上海庙矿区砂质泥岩水岩作用特性

2013-09-07王金安高治国

中国矿业 2013年4期

王金安，高治国，徐辉，刘腾

（北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

上海庙鹰骏一矿位于内蒙古自治区西南部，黄河河套鄂尔多斯盆地西北缘，处于内蒙古自治区与宁夏回族自治区接壤地带。地层自上而下有第四系、古近系、白垩系、侏罗系。煤层属侏罗系延安组地层，岩层成岩年代较晚，结构疏松；整个基岩段，砾岩、砂岩以泥质胶结为主，遇水泥化现象严重，所以本煤矿处于大规模软岩地层。软岩问题是煤矿开挖中经常遇到的重大工程地质问题，强度低遇水后容易膨胀，甚至会发生崩解，处于较大地应力环境时常常会产生流变［1－2］，其组成的巷道往往自稳能力差、变形大、失修率高、维护困难，结果往往使整个煤炭生产过程陷入困境甚至关闭［3－4］。所以进行地质勘查了解地质概况，分析矿物成分了解矿物性质，研究本矿区岩层的水岩特性，对上海庙鹰骏一矿工程安全和矿井建设有重大意义，为开挖方案的正确设计和巷道支护提供基础数据。

1 矿区地质概况及物质组成

1.1 地质勘探及岩性分析

本矿区含有背斜2条、向斜2条、26条断层；根据邻近矿区勘探开采经验，区内断层周边将伴随大量次生断层。水文地质上，矿区共有含水层7层，隔水层5层，各含水层属弱～中等富水性，补给条件中等，水文地质条件相对简单；井田的水文地质勘探类型是以裂隙充水含水层为主，水文地质条件中等的矿床，煤层埋藏深度及采样位置见表1、表2。

表1 煤层位置及厚度表

表2 采样深度及岩性分类表

通过表1、表2观察出：煤层顶底板以砂岩，砂质泥岩为主，局部变相为泥岩，整体属于极软岩～较坚硬。本矿区砂质泥岩比较特殊在自然风干状态下呈坚硬状抗压强度大，从手感和硬度上表现出坚硬砂岩的性质，但遇水后迅速崩解泥化，部分岩样甚至完全失去抗压强度，具有泥岩的基本性质。机理在于砂岩填隙物多为泥质组成，泥质部分与砂质部分良好的胶结在一起，一方面砂质大颗粒与泥质小颗粒咬合摩擦形成了一定强度，另一方面泥质成分中的黏土矿物起到了粘结作用，所以在自然条件下岩石呈坚硬状。由于泥质成分中存在大量易于水反应的黏土矿物，岩石遇水后极不稳定，所以本矿区的砂质泥岩具有两面性，一种是自然状态下坚硬的岩石性质，一种是遇水迅速泥化崩解的泥土性质，所以上海庙矿区砂质泥岩的性质是介于泥土与岩石之间的一类特殊的性质。

1.2 X射线衍射试验

采用德国D8X射线衍射仪进行X射线衍射试验，X射线衍射试验可以测出矿物的相对含量及黏土矿物相对含量，从矿物所占比例探索岩石的宏观性质。

表3 X－射线衍射分析报告

表4 黏土矿物X－衍射分析报告

砂岩是一种沉积岩，大多数砂岩由石英和长石组成，其含量一般大于50%，X－衍射试验发现1组、3组、4组、5组石英与长石含量略高于50%，2组、6组石英与长石含量不到50%，表明岩石的砂岩性质不显著，泥岩是由泥巴及黏土矿物固化形成的沉积岩，主要由黏土矿物组成，试验中发现所有组黏土矿物均低于50%表明泥质部分不是岩石主体，而是起到主导粘结性的作用，这从微观角度证明了上海庙矿区砂质泥岩的这种特性。一系列勘察及试验发现地质特点如下：煤层埋深均大于400m，处于深度大地压地层，地层主要由砂岩、泥岩、砂质泥岩组成，黏土矿物以蒙脱石、高岭石、伊利石为主，属于大规模松软岩层，这使煤矿深部软岩巷道建设成为难题。深部岩体处于复杂的地质环境，具有高地压，高渗透压以及强时间效应，煤层所在地应力均在20MPa以上，所以在巷道建设上容易发生底鼓和内墙挤压现象。支护时注意支护刚度，运用刚度原理F＝KX（围岩对支护体的压力＝支护刚度×支护体位移）在地应力稳定的情况下提高支护刚度可以有效防止围岩变形，遵循新奥法原则，积极利用围岩自身承载能力，可采用锚杆联合锚网支护提供围岩预紧力，加强自承能力，从而提高了巷道的稳定性。由临近矿区开挖经验可知，断层周边伴随大量次生断层，当巷道推进遇到断层破碎带时，不宜简单快速推进，应进行缓慢，高强度，整体支护，可利用加长锚杆加强断层破碎带与岩层稳定区域的联接，减少锚杆间排距控制巷道变形，加强整体稳定性［5－6］。对断层带破碎严重的地段可以考虑锚注联合锚梁支护，对围岩二次压力注浆可以改善围岩力学属性，保证巷道顺利推进。

2 水岩作用特性试验研究

2.1 耐崩解试验

研究岩石的崩解特性，经过地质勘探从现场采取新鲜岩样按岩性和深度分成6组并密封带回，采用烘箱，干燥器及耐崩解试验仪进行试验计算耐崩解系数。

表5 岩石耐崩解试验记录表

图1 岩石耐崩解试验记录图

通过下式来计算岩石的耐崩解系数：

式中：Id2为岩石（二次循环）耐崩解系数；Md为原试样烘干质量，g；Mr为残留试样烘干质量，g。

图1、表5所示为上海庙鹰骏一矿典型岩石试样的耐崩解试验结果。观察到3、4、6组在循环崩解时崩解不剧烈，试验中崩解池内水中仅有少量粉砂和泥质沉淀；此三组的平均耐崩解系数较高Id2＝92.4，联系表3观察发现，其黏土矿物含量相对较低。2、5组在第一次循环时就出现剧烈崩解现象，迅速崩解，且伴有大量泥沙沉淀，平均耐崩解系数仅为Id2＝28.0；因此2、5组具有崩解速度快、时间短、耐崩解系数低的特点。机理在于只有2组、5组黏土矿物含量超过40%，其他组最高为23%。表明黏土矿物含量越高，岩石对水的敏感度越高，崩解越剧烈。联合观察表3、表4、表5发现2组黏土矿物含量为41%，5组为43%，相差不到2%，但2组耐崩解系数比5组大55.9，5组崩解程度远比2组剧烈，原因在于2组黏土矿物中高岭石占4%，5组占68%，2组蒙脱石相对含量为68%，5组为0%，在相同的黏土矿物含量下，5组高岭石的相对含量远大于2组，高岭石含量越高遇水后越容易崩解，2组富含蒙脱石，但崩解效果远不及5组，说明蒙脱石对岩石崩解的影响不及高岭石。2组黏土矿物含量比1组大3倍，黏土矿物含量越高崩解效果应越明显，但1组与2组耐崩解系数仅差9.9，崩解效果差别不大，这也与高岭石在黏土矿物中的含量有关，1组黏土矿物含量虽然小于2组，但1组黏土矿物中高岭石占83%远远大于2组。综上这些现象发现：黏土矿物中高岭石是影响上海庙矿区岩石剧烈崩解的根本原因。岩石在自然风干状态下，高岭石起到固态粘结性作用（彼此分立的颗粒被高岭石焊接在一起）是岩样呈坚硬状的重要因素，水的介入使高岭石的性质转变为泥态滑动性，减小了颗粒间的咬合摩擦和整体粘结性，导致岩石在崩解试验中部分岩样迅速崩解，所以2组、5组迅速剧烈崩解的特点是富含高岭石引起的。

2.2 软化试验

软化试验的目的是测出岩石的软化性，软化性代表了岩石浸水后抗压强度下降的程度。根据岩石的岩性分6组，每组分2小组试验，小组试验结果数据进行平均，得出各组软化系数见表6。

表6 软化试验结果计算表

岩石软化程度常用软化系数来衡量，软化系数是岩样在饱和吸水状态与自然风干状态下抗压强度的比值即：

式中：ηc为岩石的软化系数；σcω为饱水岩样的抗压强度，MPa；σc为自然风干岩样的抗压强度，MPa。

观察表7发现：1组、3组、4组风干单轴抗压强度较高三组平均值σc＝39MPa；2组、5组、6组强度较低三组平均值σc＝13.45MPa；自然风干状态下1组3组4组的单轴抗压强度是2组5组6组的一倍至两倍。联合观察表3表、4表、7发现：2、5、6组黏土矿物含量是1、3、4组的一倍至二倍；可见试样的黏土矿物含量与抗压强度成反比；岩样黏土矿物含量越高单轴抗压强度越低。3组4组比较特殊，自然风干状态下抗压强度分别是49.85MPa、40.22MPa大于30MPa呈坚硬状具有非软岩性质，但试验中发现3组4组岩石软化系数在0.1左右，基本上失去抗压强度，泥化现象严重具有泥岩性质，这再次验证了上海庙矿区砂质泥岩的这种类岩石特性。

针对上海庙大规模松软地层，巷道建设时首先应掌握矿区地应力分布及规律，了解地质构造特征［7－10］，确定与地应力耦合的软媒巷道断面形状［11－12］，可采用以智能专家为基础的锚网支护巷道自动设计系统，进行符合实际情况的多元化支护，对2煤的厚煤层综放开采可采用模糊聚类分析方法研究围岩与支架相互作用关系，考虑多种不确定因素影响［13－14］。最后对深部巷道破裂围岩关键块体采取及时合理的支护，确保围岩的稳定性，保证矿山的安全建设［15］。