火成岩侵入体不规则性及巷道围岩压力显现规律研究

杜俊培，刘树轮

（冀中能源股份有限公司 郭二庄矿，河北 邯郸 056300）

1 区域地质概况

火成岩侵入体在华北地区石炭二叠纪煤系地层中普遍发育，尤其随近年开采深度的增加，很多煤矿的主采煤层受到了火成岩侵蚀的影响。火成岩侵入煤层，除了会导致煤层变薄、连续性遭受破坏，还会在热液作用下，改变煤岩结构特性，使煤岩的物理力学性能弱化，同时，由于火成岩侵入的不规则性，导致煤体巷道揭露后，围岩压力表现出各项异性，应力分布的复杂化，使得围岩压力显现呈现出不同特征，给巷道的支护及后期维护带来极大挑战。因此，有必要对华北地区石炭二叠纪火成岩侵入体的不规则性进行分析、研究，归纳不同侵入层位及不同侵入形态下，巷道揭露煤体的上覆岩层结构特征、岩石物理学特性，总结不同侵入条件下围岩压力显现规律，为该种特殊地质条件下巷道的掘进支护提供理论依据。

以冀中能源股份有限公司邯郸郭二庄矿二坑为研究背景，该矿主采煤层9 号煤位于太原组中、上部，为井田内主要含煤地层，煤层厚度平均为2.85 m，受印支期火山岩活动影响，煤层上部被火成岩侵入，岩性为闪长玢岩，厚度8.60～26.95 m，该层火成岩以岩床的形式大范围覆盖于9 号煤层之上，由于侵入的不规则性，侵入层位上至8 号煤煤体的中下部，下至9 号煤层底板，均有发育。大部分条件下火成岩沿煤层顶板顺层侵入，局部煤体被侵蚀。煤层上覆及下伏岩层组合结构如图1 所示。

图1 煤层上覆下伏岩层柱状图Fig.1 Rock property histogram of coal seam roof and floor

2 火成岩侵入体顶板的不规则性分析

火成岩是地壳深部岩浆沿特定通道上涌，喷出地表或侵入地层裂隙冷却凝结而成的岩石，在煤系地层中主要产状为岩墙、岩床等。有别于沉积岩的成层性和沉积厚度的稳定性，火成岩在热液侵涌的过程中，表现出侵入的极不规则性，具体表现为岩浆侵入地层层位的不规则及岩浆侵入体空间形态的不规则两方面。

2.1 侵入层位的不规则性

岩浆在地幔热液压力（相当于数千个大气压）的推动下，侵入地层层间及裂隙，岩浆的这一特性决定其侵入的对象多数为岩石力学性能相对较弱的煤岩层，或者同一煤岩层内裂隙较为发育的部位。在热液涌力的作用下，这些部位最先遭受破坏，形成侵入通道，引导岩浆沿通道逐步侵入地层深部。这一原理也解释了深部煤系地层相对其相邻岩层更易受到火成岩侵蚀的现象。

以郭二庄矿二坑为例，主采煤层9 号煤，上覆厚层状火成岩侵入体，火成岩侵蚀煤层范围大且不规则，侵入岩体并未全部表现为煤层的顶板，而是在煤岩层中不规则穿插，侵蚀地层上至8 号煤体中部，下至9 号煤层底板，涉及范围较大，体现出了侵入层位的不规则性。根据该矿见煤钻孔资料及井下揭露情况，将火成岩侵入煤岩层的形式归纳为典型的3 类，如图2 所示。

图2 火成岩侵入煤岩层顶板的三类形式Fig.2 Three types of igneous rock intrusion into coal roof

第一类火成岩沿8 号煤中下部侵蚀，巷道揭露煤岩层自上而下为8 号煤局部、泥质粉砂岩、9 号煤上部，由于煤体软弱破碎，顶板线呈现波浪起伏状。此种侵入形式下，9 号煤的直接顶板为上部泥质粉砂岩（掘进过程中垮落），火成岩作为煤层的基本顶存在，如图2（a） 所示。

第二类火成岩沿8 号煤底板侵入，巷道揭露为上泥质粉砂岩，下9 号煤局部，由于沉积岩的成层性，层间间隙稳定，侵入顶板线呈现为直线状，火成岩顶板展现出如沉积岩一样的光滑层状表面，9 号煤直接顶及基本顶情况与第一类相同，如图2（b） 所示。

第三类火成岩沿9 号煤上部侵蚀，巷道揭露煤岩层为全部9 号煤煤体，同样由于煤体的力学参数较弱，岩浆侵入呈现出不规则性，导致顶板线表现为波浪状起伏。此种侵入形式下，火成岩作为9 号煤层直接顶板存在，如图2（c） 所示。

三类接触形式下，煤岩组合的岩石力学性能及火成岩侵入层间厚度均有所不同。

2.1.1 煤岩组合的岩石力学性能变化

火成岩体与煤层形成直接接触，在炙热岩浆的烘烤作用下，接触煤体会发生变质作用。根据煤体的变质、硅化程度，火成岩附近煤体可分为天然焦、硅化煤和原煤3 种，如图3 所示。

图3 火成岩附近煤体类型Fig.3 Types of coal body near igneous rock

根据井下实际揭露情况发现，在第一类与第三类侵入形式下，受岩浆热液接触变质作用后，接触煤体大部分变质为硅化煤，而第二类侵入形式下，由于煤体未与岩浆热液直接接触，煤体结构未产生变化，仍为原煤。硅化煤由于与火成岩侵入体接触，煤体硅化易碎，各项岩石力学特征均较原煤有所降低。采样试验结果显示，硅化煤粘聚力较原煤降低了54.5%，内摩擦角仅为原煤的73.2%，详见表1。

2.1.2 火成岩侵入层间厚度的变化

收集该矿43 个见煤钻孔资料，分析不同埋深、不同火成岩侵入形式下侵入岩体厚度情况，统计结果如图4 所示。

表1 火成岩侵入范围内煤岩体强度测试结果Table 1 Strength test results of coal and rock mass within igneous rock intrusion range

图4 不同埋深、不同火成岩侵入形式下侵入岩体厚度统计分布Fig.4 Statistical distribution of thickness of intrusive rock mass with different buried depth and different igneous rock intrusion forms

由图4 可以看出，火成岩侵入体厚度与侵入体埋深之间并无明显线性规律，表明火成岩侵入层间厚度与顶板以上覆岩厚度无直接关系。第二类侵入形式较第一、三类，火成岩侵入层间厚度明显变厚，而第一、三类之间，则无此变化，这一结果表明，火成岩顺煤岩层层间线侵入形式下，相较火成岩在煤体中侵蚀的情况，侵入层间厚度更大。

2.2 侵入体顶板空间形态的不规则性

煤系地层火成岩侵入顶板的不规则性同样体现在侵入体空间形态的不规则上，根据郭二庄矿二坑井下现场揭露情况分析，将火成岩侵入体顶板的空间形态归纳为以下4 类，如图5 所示。

图5 四种典型的火成岩侵入体顶板形态Fig.5 Four typical roof forms of igneous rock intrusions

第一类。岩浆沿煤岩层层间线侵入，火成岩顶板表面平整，岩体完整，坚硬。由于上部泥质粉砂岩阻隔，9 号煤未受岩浆热液变质作用，煤体结构完整，层理清晰，如图5（a） 所示。

第二类。岩浆侵蚀煤层内部，火成岩顶板表面呈波浪状起伏，岩体凹凸不平，局部少量裂隙发育，较坚硬。岩浆与煤体接触带，有一层厚约几厘米的天然焦，形状多呈条带状结构，由于煤体与岩浆直接接触，9 号煤中上部多数转化为硅化煤，煤体酥脆，原有的煤岩结构肉眼已分辨不清，物理力学性能较原煤降低，如图5（b） 所示。

第三类。岩浆在煤体侵蚀过程中，局部下沉侵入煤体深部，形成类似煤包的浑圆状下垂侵入体，在平面上呈独立的圆心或椭圆形分布，如图5（c）所示。下垂体附着有较厚的呈板状的天然焦，且下垂体表面有明显的岩浆滑移留下的擦痕、阶步、反阶步等特征，而平缓接触面并未发现类似痕迹，说明此种下垂体结构是在岩浆冷却过程中受到局部挤压力，侵入煤体二次朔变后形成的。

第四类。岩浆沿着岩层裂隙或先生断层断裂面贯入而形成的板状岩体，它与煤层面高角度斜交或垂直，在平面上呈条带状分布，形成近似火成岩墙体的构造，墙体表面有明显的擦痕、阶步等类似断层面的痕迹，但此构造形式有别于断层，一方面，侵入煤体未有明显断裂滑移迹象，煤层未断开；另一方面，岩墙与火成岩顶板结合部位无明显断裂破碎带，即下沉的岩墙与岩浆母体为一整体结构。

为进一步掌握不同侵入形态下火成岩侵入体岩石力学性能异同，分别选取上述4 类典型侵入形态下顶板火成岩样品（每组5 个试件，结果取均值），利用RMT150B 岩石力学实验系统，进行岩石力学参数测定，结果见表2。

表2 不同侵入形态火成岩力学指标测定结果Table 2 Determination of mechanical indexes of igneous rocks with different intrusive forms

从表2 可以看出，第一类及第二类侵入形态下的岩样单轴抗压及抗拉强度都较高，弹性模量也大，说明岩浆在侵入过程中受力平缓均匀，岩浆在挤压推进的过程中沿单一方向流动，均质性较好，冷却过程中未受二次挤压，因此强度高，不易破坏，属于硬岩；第三类侵入形态下，岩石力学性能均较前两类有所弱化，尤其弹性模量下降较快，该种侵入形态下，岩浆冷却过程中发生二次塑性流变，相较原始状态下岩石致密性降低，同向均质性遭受破坏，从而降低了岩体的抗压及抗剪强度，在受到上部断裂岩体的垂直应力下，易发生剪切破坏；第四类侵入形态岩体，力学指介于前述两者之间，该形态下，岩浆在局部改变流动方向，破坏了岩浆体的单向均一性，但岩浆冷却过程未发生二次塑性流变，因此，岩石致密性未受影响，因此，岩石的抗压强度与原始状态近似，但抗拉及抗剪切强度稍受影响。

3 不规则火成岩侵入顶板下巷道围岩压力显现规律

3.1 现场围岩破坏特征

不规则火成岩侵入体顶板条件下的巷道围岩压力显现规律也是不同的。由井下掘进工作面现场观测可以看出，在相同坡度、煤层厚度稳定的情况下，顺煤巷道围岩表现出不同的破坏特征。

（1） 火成岩沿煤层侵蚀时，巷道直接顶板为火成岩侵入体，巷道揭露后，顶底板移进量较大，两侧煤体帮鼓突出，变形严重，两帮水平位移量长时间达不到稳定状态；而当火成岩沿煤层以上泥质粉砂岩层间侵入时，顶板下沉速度较小，两帮煤体较为稳定，变形也限制在合理区间，两帮位移量随时间推移逐步趋缓并稳定，如图6 所示。

图6 不同火成岩侵入层位段巷道顶底板及两帮移进量时间曲线Fig.6 Time curve of roadway roof and floor and two sides displacement in different igneous rock intrusion layers

（2） 在火成岩侵入层位一致的情况下，不同形态的火成岩侵入体顶板条件，围岩变形并未表现出如岩石力学指标一样的明显异同，当顶板出现浑圆状下垂体（第三类） 或下垂岩墙（第四类） 时，顶底板及两帮的移进量与随时间的收敛曲线与波浪（第二类） 顶板条件下近乎一致，如图7 所示。

图7 不同侵入形态下巷道顶底板及两帮移进量时间曲线Fig.7 Time curve of roadway roof and floor and two side movement under different intrusion patterns

（3） 观测中还发现，在巷道顶板滴淋水段，第三、四类火成岩侵入形态比第一、二类更易发生顶板火成岩体冒落、断裂掉渣块的现象。

由于火成岩浑圆状下垂体与火成岩墙在侵入层位与侵入体形态上类似，且岩性力学指标相差不大，因此在此次对比模拟中作为同一种侵入形式进行模拟。数值模拟几何模型如图8 所示。

图8 数值模拟几何模型Fig.8 Geometric model of numerical simulation

模拟共分3 种情况，一是火成岩沿顶部泥质粉砂岩层间侵入，煤层未受炙热蚀变作用，煤体结构稳定的情况；二是火成岩沿煤层侵蚀，煤体变质，煤体结构受破坏的情况；三是火成岩顶板出现局部岩墙（或下垂体），未破岩掘进的情况（图9）。对比模拟一与模拟二垂直应力分布情况可以看出，由于火成岩侵蚀煤层致煤体岩石力学性能降低，模拟二的两帮应力集中深度与最大垂直应力值要明显大于模拟一，相对模拟一，模拟二两帮的应力集中范围也有所增加。顶底板出现应力降低区范围及应力值均有所增加。

图9 不同火成岩侵入位、侵入形态数值模拟结果Fig.9 Numerical simulation results of different igneous rock intrusive horizon and intrusive form

模拟结果表明，不同侵入层位下巷道的垂直应力分布形态有一定区别，存在泥质粉砂岩伪顶情况下，围岩应力集中区域往往分布于巷道两帮下部，集中应力值和集中范围也较火成岩直接顶板的情况下要小。对比图9（e） 与图9（f） 可以看出，平缓火成岩顶板条件与存在岩墙或者下垂体顶板条件的巷道，围岩垂直应力分布同样有所区别。平缓火成岩顶板条件下，两帮及顶底板应力呈现对称分布特点，而存在岩墙或者下垂体顶板条件的巷道，应力分布则表现出显著的不均一性，岩墙所在一侧的巷帮出现一明显的应力集中区域，垂直应力值也较平缓顶板一侧巷帮要大。

这一模拟结果表明，虽然岩墙或下垂体自重对顶板应力分布影响微弱，但下沉一侧煤帮承载了更大的垂直应力，在弱岩石力学结构作用下，引起煤帮发生更为严重的塑性变化，导致巷道两帮不均一变形，最终导致围岩的破坏。

4 结 论

（1） 针对煤系地层火成岩侵入体顶板的不规则性进行了分析，分别从侵入层位及侵入体形态两方面，将不规则火成岩侵入体顶板的表现形式进行分类划分，总结归纳出不同类别火成岩侵入体顶板的发育原理、表面形态、煤岩组合形式及岩石物理力学特征，为研究不规则火成岩侵入体顶板下巷道围压显现规律提供物理模型依据。

（2） 火成岩沿煤体侵蚀时，煤体原生结构遭受破坏，煤体硅化易碎，各项岩石力学性能均较原煤有所降低。试验显示，火成岩侵蚀煤体的粘聚力、内摩擦角和抗拉强度等参数较未受火成岩侵入影响煤体分别降低了54.5%、26.8%、29.4%。

（3） 通过井下现场围岩破坏特征实际观测可以看出，不规则火成岩侵入体顶板条件下，巷道围岩压力显现出明显的不均一性，且这种不均一性的围岩显现与火成岩侵入体的不规则性有关。

（4） 利用Flac 3D 数值模拟软件模拟多类不规则火成岩侵入体顶板条件下巷道围岩应力分布情况，进而分析总结出不规则火成岩侵入体顶板条件下巷道围岩压力显现规律。分析结果表明，顺煤侵蚀火成岩顶板下巷道围岩两帮较沿直接顶层间侵入火成岩顶板条件下压力显现更强烈，围岩更易遭受破坏。