盘江矿区回采巷道围岩特征实验研究

高林　赵世毫　黄小芬　马振乾　孔德中　康向涛　韩森

摘要：为进一步揭示盘江矿区回采巷道围岩变形机理，采集矿区范围内三对典型矿井回采巷道围岩煤岩样进行了点载荷、坚固性系数测定、矿物成分分析、耐崩解指数测定、水理特性等一系列围岩特征实验研究。结果表明：盘江矿区回采巷道顶底板岩层多为泥岩、泥质粉砂岩等软弱岩层，天然状态下抗拉强度、抗压强度及抗剪强度分别低至0.32 MPa、6.34 MPa及0.77 MPa，且煤的坚固性系数仅为0.50～0.86，矿区内回采巷道围岩软岩特征明显;围岩矿物成分以石英为主，但高岭石、钠长石等黏土矿物含量较高，遇水极易膨胀，裂隙及节理发育，围岩强度大幅度降低;围岩抵抗软化和崩解作用的能力较差，其中底板泥岩的耐崩解性指数低至8.70%。研究结论可为盘江矿区回采巷道围岩控制方案的制定提供科学依据和理论指导。

关键词：盘江矿区;软岩;物理力学性质;回采巷道

中图分类号：TD82;TD313文献标志码：A

贵州省煤炭资源储量丰富，是云贵煤炭基地的主要组成部分，探明储量超过江南五省之和，有着“江南煤海”之誉[1-2]。盘江矿区作为贵州省煤炭开采的“主战场”，对贵州省乃至全国经济建设发挥着巨大作用;但由于矿区内含煤地层为二叠系上统龙潭组，软弱岩层分布广泛，开采过程中回采巷道冒顶、底鼓等现象时有发生[3]。已有研究表明，分析和掌握巷道围岩物理力学特征，是揭示围岩变形破坏机理的前提和有效途径[4-6]。如李化敏等[7]研究了神东矿区煤系地层岩石不同沉积时期的砂岩在单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂实验下的物理力学参数，为该矿区围岩控制制定方案提供了理论支持。何满潮、周莉等[8-9]利用扫描电镜和X射线衍射对兴安矿深部软岩进行了矿物成分分析，并提出一种新型联合支护方式。杨晓杰、孙晓明等[10-11]针对软岩巷道变形大、难支护的问题，采用工程地质力学分析、数值模拟和现场实验研究相结合的方法，分析了新安煤矿+535回风石门的变形机制，并提出了“恒阻大变形锚杆+金属网+底角注浆锚管+钢纤维混凝土”耦合支护方案。张杰等[12-13]采用力学参数测试、矿物成分分析及崩解实验等方法研究了王洼煤矿1522-1工作面回风巷破坏机理，为提出合理的控制措施和支护参数确定提供了理论依据。

因此，通过采集盘江矿区范围内三对典型矿井回采巷道围岩煤岩样，进行了一系列围岩特征实验，以期研究结论为进一步揭示该矿区回采巷道围岩变形机理提供理论依据。

1实验方案

1.1采样地点及采样方式

贵州盘江矿区主要含煤地层为二叠系上统龙潭组，全层厚为280～310 m。为使本次实验研究更加全面，选取矿区内A、B、C三对代表性矿井回采巷道进行实验煤岩样采集。采样过程按照《煤和岩石物理力学性质测定方法 第1部分：采样一般规定》（GB/T 23561.1—2009）中相关要求执行。由表1可知，矿区内煤层及其顶底板岩性主要为粉砂岩、泥岩及泥质粉砂岩等。为尽量减少实验过程中的偶然误差，提高实验测试结果的可靠性，每个矿井回采巷道的顶板、底板和煤层均加工了3个以上试樣。

1.2实验方法

考虑到矿区内回采巷道围岩的软岩特性，主要开展了点载荷实验、煤的坚固性测定实验、X射线衍射实验、崩解实验和水理特性实验等，围绕力学参数测试、矿物成分分析两方面展开了系统研究。

2力学参数测试

2.1点载荷实验

鉴于软弱岩层制作标准试件的困难性，采用HDH-1点载荷试验仪（图1）对盘江矿区A矿、B矿、C矿煤层及其顶底板岩层进行点载荷实验，破坏载荷可由配套TY5D/A数显仪直接读出，测量精度高。

为便于实验前后对比分析，实验过程中记录了各矿煤岩样点载荷实验前后的破坏形态，其中A矿试件如图2所示。（a）试验仪（b）TY5D/A数显仪（c）试件

依据测试结果，根据《煤和岩石物理力学性质测定方法 第13部分：煤和岩石点载荷强度指数测定方法》（GB/T 23561.13—2010）中相应的公式，计算得出修正后的煤和岩石点载荷强度指数I_s（50）。煤和岩石的单轴抗压强度与其点载荷强度之间具有很好的线性关系，因此，煤和岩石的单轴抗压强度、单轴抗拉强度及抗剪强度可由其点载荷强度进行预估，换算公式如下[14]：

经计算，A、B、C三对矿井煤层、顶底板岩层平均点载荷强度指数I_s（50）及换算后的煤岩层抗压强度、抗拉强度及抗剪强度如表2所示。可知，各煤岩层天然状态下的抗拉强度、抗压强度及抗剪强度分别低至0.32 MPa、6.34 MPa及0.77 MPa，表明盘江矿区回采巷道围岩力学强度整体较低，属于典型的软弱围岩。

2.2煤的坚固性系数测定实验

为进一步分析盘江矿区回采巷道煤块抵抗破坏的能力，采用DQ-4型煤坚固性系数测定仪进行煤的坚固性系数测定实验。根据《煤和岩石物理力学性质测定方法 第12部分：煤的坚固性系数测定方法》（GB/T 23561.12—2010），将从A、B、C三对矿井回采巷道围岩中采集的煤样在实验室分别处理成20～30 mm块度的5份式样（图3）。实验过程中，对试件各进行3次冲击，测得三对矿井的坚固性系数最小值为0.50，最大值为0.86，均属于超软岩且接近极软煤层临界值[15]，表明矿区内可采煤层煤体强度较小。

3矿物成分分析及耐崩解实验

3.1矿物成分分析

为了揭示盘江矿区回采巷道围岩矿物特征，采用Panalytical多功能粉末X射线衍射仪，对三对矿井回采巷道煤层及顶底板围岩矿物组分进行测试，依据各煤岩层X射线衍射图谱分析得出矿物组分，其中，A矿回采巷道测试结果如表3所示。

综合实验结果分析可知：盘江矿区回采巷道围岩矿物成分以石英为主，但高岭石、钠长石等黏土矿物含量较高，如A矿顶板岩石（泥质粉砂岩）中高岭石含量为19.8%，15#煤层中高岭石含量达32%，而底板岩石（泥岩）中高岭石、钠长石含量分别为31%、26%，属于中膨胀性软岩至强膨胀性软岩[16]。由于巷道围岩尤其底板岩石中黏土矿物含量较高，在井下水作用下，极易导致围岩遇水膨胀、裂隙及节理发育，围岩强度将大幅度降低。E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

3.2耐崩解实验

为了分析评价盘江矿区回采巷道围岩抵抗软化和崩解作用的能力，采用HNB-1型岩石耐崩解实验仪对采集于A、B、C三对矿井的煤层、顶底板岩层进行了耐崩解性实验。其中，A矿回采巷道顶底板耐崩解性指数测定实验试件前后形态对比如图4所示。

根据《煤和岩石物理力学性质测定方法 第16部分：岩石耐崩解性指数测定方法》（GB/T 23561.16—2010）计算得出各矿围岩耐崩解性指数。分析测试结果可知：矿区内回采巷道围岩整体抵抗崩解的能力较差，如A矿底板泥岩崩解实验之后残留物仅为一小块岩石，耐崩解性指数测定结果仅为8.70%。相比于泥岩，矿区内泥质粉砂岩抵抗崩解的能力稍强，平均耐崩解性指数约为66.0%，但从崩解残留物看，绝大多数已崩解为粒径小于3 mm的细小颗粒。

3.3岩石水理特性实验

研究过程中，采样对盘江矿区回采巷道煤层及顶底板岩样进行了为期10 d的水理特性实验。以A矿为例，实验过程中，回采巷道围岩不同时期煤样形态如图5所示。煤样浸水0.5 h和10 d之后，仅从煤样裂隙中析出一些黑色油性物质，遇水崩解的效果不足，煤样外观未发生明显变化。顶板浸水0.5 h后，即开始发生崩解变化，有小片的薄片状岩块从母体上剥离掉落，而且岩石吸水作用明显，贯穿到岩石裂隙中;10 d后，原始岩块则遇水崩解成细小碎片状。底板浸水0.5 h后，即开始发生崩解变化，有碎屑状岩块从母体上剥离掉落，而且岩石吸水作用明显，贯穿到岩石裂隙中;10 d后，原始岩块则遇水崩解成细小碎块，用手极易掰成小粒。

综合分析可得，盘江矿区回采巷道顶底板围岩受水理作用明显。因此，巷道掘出后，如不及时采取封闭支护措施，在持续风化及水理作用下，加之遇水产生的膨胀、崩解效应等，使得软弱围岩更加破碎，强度大幅降低，同时产生的扩容变形、碎胀压力也将给此类巷道围岩控制带来更大的困难。

4结论

1）盤江矿区回采巷道顶底板岩层多为泥岩、泥质粉砂岩等软弱岩层，天然状态下抗拉强度、抗压强度、抗剪强度分别低至0.32 MPa、6.34 MPa及0.77 MPa，且煤的坚固性系数仅为0.50～0.86。

2）盘江矿区回采巷道顶底板岩层矿物成分以石英为主，但高岭石、钠长石等黏土矿物含量较高，在井下水作用下，极易导致围岩遇水膨胀，围岩强度大幅度降低。

3）盘江矿区回采巷道顶板裂隙及节理发育，导致抵抗软化及崩解的能力较差，底板岩层耐崩解性指数低至8.70%，与水相互作用后失去黏结力，产生膨胀、崩解等效应，使得巷道围岩更加破碎。

4）整体而言，盘江矿区回采巷道围岩力学强度较低，软岩特征明显，支护过程中应重点考虑遇水膨胀、风化崩解等对巷道围岩控制带来的不利影响。参考文献：

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（责任编辑：周晓南）

Experimental Study on Surrounding Rock CharacteristicsE5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

of Gateway in Panjiang Mining Area

GAO LinZHAO Shihao HUANG Xiaofen MA Zhenqian KONG Dezhong KANG Xiangtao HAN Sen

（1.College of Mining， Guizhou University， Guiyang 550025， China; 2.Research Center of Roadway Support and Disaster

Prevention Engineering in Coal Industry， Beijing 100083， China; 3.National & Local Joint Laboratory of Engineering

for Effective Utilization of Regional Mineral Resources from Karst Areas， Guizhou University， Guiyang 550025， China）Abstract： To further reveal the deformation mechanism of surrounding rock of gateway in Panjiang mining area， coal and rock samples of surrounding rocks of three typical gateways in mining area were collected， and a series of surrounding rock characteristics such as point load， determination of the firmness coefficient， mineral composition analysis， determination of the disintegration resistance index and hydraulic characteristics were studied. The results show that the roof and floor strata of gateway in Panjiang mining area are mostly mudstone， argillaceous siltstone and other soft strata. Under natural conditions， the tensile strength， compressive strength and shear strength are as low as 0.32 MPa， 6.34 MPa and 0.77 MPa， and the firmness coefficient of coal is only 0.50-0.86. The characteristics of the soft surrounding rock of gateway in mining area are obvious. The main mineral composition of surrounding rock is quartz， but the contents of clay minerals such as kaolinite and albite are high， so the surrounding rock is easily expansive when meeting with water， fractures and joints are also developed， leading to a great reduction in the strength of surrounding rock. Besides， the ability of surrounding rock to resist softening and disintegration is poor， and the disintegration resistance index of mudstone on floor is as low as 8.70%. The research conclusions can provide scientific basis and theoretical guidance for the formulation of surrounding rock control scheme of gateway in Panjiang mining area.

Key words： Panjiang mining area; soft rock; physical and mechanical property; gatewayE5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A