Petrologic and REE Geochemical Characters of Burnt Rocks

摘要：在他们被形成以后，烧的岩石的学习对煤缝接受到的构造运动，古气候和 paleogeography 的讨论有益。以便在 Shenmu 在烧的岩石上在烧的岩石，岩石学的系统的研究和 REE 地球化学的特征上获得基本数据，北 Shaanxi 省被做了用 SEM 的方法，版本，危险性大小和 ICPMS。烧的岩石在节被划分成二个系列：融化的岩石和烤的岩石。SEM 和版本分析表明所有矿物质表演烧了并且融化跟踪，并且除了在烧的岩石中发现的 illite，没有泥土矿物质。危险性大小表明烧的岩石有反常地高的危险性价值，而 geochemical 分析证明烧的岩石的 REE 分发模式类似于沉积岩石(起始的岩石) 的。在纵的节，与增加烧的度(从烤的岩石到融化的岩石) ， E 逐渐地减少，并且融化的岩石的全部的 REE 显然比烤的岩石的低。而且，当烤的岩石不显示出 Ce 的异例时，融化的岩石显示出明显的否定 Ce 异例，并且甚至有时显示出积极异例。

Temperature field distribution of burnt surrounding rock in UCG stope

In order to study temperature field distribution in burnt surrounding rock and to determine ranges of burnt surrounding rock, coal-wall coking cycle and heat influence in the underground coal gasification(UCG) stope, based on the Laplace transform and inversion formula, we studied the temperature analytical solution of one-dimensional unsteady heat conduction for multi-layer overlying strata under the first and the forth kinds of boundary conditions, and we also carried out a numerical simulation of twodimensional unsteady heat conduction by the COMSOL multiphysics. The results show that when the boundary temperature of surrounding rock has a linear decrease because of a directional movement of heat source in the UCG flame working face, the temperature in surrounding rock increases first and then decreases with time, the peak of temperature curve decreases gradually and its position moves inside surrounding rock from the boundary. In the surrounding rock of UCG stope, there is an envelope curve of temperature curve clusters. We analyzed the influence of thermophysical parameters on envelope curves and put forward to take envelope curve as the calculation basis for ranges of burnt surrounding rock, coal-wall coking cycle and heat influence. Finally, the concrete numerical values are given by determining those judgement standards and temperature thresholds, which basically tally with the field geophysical prospecting results.

陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术

陕西省煤炭资源丰富,2022年煤炭产量达7.46亿t,是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显,煤矿水灾类型多样,随着近年煤炭开采强度的增大,水灾事故时有发生,防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础,系统总结区域水文地质结构特征,界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布,论述典型水灾的形成机理及特征,并提出了相应的防控技术。研究表明:(1)陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区,陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害,局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患;黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。(2)陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成,导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水,部分区域充水强度较大,在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾,在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害,导水裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾;黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾,当含水层下部隔水层厚度较大时,可能形成离层溃水灾害,当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时,会引发极为严重的底板突水灾害,该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。(3)各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等,底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等;烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。

浅埋煤层烧变岩地球化学与变质矿物相特征

以陕北张家峁井田延安组2^(2),3^(1)段烧变岩为研究对象,对其进行岩石地球化学迁移规律以及变质矿物相特征分析。结果表明,该区烧变岩为低碱性硅铝质变质岩,横向上钙碱性分布不均一,少部分烧变样品烧失量大且CaO含量高,Fe元素迁移聚集。Zr相容性比Hf更好,Ba元素富集可能与后期水文作用有关,稀土元素分配趋势线为略微轻稀土富集型,烧变作用对稀土元素的分配影响相对有限。烧变岩原生矿物多具有烧蚀特征,镜下发育烧蚀边、气孔构造等,新生矿物呈集合体充填矿物间或矿物裂缝中。矿物相组合与热接触变质作用中发生高热变质的透长岩相相近,但变质压力更低,温度更高。烧变岩层由下而上可分为薄层板状烧烤岩、烧熔岩、厚层板状烧烤岩、厚层层状烧烤岩的岩石组合,鳞石英+方石英相较莫来石+堇青石+赤铁矿能更好表征岩石烧变程度的强弱,同层烧烤岩下部烧变程度高于上部,烧熔岩上部板状烧烤岩烧变程度高于下部板状烧烤岩。研究区烧变岩具有“隐伏”的特点,且存在同沉积期烧变作用,除暴露在河谷阶地的烧变岩层外,部分烧变岩层埋于更新世地层和残余延安组地层之下。早期形成的烧变岩层后期被破坏,多期烧变地层相互叠置形成现今火烧区。

隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理技术研究

我国西北地区烧变岩分布范围广、孔隙裂隙发育、富水性强,是当地的主要含水层,其中的隐伏火烧区烧变岩地表遗迹不明显、发现难度大,煤矿开采一旦导通烧变岩含水层将导致水害事故,同时会破坏烧变岩含水层水资源。为治理隐伏火烧区烧变岩水害并保护烧变岩含水层水资源,分析我国烧变岩分布特征及烧变岩水对煤矿开采影响,研究隐伏火烧区烧变岩探查和治理技术,开展隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理的示范应用,结合现场监测数据分析评价陕西柠条塔煤矿南翼隐伏火烧区含水层水害治理和水资源保护效果。结果表明:我国烧变岩主要分布于以昆仑山-秦岭-大别山为界的北方地区,隐伏烧变岩主要分布在鄂尔多斯盆地东北部、伊犁盆地南缘,被第四系松散层覆盖;隐伏火烧区烧变岩含水层与风化基岩含水层大多直接接触且连为一体,水力联系密切;烧变岩水害防治措施主要有留设烧变岩含水层防隔水煤柱、疏降烧变岩含水层积水和帷幕截流,其中截水帷幕可有效解放烧变岩含水层压覆的煤炭资源,解除烧变岩水害威胁并保护烧变岩含水层宝贵的地下水资源;通过精确探查出隐伏火烧区范围、布设注浆钻孔,将隐伏火烧区烧变岩含水层隔离为若干个含水体,断绝截水帷幕内外的水力联系,可保障工作面不受烧变岩水威胁,同时实现烧变岩水资源保护;柠条塔煤矿S1232工作面和S1233工作面隐伏火烧区烧变岩含水层治理后,其回采期间涌水量降至20m^(3)/h以内,工作面得以安全回采,截水帷幕内侧水位下降,外侧水位逐渐抬升,烧变岩水资源得到有效保护。

丙烯酰胺改性粉煤灰聚合增韧注浆材料研究

煤矿采煤工作面顶板烧变岩涌(失)水高效治理需要具有压缩韧性优良的注浆加固材料。硅酸盐水泥基注浆材料成本低,已在煤矿注浆加固中广泛应用,但存在硬化浆体变形韧性较差的问题。采用丙烯酰胺(AM)原位聚合增韧的方法,研究丙烯酰胺、交联剂、引发剂的掺量和水灰比对粉煤灰基注浆材料的凝结时间、溶胀性、抗压强度、韧性指数的影响,并采用SEM观测硬化浆体的微观结构。结果表明,丙烯酰胺可以在粉煤灰浆液中原位聚合生成聚丙烯酰胺(PAM)凝胶;当AM掺量为25.0%,交联剂掺量为0.75%,引发剂掺量为2.25%,水灰比为0.575时,材料抗压变形率大于60%,溶胀比达到113.43,韧性指数达到257.92%;通过SEM观测发现,注浆材料硬化浆体形成以粉煤灰颗粒为刚性骨架、聚丙烯酰胺凝胶为柔性网络的无机有机镶嵌网络结构,硬化浆体的压缩应力-应变曲线的变形率普遍大于40%,具有显著的塑性变形特征;工程实验结果显示最大抗折韧性变形率可达到25.86%。该注浆材料具有优异的韧性、流动性及较好的遇水膨胀性,可用于煤矿顶板渗漏水治理。

柠条塔煤矿水文地质结构特征与水害治理模式研究

随着西部煤炭资源的持续高强度开采,矿山所面临的工程与水文地质条件越来越复杂,极易诱发采掘突水溃砂事故,而水文地质结构特征的研究是水害评价和治理的重要基础性工作。本文以陕北榆神府矿区的柠条塔煤矿为例,在对其地质条件和构造发育情况进行系统分析的基础上,从矿区的补给、径流、排泄条件,主要充水水源,矿体与含水层的空间结构关系三个方面对矿山的水文地质结构特征进行了研究。研究发现,地表浅部松散层主要接受大气降水补给,基岩风化带含水层主要接受侧向径流补给。矿井充水水源包括大气降水、地表水、含水层水、老空水和烧变岩水五种,不同煤层根据其埋深、开采厚度、冒裂带发育高度等的不同具有不同的充水水源。基于对矿山水文地质结构特征的分析,认为火烧区下部2-2煤层回采工作面可能存在突水溃砂风险,并设计了两排帷幕注浆孔。注浆治理工程完成后的放水试验结果表明,烧变岩含水层补给量大幅度减小,治理效果显著,可以保障煤层的安全开采,研究成果对榆神府矿区的矿井水害防治及水资源保护具有一定的理论意义和实践意义。

露天矿烧变岩高边坡卸荷机理与稳定性研究

烧变岩裂隙发育、富水性强,严重威胁露天矿山采剥安全生产及其边坡稳定。为确定露天矿烧变岩高边坡隔水煤岩柱宽度,以新疆昌吉某露天矿北帮烧变岩高边坡为研究对象,通过构建坡体开挖卸荷的驼峰分布力学模型,将坡体卸荷松弛区域划分为拉裂区和压剪区两部分,分析了边坡后缘拉裂区裂隙的最大扩展深度;以卸荷松弛带宽度表征塑性剪切滑动面位置,推导了弹塑性条件下边坡浅表部破碎带与卸荷松弛带宽度的理论计算公式,进而确定了塑性滑动面位置及形态。结果表明:边坡后缘裂隙临界扩展深度随边坡倾角的增大而增大;卸荷松弛带宽度随岩石强度参数的增大而减小,随岩层埋深的增大而增大;北帮边坡后缘裂隙临界扩展深度为9.42 m,火烧区水位线处卸荷松弛带宽度为6.94 m;坡体潜在滑面安全系数均大于设计评价标准值;确定了北帮烧变岩高边坡的隔水煤岩柱留设安全宽度为36 m,为该矿的安全高效生产提供了技术保障。

帷幕注浆在西湾露天煤矿烧变岩涌水治理中的应用

针对西湾露天煤矿烧变岩水害影响,通过物探、钻探勘查确定了烧变岩富水性,划分出烧变岩富水区,明确了矿坑充水条件,主要充水水源;结合露天矿生产情况提出采用骨料-黏土-水泥-速凝剂组成的柔性混凝土帷幕注浆封堵烧变岩水技术。结果表明:帷幕注浆在烧变岩涌水治理中取得了很好的效果,水量由461.19 m^(3)/h降至329.38 m^(3)/h,衰减明显,为安全生产提供了保障。

基于高密度电阻率法与瞬变电磁法的烧变岩层富水区探测

将军戈壁二号露天煤矿西部烧变岩发育情况复杂,为了深入了解烧变岩富水区发育情况,采用高密度电阻率法、瞬变电磁法在面积约7.5 km^(2)的研究区开展了扫面勘探工作;通过数据处理,分析了2种方法在研究区内烧变岩富水区的电性异常。结果表明:2种方法在B5煤层的低阻异常区域均显示了烧变岩的富水性。

烧变岩积水边界区回采工作面防治水技术研究

为解决红柳林煤矿4-2煤烧变岩积水边界区下覆15217工作面的安全回采问题,根据地面钻孔资料及野外水文地质调查工作,对工作面采前防治水探查工程进行了设计,依据探查成果和井下试验性疏放水情况,分析了钻孔疏放水量及地面烧变岩水位的变化规律,确定了工作面回采前烧变岩防治水技术方案。研究表明,对于烧变岩积水边界区,工作面采前可以采取大流量疏放水的技术方法,保障工作面安全生产。

富水烧变岩边坡地下水渗透特性及稳定性分析研究

为研究富水烧变岩边坡地下水渗透特性及其稳定性,以某露天煤矿南端帮边坡为研究对象,采用SEEP/W分析了采动影响下富水烧变岩边坡地下水渗透特性,并基于地下水渗透特性,采用Slope/W对边坡稳定性进行了分析。结果表明:受采动影响,烧变岩边坡地下水渗透路径发生变化,地下水沿细砂岩层和砂岩层向前缘渗透,至坡体临空面附近逐渐向上部煤层台阶和细砂岩层台阶渗出,少量从砂岩层台阶渗出。随采深增加,两透水层渗透速度增加,坡体前缘流量增加,地下水接近临空面附近渗透速度迅速下降,砂岩层渗透速度跃变位置滞后于细砂岩层;倾角增加,透水层渗透速度增加;砂岩层地下水从坡脚附近渗出;受采动和地下水双重影响下边坡稳定性持续下降;地下水对边坡稳定性的影响大于采动对边坡稳定性的影响;随采深增加,地下水对边坡稳定性影响保持稳定,倾角增加,地下水对边坡稳定性影响增加。

瞬变电磁法和磁法在煤矿烧变岩富水区探查中的应用

陕西神木神府矿区某煤矿3-2煤层两工作面掘进及回采前煤层顶板主要含水层含/富水情况不详、上覆煤层烧变区边界及烧变岩富水情况不明,严重影响采掘安全。在磁法探查烧变区边界基础上综合瞬变电磁法探测成果,解释煤层烧变区富水区,取得了较好成效,为保障煤矿后期的安全生产提供了物探依据。

综合物探方法在烧变岩裂隙探查中的应用

为了探查陕北杨伙盘煤矿浅部烧变岩的裂隙发育情况,采用高精度磁测及高密度电法,在以往判定煤层自燃边界解释方法的基础上,结合野外地质调查,以高磁异常中的相对低磁和磁性的反向及烧变岩的电性高阻特征为依据,解释推断了烧变岩裂隙发育区的范围。经钻探验证,解释成果与钻孔揭露基本一致,为后期烧变岩区的治理工程提供了准确的基础数据。实践表明,采用上述综合物探方法可有效探查浅部煤层烧变岩裂隙发育区,为其它地区探查烧变岩裂隙发育区提供了参考依据。

哈密大南湖北露天矿区烧变岩赋存特征研究

烧变岩是煤层自然形成的一种特殊类型岩体,由于其良好的导水性和富水性,其中储存的地下水往往对煤田开采造成危害,其赋存特征研究是烧变岩水文地质特征的重要研究内容。新疆哈密大南湖煤田北露天矿田南部及中部分布Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共3个互不相连的火烧区,均为死火区。通过利用物探、钻探、测井等手段,控制火烧区边界,查明火烧区烧变岩的厚度、分布范围、烧蚀煤层层位,为查明火烧区地下水赋存特征及火烧区的水力联系提供地质依据。

河兴梁井田烧变岩含水层水文地质特征分析

陕北侏罗纪煤田榆神矿区2-2煤自燃形成的烧变岩裂隙、空隙发育,为地下水的径流、储存提供了良好空间,是当地稳定可靠的供水水源。本文以榆神矿区河兴梁井田为例,采用地面调查、三维地震、瞬变电磁勘探、电视窥视、钻探和抽水试验等方法,查明烧变岩含水层的岩性特征、裂隙发育情况,并对其导水性及富水性等水文地质特征进行分析研究。为后期煤炭开采、水资源开发利用与保护提供参考。

典型高强度开采矿区保水采煤关键技术与实践

神东矿区是我国重要的煤炭生产基地和典型的高强度开采矿区,同时也是我国典型的干旱半干旱生态环境脆弱区,矿区高强度煤炭生产与生态环境的协调发展是该区的重要研究课题。针对神东矿区干旱半干旱地区水资源贫乏、生态环境脆弱等特点,通过研究矿区水文地质结构特征、煤层覆岩结构类型等,提出了矿区的水文地质结构分区和保水采煤分区;以此为基础,针对不同的水文地质结构类型,提出了神东矿区的保水采煤的基本原则,以及矿区重要水源地、厚基岩含水层、烧变岩含水层、水资源转移存贮、矿井水资源化利用等保水采煤的关键技术;最后,结合典型矿井,开展了上述关键技术的现场工程实践,并取得了良好的应用效果。

中国北方煤层自燃产物分类及宏观模型

通过对北方煤层自燃实地调查和煤炭燃烧发生、发展过程的研究得出:大多已发现的煤炭燃烧经过阴燃→煤烟→明火→(自然或人为)熄灭(或持续)这一自燃—熄灭进程,并形成三大产物系列:自燃煤产物系列、烧变气体及冷凝产物系列和烧变岩石系列。自燃煤产物系列包括烧变煤、煤灰、煤焦油;烧变气体系列包括硫化氢等气体产物、气体冷凝产物(芒硝、硫磺等);烧变矿物及烧变岩系列包括粉灰、烧变矿物及烧变岩。结合前人对烧变岩的认识,根据其烧变程度将烧变岩分为熔合烧变岩、烘烤烧变岩和熔-烤过渡烧变岩。在此基础上,建立了地层-煤层-构造与自燃煤烧变产物剖面模型。

含煤盆地表生热液铀成矿理论及证据:以伊犁盆地南缘及鄂尔多斯盆地东北部侏罗系为例

基于伊犁盆地南缘及鄂尔多斯盆地东北部侏罗系砂岩铀矿露头剖面与岩心观察、扫描电镜及显微薄片测试与分析、有机质成熟度测试以及前人研究成果,认为砂岩铀矿中常见的红、褐色"氧化带"砂岩及"过渡带"白色砂岩属于烧变岩,提出表生热液的概念,由此将煤层自燃与砂岩铀矿的形成联系起来,提出中国北方含煤盆地煤层自燃促进铀的富集成矿的设想。即煤层在新生代干旱气候条件下自燃,在相对湿润气候条件下大气降雨影响煤的自燃,形成表生热液,携带从自燃煤层及附近高温烧烤岩层中释放的U6+沿渗透性岩层流动,在流动遇阻及温度降低条件下铀元素从(已经降温的)表生热流体中析出,并富集成矿。该成矿模式对中国北方陆相盆地"层间氧化带"、"潜水氧化带"砂岩型铀矿提出新的成因解释。其证据主要体现在:(1)烧变岩与铀矿在空间上的相关性;(2)"氧化-还原带"砂岩微观特征;(3)铀石激光原位同位素年龄测定数据;(4)伊犁盆地煤等有机质成熟度;(5)伊犁盆地及鄂尔多斯盆地方解石胶结物流体包裹体测试数据;(6)鄂尔多斯盆地北部同位素测试数据等。该模式合理解释了砂岩型铀矿主要分布于中国北方的原因,预示着煤层自燃形成的烧变岩及(近地表)表生热液疏导体系是陆相含煤盆地表生热液砂岩型铀矿主要的找矿标志。

烧变岩富水特征与采动水量损失预计

烧变岩含水层是榆神府矿区重要的生态水源。为研究采煤引起的烧变岩水量损失和烧变岩水保护问题,分析了烧变岩的分类、分布特征、水力联系和富水特征,运用数值模拟方法预计了采动引起的烧变岩水量损失,提出了烧变岩水"异地储存"的三种途径。研究表明:烧变岩可分为三大类五小类,烧结岩、类熔岩是主要储水载体;烧变岩分布受地形控制,规模受煤厚、出露高度和自燃条件影响,富水性受补给条件、排泄条件和储水条件决定;烧变岩含水层接受上覆含水层的补给,以泉和矿井疏放水的形式进行排泄;模拟得到需要疏放的烧变岩含水层水量和钻孔布设方案。在总结以往保水采煤经验基础上,提出采用水库储水、采空区储水和地表灌溉三种"异地储存"途径来保护利用烧变岩水资源。