王 海 軍

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077; 2.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069; 3.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

柳江盆地作為河北省重要的煤炭資源供應(yīng)基地，同時(shí)作為華北板塊及河北省內(nèi)板塊構(gòu)造的縮影，其構(gòu)造演化、巖漿侵入過(guò)程對(duì)華北克拉通破壞的研究具有典型性和重要意義[1-2]。盆地賦存石炭二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)2個(gè)煤田，屬于典型的雙煤系煤田，也代表了華北煤田的2種典型類型煤田。其中的石炭二疊紀(jì)煤田是盆地內(nèi)的主力煤田，其內(nèi)賦存的優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤是周邊市縣的主要煤炭供應(yīng)基地。侏羅紀(jì)以來(lái)盆地經(jīng)歷了多個(gè)期次的巖漿活動(dòng)，在盆地中部形成了巨厚層、大面積分布的中性安山巖巖體，同時(shí)在巖漿的噴發(fā)過(guò)程中巖漿熔巖沿著煤層內(nèi)、煤層其頂?shù)装鍑鷰r軟弱界面侵入，因此，在煤層及其圍巖內(nèi)形成了一系列的巖漿巖侵入體。經(jīng)過(guò)多年的野外地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)填圖、遙感地質(zhì)解譯、礦井生產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查、煤田地質(zhì)勘查、鉆孔巖芯精細(xì)描述以及煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)測(cè)試等發(fā)現(xiàn):相同巖性的煤層頂板巖石力學(xué)性質(zhì)存在巨大的差異，煤層頂板的巖性組合類型在平面上分布具規(guī)律性，且盆地內(nèi)火成巖的分布尤其是古火山口位置的分布與具有耦合性。

國(guó)內(nèi)外對(duì)柳江盆地的研究最早可追溯到20世紀(jì)四五十年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者劉錫文、劉發(fā)等先后在盆地內(nèi)開(kāi)展了地質(zhì)構(gòu)造[3]、地層古生物[4-5]等方面的研究;近年來(lái)郝素琴、陳丹玲、李越等[6-8]對(duì)盆地內(nèi)的火成巖、盆地周邊火成巖巖性組合、盆地基底構(gòu)造及其演化過(guò)程等進(jìn)行了研究;馬良、劉善德等[9-10]盆地內(nèi)煤炭煤巖煤質(zhì)受火成巖的影響以及盆地內(nèi)的煤與天然焦的劃分等進(jìn)行了研究。此外，國(guó)內(nèi)的學(xué)者[11-19]對(duì)我國(guó)不同煤田侵入煤層對(duì)煤巖煤質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)、煤層瓦斯吸附性以及堅(jiān)硬頂板致災(zāi)機(jī)理和防治措施等[20-21]進(jìn)行了研究，且取得了理想的效果。但是以往研究多針對(duì)某一個(gè)礦井，而對(duì)盆地尺度的研究尤其是以柳江盆地具為代表且有典型性的盆地的研究較少，尤其缺少對(duì)盆地內(nèi)巖漿的噴發(fā)、侵入對(duì)盆地內(nèi)資源賦存及其開(kāi)采技術(shù)條件的系統(tǒng)研究。

巖石力學(xué)特征是進(jìn)行煤層頂、底板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，礦井開(kāi)拓設(shè)計(jì)和井巷圍巖支護(hù)以及礦井采掘支護(hù)設(shè)備選型等的重要依據(jù)。研究表明，巖石力學(xué)特征決定煤層頂板的穩(wěn)定性，而巖石力學(xué)特征受巖石巖性、成分、膠結(jié)物、填充物等多種因素的影響[22-23]，后期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)起著強(qiáng)化早期特征的作用[24-27]。而后期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)尤其是煤系地層內(nèi)巖漿侵入活動(dòng)究竟對(duì)原生頂板力學(xué)性質(zhì)有如何的影響呢？基于上述問(wèn)題開(kāi)展本次研究，以柳江盆地石炭二疊紀(jì)煤田主采煤層3煤層及其頂板為研究對(duì)象，從巖漿侵入煤層及其頂板的模式入手研究其對(duì)巖石力學(xué)特征的影響，通過(guò)建立盆地巖漿侵入煤層及其頂板的模式，對(duì)不同巖漿侵入模式下煤層頂板不同巖性、不同位置，與巖漿巖不同距離、厚度下的煤層及其頂板巖石進(jìn)行系統(tǒng)的樣品采集和室內(nèi)測(cè)試分析，以期為柳江盆地內(nèi)煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、礦井設(shè)計(jì)、井巷圍巖采掘支護(hù)以及我國(guó)相同地質(zhì)條件的煤田等提供參考。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層及構(gòu)造特征

圖1 區(qū)域構(gòu)造及其位置Fig.1 Regional structure and its location

柳江盆地構(gòu)造演化大致經(jīng)歷了基底形成、穩(wěn)定蓋層沉積和強(qiáng)烈活動(dòng)3個(gè)階段。蓋層沉積階段沉積了本區(qū)含煤地層太原組、山西組、下花園組;強(qiáng)烈活動(dòng)階段的中生代由于強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)，使得區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜化，形成不同類型的褶皺斷裂構(gòu)造，最終形成了盆地中西部近南北向東緩西陡的不對(duì)稱向斜構(gòu)造格局[8]。

盆地內(nèi)的主力煤田為石炭二疊紀(jì)煤田，煤系太原組、山西組是主要層系。山西組的3煤層是主力煤層，太原組的4，5煤層為輔煤層。煤系厚度87～200 m，平均170 m;地層傾角5°～15°，平均10°;含煤層數(shù)3～5層，其中可采煤層3層，主力煤層3煤層厚度0～11.86 m，平均4.25m。煤層結(jié)構(gòu)受侏羅紀(jì)巖漿侵入活動(dòng)的影響導(dǎo)致煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度變化大;煤類以無(wú)煙煤為主;3煤層直接頂板以閃長(zhǎng)玢巖為主，局部發(fā)育粉砂巖、細(xì)粒砂巖、泥巖直接頂板(圖2)。

圖2 柳江盆地煤系地層綜合柱狀Fig.2 Comprehensive histogram of coal rocks measures strata in Liujiang Basin

1.2 巖漿活動(dòng)特征

柳江盆地火成巖包括盆地周緣前寒武紀(jì)太古界花崗巖、燕山期花崗巖和盆地內(nèi)中部大積分布的巨厚層狀的中性安山巖體(圖2)。其中對(duì)煤系影響大的侵入事件發(fā)生于侏羅世，即燕山運(yùn)動(dòng)第1期安山巖噴出及閃長(zhǎng)巖侵入旋回，相當(dāng)于燕山運(yùn)動(dòng)Ⅱ幕未至Ⅲ幕初的火山事件，地質(zhì)年齡約165±10 Ma;巖漿侵入深度為500～1 200 m，其形成環(huán)境介于噴發(fā)與侵入巖之間，屬次火山巖類[19]。

本次地質(zhì)調(diào)查、鉆孔揭露及以往研究[10]均表明侏羅紀(jì)髫髻山期火成巖的噴發(fā)通道為盆地中部的斷裂構(gòu)造，噴發(fā)方式為裂隙式間歇式噴發(fā)。鉆孔及地面地質(zhì)剖面測(cè)量發(fā)現(xiàn)火山的噴發(fā)序列大概經(jīng)歷了4～5個(gè)期次的噴發(fā)，在盆地內(nèi)形成了由爆發(fā)相-噴出-溢流相的火山巖序列。在巖漿噴發(fā)過(guò)程中巖漿熔巖在煤系地層內(nèi)順煤層、構(gòu)造、裂隙以及軟弱面侵入、吞噬煤系從而形成了目前的煤層及其頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)。煤系內(nèi)侵入巖以淺灰白色、淺灰黑色安山玢巖、玄武安山玢巖和次閃長(zhǎng)玢巖為主，顯微鏡下具有斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶以斜長(zhǎng)石為主含少量的角閃石和黑云母，基質(zhì)與斑晶相似，細(xì)小板狀斜長(zhǎng)石散亂分布，其間充填暗色礦物和玻璃質(zhì);斑晶和基質(zhì)均發(fā)生了強(qiáng)烈的碳酸鹽化，呈變余碎屑假象(圖3(f))。

盆地內(nèi)巖漿巖在地表的盆地中部大面積分布在平面上巖性以安山巖、安山玄武巖(圖3(e)～(f))、輝石安山巖、角閃安山巖(圖3(d))、火山角礫巖、火山熔巖為主，局部可見(jiàn)火山彈(圖3(h))、火山熔巖、枕狀熔巖(圖3(h))等；在縱向上發(fā)育火山集塊巖(圖3(i))、火山角礫巖(圖3(a))、粗面安山巖(圖3(c))、粗面巖、安山巖等；火成巖的厚度在平面上中部厚向四周變薄，地形高點(diǎn)和地層厚度極值點(diǎn)分布在老君頂、305高地、大石洼、265高地等地。經(jīng)統(tǒng)計(jì)侵入巖的厚度總體上中部較厚、向四周變薄；各地層內(nèi)侵入巖的厚度與地表噴出巖體的厚度呈正相關(guān)性。

2 煤層頂板巖石力學(xué)特征

2.1 煤層直接頂板劃分方法

按照文獻(xiàn)[25-29]中提出的煤層直接頂板劃分方法(表1)，結(jié)合煤層直接頂板各類巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果，采用《煤礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(MT/T 1091—2008)中煤層開(kāi)采后冒落帶的高度計(jì)算公式，同時(shí)參考盆地內(nèi)現(xiàn)有國(guó)有大型煤礦采用的煤層開(kāi)采工藝、工作面的長(zhǎng)度、寬度等布置情況以及生產(chǎn)礦井揭露取4倍的煤層厚度作為垮落帶高度即煤直接頂板厚度計(jì)算的參數(shù)。

圖3 巖漿巖特征Fig.3 Characteristics of magmatic

表1 煤層頂板類型劃分方案[28-29]Table 1 Coal seam roof type division scheme[28-29]

2.2 直接頂板組合類型

按照上述方法結(jié)合本次勘查工程部署的62個(gè)鉆孔，共對(duì)盆地內(nèi)162個(gè)煤田地質(zhì)勘查鉆孔的煤層頂?shù)装暹M(jìn)行逐孔直接頂板巖性組合、厚度、類型劃分和歸納，將盆地內(nèi)主力煤層3煤層直接頂板類型歸納劃分為5種類型(圖4):

(1)吞噬型頂板。巖漿巖將煤層頂板炭質(zhì)泥巖、泥巖或煤層全部吞噬煤層、巖漿沿著斷裂通道向上噴出過(guò)程中的巖溶通道區(qū)域。該區(qū)域在盆地內(nèi)主要為2種形式:① 巖漿巖吞噬煤層區(qū)域的無(wú)煤區(qū)(圖4中的2205孔區(qū)域);② 3煤與3上煤層之間由于巖漿的順煤層侵入形成的巖漿巖頂板及煤層分叉，巖漿的吞噬不僅完全改變了煤體及其特性，而且改造煤層宏觀煤巖結(jié)構(gòu)、顯微煤巖組分(圖5,圖6(e)～(k))和煤質(zhì)特征以及煤炭資源的加工利用[10-11]。

(2)侵入型頂板。巖漿巖沿著3煤頂部的泥巖、煤層侵入，但是3煤仍然具有一定的厚度，形成了煤層頂板巖性全部或大部分為侵入的閃長(zhǎng)玢巖侵入巖體，厚度為煤層厚度的3～4倍的區(qū)域(圖4中的3410孔區(qū)域)。從圖5可以看出，巖漿侵入煤層后煤層的變質(zhì)改造程度隨著距離的增加而減弱。

(3)復(fù)合型頂板。在直接頂板范圍內(nèi)存在巖漿侵入體，形成了巖漿侵入體與其它巖性沉積巖的頂板巖性組合如圖4中的3405孔區(qū)域(圖6(a),(c))。

(4)強(qiáng)化改造型頂板。煤層直接頂板范圍無(wú)巖漿侵入體，但是在其近距離范圍內(nèi)發(fā)育侵入巖，同時(shí)巖漿對(duì)頂板巖性及其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了改造作用，強(qiáng)化并改造了頂板的力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致頂板巖石力學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于原巖的巖石力學(xué)性質(zhì)如圖4的3402和3408孔區(qū)域(圖6(d),(e))。

圖4 柳江盆地石炭二疊紀(jì)煤田巖漿侵入及煤層直接頂板類型組合模式Fig.4 Magma intrusion and coal seam direct roof type combination model of carboniferous-Permian coalfield in Liujiang Basin

(5)原生型頂板。巖漿的活動(dòng)對(duì)直接頂板巖石力學(xué)性質(zhì)基本無(wú)影響，因此，煤層頂板基本上保持了原始的巖石力學(xué)性質(zhì)(圖4的3411孔區(qū)域)。

2.3 直接頂板巖石力學(xué)特征

在地面地質(zhì)填圖和礦井地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)古火山口的大概位置結(jié)合盆地構(gòu)造復(fù)雜程度和煤層穩(wěn)定程度，部署煤田地質(zhì)勘查工程，詳細(xì)開(kāi)展地質(zhì)巖芯鉆探、巖芯精細(xì)描述、工程地質(zhì)編錄，并布設(shè)4條工程地質(zhì)剖面，對(duì)剖面上的11個(gè)鉆孔煤層頂板垮落帶范圍內(nèi)的巖芯進(jìn)行巖石力學(xué)樣采集和剖面上的16個(gè)鉆孔進(jìn)行工程地質(zhì)編錄及工程地質(zhì)測(cè)井(圖1,2)。巖石力學(xué)樣品根據(jù)巖漿侵入煤層頂板的模式分層系統(tǒng)采集，所有采樣鉆孔均采用繩索鉆具、φ95 mm的金剛石鉆頭鉆進(jìn)，共采集175組、1 595塊巖石力學(xué)樣品，所有樣品長(zhǎng)度均大于120 mm，巖芯直徑大于60 mm，在巖芯管提出井口后第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行采集，并及時(shí)密封防止巖芯風(fēng)化、失水;根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析不同巖性的巖石力學(xué)參數(shù)特征與侵入巖的厚度、與侵入巖的距離的關(guān)系。

2.3.1煤層及其頂板總體特征

根據(jù)測(cè)試結(jié)果重點(diǎn)分析其中的149組煤層頂板巖石樣品，對(duì)抗壓強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、巖石密度、孔隙度、含水率、楊氏模量、泊松比、RQD等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試(表2)，結(jié)果發(fā)現(xiàn):

(1)盆地內(nèi)石炭二疊紀(jì)煤田煤層及其頂?shù)装鍑鷰r巖石屬于較軟弱～堅(jiān)硬巖類，以較堅(jiān)硬巖類為主;其中泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、煤層屬于較軟弱巖類，粉砂巖屬于較堅(jiān)硬巖類，細(xì)粒砂巖、中粗粒砂巖屬于堅(jiān)硬巖類;侵入巖閃長(zhǎng)玢巖、安山玢巖屬于堅(jiān)硬巖類，巖體完整，巖體質(zhì)量好;各類頂板巖石完整性劣～完整，以較完整為主。

(2)盆地內(nèi)煤層受到巖漿侵入活動(dòng)的影響，導(dǎo)致煤層的巖石力學(xué)特征發(fā)生了改變，表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)，密度變大，抗剪強(qiáng)度增大等。

(3)各類巖石的抗壓強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度、RQD等關(guān)鍵巖石力學(xué)參數(shù)具有煤層<泥巖類<砂巖類<火成巖類的特征，其中砂巖類巖石具有隨著砂巖粒度增加力學(xué)性質(zhì)增強(qiáng)的特征;而巖石的含水率則相反，泊松比、孔隙度相差不大。

圖6 火成巖侵入對(duì)煤系巖石的影響Fig.6 Effect of igneous rock intrusion on coal measure rocks

表2 煤層頂板巖石力學(xué)總體特征Table 2 Overall rock mechanics characteristics of coal seam roof

2.3.2不同侵入模式下巖石力學(xué)特征

在煤層頂板巖漿巖侵入煤層頂板類型劃分和巖石力學(xué)特征總體分類統(tǒng)計(jì)、分析的基礎(chǔ)上，按照巖性、距離侵入巖的距離、侵入巖的厚度等分類統(tǒng)計(jì)，分析巖石力學(xué)各參數(shù)與上述各因素之間的相關(guān)關(guān)系(表3，4)。

表3 巖漿對(duì)煤層及其頂板不同巖性巖石力學(xué)參數(shù)的影響Table 3 Influence of magma on rock mechanical parameters of different lithology in coal seam and its roof

表4 巖漿活動(dòng)對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的影響總體特征Table 4 Statistical table of overall characteristics of influence of magmatic activities on rock mechanical parameters

圖7 巖漿侵入厚度、侵入距離與巖石力學(xué)參數(shù)關(guān)系Fig.7 Relationship diagram of magma intrusion thickness,distance and rock mechanical parameters

(1)盆地內(nèi)煤層及其直接頂板巖石的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量與巖漿侵入巖層的距離呈負(fù)相關(guān)性，且為指數(shù)關(guān)系(圖7(e));而與巖石的密度、孔隙度、含水率以及泊松比等呈正相關(guān)性，且為對(duì)數(shù)關(guān)系(圖7(f));但是各類巖石力學(xué)參數(shù)與巖層侵入巖層的厚度相關(guān)性不明顯，可能是多期次、長(zhǎng)時(shí)間的巖漿活動(dòng)作用相疊加而掩蓋了二者之間的關(guān)系。

(2)通過(guò)統(tǒng)計(jì)盆地內(nèi)地表噴出中性安山巖體的厚度與煤系地層內(nèi)侵入巖閃長(zhǎng)玢巖、安山玢巖等巖體的在同一個(gè)鉆孔上的厚度，發(fā)現(xiàn)二者具有正相關(guān)性(圖7(a))，側(cè)面印證了侵入巖與噴出巖是同期的產(chǎn)物、盆地中部的巖漿巖為原地噴發(fā)的觀點(diǎn)[6]。

(3)在與煤層頂、底板巖漿侵入體距離相同的情況下，各類巖石的抗壓強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度、楊氏模量力學(xué)參數(shù)與巖漿侵入巖體的厚度呈正相關(guān)性，且為線性關(guān)系(圖7(c),8);而與內(nèi)摩擦角、泊松比、巖石的密度等相關(guān)不明顯(圖7(b),8);而與巖石的含水率、孔隙度呈負(fù)相關(guān)性，其中的含水率表現(xiàn)為冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系、孔隙度表現(xiàn)為線性相關(guān)關(guān)系(圖7(d),8)。

(4)巖漿活動(dòng)對(duì)煤層及其頂板侵入程度不同對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的影響表現(xiàn)為:抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、巖石的密度、彈性模量吞噬區(qū)>侵入?yún)^(qū)>原巖區(qū);含水率、泊松比、孔隙度等參數(shù)均受巖漿侵入影響均減少，表現(xiàn)為孔隙度、泊松比原巖區(qū)>侵入?yún)^(qū)>吞噬區(qū)(圖8(g)～(i),8(j)～(l),9)。

3 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)分析所得的結(jié)論，對(duì)盆地內(nèi)主力煤層3煤進(jìn)行頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，根據(jù)傳統(tǒng)的煤層直接頂板劃分方法和前述劃分結(jié)果將頂板按照吞噬型、侵入型、復(fù)合型、改造型、原生型5種巖性組合進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，最后按照兩種劃分方法分別進(jìn)行煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性評(píng)價(jià)，并對(duì)比評(píng)價(jià)結(jié)果、分析方法的先進(jìn)性。

3.1 評(píng)價(jià)參數(shù)選擇

評(píng)價(jià)方法統(tǒng)一采用RQD,Z,M,BQ值評(píng)價(jià)指標(biāo)法結(jié)合煤層頂板巖性組合、頂板面積占比、頂板厚度等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。

3.2 評(píng)價(jià)方法

采用《煤礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(MT/T1091—2008)、《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB12719—91)和《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)中提供的RQD值法(表6)、巖體質(zhì)量系數(shù)法(表7、式(1))和巖體質(zhì)量指標(biāo)法(表8、式(2))以及巖體基本質(zhì)量評(píng)價(jià)法(式(3))對(duì)比評(píng)價(jià)個(gè)巖層巖體質(zhì)量及其完整性，評(píng)價(jià)方法見(jiàn)表7～9和式(1)～(3)。

RQD值評(píng)價(jià)法:巖石質(zhì)量等級(jí)和巖體完整性評(píng)價(jià)。

巖體質(zhì)量系數(shù)法Z值為

Z=IfS

(1)

巖體質(zhì)量指標(biāo)法M值為

(2)

式中,Z為巖體質(zhì)量系數(shù);I為巖體完整系數(shù)(以RQD值代替);f為結(jié)構(gòu)面摩擦因數(shù);S為巖塊堅(jiān)硬系數(shù)(S=Rc/10);M為巖體質(zhì)量指標(biāo);Rc為巖石飽和抗壓強(qiáng)度，MPa。

BQ值評(píng)價(jià)法:

BQ=100+3Rc+250Kv

(3)

式中，Kv為巖體完整性系數(shù)(以RQD值代替)。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

按照上述評(píng)價(jià)方法，采用揭露點(diǎn)面積占比、平面上的分布的連續(xù)性、Z值、M值、BQ值等指標(biāo)，根據(jù)3煤層直接頂板的類型分區(qū)分類進(jìn)行頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明(表3、圖4):

(1)煤層頂板的巖石力學(xué)性質(zhì)受巖漿侵入的影響和控制，形成了頂板類型平面上環(huán)條帶狀分布的特征，其中以侵入型為主，復(fù)合型、強(qiáng)化型、原生型次之(表5);相應(yīng)的頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的結(jié)果亦具有這一特征(圖10(a),(b))，2種方法評(píng)價(jià)的結(jié)果均顯示了這一規(guī)律，但是新的評(píng)價(jià)方法表現(xiàn)的這種規(guī)律性更強(qiáng)、且更為全面，同時(shí)也符合地質(zhì)規(guī)律。

圖8 巖漿侵入距離、厚度與巖石力學(xué)特征關(guān)系Fig.8 Relationship between magma intrusion distance,hickness and rock mechanics characteristics

圖9 煤層頂板巖石力學(xué)特征總體特征Fig.9 General characteristics of rock mechanics characteristics of coal seam roof

表5 煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)成果Table 5 Evaluation results of coal seam roof stability

表6 巖石堅(jiān)硬程度分級(jí)Table 6 Rock hardness grading table

表7 巖體Z值范圍及其優(yōu)劣分級(jí)Table 7 Rock mass Z value range and its advantages and disadvantages classification table

表8 巖體質(zhì)量分級(jí)Table 8 Rock mass quality classification table

表9 巖石質(zhì)量等級(jí)Table 9 Rock quality grade table

圖10 煤層頂板穩(wěn)定性分區(qū)評(píng)價(jià)及其對(duì)比Fig.10 Zoning evaluation chart of roof stability of coal seam

(2)按照傳統(tǒng)的直接頂板巖性進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究區(qū)內(nèi)頂板以侵入巖為主，掩蓋了頂板巖性組合類型、巖漿侵入對(duì)頂板巖石力學(xué)特征的影響且忽略了開(kāi)采因素、開(kāi)采引發(fā)的頂板工程地質(zhì)問(wèn)題(圖10(a));而按照新的頂板類型劃分方法與巖漿侵入巖層對(duì)巖石力學(xué)特征的影響程度相結(jié)合，進(jìn)行巖漿侵入?yún)^(qū)煤層頂板類型劃分和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，進(jìn)而揭露潛在的工程地質(zhì)問(wèn)題(圖10(b))。

(3)盆地內(nèi)主力煤層頂板大面積受巖漿活動(dòng)的影響，巖漿對(duì)煤層頂板巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了不同程度的改造作用，總體上強(qiáng)化了巖石力學(xué)參數(shù)和巖石的完整性;導(dǎo)致盆地內(nèi)受巖漿活動(dòng)影響范圍內(nèi)煤層頂板的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為中等～難冒落頂板，而原生型頂板區(qū)域?yàn)橐子诿奥漤敯濉?/p>

(4)盆地內(nèi)的生產(chǎn)礦井對(duì)于吞噬區(qū)的探查、需要采取有效的措施，該區(qū)是未來(lái)礦井生產(chǎn)能否正常生產(chǎn)的關(guān)鍵，同時(shí)可以利用巖漿吞噬區(qū)作為礦井設(shè)計(jì)關(guān)鍵硐室、井筒落地的層位選擇區(qū)域;侵入型頂板區(qū)域頂板堅(jiān)硬，存在長(zhǎng)期懸頂，需要采取人工強(qiáng)制放頂而避免一次性大面積跨落造成礦震動(dòng)和應(yīng)力集中形成的礦井沖擊地壓顯現(xiàn);而對(duì)于復(fù)合型頂板區(qū)域，薄層的堅(jiān)硬的侵入巖漿巖與軟弱的砂、泥巖互層層面是軟弱面，易于形成頂板事故，是頂板管理的重點(diǎn)區(qū)域;強(qiáng)化區(qū)域和原巖區(qū)域頂板易冒落。

(5)盆地內(nèi)的煤層及其直接頂板巖石力學(xué)性質(zhì)受巖漿侵入活動(dòng)的影響，尤其是對(duì)煤層，其本質(zhì)是煤體結(jié)構(gòu)的改造，導(dǎo)致煤層變?yōu)檩^堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖體，因此，在巷道掘進(jìn)、工作面回采及其頂板支護(hù)設(shè)備的參數(shù)選擇中需要重點(diǎn)考慮;同時(shí)，吞噬和煤層內(nèi)的巖漿侵入體將嚴(yán)重影響采掘的進(jìn)度，首先需要采取有效的技術(shù)措施查明吞噬區(qū)分布位置、火成巖夾矸在工作面的空間展布特征，然后采區(qū)有效的措施進(jìn)行超前設(shè)計(jì)和弱化處理。

4 結(jié)論與討論

(1)建立了柳江盆地內(nèi)侏羅紀(jì)巖漿活動(dòng)對(duì)盆地內(nèi)煤層及其頂板巖石力學(xué)特征的侵入模式，盆地侏羅紀(jì)經(jīng)歷了多期次噴發(fā)和侵入活動(dòng)，對(duì)煤層頂板發(fā)生了改造作用，并將煤層頂板劃分為5種類型，即頂板泥巖、煤層的吞噬型、侵入型、復(fù)合型和強(qiáng)化改造型以及原生型。

(2)巖漿的侵入、高溫烘烤、吞噬及侵入和噴發(fā)過(guò)程中的擠壓作用等綜合效應(yīng)強(qiáng)化了煤層及其頂?shù)装鍘r石的力學(xué)和工程地質(zhì)參數(shù)特征，表現(xiàn)為巖石密度增加,孔隙度、含水率等減少;抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、巖體的完整性等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)增大，且與侵入巖體的厚度、距離等具有一定的相關(guān)性。

(3)在盆地內(nèi)圈定了5個(gè)巖漿吞噬區(qū)，吞噬區(qū)位于古火山口或巖漿噴發(fā)通道相上;以古火山口或火山通道相形成的吞噬區(qū)為中心煤層頂板類型向外依次漸變?yōu)榍秩胄?、?fù)合型、強(qiáng)化改造型和原生型。吞噬型頂板區(qū)可以作為礦井關(guān)鍵硐室、井筒落底的理想選擇位置;復(fù)合型頂板區(qū)域是頂板事故的多發(fā)區(qū)，是頂板管理的重點(diǎn)區(qū)域;侵入型頂板區(qū)域在工作面回采過(guò)程中存在堅(jiān)硬頂板長(zhǎng)期懸的安全開(kāi)采地質(zhì)問(wèn)題，需要采用人工強(qiáng)制放頂措施，該區(qū)也是礦井沖擊地壓管理的重點(diǎn)區(qū)域;強(qiáng)化改造型、原生型頂板區(qū)域?qū)儆谥械?易于冒落頂板。

(4)柳江盆地作為華北板塊的典型和縮影，上述評(píng)價(jià)方法及其巖漿活動(dòng)對(duì)煤層頂板巖石力學(xué)特征的影響研究結(jié)果不僅可以指導(dǎo)盆地內(nèi)礦井設(shè)計(jì)、頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、頂板支護(hù)管理以及開(kāi)采設(shè)備的選型;而且可以為華北煤田具有同或相似地質(zhì)條件的礦井提供參考和研究思路。

(5)揭示了柳江盆地內(nèi)侏羅紀(jì)巖漿侵入活動(dòng)對(duì)煤層及其頂板巖石力學(xué)各參數(shù)的影響程度，巖石力學(xué)參數(shù)與巖漿巖侵入層厚度、距離之間的關(guān)系;揭露了盆地內(nèi)主力煤層頂板類型的環(huán)帶狀分布的特征，同時(shí)頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果與其具有一致性。

(6)通過(guò)對(duì)比分析文中采用的頂板類型劃分方法與傳統(tǒng)的頂板類型劃分、評(píng)價(jià)的結(jié)果，說(shuō)明文中采用的方法可以揭示礦井開(kāi)采過(guò)程中頂板潛在的工程地質(zhì)問(wèn)題，適合于巖漿巖侵入煤層類的頂板類型劃分和頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

(7)盆地內(nèi)的礦井設(shè)備選型中一定要考慮巖漿侵入對(duì)煤及其頂板巖石力學(xué)特征的強(qiáng)化作用，為了保證礦井正常開(kāi)采，在工作面回采前需要對(duì)工作面內(nèi)火成巖夾矸、吞噬體及其改造后的堅(jiān)硬煤體首先需要進(jìn)行有效的探查，查明吞噬體的規(guī)模、火成巖夾矸的空間展布，然后采區(qū)有效的技術(shù)措施如吞噬區(qū)的預(yù)先采掘，厚層巖漿巖夾矸的水力致裂、爆破等超前弱化預(yù)處理，以保證礦井的安全、正常生產(chǎn)。