亭南煤矿强膨胀性软岩巷道底臌变形力学机制

杨晓杰,庞杰文,娄浩朋

(1.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;3.中国矿业大学(北京)国家能源深井安全开采及灾害防治重点实验室,北京 100083)



亭南煤矿强膨胀性软岩巷道底臌变形力学机制

杨晓杰1,2,3,庞杰文1,2,3,娄浩朋1,2

(1.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;3.中国矿业大学(北京)国家能源深井安全开采及灾害防治重点实验室,北京 100083)

摘 要:针对亭南煤矿西翼轨道大巷的底臌防治难题,运用软岩工程力学理论,分析了底板泥岩的黏土矿物成分和结构及其遇水膨胀强度软化的特性,提出了软岩巷道的底臌变形力学机制。研究结果表明:底板泥岩的黏土矿物含量高达50.9%,主要黏土矿物成分为高岭石和伊/蒙混层矿物,具有强膨胀性;泥岩遇水后的软化特性明显,在暴露20 h后,强度衰减系数为0.72,35 h时强度衰减系数为0.61,开挖后必须及时对底板泥岩进行封闭;底臌变形破坏主要受分子吸水膨胀、胶体膨胀、构造应力、工程偏应力、软弱夹层等多种因素影响,其变形力学机制为IABIIABDIIIBA型;根据该复合型变形力学机制,提出了铺设干石灰粉、开挖反底拱和安装底角锚杆的综合支护对策,经现场应用,效果良好。

关键词:软岩巷道;底臌;膨胀性软岩;变形力学机制;亭南煤矿

责任编辑:韩晋平

杨晓杰,庞杰文,娄浩朋.亭南煤矿强膨胀性软岩巷道底臌变形力学机制[J].煤炭学报,2015,40(8):1761-1767.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1217

亭南煤矿位于彬长矿区中部,采用立井单水平倾斜长壁采煤法开采,井田煤系地层属中生界侏罗系地层,埋深在460~550 m,成岩较差,含膨胀性矿物。西翼轨道大巷埋深约463 m,底板为泥岩,严重段为铝质泥岩,具有强膨胀性。在初期掘进时发生严重底臌,平均底臌量达400~500 mm,底板变形破坏问题严重,后经过多次落底返修,耗费了大量的人力、物力和财力,仍不能有效控制底臌变形,给支护与开采带来了很大的困难,严重影响全矿的正常运输和安全生产。因此,掌握亭南煤矿巷道底臌变形的原因和机理,并采取针对性的支护对策治理巷道底臌变形就显得非常迫切。

针对底臌机理,国内外学者开展了大量的研究。康红普[1]认为底板弹塑性变形、岩层扩容、岩层遇水膨胀、岩层流变和岩层弯曲断裂是引起底臌的原因,并将控制对策总结为支护加固法、卸压法和联合法。姜耀东、陆士良等[2-4]将底臌分为4种类型,分别为挤压流动型、挠曲褶皱型、剪切错动型和遇水膨胀型,认为底板岩性、围岩应力、水理作用和支护强度是影响底臌的4个关键因素。李学华、王卫军等[5-6]研究了顶板强度、两帮强度对底臌的影响,认为提高巷道顶板和两帮强度可减小巷道底臌量。孙利辉,纪洪广等[7]采用理论分析和数值模拟相结合的方法,分析了底板夹层不同分布位置及个数对巷道底臌的影响,认为夹层数量越多,位置越接近底板,巷道底臌量越大。刘成、郑西贵等[8-9]通过对大断面回采巷道、挠曲褶皱性底臌巷道的底臌机理进行理论推导,认为巷道宽度对底臌有很大的影响。何满潮提出了软岩工程力学支护理论,将软岩变形力学机制分为物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型,通过分析引起底臌的各种因素,来确定软岩巷道底臌变形力学机制,并利用合理的转化技术将复合型变形力学机制逐步转化为单一的变形力学机制[10-15]。针对膨胀性岩石的水理作用,国内许多专家[16-20]对岩石的黏土矿物成分,不同应力阶段围岩遇水强度弱化及渗透性做了大量研究,而未对吸水时间与围岩强度弱化的关系进行研究。

笔者针对亭南煤矿软岩巷道西翼轨道大巷的膨胀性底臌,首先研究该软岩巷道的工程地质力学特征,分析底板泥岩的黏土矿物成分和结构,重点研究底板泥岩遇水强度软化的特性,在此基础上,提出该软岩巷道的底臌变形力学机制及其防治对策。

1 西翼轨道大巷工程地质力学特征

1.1 巷道底臌破坏现象

亭南煤矿西翼轨道大巷标高+457.85 m,垂直埋深约463 m,巷道在初期掘进时发生严重底臌,平均底臌量达到400~500 mm,底板变形破坏问题严重,后经过多次落底返修,仍不能有效控制底臌变形,给支护与开采带来了很大的困难,严重影响全矿的正常运输和安全生产。巷道底板破坏情况如图1所示。

图1　西翼轨道大巷底臌情况Fig.1 Floor heave of Xiyi haulage roadway

1.2 巷道围岩岩性分析

西翼轨道大巷底板岩性为泥岩,底臌剧烈段为铝质泥岩,泥岩暴露侵水后,发生岩层泥化、崩解、破裂现象,强度软化特性明显。揭露的底板铝质泥岩中节理、层理等结构面发育,岩层破碎,工程岩体结构类型为碎裂结构。如图2所示。

图2　底板泥岩碎裂结构Fig.2 Fragmentation structure of the floor mudstone

围岩强度参数见表1。泥岩强度平均为16 MPa,岩体强度平均为8 MPa,煤层强度为36 MPa,泥岩强度低于煤层强度是亭南煤矿岩石力学特性的一个显著特点。

表1　煤层顶、底板岩石力学参数Table 1 Rock mechanical parameters for the coal seam

1.3 地应力场分析

亭南井田位于彬长矿区中部的路家—小灵台背斜中段,北跨南玉子向斜轴进入向斜北翼,南入大佛寺向斜北翼。路家—小灵台背斜通过井田南部,轴部地层近水平,南翼倾角平缓,起伏幅度最大70 m,北翼倾角4°~6°,起伏幅度70~100 m。井田北部为孟村向斜南翼,地层走向N20°E,倾角2°~3°。与路家—小灵台背斜北翼连接,使井田总体形成简单的单斜构造,大佛寺向斜北翼向北凸出,伸入本井田东南角,地层产状平缓。井田内未发现断层。构造属简单类型如图3所示。现今构造地貌格局主要形成于燕山运动和喜马拉雅运动时期,构造事件形成的挤压应力方向为NW—SE[21],即是该井田的构造应力场方向。

图3　亭南煤矿地质构造和应力场特征Fig.3 Geological structures and the stress field feature of Tingnan Coal Mine

根据亭南煤矿地应力测试结果,西翼轨道大巷所在区域的地应力场以水平应力为主,最大主应力为27.7 MPa,方位角为99°,倾角-4°;最小主应力大小为11 MPa,方位角为204°,倾角为-75°;垂直应力为11.2 MPa。西翼轨道大巷走向与最大主应力方向成15°左右夹角,是引起底臌和非对称变形的一个重要因素。

2 西翼轨道大巷底板泥岩黏土矿物特征

2.1 黏土矿物成分分析

2.1.1 全岩矿物X射线分析

对8号煤底板铝质泥岩、8号底板泥岩进行全岩矿物X射线分析,X射线衍射图如图4所示,所含矿物种类及相对含量见表2。从全岩矿物X射线衍射分析结果可以看出:8号煤底板铝质泥岩中含有大量的黏土矿物,含量达到50.9%,石英含量为49.1%。8号煤底板黑色泥岩主要以石英和黏土矿物为主,黏土矿物含量为30.8%,石英含量为68.9%,另外含有少量的钾长石。

图4　全岩矿物X射线衍射图Fig.4 X-Ray diffraction diagrams of whole rock minerals

2.1.2 黏土矿物X射线分析

黏土矿物通常是指粒径小于2 μm含水的层状硅酸盐矿物。X射线衍射分析中首先分离(沉降法)出小于2 μm的黏土矿物,在玻璃片上(40 mm× 25 mm)制备样品,然后分别通过自然状态(室温自然干燥),乙二醇饱和(60°,7.5 h),加热处理(450°, 2.5 h)等3种状态下X射线衍射峰值来定性分析各种黏土矿物种类及其相对含量。各岩样黏土矿物X射线衍射图如图5所示,所含黏土矿物种类及相对含量见表3。

表2　全岩矿物X射线分析结果Table 2 Results of X-Ray diffraction for whole rock minerals

表3　黏土矿物X射线分析结果Table 3 Results of X-Ray diffraction of clay mineral

注:S为蒙脱石;I/ S为伊利石与蒙脱石混层;I为伊利石;K为高岭石;C为绿泥石;C/ S为绿泥石与蒙脱石混层。

图5　黏土矿物X射线衍射图Fig.5 X-Ray diffraction diagrams of clay minerals

从X射线衍射分析结果可以看出,8号煤底板铝质泥岩黏土矿物含量高达50.9%,其中伊/蒙混层含量为18%,高岭石含量高达71%;黑色泥岩黏土矿物含量高达30.8%,其中伊/蒙混层含量为16%,高岭石含量高达72%,可见底板围岩膨胀性较强。在巷道开挖后,由于环境的变化,泥岩将吸附空气中的水分和工程用水,遇水易膨胀、泥化,岩体破碎,对软岩巷道支护十分不利。

2.2 微观结构分析

采用电子显微镜对围岩的微观结构进行测试分析,测试结果如图6所示。蒙脱石、伊/蒙混层在岩石颗粒表面呈片状、粒表片丝状,高岭石在岩石颗粒表面呈粒间片状,伊利石在岩石颗粒表面呈片状。局部有溶蚀空洞发育,充填于岩石颗粒的微裂隙中。岩石微裂隙普遍发育,连通性好。

3 西翼轨道大巷底板泥岩遇水强度软化特征

3.1 软岩遇水强度软化机理

水对深部岩体的强度损伤特性主要表现在两方面:一是水对软岩及结构面通过物理化学反应,削弱岩石的力学性质,对岩石产生软化作用;二是水对不同矿物成分的软化机理和软化程度不同,亭南矿底板泥岩含有黏土矿物,水通过对黏土质矿物发生软化和泥化,对底板岩石强度产生影响。泥岩中的蒙托石/伊利石通过和水分子结合而产生膨胀,降低岩石骨架的结合力。亭南底板泥岩中石英等硅酸岩含量较高,遇水后SiO2键因水化作用而削弱,从而导致泥岩强度降低。

3.2 底板泥岩遇水强度软化特征

为了研究底板泥岩强度软化特征,共加工了6块底板泥岩试样,试验分两步进行,吸水实验和单轴压缩实验。采用“深部软岩水理作用测试仪”对各试样进行吸水实验,达到规定吸水时间后结束吸水,取下试样并擦去试样表面水分,称量其吸水后质量,以便准确测量试样的最后吸水量;采用XTR01型微机控制电液伺服实验机对试样进行单轴压缩实验。

通过测定不同吸水时间对应的泥岩岩样的单轴抗压强度,可以得到衰减强度-时间关系表(表4),强度衰减实验曲线如图7所示。从图7可看出,泥岩受水的作用,强度在遇水后产生不同程度的下降。由于岩体受水的作用,强度在遇水后一般都有不同程度的下降,泥岩遇水的软化特性明显,在暴露约20 h后,强度衰减系数为0.72,35 h时,强度衰减系数为0.61。可见,吸水后底板泥岩强度大幅度下降,必须及时封闭。同时在生产过程中应及时疏干和排除底板积水,防止由于岩石强度骤减而产生底臌和围岩大变形。

图6　围岩结构扫描Fig.6 Scan pictures of surrounding rock structure

表4　底板泥岩衰减强度-时间关系Table 4 Relation between the intensity attenuation and time

图7　底板泥岩强度衰减曲线Fig.7 Intensity attenuation curve of thefloor mudstone

4 西翼轨道大巷底臌变形力学机制及其防治对策

4.1 工程软岩类型的确定

亭南矿西翼轨道大巷埋深463 m,自重应力为11.2 MPa,最大水平构造应力为27.7 MPa。岩块强度平均16 MPa,而岩体的强度只有4~10 MPa,故巷道岩体介质已进入非弹性变形阶段。同时,巷道底板泥岩为一软弱岩层,泥岩性软易碎,岩体结构较为破碎,掘进过程中出现了底臌严重现象,具有结构变形型软岩的特性。根据物化成分测试结果,巷道底板泥岩黏土矿物含量均超过30%,所含黏土矿物中伊/蒙混层和高岭石含量较高,具有一定的膨胀性。巷道掘进后,由于环境的变化,泥岩将吸附空气中的水分和工程用水,产生膨胀变形,对巷道支护十分不利,具有膨胀性软岩的特性。另外,巷道底臌剧烈区段揭露的底板铝质泥岩中节理、层理等结构面发育,岩层比较破碎,工程岩体结构类型为碎裂结构。因此,可以确定西翼轨道巷底板软岩类型为HJS复合型软岩(高应力-节理化-膨胀性)。

4.2 底臌变形力学机制及其防治对策

根据西翼轨道大巷底板泥岩X射线衍射分析和扫描电镜实验结果,巷道围岩黏土矿物中伊/蒙混层和高岭石含量较高,可确定巷道变形力学机制为ⅠAB型,即分子吸水膨胀型和胶体膨胀型。

西翼轨道大巷所受作用力主要为近水平方向的构造应力,且帮角处工程偏应力大,巷道变形力学机制为ⅡABD型,即构造应力型+重力型+工程偏应力型。

根据已掘巷道所作的实测地质剖面及巷道围岩宏观结构特征,巷道底板泥岩为一软弱岩层,巷道方向与弱层走向近似平行,因此该巷道变形力学机制为ⅢBA型,即弱层走向型。

综上所述,西翼轨道大巷底臌变形力学机制为ⅠABⅡABDⅢBA复合型变形力学机制,其转化过程如图8所示。根据该变形力学机制和转化对策,提出了底板加固方案,即底角锚杆+反底拱联合支护技术。同时,在底板加固支护的基础上采取防治水措施,巷道挖底后立即铺干石灰粉垫层,吸收底板水分;及时设置排水沟,施工积水及时排出,避免底板浸水。以上支护措施经现场应用效果良好,如图9所示。

图8　复合型变形力学机制转化过程Fig.8 Transformation process of the composite deformation mechanical mechanism

图9　支护效果Fig.9 Picture of the supporting effect

5 结 论

(1)亭南煤矿西翼轨道大巷底板泥岩的黏土矿物含量高达50.9%,主要黏土矿物成分为高岭石和伊/蒙混层矿物,具有强膨胀性。

(2)该软岩巷道底板泥岩遇水后的软化特性明显,在暴露20 h后,强度衰减系数为0.72,35 h时,强度衰减系数为0.61,开挖后必须及时对底板泥岩进行封闭。

(3)该软岩巷道底臌变形破坏主要受分子吸水膨胀、胶体膨胀、构造应力、工程偏应力、软弱夹层等多种因素影响,其变形力学机制为IABIIABDIIIBA型。

(4)根据该复合型变形力学机制,提出了铺设干石灰粉、开挖反底拱和安装底角锚杆的综合支护对策,经现场应用,效果良好。

感谢深部岩土力学与地下工程国家重点实验室研究团队的协同支持,特致谢忱!

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Deformation mechanical mechanism of strongly swelling floor heave in the soft rock roadway of Tingnan Coal Mine

YANG Xiao-jie1,2,3,PANG Jie-wen1,2,3,LOU Hao-peng1,2

(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.School of Mechanics & Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;3.Key Laboratory of Deep Mining and Hazard Prevention,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Abstract:In order to overcome the difficulty of the floor heave control in Xiyi haulage roadway of Tingnan Coal Mine, the author used the soft rock engineering mechanics theory to analyze the mineralogy,structure,and the water softening property of the floor mudstone.The study determined the deformation mechanical mechanism for the floor heave of the soft rock roadway.The results show that:The floor mudstone,whose clay mineral content is as high as 50.9%,has a strong expansibility and the main clay minerals are kaolinite and illite/ smectite mixed layer;The water softening characteristic of the floor mudstone is obvious.After 20 hours’exposure,the intensity attenuation coefficient of the rock is 0.72,and after 35 hours’exposure,the intensity attenuation coefficient is 0.61,so some measures must be taken to deal with the mudstone floor timely after excavation;The floor heave deformation of the roadway are mainly caused by several factors such as molecular water swelling,colloid swelling,tectonic stress,engineering partial stress,weak interlayer,etc.,the deformation mechanical mechanism is a kind of composite mechanical mechanism,named IABIIABDIIIBA

type deformation mechanical mechanism;For the deformation mechanical mechanism of the roadway,the paper puts forward a series of corresponding support measures including paving dry lime powder,excavating inverted arch and installing foot bolts.The control effect on floor heave is good.

Key words:soft rock roadway;floor heave;expansive soft rock;deformation mechanical mechanics;Tingnan Coal Mine

通讯作者:庞杰文(1988—),男,山西运城人,博士研究生。E-mail:pjwfanfan@126.com

作者简介:杨晓杰(1968—),男,山西万荣人,教授。Tel:010-62339107,E-mail:yxjcumt@ 163.com。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41040027);北京市自然科学基金资助项目(8142032)

收稿日期:2014-09-15

中图分类号:TD353

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2015)08-1761-07