上海廟礦區(qū)砂質(zhì)泥巖水巖作用特性

王金安，高治國，徐 輝，劉 騰

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

上海廟鷹駿一礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，黃河河套鄂爾多斯盆地西北緣，處于內(nèi)蒙古自治區(qū)與寧夏回族自治區(qū)接壤地帶。地層自上而下有第四系、古近系、白堊系、侏羅系。煤層屬侏羅系延安組地層，巖層成巖年代較晚，結(jié)構(gòu)疏松；整個基巖段，礫巖、砂巖以泥質(zhì)膠結(jié)為主，遇水泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，所以本煤礦處于大規(guī)模軟巖地層。軟巖問題是煤礦開挖中經(jīng)常遇到的重大工程地質(zhì)問題，強(qiáng)度低遇水后容易膨脹，甚至?xí)l(fā)生崩解，處于較大地應(yīng)力環(huán)境時常常會產(chǎn)生流變［1－2］，其組成的巷道往往自穩(wěn)能力差、變形大、失修率高、維護(hù)困難，結(jié)果往往使整個煤炭生產(chǎn)過程陷入困境甚至關(guān)閉［3－4］。所以進(jìn)行地質(zhì)勘查了解地質(zhì)概況，分析礦物成分了解礦物性質(zhì)，研究本礦區(qū)巖層的水巖特性，對上海廟鷹駿一礦工程安全和礦井建設(shè)有重大意義，為開挖方案的正確設(shè)計和巷道支護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況及物質(zhì)組成

1.1 地質(zhì)勘探及巖性分析

本礦區(qū)含有背斜2條、向斜2條、26條斷層；根據(jù)鄰近礦區(qū)勘探開采經(jīng)驗，區(qū)內(nèi)斷層周邊將伴隨大量次生斷層。水文地質(zhì)上，礦區(qū)共有含水層7層，隔水層5層，各含水層屬弱～中等富水性，補(bǔ)給條件中等，水文地質(zhì)條件相對簡單；井田的水文地質(zhì)勘探類型是以裂隙充水含水層為主，水文地質(zhì)條件中等的礦床，煤層埋藏深度及采樣位置見表1、表2。

表1 煤層位置及厚度表

表2 采樣深度及巖性分類表

通過表1、表2觀察出：煤層頂?shù)装逡陨皫r，砂質(zhì)泥巖為主，局部變相為泥巖，整體屬于極軟巖～較堅硬。本礦區(qū)砂質(zhì)泥巖比較特殊在自然風(fēng)干狀態(tài)下呈堅硬狀抗壓強(qiáng)度大，從手感和硬度上表現(xiàn)出堅硬砂巖的性質(zhì)，但遇水后迅速崩解泥化，部分巖樣甚至完全失去抗壓強(qiáng)度，具有泥巖的基本性質(zhì)。機(jī)理在于砂巖填隙物多為泥質(zhì)組成，泥質(zhì)部分與砂質(zhì)部分良好的膠結(jié)在一起，一方面砂質(zhì)大顆粒與泥質(zhì)小顆粒咬合摩擦形成了一定強(qiáng)度，另一方面泥質(zhì)成分中的黏土礦物起到了粘結(jié)作用，所以在自然條件下巖石呈堅硬狀。由于泥質(zhì)成分中存在大量易于水反應(yīng)的黏土礦物，巖石遇水后極不穩(wěn)定，所以本礦區(qū)的砂質(zhì)泥巖具有兩面性，一種是自然狀態(tài)下堅硬的巖石性質(zhì)，一種是遇水迅速泥化崩解的泥土性質(zhì)，所以上海廟礦區(qū)砂質(zhì)泥巖的性質(zhì)是介于泥土與巖石之間的一類特殊的性質(zhì)。

1.2 X射線衍射試驗

采用德國D8X射線衍射儀進(jìn)行X射線衍射試驗，X射線衍射試驗可以測出礦物的相對含量及黏土礦物相對含量，從礦物所占比例探索巖石的宏觀性質(zhì)。

表3 X－射線衍射分析報告

表4 黏土礦物X－衍射分析報告

砂巖是一種沉積巖，大多數(shù)砂巖由石英和長石組成，其含量一般大于50%，X－衍射試驗發(fā)現(xiàn)1組、3組、4組、5組石英與長石含量略高于50%，2組、6組石英與長石含量不到50%，表明巖石的砂巖性質(zhì)不顯著，泥巖是由泥巴及黏土礦物固化形成的沉積巖，主要由黏土礦物組成，試驗中發(fā)現(xiàn)所有組黏土礦物均低于50%表明泥質(zhì)部分不是巖石主體，而是起到主導(dǎo)粘結(jié)性的作用，這從微觀角度證明了上海廟礦區(qū)砂質(zhì)泥巖的這種特性。一系列勘察及試驗發(fā)現(xiàn)地質(zhì)特點(diǎn)如下：煤層埋深均大于400m，處于深度大地壓地層，地層主要由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，黏土礦物以蒙脫石、高嶺石、伊利石為主，屬于大規(guī)模松軟巖層，這使煤礦深部軟巖巷道建設(shè)成為難題。深部巖體處于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，具有高地壓，高滲透壓以及強(qiáng)時間效應(yīng)，煤層所在地應(yīng)力均在20MPa以上，所以在巷道建設(shè)上容易發(fā)生底鼓和內(nèi)墻擠壓現(xiàn)象。支護(hù)時注意支護(hù)剛度，運(yùn)用剛度原理F＝KX（圍巖對支護(hù)體的壓力＝支護(hù)剛度×支護(hù)體位移）在地應(yīng)力穩(wěn)定的情況下提高支護(hù)剛度可以有效防止圍巖變形，遵循新奧法原則，積極利用圍巖自身承載能力，可采用錨桿聯(lián)合錨網(wǎng)支護(hù)提供圍巖預(yù)緊力，加強(qiáng)自承能力，從而提高了巷道的穩(wěn)定性。由臨近礦區(qū)開挖經(jīng)驗可知，斷層周邊伴隨大量次生斷層，當(dāng)巷道推進(jìn)遇到斷層破碎帶時，不宜簡單快速推進(jìn)，應(yīng)進(jìn)行緩慢，高強(qiáng)度，整體支護(hù)，可利用加長錨桿加強(qiáng)斷層破碎帶與巖層穩(wěn)定區(qū)域的聯(lián)接，減少錨桿間排距控制巷道變形，加強(qiáng)整體穩(wěn)定性［5－6］。對斷層帶破碎嚴(yán)重的地段可以考慮錨注聯(lián)合錨梁支護(hù)，對圍巖二次壓力注漿可以改善圍巖力學(xué)屬性，保證巷道順利推進(jìn)。

2 水巖作用特性試驗研究

2.1 耐崩解試驗

研究巖石的崩解特性，經(jīng)過地質(zhì)勘探從現(xiàn)場采取新鮮巖樣按巖性和深度分成6組并密封帶回，采用烘箱，干燥器及耐崩解試驗儀進(jìn)行試驗計算耐崩解系數(shù)。

表5 巖石耐崩解試驗記錄表

圖1 巖石耐崩解試驗記錄圖

通過下式來計算巖石的耐崩解系數(shù)：

式中：Id2為巖石（二次循環(huán)）耐崩解系數(shù)；Md為原試樣烘干質(zhì)量，g；Mr為殘留試樣烘干質(zhì)量，g。

圖1、表5所示為上海廟鷹駿一礦典型巖石試樣的耐崩解試驗結(jié)果。觀察到3、4、6組在循環(huán)崩解時崩解不劇烈，試驗中崩解池內(nèi)水中僅有少量粉砂和泥質(zhì)沉淀；此三組的平均耐崩解系數(shù)較高Id2＝92.4，聯(lián)系表3觀察發(fā)現(xiàn)，其黏土礦物含量相對較低。2、5組在第一次循環(huán)時就出現(xiàn)劇烈崩解現(xiàn)象，迅速崩解，且伴有大量泥沙沉淀，平均耐崩解系數(shù)僅為Id2＝28.0；因此2、5組具有崩解速度快、時間短、耐崩解系數(shù)低的特點(diǎn)。機(jī)理在于只有2組、5組黏土礦物含量超過40%，其他組最高為23%。表明黏土礦物含量越高，巖石對水的敏感度越高，崩解越劇烈。聯(lián)合觀察表3、表4、表5發(fā)現(xiàn)2組黏土礦物含量為41%，5組為43%，相差不到2%，但2組耐崩解系數(shù)比5組大55.9，5組崩解程度遠(yuǎn)比2組劇烈，原因在于2組黏土礦物中高嶺石占4%，5組占68%，2組蒙脫石相對含量為68%，5組為0%，在相同的黏土礦物含量下，5組高嶺石的相對含量遠(yuǎn)大于2組，高嶺石含量越高遇水后越容易崩解，2組富含蒙脫石，但崩解效果遠(yuǎn)不及5組，說明蒙脫石對巖石崩解的影響不及高嶺石。2組黏土礦物含量比1組大3倍，黏土礦物含量越高崩解效果應(yīng)越明顯，但1組與2組耐崩解系數(shù)僅差9.9，崩解效果差別不大，這也與高嶺石在黏土礦物中的含量有關(guān)，1組黏土礦物含量雖然小于2組，但1組黏土礦物中高嶺石占83%遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2組。綜上這些現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：黏土礦物中高嶺石是影響上海廟礦區(qū)巖石劇烈崩解的根本原因。巖石在自然風(fēng)干狀態(tài)下，高嶺石起到固態(tài)粘結(jié)性作用（彼此分立的顆粒被高嶺石焊接在一起）是巖樣呈堅硬狀的重要因素，水的介入使高嶺石的性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟鄳B(tài)滑動性，減小了顆粒間的咬合摩擦和整體粘結(jié)性，導(dǎo)致巖石在崩解試驗中部分巖樣迅速崩解，所以2組、5組迅速劇烈崩解的特點(diǎn)是富含高嶺石引起的。

2.2 軟化試驗

軟化試驗的目的是測出巖石的軟化性，軟化性代表了巖石浸水后抗壓強(qiáng)度下降的程度。根據(jù)巖石的巖性分6組，每組分2小組試驗，小組試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得出各組軟化系數(shù)見表6。

表6 軟化試驗結(jié)果計算表

巖石軟化程度常用軟化系數(shù)來衡量，軟化系數(shù)是巖樣在飽和吸水狀態(tài)與自然風(fēng)干狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度的比值即：

式中：ηc為巖石的軟化系數(shù)；σcω為飽水巖樣的抗壓強(qiáng)度，MPa；σc為自然風(fēng)干巖樣的抗壓強(qiáng)度，MPa。

觀察表7發(fā)現(xiàn)：1組、3組、4組風(fēng)干單軸抗壓強(qiáng)度較高三組平均值σc＝39MPa；2組、5組、6組強(qiáng)度較低三組平均值σc＝13.45MPa；自然風(fēng)干狀態(tài)下1組3組4組的單軸抗壓強(qiáng)度是2組5組6組的一倍至兩倍。聯(lián)合觀察表3表、4表、7發(fā)現(xiàn)：2、5、6組黏土礦物含量是1、3、4組的一倍至二倍；可見試樣的黏土礦物含量與抗壓強(qiáng)度成反比；巖樣黏土礦物含量越高單軸抗壓強(qiáng)度越低。3組4組比較特殊，自然風(fēng)干狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度分別是49.85MPa、40.22MPa大于30MPa呈堅硬狀具有非軟巖性質(zhì)，但試驗中發(fā)現(xiàn)3組4組巖石軟化系數(shù)在0.1左右，基本上失去抗壓強(qiáng)度，泥化現(xiàn)象嚴(yán)重具有泥巖性質(zhì)，這再次驗證了上海廟礦區(qū)砂質(zhì)泥巖的這種類巖石特性。

針對上海廟大規(guī)模松軟地層，巷道建設(shè)時首先應(yīng)掌握礦區(qū)地應(yīng)力分布及規(guī)律，了解地質(zhì)構(gòu)造特征［7－10］，確定與地應(yīng)力耦合的軟媒巷道斷面形狀［11－12］，可采用以智能專家為基礎(chǔ)的錨網(wǎng)支護(hù)巷道自動設(shè)計系統(tǒng)，進(jìn)行符合實(shí)際情況的多元化支護(hù)，對2煤的厚煤層綜放開采可采用模糊聚類分析方法研究圍巖與支架相互作用關(guān)系，考慮多種不確定因素影響［13－14］。最后對深部巷道破裂圍巖關(guān)鍵塊體采取及時合理的支護(hù)，確保圍巖的穩(wěn)定性，保證礦山的安全建設(shè)［15］。

3 結(jié)論

1）X射線衍射試驗表明，黏土礦物以蒙脫石、高嶺石、伊利石為主，這幾類黏土礦物本身親水性高。尤其蒙脫石有很強(qiáng)的陽離子交換能力，吸水后易膨脹。巷道推進(jìn)中應(yīng)注意圍巖吸水產(chǎn)生的膨脹及泥化問題，避免巷道完工后產(chǎn)生低臌和內(nèi)墻擠壓的現(xiàn)象發(fā)生。

2）由崩解，軟化試驗發(fā)現(xiàn)，巖石在自然風(fēng)干狀態(tài)下結(jié)構(gòu)緊密較堅硬，具有巖石性質(zhì)。與水反應(yīng)后崩解劇烈、軟化現(xiàn)象嚴(yán)重，具有泥巖性質(zhì)。所以上海廟礦區(qū)砂質(zhì)泥巖是介于泥土與巖石之間的類巖石。

3）在地下工程支護(hù)過程中，主要防止圍巖與水接觸，要及時排水疏干減少與水接觸的機(jī)會，圍巖的變形破壞就會得到有效緩解。當(dāng)遇到工程性質(zhì)極差的底層時，應(yīng)考慮采用二次壓力注漿的方法，改善圍巖力學(xué)屬性，加大圍巖強(qiáng)度進(jìn)行圍巖加固的措施。

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