荣华煤矿软岩巷道黏土矿物变形特性分析

马福义，郭俊廷，赵威成，祁向前

(1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)



荣华煤矿软岩巷道黏土矿物变形特性分析

马福义1,2，郭俊廷1，赵威成2，祁向前2

(1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

[摘要]利用扫描电镜以及X射线能谱仪对荣华煤矿软岩巷道围岩进行成分分析。巷道围岩成分主要由黏土矿物、长石和石英组成，其中黏土矿物伊/蒙混层比为46%～96%，属于强膨胀性软岩巷道。由于巷道各段黏土矿物含量不同，导致巷道整体变形随黏土矿物含量的不同而产生明显差异性。3个月内最大累积变形量1.1m，并且未达到稳定，通过扫描电镜实验分析发现，岩样内部均出现大量絮状伊/蒙混层结构，伊/蒙混层黏土矿物与长石、石英之间为泥性胶结。泥岩块体内部颗粒间胶结密实，孔隙率低，强度高，但层理面周围胶结程度低，强度较低。在分析黏土矿物水化膨胀机理之后，通过现场变形监测证实黏土矿物膨胀变形具有长期性、快速性的特点，建议采用阻断黏土矿物与水接触的控制方法，避免水化膨胀现象的产生。

[关键词]软岩巷道；黏土矿物；伊/蒙混层；扫描电镜

黑龙江荣华煤矿东主运输巷道底板标高-648m，巷道整体设计长度500m。岩性以煤质泥岩、煤页岩、泥质砂岩、凝灰岩为主。在泥页岩、泥质砂岩等沉积岩当中存在大量黏土矿物。当与水相互作用时，这些含有黏土矿物的地层就会因吸水而产生膨胀作用，破坏原有的地层结构及支护，如图1所示[1]。

如果巷道围岩含有这类矿物，就会表现出强烈的亲水性，膨胀应力增加。另外该巷道含有较多断层、光滑节理面、破碎带。在巷道掘进施工时，巷道壁有大量砂岩裂隙水及断层水涌出，导致围岩膨胀变形，收缩量较大，影响正常生产。

图1　巷道破坏情况

1巷道围岩成分分析

为确定巷道围岩成分，在东主运输巷道不同区域进行现场采样，对各样品进行了X射线衍射分析实验，发现东主运输巷道围岩由各种含黏土矿物岩石组成，成分包括石英、钾长石、方解石、斜长石、伊利石(I)、蒙脱石(M)及一些I/S(伊/蒙混层)混层，X光衍射分析能谱如图2所示。结果表明巷道黏土矿物含量占矿物总量的32.1%～55.6%，其中伊/蒙混层占黏土矿物总量的46%～96%，分析结果如表1所示[2]。

图2　光谱衍射分析

序号矿物成分及含量/%石英钾长石方解石斜长石菱铁矿黏土矿物成分相对含量/%I/S(伊/蒙混层)136.90.91.41.43.896243.0-1.31.35.497342.41.01.13.94.391431.510.4-23.42.646542.6-1.81.75.094625.65.0-12.91.190

实验结果表明，巷道围岩黏土含量高、软岩膨胀性强。含有该黏土矿物围岩在遇水之后，易产生水解、膨胀及软化现象。因此，该巷道围岩属于高膨胀性软岩巷道。为进一步了解岩样内部整体构造，进行了SEM扫描电镜分析实验，由实验结果可以看出，几种样品有以下特点：

(1)5μm扫描电镜下显示，岩样粒间存在大量片状丝状伊/蒙混层，如图3(a)显示，伊/蒙混层分布范围较广，且密度差异性明显。

(2)在20μm扫描电镜显示下，大量岩样自生石英晶体被片丝状伊/蒙混层所包覆，如图3(b)所示，石英晶体分布十分密集，周边被伊/蒙混层填充。

(3)各岩样均存在大量伊/蒙混层黏土矿物，且分布广泛，在水化作用下导致剧烈膨胀变形，因此整体岩性呈现软化膨胀特性[3]。

图3　不同样品SEM实验结果

2黏土矿物膨胀机理

黏土矿物的水化膨胀作用受晶体间离子影响，晶体之间的阳离子交换导致其晶体表面吸附大量水分子，形成水化膜导致晶格间距增大，晶格分离状态使黏土矿物颗粒分散。这种现象需要水分子与之作用，但是在干燥或无水状态时，黏土矿物中颗粒晶层间距离较小，大约在1μm，晶层间结构紧密。但当与水接触时，水分子会被吸附到层间内部，在水分子的作用力下层间距离增加2～3μm，并且水分子在黏土分子的作用下被解离成OH-离子和H+离子。离子被分别吸附到黏土矿物的晶体端面和平面上，晶体周围被离子包覆，黏土这时就变成了“水化黏土”。和干燥无水的黏土不同，水化黏土具有明显的胶体特性，如膨胀性、流变性、分散性等[4-8]。

2.1矿物结构特点

黏土矿物为具有层状结构的硅酸盐矿物，层状结构的基本单元是硅氧四面体和铝氧八面体。

东主运输巷道围岩中伊利石、蒙脱石是2∶1组成的层状结构晶体矿物，晶体矿物结构主要以晶片方式排列。晶片间存在着水分子、阳离子等层间物质，靠阳离子的正电性把晶片连接在一起，当层间物质的平衡被外界因素打破，晶片间的距离会因外界物质进入而发生变化，这时主要表现为水化膨胀现象。

2.2矿物水化作用

黏土矿物与水作用较为复杂，当黏土矿物遇水之后，在氢键、交换性阳离子和电荷的作用下，水分子进入黏土矿物的晶层间内部，在其表面上吸附水分子，并将黏土中蒙皂石(膨胀矿物)的颗粒晶层推离，而发生水化，同时产生晶层间斥力。在斥力的作用下，晶层间的双电层效应使黏土的颗粒及晶层进一步推离。伴随着晶层间的分离，黏土矿物体积膨胀，并随着黏土颗粒一面胶连的形成使黏土膨胀有一定限度。

除此之外，水分子在渗透压力的作用下，根据渗透原理，水分子会由低浓度一侧移动到高浓度一侧直到渗透平衡状态。

当采动破坏后，水体沿裂缝带进入围岩，打破原有黏土离子浓度与地层水体的平衡状态。由于围岩黏土表面离子浓度高于周围液体，此时周围液体水分子就被吸附到黏土表面，形成水化膜包覆在黏土矿物周围，使双电层的斥力增加。在双电层斥力的作用下，黏土表面颗粒继续分离，使得黏土体积迅速膨胀，如图4所示[9-17]。

图4　扩散双电层形成原理　H2O

3巷道变形监测

为研究黏土矿物膨胀变形规律，在东主运输巷道实施了变形监测，该巷道为全断面锚网U型钢棚架联合支护，采用井下激光基准线变形监测方法进行测量结果显示，新掘巷道区域变形速率较快，距掘进面较远处巷道，形变速率较慢，似趋于稳定，但稳定时间均在2.5个月以上。另外，黏土矿物富存区域，在断层水的作用下，膨胀变形始终存在，无法达到稳定，通过监测数据对比，与普通围岩变形规律不同，主要原因是由软岩内部黏土矿物遇水膨胀特性导致大变形。部分监测结果如图5所示[18-20]。

4结论

(1)荣华煤矿软岩巷道主要矿物成分为石英、长石和黏土矿物，其中黏土矿物含量较高，黏土含量最低为32.1%，最高为55.6%。由于黏土含量的不同，导致巷道整体变形随着黏土含量的变化产生明显差异性。

(2)几种岩样内部均出现大量絮状伊/蒙混层结构，伊/蒙混层黏土矿物与长石、石英之间为泥质胶结。层理面周围胶结程度低，胶结强度较低；但在岩样内部物质间胶结密实，颗粒孔隙率很低，不易吸水，强度相对较高。

(3)黏土矿物主要膨胀机理是由于水化作用而产生，由于煤矿巷道处于断裂带较多区域，断层含水量较大，在炮采工作面的扰动下，导致周围裂隙节理加大，水体渗入巷道周围岩体，加剧变形。

(4)通过现场围岩位移监测，巷道整体变形量较大，3个月内最大变形量1.1m，并且很难达到稳定，随着不断的巷道修复过程，围岩收缩量依然很大，远超过其他岩层巷道稳定时间。

(5)为保证巷道正常生产，可以尝试采用注浆、喷浆等方法阻断黏土矿物与水融合，避免黏土矿物产生水化膨胀现象。

[参考文献]

[1]冒海军，郭印同，王光进，等.黏土矿物组构对水化作用影响评价[J].岩土力学，2010，31(9):2723-2728.

[2]余晓霞.黏土矿物水化膨胀影响因素试验研究[J].长江大学学报(自科版)，2013，10(32):137-139.

[3]张星，毕义泉，汪庐山，等.黏土矿物膨胀机理及防膨研究现状[J].精细石油化工进展，2014，15(5):39-43.

[4]毛惠，邱正松，黄维安，等.温度和压力对黏土矿物水化膨胀特性的影响[J].石油钻探技术，2013，41(6):56-61.

[5]付永强，曾立新，马发明，等.页岩膨胀性及分散性特征实验分析[J].天然气工业，2012，32(9):48-51.

[6]焦淑静，韩辉，翁庆萍，等.页岩孔隙结构扫描电镜分析方法研究[J].电子显微学报，2012，31(5):432-436.

[7]李永良，马辉，邱维理，等.泥河湾井儿洼剖面粉砂黏土纹层成分的扫描电镜与能谱分析[J].北京师范大学学报(自然科学版)，2004，40(1):120-123.

[8]王坤阳，杜谷，杨玉杰，等.应用扫描电镜与X射线能谱仪研究黔北黑色页岩储层孔隙及矿物特征[J].岩矿测试，2014，33(5):634-639.

[9]王坤阳，徐金沙，饶华文，等.扫描电镜-X射线能谱仪在丹巴地区铂族矿物物相特征分析中的应用[J].岩矿测试，2013，32(6):924-930.

[10]王羽，金婵，汪丽华，等.应用氩离子抛光-扫描电镜方法研究四川九老洞组页岩微观孔隙特征[J].岩矿测试，2015，34(3):278-285.

[11]赵国会，刘进晓，尹增德，等.梁家煤矿巷道软岩微观特性的试验研究[J].煤炭技术，2015，34(3):74-76.

[12]Roland Pusch.A technique to delay hydration and maturation of borehole seals of expansive clay[J].Engineering Geology,2011,1211(1):1-6.

[13]孟召平，彭苏萍，屈洪亮.煤层顶底板岩石成分和结构与其力学性质的关系[J].岩石力学与工程学报，2000，19(2):136-139.

[14]张保平，单文文，田国荣，等.泥页岩水化膨胀的实验研究[J].岩石力学与工程学报，2000，19(Z1):910-912.

[15]David E.Smith,Yu Wang,Heather D.Whitley.Molecular simulations of hydration and swelling in clay minerals[J].Fluid Phase Equilibria,2004,222(02):189-194.

[16]周莉，杜文学，韩雪，等.黏土矿物微观孔隙结构的分形特征[J].黑龙江科技学院学报，2009，19(2):94-96.

[17]孙仁远，张云飞，范坤坤，等.页岩中黏土矿物吸附特性分子模拟[J].化工学报，2015，66(6):2118-2122.

[18]黄秋伟，许江文，王新河，等.有机盐抑制黏土水化膨胀应用[J].油田化学，2013，30(4):496-499.

[19]王萍，屈展，刘易非，等.泥页岩水化膨胀的非线性蠕变模型[J].西北大学学报(自然科学版)，2015，45(1):117-122.

[20]徐力群，刘厚彬，孟英峰.实验分析泥岩水化膨胀应力与力学参数之间的关系[J].科学技术与工程，2014，14(9):151-154.

[责任编辑：邹正立]

Deformation Characters of Clay Minerals of Soft Rock Roadway in Ronghua Coal Mine

MA Fu-yi1，2，GUO Jun-ting1，ZHAO Wei-cheng2，QI Xiang-qian2

(1.Geosciences and Surveying Engineering College，China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;2.Ming Engineer College，Heilongjiang University of Science & Technology，Haerbin 150022，China)

Abstract：Surrounding rock composition of soft rock roadway in Ronghua coal mine was analyzed by scanning electron microscope and X-ray energy dispersive spectroscopy.The main composition of surrounding rock were clay mineral，feldspar and quartz，the ratio of I/S mixed-layer in clay minerals was 46%～96%，it was an extra expansive soft rock roadway.The total deformation of roadway was difference obliviously with different clay mineral in different section.The maximal accumulated deformation was 1.1m after three months，and it also instability，through experimental analysis of scanning electron microscope，large amount of gossypine I/S mixed-layer structure appeared in inside of rock sample.Clay mineral with I/S mixed-layer，feldspar and quartz was muddy cementation.The cementation of inner particles in mudstone was tightly，low porosity，high strength，but cementation degree and strength around bedding plane were low.Then on the basis of hydration expansion mechanism of clay mineral was analyzed，some characters such as long-term and fast of clay mineral expansion and deformation were validated by practical monitoring.The paper proposed clay mineral and water should be interrupted，and then hydration expansion phenomenon would be avoided.

Key words：soft rock roadway，clay minerals；I/S mixed-layer；scanning electron microscope

[收稿日期]2015-08-19

[作者简介]马福义(1981-)，男，辽宁鞍山人，从事矿山测量、沉陷监测方面的研究工作。

[中图分类号]TD313.1

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)02-0049-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.014

[引用格式]马福义，郭俊廷，赵威成，等.荣华煤矿软岩巷道黏土矿物变形特性分析[J].煤矿开采，2016，21(2)：49-51.