巷道顶板岩层沉积稳定性分析

刘洪涛，樊 龙，宋高峰，赵海啸，汤 达，韩 斌

（中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京 100083）

巷道顶板岩层沉积稳定性分析

刘洪涛，樊 龙，宋高峰，赵海啸，汤 达，韩 斌

（中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京 100083）

为了确定巷道顶板不同区域的稳定性，采用岩芯采取和描述、岩石切片显微观测为主要研究方法，以煤岩沉积学为理论基础，以岩层砂泥比值为主要指标，将矿井顶板稳定性分为Ⅰ～Ⅴ级。结果表明:将砂泥比进行标准化处理后，可以做为顶板岩层稳定性分类的重要依据，并据此得出矿井的顶板稳定性分类图;试验矿井顶板砂岩层强度低、湿式钻眼时岩层强度弱化、锚杆锚索锚固质量达不到设计要求的主要原因是由于原始沉积环境的不同而使砂泥比值过小、泥岩含量大、顶板稳定性大部分区域为Ⅲ～Ⅴ级所致。在进行Ⅳ，Ⅴ级顶板支护参数设计时，要重点监控岩层强度下降造成的支护结构失稳。

沉积;强度差异性;稳定性分类

研究矿井位于神东矿区，是一座高产高效矿井。研究煤层为该矿现主采煤层，该煤层赋存条件较好，为浅埋煤层。研究矿井回采巷道施工过程中存在着下列问题:巷道围岩完整性差，掘进过程中顶板常出现局部冒落现象;钻孔施工时如采用湿式钻眼，部分区域出现塌孔现象，成孔率较低，且由于水的冲洗使得孔壁出现泥化现象，造成围岩强度大幅下降［1］，但现场未观测出强流变特性，锚索锚杆锚固质量差，因此该矿井下多采用干式钻眼，但也带来诸如煤、岩屑冲洗不净使得锚固剂粘结质量差、局部地段锚杆锚索连同锚固剂被整根拉出等问题，同时由于部分裂隙、轻微离层被煤岩屑堵塞而导致顶板岩层结构窥视工作无法进行，不能及时掌握顶板稳定性变化情况。在顶板稳定性研究方面，国内学者从沉积学、弹塑性力学角度进行了大量的工作［2－6］，同时分析了冒顶产生的主要原因［6－8］，提出了顶板岩性识别的方法［9－10］。为了解决该矿的巷道支护难题，从含煤岩系岩石学特征角度着手研究矿井不同地段的稳定性类别。

1 岩芯采取与岩石力学参数测试

根据该矿资料显示，矿井顶板岩层以中、细砂岩为主，局部含泥岩夹层或极薄煤线。通过岩芯采取工作，可以较直接地描述出不同层位的岩层类型、岩芯采取率和完整性。取芯钻孔深度为6m，每1m钻孔长度内取出的岩芯长度如图1所示，共取出6段岩芯。

取芯地点选择在回采巷道内，超前工作面200～800m范围内，该范围受采动影响较小，共采取岩芯7组，取芯地点间隔100m左右。通过对多组岩芯采取分析后得出:该矿顶板岩层完整性较差，顶板深部6m范围内岩芯采取率接近50%（岩石质量指标RQD值远小于50%），造成顶板岩层稳定性相对偏低，顶板由浅部至深部的岩性分别为:0.2～0.4m厚的煤层、细砂岩、中砂岩，局部为粗砂岩，其中中砂岩完整性相对较好，但局部含裂隙与软弱夹层，影响了其完整性，细砂岩完整性相对较差，取出的岩芯单段完整长度大于10cm的很少。

为研究方便，在邻近矿井同一煤层顶板内按相同的方法进行取芯、力学实验，并将力学参数同研究矿井相同岩样力学参数进行对比分析，如表1。

图1 各段岩芯完整性示意

表1 岩样物理力学参数对照

由表1可知，邻近矿井同一煤层顶板岩性基本以细砂岩和中砂岩为主，与研究矿井顶板岩层基本一致，但现场调研结果显示，邻近矿井顶板完整性好，在钻孔施工过程中都采用湿式钻眼;回采巷道顶板支护基本上取消了锚索，这与研究矿井的井下情况形成了较大的反差。从表1内所列各岩样抗压强度值对比可知，同一煤层顶板内相同岩性强度存在着较大差别，中砂岩强度仅为邻近矿中砂岩强度的一半，细砂岩不足1/3。

其原因为研究矿井顶板岩层主要为泥质胶结，碎屑成分中泥质含量较高，岩石固结成岩作用弱，导致岩石强度相对较小。常规锚杆的锚固范围内为细砂岩，而本层细砂岩强度相对较弱，导致在浅部没有稳定岩层，自身稳定能力弱;锚索的锚固范围内为中粒砂岩，本层中粒砂岩的强度较低，理论上不能做为锚索支护的悬吊层。因此该矿顶板稳定性类别相对较低。

2 岩石细观特征分析

为研究含煤岩系岩石学特征，利用岩芯磨制成岩石薄片，进行显微镜下观测。采用XP－Y型偏光显微镜观测粒度、结构成熟度及成分成熟度等3个方面内容。不同试件的显微图片如图2。

图2 不同岩性岩石学特征正交偏光

该矿煤系地层包含了各类碎屑岩，从岩石薄片的镜下观测中可以明确分辨其粒差别，碎屑物质中的石英为抗风化能力最强的矿物组分［5，11］，可通过观测碎屑岩中石英含量的多少来说明砂岩成分成熟度的高低。结构成熟度以碎屑的分选磨圆程度来表示。通过镜下观察，稳定组分石英分选中等，多成次尖棱角状，结构成熟度相对一般，表明未经过较长距离搬运堆积后固结成岩。砂岩中的稳定组分石英含量中等，砂岩以杂基支撑为主，成分成熟度相对较低。胶结物以泥质为主，稳定组分相对较少，粘土成分含量高。

3 原始沉积环境围岩稳定性分析

为划分出研究矿区在原始沉积条件下的区域性差异，国内学者采用硬质岩石百分比含量来表示沉积岩体岩性特征［12］，也可以砂泥比来表征顶板岩层在原岩应力条件下的砂泥岩分布［13］，并根据其比值的不同来确定、划分相带。关于相带的划分，可以按砂泥比的不同分为5个级别:比值大于5时，表明原始沉积区位于古河道附近，受长期冲刷，砂岩含量占据绝对优势，同一岩性的条件下强度最高;比值在3～4时，砂岩含量也占优势;比值在2～3时，砂岩含量相对较多，但其优势已不十分明显;比值在1～2时，砂泥质含量相当;比值小于1时，泥岩含量大于砂岩，相同岩性的条件下强度相对最低。因此，砂泥比的不同是造成同一岩性强度存在巨大差异的主要原因。

在进行砂泥比计算时，需将岩层基础数据进行标准化处理，首先要消除异常值影响，按照公式（1）进行计算:

式中，X″为无量纲化后的0至1之间的数据;X'max，X'min为无量纲化后的最大、最小原始数据。

在对研究矿井进行大量基础数据统计、分析的基础上，计算后得出各砂泥比区域沉积相稳定系数:Ⅰ级取1.00，Ⅱ级0.85，Ⅲ级0.64，Ⅳ级0.57和Ⅴ级0.52，如表2所示。

表2 顶板岩层稳定系数

至此，不同区域的沉积相稳定性类别都可确定。再以SURFER软件为工具，利用其绘图与插值功能，绘制出研究矿井全矿区范围内的沉积相稳定性类别等值线图，如图3所示。

图3 试验矿井岩层稳定性分区

图3可以很好地解释同一类别岩性存在巨大强度差异的原因。该矿区Ⅰ～Ⅴ级分区均有分布，仅在矿区局部区域存在Ⅰ～Ⅱ级分区，砂质成分较多，原始沉积条件较好。大部分区域以Ⅲ～Ⅴ级分区为主，相应区域泥质成分含量较高，原始沉积条件较差，邻矿的稳定性分区结果以Ⅱ～Ⅲ级占据主导地位。砂岩层强度的巨大差异造成在巷道钻眼施工的过程中难以成孔、湿式打眼时围岩易泥化从而发生卡钻、岩层强度急剧降低、锚杆锚索锚固性差，从而使巷道顶板存在着一定的安全隐患。

4 结论

从矿井具体条件出发，进行了岩芯采取及完整性描述、力学试验、岩石学特征分析、原始沉积环境分析等工作，找出了研究矿井钻眼施工过程中出现的岩石强度差异的主要原因。得出以下结论:

（1）将砂岩与泥岩的比值进行无量纲化处理后，可以做为顶板岩层稳定性分类的重要依据，据此得出研究矿井的顶板稳定性分类图。

（2）研究矿井顶板砂岩层强度低的主要原因是由于原始沉积环境的不同而使砂泥比值过小，泥岩含量过大、顶板稳定性大部分为Ⅲ～Ⅴ级所致，因此在钻孔施工过程中会出现岩层强度弱化、锚固质量达不到要求等问题。

（3）在进行Ⅳ，Ⅴ级顶板支护参数设计时，要注意由于岩层强度下降而造成的支护结构强度不满足要求的情况。

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Analysis of Sediment Stability of Roof Strata in Roadway

LIU Hong-tao，FAN Long，SONG Gao-feng，ZHAO Hai-xiao，TANG Da，HAN Bin
（Resources＆ Safety School，China University of Mining ＆ Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

In order to ensure roof stability at different areas，applying drilling core，microstructure observation by rock slice and taking ratio of sand to mud as main index on the basis of coal and rock sedimentology，roof stability was classified into 5 degrees from Ⅰ～Ⅴ.Results showed that ratio of sand to mud might be as important basis of roof stability classification after it was standardized.Thus mine roof stability classification map was obtained.In test mine，roof sandstone strength was low，rock strength reduced in wet drilling and anchored quality could not meet design requirement.Main reason included that the ratio of sand to mud was low，mudstone content was large，roof stability of most areas was betweenⅢ ～Ⅴ.In designingⅣ andⅤ degree roof supporting parameters，supporting structure instability because of rock strength decrease should be monitored especially.

sediment;strength difference;stability classification

TD353.6

A

1006-6225（2012）02-0054-03

2011－12－06

国家重点基础研究发展计划 （973计划）资助项目 （2011CB201204）;中央高校基本科研业务专项基金 （2009QZ01）

刘洪涛 （1981－），男，吉林公主岭人，讲师，博士，研究方向为矿山压力与岩层控制。

［责任编辑:姜鹏飞］