岱庄煤矿11605工作面底板岩层微结构及水稳性

贾广伟，郝 飞，姚振武，孟 辉

(1. 济宁市国土资源局，山东 济宁 272017；2. 淄博矿业集团岱庄煤矿，山东 济宁 272051)

岱庄煤矿11605工作面底板岩层微结构及水稳性

贾广伟1，郝 飞2，姚振武2，孟 辉2

(1. 济宁市国土资源局，山东 济宁 272017；2. 淄博矿业集团岱庄煤矿，山东 济宁 272051)

开展受承压水威胁煤层底板岩层成份、微结构和水稳性研究，获取其阻水性能，是煤矿防治水的重要工作.基于岱庄煤矿受高承压水威胁的下组16煤层首采11605工作面煤层底板岩性阻水性实验数据，得到了岱庄煤矿下组16煤层底板不同岩层的组成成份、微结构和水稳性特征，为岱庄煤矿承压水防治提供了科学的计算参数.

承压水威胁；岩层微结构；水稳性；实验研究

淄博矿业集团岱庄煤矿位于山东济宁(北)煤田，其下组16煤开采受底板十三灰和奥灰强承压含水层威胁.对煤层底板岩层阻水性开展研究，是确保受承压水威胁煤层安全开采的有效途径之一.岱庄煤矿在以往相关地质补勘和科研工作中虽然已经积累了一些煤系地层的物理力学和水理性实验成果，但缺少针对下组煤首采面底板岩层的相关实验资料.本文通过岱庄煤矿16煤首采11605工作面现场编录和取样，在进行大量试验的基础上，得到11605工作面底板岩层成分、微观结构和水稳性[1-2]参数，为科学评价11605工作面底板阻水能力提供了重要基础数据.

1 底板岩层岩性及微观结构特征

1.1 岩性组合特征

11605工作面及临近区域底板主要由黑色泥岩、砂质泥岩、杂色泥岩(铝质泥岩、铁质泥岩)、中细砂岩、薄层灰岩和煤层等组成.从力学性质和水稳性特征角度，根据现场编录和取样特征以十三灰为界把煤层底板岩层划分为层段1、层段2和层段3三个层段.其中层段1包括直接底板的普通泥岩和细砂岩；层段2是十三灰；层段3为杂色泥岩，主要包括铁质泥岩和铝质泥岩，见图1.

图1 钻孔柱状及岩组划分示意图Fig.1 Drill hole column and fabric partition diagram

1.2 物质成分与微观结构特征

根据X光衍射、荧光分析和扫描电镜对岩样的要求，分别选取三个层段有代表性的岩样，其中X光衍射和荧光分析样品要求磨成粉末，粒度在300目以下(小于48nm)；扫描电镜岩样制成手指甲块状大小，并要有代表性的断面进行分析.

1.2.1 物质成分(表1)

1) 普通泥岩

首采面及附近直接底板普通泥岩的矿物组成以粘土矿物和石英为主，其中高岭石含量较高，其他为伊利石和长石，但含量相对较低(图2).化学成分以硅铝为主，SiO2质量分数高达66.33%，其次为Al2O3，质量分数为23.15%，并含有一定量的铁、钙、镁、钾、钠、磷等.

2) 砂岩

16煤层底板砂岩主要为粉砂岩和细砂岩.其中，太原组粉细砂岩分布较稳定，厚度较大，岩心的RQD指标为55%左右，属中等完整性，矿物成分以石英和粘土矿物为主，其中高岭石含量较高，其它的伊利石、云母和菱铁矿等含量相对较低(图3).化学成分仍以硅铝为主，SiO2质量分数高达63.64%，其次为Al2O3，质量分数为21.79%，并含有一定量的铁、钙、镁、钾、钠、硫、磷等.

表1 底板不同类型岩石成分的荧光实验数据统计
Tab.1 Bottom of different types of rock composition fluorescence experiment data statistics

成分Na2O/%MgO/%Al2O3/%SiO2/%K2O/%CaO/%Fe2O3/%P/‰S/‰Cl/‰CO2/%岩性0.2650.35423.1566.332.190.191.30.150.045.46砂岩0.4590.94821.7963.643.560.378.980.360.65灰岩0.0360.4311.374.970.0454.60.620.40.130.2937.7铁质泥岩0.2450.93321.3656.382.780.3811.560.530.320.125.51铝质泥岩0.2580.58523.4555.952.170.2311.090.20.155.45

3)灰岩

完整性较好，钻探岩心较完整，RQD质量分数一般超过80%.矿物组成比较单一，以方解石为主，含少量白云石(图4).化学成分以碳酸盐岩为主，CaO质量分数达54.60%，其次为CO2，质量分数为37.70%，并含有一定量的铁、硅、铝、钾、钠、磷等.

4)杂色泥岩

铁质泥岩矿物成分主要由石英、黄铁矿和高岭石组成(图5)，并含有少量的云母和长石.化学成分以石英为主，SiO2质量分数达56.38%，其次为Al2O3，质量分数为21.36%，并含有一定量的铁、钾、钠、硫、磷等.

铝质泥岩矿物成分主要由石英和高岭石组成(图6)，并含有少量的伊利石、云母和长石.化学成分与铁质泥岩基本相似.

泥质岩的完整性受构造作用和岩层原生结构影响比较明显，构造作用的影响一般表现为局部性，引起构造部位岩层的明显破碎；原生结构的影响则比较全面，反映为泥质岩中普遍结构微裂隙比较发育，且因岩性不同而表现出不同程度的差异：粉砂质泥岩和铝质泥岩的水平层理相对发育，RQD相对较低，多在40%以下，部分层段甚至低于25%；铁质泥岩和泥质粉砂岩则具有块状结构特征， RQD多在38%～50%范围.总体上看，泥质岩类的完整性在深处稍好于浅部，依据RQD指标对岩层质量作等级划分，多数泥质岩层的岩层完整性属较差等级.

图2 普通泥岩XRD谱图Fig.2 The XRD spectrum of the ordinary mudstone

图3 砂岩XRD谱图 Fig.3 The XRD spectrum of the sandstone

图4 灰岩XRD谱图Fig.4 The XRD spetrum of the limestone

图5 铁质泥岩XRD谱图 Fig.5 The XRD spectrum of the iron mudstone

图6 铝质泥岩XRD谱图 Fig.6 The XRD spectrum of the aluminum mudstone

1.2.2 微观结构特征

构成11605工作面16煤层底板的主要岩层中，普通泥岩在微观结构上普通泥岩的孔隙性普遍较低，成絮状排列，连通性要远远低于砂岩和灰岩，在没有构造条件下具有较强的阻水能力；砂岩多为泥质胶结，部分层段为泥质和钙质混合胶结，具块状结构，砂岩岩石孔隙性较好，以中小孔隙为主，孔隙度为泥质岩的十几倍；灰岩结构比较疏松，具有一定程度的溶蚀现象；杂色泥岩铁质泥岩结构比较致密，并含有立方体型的黄铁矿结核.铝质泥岩结构比铁质泥岩疏松，但比砂岩致密.

2 底板岩石水岩作用

煤层底板隔水岩层遇水作用后的强度和变形性是反映其阻水能力的重要因素[3].由于隔水岩层岩石含有较大比例的粘土矿物，遇水后其力学性质和结构状态会不同程度地发生变化，直接影响其阻水能力.为测试不同溶液浸泡下16煤层底板岩石水岩作用规律，在自来水与模拟深部高矿化度矿井水的饱和食盐水浸泡后并结合自然浸泡与湿-干交替循环浸泡条件下，对以首采面底板5种不同类型岩性的岩样，两两组合进行水稳性试验.

2.1 水稳性试验结果及分析

通过水稳性试验发现12个湿-干交替循环岩样都发生了较高程度的崩解现象，而没有经过烘干的岩样，除少数掉渣外，绝大多数都没有发生崩解现象.另外在没烘干的岩样中，通过对比自来水和食盐水对岩样的崩解影响看，同种岩样浸泡前后基本没有变化.

水岩作用的机制主要有粘土矿物吸水膨胀、崩解软化、与水中离子吸附和交换、易溶性矿物溶解与生成机制、水溶液对软岩的微观力学作用以及软岩软化的非线性化学动力学等.大量研究已证实[4]，煤系软岩的水稳性与所含粘土矿物含量及其类型有密切关系，一般以蒙脱石为主软岩的水稳性最差，其他依次为伊/蒙混层、伊利石、高岭石等.即使泥岩中蒙脱石含量极少，只要伊利石和高岭石含量足够高，岩样也会发生软化崩解的现象.但本次实验表明处于深部底板石炭系的不同类型的岩样，在自来水正常浸泡条件下，岩样基本没有发生多大变化，而另外10个岩样当受到吸水-失水-吸水循环浸泡湿-干作用时其泥化或崩解速度才非常明显.

2.2 水稳性试验结果机理探究

为探讨水岩作用机理，课题组对相同岩样浸泡前后进行了荧光和扫描电镜分析，通过对比分析发现泥岩和灰岩的成分与微观结构变化较大，而砂岩的相对变化较小.

1)泥质岩类

浸泡前后泥质岩中Na2O和K2O含量明显减少，MgO、CaO、Fe2O3、P、S、Cl和CO2都明显增加，而Al2O3和SiO2比较稳定，含量基本没变.在微观结构上，浸泡后泥质岩的孔隙明显大于浸泡前.泥岩主要成分是粘土矿物和石英，与水主要经过溶解、脱碳酸、离子交换和混合作用后，导致岩石内部物质成分和结构发生较大变化，这对导水通道的形成将起到至关重要作用[5-6].

2)砂岩类

砂岩在浸泡前后主要成分除了Fe2O3变化较大外，其它成分变化均不大，相对比较稳定，但浸泡前后砂岩孔隙性没有发生较大变化.

3)灰岩类

浸泡前后灰岩中Al2O3含量明显减少，MgO、SiO2、K2O、CaO、Fe2O3、P、Cl和CO2都比较稳定，含量基本没变.在微观结构上，浸泡后灰岩的孔隙度明显大于浸泡前.

3 结论

(1)通过实验数据，详细分析了16煤层底板组成岩层的构成成份和微结构.从岱庄煤矿16煤层底板中泥岩、砂岩杂色泥岩均以石英为主，其次为Al2O3.

(2) 从水稳性试验数据来看，浸泡前后泥质岩中Na2O和K2O含量明显减少，MgO、CaO、Fe2O3、P、S、Cl和CO2都明显增加，而Al2O3和SiO2比较稳定，含量基本没变；砂岩浸泡前后砂岩孔隙性没有发生较大变化；灰岩浸泡后灰岩的孔隙度明显大于浸泡前.

(3)奥灰承压含水层与16煤层之间间隔稳定分布的杂色泥岩，强度较高，水稳性较好，是阻隔奥灰水和16煤层之间发生水力联系的关键层位；不仅能缓解奥灰水向上渗透，还可以有效降低底板采动破坏程度，从而大大提高底板抵抗静水压力的能力.

[1]张文泉，李白英，李加祥. 岩层阻水性能与其结构成分、组合形式的关系 [J]. 煤田地质与勘探,1992(4):45-48.

[2] 徐智敏，孙亚军，隋旺华，等. 煤层底板寒灰上段隔水性能及水文地质结构特征[J]. 采矿与安全工程学报,2010,27(3):399-403.

[3] 杜永，曾先贵，李富，等. 兴隆庄矿下组煤底板岩层阻水性能影响因素分析[J].西部探矿工程,2007,19(7):88-90.

[4] 朱术云，宋淑光，孙强，等. 不同试验条件下深部下组煤底板水岩相互作用特征[J].岩石力学与工程学报,2014 (S1):3 231-3 237.

[5] 颜标，朱术云，闫鹏飞，等. 深部下组煤底板泥岩与水作用的微观机理探讨[J].煤矿安全, 2014,45(2):178-180.

[6] 丛倩倩，朱术云，孟辉，等. 深部下组煤底板软岩与水的相互作用试验[J].煤矿安全, 2014,45(10):28-30.

ThemicrostructureandwaterstabilityofseamfloorofworkingfaceinDaizhuangcoalmine

JIA Guang-wei1, HAO Fei2，YAO Zhen-wu2，Meng Hui2

(1.Jining City Land Resources Bureau， Jining 272017, China;2.Daizhuang Coal Mine, Zibo Mining Group Company Limited, Jining 272051, China)

It is an important foundation work for water hazard prevention in the coal mine to obtain water resistance of the seam floor by studying rock composition, microstructure and water stability. Based on the experimental data of water resistance of the seam floor of 11605 working face in the 16th under-group coal seams, which were threatened by confined water, we summarized the strata feature of composition, microstructure and water stability to provide scientific parameters for confined water hazard prevention in DaiZhuang coal mine.

confined water threat; rock structure; water stability; experimental study

2017-01-04

贾广伟，男,jgw1973@126.com

1672-6197(2018)01-0044-04

P597+.2

A

(编辑：姚佳良)