板條件，圍巖變形并未表現出如巖石力學指標一樣的明顯異同，當頂板出現渾圓狀下垂體（第三類） 或下垂巖墻（第四類） 時，頂底板及兩幫的移進量與隨時間的收斂曲線與波浪（第二類） 頂板條件下近乎一致，如圖7 所示。

圖7 不同侵入形態下巷道頂底板及兩幫移進量時間曲線Fig.7 Time curve of roadway roof and floor and two side movement under different intrusion patterns

（3） 觀測中還發現，在巷道頂板滴淋水段，第三、四類火成巖侵入形態比第一、二類更易發生頂板火成巖體冒落、斷裂掉渣塊的現象。

由于火成巖渾圓狀下垂體與火成巖墻在侵入層位與侵入體形態上類似，且巖性力學指標相差不大，因此在此次對比模擬中作為同一種侵入形式進行模擬。數值模擬幾何模型如圖8 所示。

圖8 數值模擬幾何模型Fig.8 Geometric model of numerical simulation

模擬共分3 種情況，一是火成巖沿頂部泥質粉砂巖層間侵入，煤層未受炙熱蝕變作用，煤體結構穩定的情況；二是火成巖沿煤層侵蝕，煤體變質，煤體結構受破壞的情況；三是火成巖頂板出現局部巖墻（或下垂體），未破巖掘進的情況（圖9）。對比模擬一與模擬二垂直應力分布情況可以看出，由于火成巖侵蝕煤層致煤體巖石力學性能降低，模擬二的兩幫應力集中深度與最大垂直應力值要明顯大于模擬一，相對模擬一，模擬二兩幫的應力集中范圍也有所增加。頂底板出現應力降低區范圍及應力值均有所增加。

圖9 不同火成巖侵入位、侵入形態數值模擬結果Fig.9 Numerical simulation results of different igneous rock intrusive horizon and intrusive form

模擬結果表明，不同侵入層位下巷道的垂直應力分布形態有一定區別，存在泥質粉砂巖偽頂情況下，圍巖應力集中區域往往分布于巷道兩幫下部，集中應力值和集中范圍也較火成巖直接頂板的情況下要小。對比圖9（e） 與圖9（f） 可以看出，平緩火成巖頂板條件與存在巖墻或者下垂體頂板條件的巷道，圍巖垂直應力分布同樣有所區別。平緩火成巖頂板條件下，兩幫及頂底板應力呈現對稱分布特點，而存在巖墻或者下垂體頂板條件的巷道，應力分布則表現出顯著的不均一性，巖墻所在一側的巷幫出現一明顯的應力集中區域，垂直應力值也較平緩頂板一側巷幫要大。

這一模擬結果表明，雖然巖墻或下垂體自重對頂板應力分布影響微弱，但下沉一側煤幫承載了更大的垂直應力，在弱巖石力學結構作用下，引起煤幫發生更為嚴重的塑性變化，導致巷道兩幫不均一變形，最終導致圍巖的破壞。

4 結 論

（1） 針對煤系地層火成巖侵入體頂板的不規則性進行了分析，分別從侵入層位及侵入體形態兩方面，將不規則火成巖侵入體頂板的表現形式進行分類劃分，總結歸納出不同類別火成巖侵入體頂板的發育原理、表面形態、煤巖組合形式及巖石物理力學特征，為研究不規則火成巖侵入體頂板下巷道圍壓顯現規律提供物理模型依據。

（2） 火成巖沿煤體侵蝕時，煤體原生結構遭受破壞，煤體硅化易碎，各項巖石力學性能均較原煤有所降低。試驗顯示，火成巖侵蝕煤體的粘聚力、內摩擦角和抗拉強度等參數較未受火成巖侵入影響煤體分別降低了54.5%、26.8%、29.4%。

（3） 通過井下現場圍巖破壞特征實際觀測可以看出，不規則火成巖侵入體頂板條件下，巷道圍巖壓力顯現出明顯的不均一性，且這種不均一性的圍巖顯現與火成巖侵入體的不規則性有關。

（4） 利用Flac 3D 數值模擬軟件模擬多類不規則火成巖侵入體頂板條件下巷道圍巖應力分布情況，進而分析總結出不規則火成巖侵入體頂板條件下巷道圍巖壓力顯現規律。分析結果表明，順煤侵蝕火成巖頂板下巷道圍巖兩幫較沿直接頂層間侵入火成巖頂板條件下壓力顯現更強烈，圍巖更易遭受破壞。