烧变岩是由煤层自燃烘烤围岩而导致其变质形成的一类特殊岩石，在世界各地广泛分布［1］。由于烧变岩裂隙、孔隙发育，为地下水径流、储存提供了良好的空间条件，是西部生态脆弱矿区重要的生态水源，同时也对煤矿的安全开采构成了一定的潜在危害。由于烧变岩形成成因、演化过程与物理力学性质对其水文地质特性和工程地质特性有着重要影响，常发生烧变岩特殊储水构造突水灾害、烧变岩露天边坡失稳灾害以及火烧区地面塌陷灾害等，造成严重的人员伤亡和经济损失。如新疆建设兵团农六师大黄山煤矿曾多次发生因烧变岩裂隙含水层突水淹井的事故，导致工作面被淹，造成巨大经济损失。烧变岩的形成是涉及一系列物理与化学内容的复杂过程，主要受煤本身自燃倾向、氧气含量和热量聚集环境控制，其中煤本身的自燃倾向是内因［2-5］。目前，对烧变岩和火烧区的研究虽然取得了一定进展，但由于烧变岩的物质组分和形成机理较为复杂，在处于不同烧变程度时其物理性质、化学性质以及力学性质都会发生变化，并致使其岩体结构特征与原岩结构特征产生差异性，进而引起不同的工程地质效应。如：离自燃煤层较近时形成的烧熔岩呈现大孔隙状结构，是良好的储水构造；而离自燃煤层较远时形成的烘烤岩基本保留了原岩岩体结构。因此，随着国家“一带一路”倡议的推进以及西部矿区能源基地的不断开发，进一步深入研究西部生态脆弱矿区烧变岩的烧变特征、破坏模式、工程地质影响以及固体废物可持续利用，引起相关研究和设计人员对烧变岩的重视，为烧变岩的灾变效应研究和可持续利用提供科学依据。

1、研究现状

1.1烧变岩的成因及分带性分析

烧变岩又被称为火烧岩，是受煤层自燃烘烤或烧熔的围岩。有白色、棕色和赤色，有的表面出现“琉璃瓦”状的光泽，岩性坚硬，不易风化，常成突起地形，可作为找煤标志。许多专家学者对烧变岩的成因和类型进行了试验分析，黄雷等［6］对陕北神木地区烧变岩的稀土元素地球化学特征进行了分析研究，在剖面上将烧变岩划分为烧熔岩和烧烤岩两个序列；孙家齐等［7］从岩石学特征和Fe2O3／（FeO＋Fe2O3）比例将乌鲁木齐西山烧变岩划分为烧变岩和烧熔岩两种类型；夏斐等［8］提出烧变岩的类型主要包括类熔岩、烧结岩和烘烤岩三类；马烨［9］和范立民［10］发现烧变岩在测井曲线上具有良好的响应特征。近年来由于烧变岩煤矿突水灾害的频发，越来越多的专家和学者开始重视对烧变岩的研究。

1.2烧变岩水文地质问题分析

由于煤层自燃改变了上覆岩层原岩结构特征，使烧变岩的裂隙孔洞非常发育，具有丰富的导水和储水空间。烧变岩含水层作为生产和生活用水的同时，也对矿井的安全开采构成了极大威胁，如新疆建设兵团农六师大黄山煤矿曾多次发生因烧变岩裂隙含水层突水淹井的事故，导致工作面被淹，造成巨大经济损失［11］。郑建文［12］、张国强［13］、郑步连等［14］在对相关井田水文地质特征分析的基础上，均发现井田烧变岩含水层富水性较强，是影响矿井安全开采的主要含水层之一；武海文［15］通过采取合理安排煤层群开采顺序和工作面开采顺序、井下排水、地表冲沟治理等安全技术措施，有效地解决了榆树泉煤矿火烧区水体下安全开采的工程问题。对火烧区烧变岩含水层水文地质条件的分析是评价煤矿安全开采的基础。杜中宁等［16］系统地分析了陕北能源基地烧变岩分布区的水文地质条件并简要论述了烧变岩的富水性及其水文地质意义；祖浙江［17］通过微积分理论和水文地质学理论建立了无定水头补给的烧变岩含水带体积的近似计算模型；魏新等［18］、历建林［19］采用钻探和物探相结合的方法对煤矿火烧区范围和储水量进行了探测和计算；孙德全等［20］通过抽水试验资料并结合体积法、单位储存量法两种方法对新疆哈密大南湖矿区烧变岩地下水资源储量进行了计算，而韩冬梅等［21］则进一步指出在采用抽水试验求取水文地质参数时应注意抽水历时和烧变岩体的不规则形态对试验结果造成的影响；王家乐［22］通过借助GMS数值模拟软件对张家峁井田烧变岩含水层地下水流场和矿井涌水量进行了分析和计算。

1.3烧变岩工程地质问题分析

在烧变岩的形成过程中，不同的经历温度会导致其具有不同的物理力学性质，一般情况下，高温会导致岩石强度下降、渗透性和导水性增强，给相关烧变岩岩体工程带来潜在危害，会引起地面塌陷、地面沉降、矿井突水以及边坡失稳等灾害［23］。如2015年4月乌鲁木齐县火石山因煤层长时间自燃，在火石山半山腰形成了一个燃烧口（火坑），给当地居民和牲畜的生命造成一定程度的威胁。田华等［23］、孙玉亮［24］通过数值模拟软件对火烧区边坡的稳定性进行了评价；张辉等［25］、张恩强等［26］则对火烧区巷道围岩工程的稳定性进行了分析和研究；袁永等［27］对浅埋烧变岩区料井的冒顶机理、冒顶区修复与二次掘进围岩稳定性控制进行了研究；杨丽娟［28］还针对煤矿烧变岩含水层下留设防（隔）水煤柱问题进行了深入探讨。此外，针对烧变岩工程地质问题，在生产实践中逐步形成了帷幕注浆技术、锚杆锚固、监控措施等防治措施［27-28，30-31］。

1.4烧变岩物理力学特性分析

火烧区烧变岩物理力学特性指标是进行岩土体变形和破坏分析的基础，而以往对于火烧蚀变岩和火烧高变质岩物理力学特性方面的资料并不全面。刘志伟［32］对陕北地区烧变岩的工程性能进行了研究，并提出了相应的工程措施；辛智等［33］、赵德乾等［34］通过直接剪切试验和三轴剪切试验对烧变岩的剪切特性进行试验研究；王振伟［35］还对饱和状态下的烧变岩试件的抗压强度进行了测定，为烧变岩的强度分级提供理论依据，而杨伟峰［36］则进一步借助声发射试验探讨了声发射信号在烧变岩单轴压缩过程中的变化规律并通过伺服渗透试验揭示了不同原岩性质的烧变岩渗透率-应变关系的主要差异和渗透率-应力之间的关联性；此外，孙强等［5］还对砂岩在经历不同温度烘烤后的孔隙度和单轴抗压强度的变化特征进行了研究。1．5烧变岩的资源化利用现状与潜力分析煤层自燃虽然对生态环境造成了严重破坏，但是其烧变产物也同时给工程建设提供了一种新型的建筑材料。早在1988年刘长龄［37］就将火烧区烧变产物作为一种烧变岩矿床进行研究，认为这类矿床是耐火材料、陶瓷及建筑材料等方面较为理想的原料；王尤宏［38］根据烧变岩的物化性能特征，认为新疆浅水河烧变岩矿床的烧变岩可以广泛应用于水泥、耐火等建筑材料方面，并初步研制了一些烧变岩水泥混合材产品；杨时元等［39］通过室内试验发现烧变岩也可以作为天然轻集料使用。此外，翟小伟等［2］将烧变岩固体废料充填新技术应用到古拉本矿区煤田火灾中，从设备的研发及现场使用方面都取得了较大的成效。

2、烧变岩研究存在问题

2.1存在问题分析

1）现阶段对烧变岩的研究主要基于烧变岩的形成时间、分类特性以及岩体结构等，从传统的水文地质、工程地质的角度出发，对烧变岩的水文地质条件、工程地质条件以及物理力学特性进行分析，为烧变岩地下水资源开发、保水开采以及煤矿安全开采提供依据，但研究结果主要以宏观定性为主。

2）由于烧变岩是一种特殊类型的岩体，在现有的研究成果中，仅有少数文献将其作为建筑材料进行研究和分析。因此，结合“资源利用、变害为宝”的观点，可以将烧变岩固体废物作为建筑材料进行可持续利用；此外，由于烧变岩形成的特殊地貌单元，还可以开发出集科学性、美学性以及观赏性于一体的独特地质旅游景观，进一步拓展烧变岩的利用前景。

2.2解决途径探讨

笔者认为，烧变岩对工程活动的影响与常规的岩土体工程地质效应不同，传统的突水防治规范、规程己经很难适应，需要引入新方法、新思路来研究烧变岩水文地质问题、工程地质问题。

1）相似材料模型试验是将所研究的对象根据相似原理按比例铺设成工程地质模型的一种试验方法。该方法已经在地质工程领域进行了广泛的应用，并取得了较好的试验结果。由于以往的相似材料模型试验只是针对常规的岩土，而对于经历高温烘烤过的烧变岩来说，并没有对其进行相似材料配比试验。因此，可以通过相似材料模型试验对烧变岩的工程地质效应进行深入分析和研究。西部生态脆弱矿区侏罗系弱胶结覆岩相似材料模型如图1所示。

图1侏罗系弱胶结覆岩相似材料模型

2）范立民［10］将烧变岩在垂向分带上分为类熔岩带、烧结岩带和烘烤岩带。由于这三类烧变岩在原岩岩石类型、结构特征以及烧结程度上都有所不同。因此，为了揭示每种烧变岩类型的工程致灾机理，可以通过对不同类型烧变岩的形成年代进行测试；还可以通过室内高温加热模拟烧变岩的形成过程，并对每个阶段烧变岩的物理力学性质进行测试，为评价烧变岩的灾变效应提供理论基础。

3、研究展望

烧变岩是我国西部地区一种特殊类型的岩石，随着国家“一带一路”倡议的推进以及西部矿区能源基地的开发，应继续开展对烧变岩的研究。结合烧变岩研究现状，下一步的研究内容主要包括：①烧变岩地质旅游资源；②烧变岩建筑材料研发；③烧变岩含水层的利用；④烧变岩地质灾害减灾防灾。

3.1烧变岩地质旅游资源

由于西部地区特殊的自然地理和地质条件，形成了烧变岩这种特殊的地貌单元，可作为良好的旅游地质资源。如位于准噶尔盆地东南部的火烧山，现已开发成五彩湾景区。因此，可以进一步开展烧变岩区域地质旅游资源的普查，依托烧变岩地貌地质旅游资源的特点，开发出集科学性、美学性以及观赏性于一体的独特地质旅游景观，进而提升我国西部地区旅游产品的科学文化内涵。

3.2烧变岩建筑材料研发

我国西部地区侏罗系、白垩系地层具有胶结性差、渗透性强、弱膨胀、强分散的特点，然而通过煤层自燃使弱胶结的煤系地层岩石的力学性质增强，因此可以将烧变岩作为建筑材料实现固体废物的可持续利用。结合烧变岩建筑材料研究现状，下一步可以从烧变岩水泥混合材及烧变岩水泥、烧变岩矿用充填材料、烧变岩改性黄土工程性能、道路建筑辅料以及保温材料和吸附材料等方面开展研究。笔者在烧变岩改性粉土工程性能方面做了初步试验，并取得了较好的改性效果。以乌鲁木齐城北新区广泛分布的粉土地层为研究对象，通过室内压缩试验和直剪试验对烧变岩固体废物颗粒改性粉土的力学性质进行研究，并通过扫描电镜进一步揭示烧变岩固体废物颗粒改性粉土工程特性的微观机理。烧变岩改性粉土τ-p的关系曲线如图2所示。可以看出：各烧变岩固体废物颗粒掺量混合土试样的抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角ψ均随烧变岩固体废物颗粒掺量增加总体表现出增大的趋势，当烧变岩固体废物颗粒掺量达到50％时混合土试样的抗剪强度最大，由此说明烧变岩固体废物颗粒能够明显提高粉土的抗剪强度。3．3烧变岩含水层的利用矿井突水是煤矿生产过程最具威胁的灾害之一。在以往的煤矿开采中通过“疏干”和“排水”的手段防范烧变岩含水层突水灾害的发生，造成了西部矿区生态环境的进一步恶化。因此，在保水开采技术的基础上，并结合烧变岩具有丰富的导水和储水空间的特点，可以将烧变岩作为特殊的蓄水构造，进而实现矿井水资源的保护和综合利用。

图2烧变岩改性粉土τ-p关系曲线

3.4烧变岩地质灾害减灾防灾

烧变岩作为一种特殊的岩石类型，其表现出的工程地质效应与其他岩石具有较大的差异性和特殊性。随着国家“一带一路”倡议的持续推进以及西部矿区能源基地的不断开发，烧变岩对工程活动的影响越来越显著。因此，结合烧变岩工程地质问题的研究现状，下一步可以从两个方面展开研究：①不同类型烧变岩工程地质灾害破坏机制的研究；②烧变岩工程地质灾害的治理措施。然而，烧变岩工程参数的选取是评价烧变岩地质灾害防灾减灾问题的基础。因此，需要对烧变岩的物理力学参数进行试验测试分析。分析温度对烧变岩的形成起重要作用，影响烧变岩形成过程中的矿物成分、孔隙度和强度性质，不同的烘烤温度也会导致烧变岩的物理力学性质相差较大。在以往的研究成果中，分别对灰岩、砂岩和花岗岩进行了一定条件下的高温试验，但是在西部矿区煤层上覆岩层主要以砂岩、泥岩、泥质砂岩以及砂质泥岩等岩性为主，此外，由于工程活动对烧变岩的影响具有多次扰动的特点，因此，可以进一步开展多种岩性的烧变岩岩石在循环荷载条件下的物理力学特征的相关试验。

4、结论

1）在分析烧变岩水文地质问题、工程地质问题、物理力学特性以及烧变岩固体废物可持续利用的基础上，针对烧变岩工程地质效应研究中的薄弱环节和局限性，建议进行相似材料配比试验对烧变岩的工程地质效应进行研究，对后续研究烧变岩地质灾害的形成机理具有理论意义。

2）烧变岩作为一种特殊的建筑材料，可以从烧变岩水泥混合材、烧变岩矿用充填材料、烧变岩改性黄土工程性能以及保温材料等角度对烧变岩固体废物进行可持续化利用。结合不同烧变岩固体废物颗粒掺量和改性粉土的剪切性能可以看出混合土试样的抗剪强度指标黏聚力和内摩擦角均随烧变岩固体废物颗粒掺量增加总体表现出增大趋势，说明烧变岩固体废物颗粒能够明显提高粉土的抗剪强度。

3）基于西部地区特殊的自然地理和地质条件，可将烧变岩这种特殊的地貌单元作为良好的旅游地质资源进行进一步开发。

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