亭南煤礦強膨脹性軟巖巷道底臌變形力學機制

楊曉杰,龐杰文,婁浩朋

(1.中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083;2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京100083;3.中國礦業(yè)大學(北京)國家能源深井安全開采及災(zāi)害防治重點實驗室,北京 100083)

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亭南煤礦強膨脹性軟巖巷道底臌變形力學機制

楊曉杰1,2,3,龐杰文1,2,3,婁浩朋1,2

(1.中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083;2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京100083;3.中國礦業(yè)大學(北京)國家能源深井安全開采及災(zāi)害防治重點實驗室,北京 100083)

摘 要:針對亭南煤礦西翼軌道大巷的底臌防治難題,運用軟巖工程力學理論,分析了底板泥巖的黏土礦物成分和結(jié)構(gòu)及其遇水膨脹強度軟化的特性,提出了軟巖巷道的底臌變形力學機制。研究結(jié)果表明:底板泥巖的黏土礦物含量高達50.9%,主要黏土礦物成分為高嶺石和伊/蒙混層礦物,具有強膨脹性;泥巖遇水后的軟化特性明顯,在暴露20 h后,強度衰減系數(shù)為0.72,35 h時強度衰減系數(shù)為0.61,開挖后必須及時對底板泥巖進行封閉;底臌變形破壞主要受分子吸水膨脹、膠體膨脹、構(gòu)造應(yīng)力、工程偏應(yīng)力、軟弱夾層等多種因素影響,其變形力學機制為IABIIABDIIIBA型;根據(jù)該復合型變形力學機制,提出了鋪設(shè)干石灰粉、開挖反底拱和安裝底角錨桿的綜合支護對策,經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用,效果良好。

關(guān)鍵詞:軟巖巷道;底臌;膨脹性軟巖;變形力學機制;亭南煤礦

責任編輯:韓晉平

楊曉杰,龐杰文,婁浩朋.亭南煤礦強膨脹性軟巖巷道底臌變形力學機制[J].煤炭學報,2015,40(8):1761-1767.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1217

亭南煤礦位于彬長礦區(qū)中部,采用立井單水平傾斜長壁采煤法開采,井田煤系地層屬中生界侏羅系地層,埋深在460~550 m,成巖較差,含膨脹性礦物。西翼軌道大巷埋深約463 m,底板為泥巖,嚴重段為鋁質(zhì)泥巖,具有強膨脹性。在初期掘進時發(fā)生嚴重底臌,平均底臌量達400~500 mm,底板變形破壞問題嚴重,后經(jīng)過多次落底返修,耗費了大量的人力、物力和財力,仍不能有效控制底臌變形,給支護與開采帶來了很大的困難,嚴重影響全礦的正常運輸和安全生產(chǎn)。因此,掌握亭南煤礦巷道底臌變形的原因和機理,并采取針對性的支護對策治理巷道底臌變形就顯得非常迫切。

針對底臌機理,國內(nèi)外學者開展了大量的研究。康紅普[1]認為底板彈塑性變形、巖層擴容、巖層遇水膨脹、巖層流變和巖層彎曲斷裂是引起底臌的原因,并將控制對策總結(jié)為支護加固法、卸壓法和聯(lián)合法。姜耀東、陸士良等[2-4]將底臌分為4種類型,分別為擠壓流動型、撓曲褶皺型、剪切錯動型和遇水膨脹型,認為底板巖性、圍巖應(yīng)力、水理作用和支護強度是影響底臌的4個關(guān)鍵因素。李學華、王衛(wèi)軍等[5-6]研究了頂板強度、兩幫強度對底臌的影響,認為提高巷道頂板和兩幫強度可減小巷道底臌量。孫利輝,紀洪廣等[7]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了底板夾層不同分布位置及個數(shù)對巷道底臌的影響,認為夾層數(shù)量越多,位置越接近底板,巷道底臌量越大。劉成、鄭西貴等[8-9]通過對大斷面回采巷道、撓曲褶皺性底臌巷道的底臌機理進行理論推導,認為巷道寬度對底臌有很大的影響。何滿潮提出了軟巖工程力學支護理論,將軟巖變形力學機制分為物化膨脹型、應(yīng)力擴容型和結(jié)構(gòu)變形型,通過分析引起底臌的各種因素,來確定軟巖巷道底臌變形力學機制,并利用合理的轉(zhuǎn)化技術(shù)將復合型變形力學機制逐步轉(zhuǎn)化為單一的變形力學機制[10-15]。針對膨脹性巖石的水理作用,國內(nèi)許多專家[16-20]對巖石的黏土礦物成分,不同應(yīng)力階段圍巖遇水強度弱化及滲透性做了大量研究,而未對吸水時間與圍巖強度弱化的關(guān)系進行研究。

筆者針對亭南煤礦軟巖巷道西翼軌道大巷的膨脹性底臌,首先研究該軟巖巷道的工程地質(zhì)力學特征,分析底板泥巖的黏土礦物成分和結(jié)構(gòu),重點研究底板泥巖遇水強度軟化的特性,在此基礎(chǔ)上,提出該軟巖巷道的底臌變形力學機制及其防治對策。

1 西翼軌道大巷工程地質(zhì)力學特征

1.1 巷道底臌破壞現(xiàn)象

亭南煤礦西翼軌道大巷標高+457.85 m,垂直埋深約463 m,巷道在初期掘進時發(fā)生嚴重底臌,平均底臌量達到400~500 mm,底板變形破壞問題嚴重,后經(jīng)過多次落底返修,仍不能有效控制底臌變形,給支護與開采帶來了很大的困難,嚴重影響全礦的正常運輸和安全生產(chǎn)。巷道底板破壞情況如圖1所示。

圖1　西翼軌道大巷底臌情況Fig.1 Floor heave of Xiyi haulage roadway

1.2 巷道圍巖巖性分析

西翼軌道大巷底板巖性為泥巖,底臌劇烈段為鋁質(zhì)泥巖,泥巖暴露侵水后,發(fā)生巖層泥化、崩解、破裂現(xiàn)象,強度軟化特性明顯。揭露的底板鋁質(zhì)泥巖中節(jié)理、層理等結(jié)構(gòu)面發(fā)育,巖層破碎,工程巖體結(jié)構(gòu)類型為碎裂結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

圖2　底板泥巖碎裂結(jié)構(gòu)Fig.2 Fragmentation structure of the floor mudstone

圍巖強度參數(shù)見表1。泥巖強度平均為16 MPa,巖體強度平均為8 MPa,煤層強度為36 MPa,泥巖強度低于煤層強度是亭南煤礦巖石力學特性的一個顯著特點。

表1　煤層頂、底板巖石力學參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters for the coal seam

1.3 地應(yīng)力場分析

亭南井田位于彬長礦區(qū)中部的路家—小靈臺背斜中段,北跨南玉子向斜軸進入向斜北翼,南入大佛寺向斜北翼。路家—小靈臺背斜通過井田南部,軸部地層近水平,南翼傾角平緩,起伏幅度最大70 m,北翼傾角4°~6°,起伏幅度70~100 m。井田北部為孟村向斜南翼,地層走向N20°E,傾角2°~3°。與路家—小靈臺背斜北翼連接,使井田總體形成簡單的單斜構(gòu)造,大佛寺向斜北翼向北凸出,伸入本井田東南角,地層產(chǎn)狀平緩。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層。構(gòu)造屬簡單類型如圖3所示。現(xiàn)今構(gòu)造地貌格局主要形成于燕山運動和喜馬拉雅運動時期,構(gòu)造事件形成的擠壓應(yīng)力方向為NW—SE[21],即是該井田的構(gòu)造應(yīng)力場方向。

圖3　亭南煤礦地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力場特征Fig.3 Geological structures and the stress field feature of Tingnan Coal Mine

根據(jù)亭南煤礦地應(yīng)力測試結(jié)果,西翼軌道大巷所在區(qū)域的地應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主,最大主應(yīng)力為27.7 MPa,方位角為99°,傾角-4°;最小主應(yīng)力大小為11 MPa,方位角為204°,傾角為-75°;垂直應(yīng)力為11.2 MPa。西翼軌道大巷走向與最大主應(yīng)力方向成15°左右夾角,是引起底臌和非對稱變形的一個重要因素。

2 西翼軌道大巷底板泥巖黏土礦物特征

2.1 黏土礦物成分分析

2.1.1 全巖礦物X射線分析

對8號煤底板鋁質(zhì)泥巖、8號底板泥巖進行全巖礦物X射線分析,X射線衍射圖如圖4所示,所含礦物種類及相對含量見表2。從全巖礦物X射線衍射分析結(jié)果可以看出:8號煤底板鋁質(zhì)泥巖中含有大量的黏土礦物,含量達到50.9%,石英含量為49.1%。8號煤底板黑色泥巖主要以石英和黏土礦物為主,黏土礦物含量為30.8%,石英含量為68.9%,另外含有少量的鉀長石。

圖4　全巖礦物X射線衍射圖Fig.4 X-Ray diffraction diagrams of whole rock minerals

2.1.2 黏土礦物X射線分析

黏土礦物通常是指粒徑小于2 μm含水的層狀硅酸鹽礦物。X射線衍射分析中首先分離(沉降法)出小于2 μm的黏土礦物,在玻璃片上(40 mm× 25 mm)制備樣品,然后分別通過自然狀態(tài)(室溫自然干燥),乙二醇飽和(60°,7.5 h),加熱處理(450°, 2.5 h)等3種狀態(tài)下X射線衍射峰值來定性分析各種黏土礦物種類及其相對含量。各巖樣黏土礦物X射線衍射圖如圖5所示,所含黏土礦物種類及相對含量見表3。

表2　全巖礦物X射線分析結(jié)果Table 2 Results of X-Ray diffraction for whole rock minerals

表3　黏土礦物X射線分析結(jié)果Table 3 Results of X-Ray diffraction of clay mineral

注:S為蒙脫石;I/ S為伊利石與蒙脫石混層;I為伊利石;K為高嶺石;C為綠泥石;C/ S為綠泥石與蒙脫石混層。

圖5　黏土礦物X射線衍射圖Fig.5 X-Ray diffraction diagrams of clay minerals

從X射線衍射分析結(jié)果可以看出,8號煤底板鋁質(zhì)泥巖黏土礦物含量高達50.9%,其中伊/蒙混層含量為18%,高嶺石含量高達71%;黑色泥巖黏土礦物含量高達30.8%,其中伊/蒙混層含量為16%,高嶺石含量高達72%,可見底板圍巖膨脹性較強。在巷道開挖后,由于環(huán)境的變化,泥巖將吸附空氣中的水分和工程用水,遇水易膨脹、泥化,巖體破碎,對軟巖巷道支護十分不利。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用電子顯微鏡對圍巖的微觀結(jié)構(gòu)進行測試分析,測試結(jié)果如圖6所示。蒙脫石、伊/蒙混層在巖石顆粒表面呈片狀、粒表片絲狀,高嶺石在巖石顆粒表面呈粒間片狀,伊利石在巖石顆粒表面呈片狀。局部有溶蝕空洞發(fā)育,充填于巖石顆粒的微裂隙中。巖石微裂隙普遍發(fā)育,連通性好。

3 西翼軌道大巷底板泥巖遇水強度軟化特征

3.1 軟巖遇水強度軟化機理

水對深部巖體的強度損傷特性主要表現(xiàn)在兩方面:一是水對軟巖及結(jié)構(gòu)面通過物理化學反應(yīng),削弱巖石的力學性質(zhì),對巖石產(chǎn)生軟化作用;二是水對不同礦物成分的軟化機理和軟化程度不同,亭南礦底板泥巖含有黏土礦物,水通過對黏土質(zhì)礦物發(fā)生軟化和泥化,對底板巖石強度產(chǎn)生影響。泥巖中的蒙托石/伊利石通過和水分子結(jié)合而產(chǎn)生膨脹,降低巖石骨架的結(jié)合力。亭南底板泥巖中石英等硅酸巖含量較高,遇水后SiO2鍵因水化作用而削弱,從而導致泥巖強度降低。

3.2 底板泥巖遇水強度軟化特征

為了研究底板泥巖強度軟化特征,共加工了6塊底板泥巖試樣,試驗分兩步進行,吸水實驗和單軸壓縮實驗。采用“深部軟巖水理作用測試儀”對各試樣進行吸水實驗,達到規(guī)定吸水時間后結(jié)束吸水,取下試樣并擦去試樣表面水分,稱量其吸水后質(zhì)量,以便準確測量試樣的最后吸水量;采用XTR01型微機控制電液伺服實驗機對試樣進行單軸壓縮實驗。

通過測定不同吸水時間對應(yīng)的泥巖巖樣的單軸抗壓強度,可以得到衰減強度-時間關(guān)系表(表4),強度衰減實驗曲線如圖7所示。從圖7可看出,泥巖受水的作用,強度在遇水后產(chǎn)生不同程度的下降。由于巖體受水的作用,強度在遇水后一般都有不同程度的下降,泥巖遇水的軟化特性明顯,在暴露約20 h后,強度衰減系數(shù)為0.72,35 h時,強度衰減系數(shù)為0.61。可見,吸水后底板泥巖強度大幅度下降,必須及時封閉。同時在生產(chǎn)過程中應(yīng)及時疏干和排除底板積水,防止由于巖石強度驟減而產(chǎn)生底臌和圍巖大變形。

圖6　圍巖結(jié)構(gòu)掃描Fig.6 Scan pictures of surrounding rock structure

表4　底板泥巖衰減強度-時間關(guān)系Table 4 Relation between the intensity attenuation and time

圖7　底板泥巖強度衰減曲線Fig.7 Intensity attenuation curve of thefloor mudstone

4 西翼軌道大巷底臌變形力學機制及其防治對策

4.1 工程軟巖類型的確定

亭南礦西翼軌道大巷埋深463 m,自重應(yīng)力為11.2 MPa,最大水平構(gòu)造應(yīng)力為27.7 MPa。巖塊強度平均16 MPa,而巖體的強度只有4~10 MPa,故巷道巖體介質(zhì)已進入非彈性變形階段。同時,巷道底板泥巖為一軟弱巖層,泥巖性軟易碎,巖體結(jié)構(gòu)較為破碎,掘進過程中出現(xiàn)了底臌嚴重現(xiàn)象,具有結(jié)構(gòu)變形型軟巖的特性。根據(jù)物化成分測試結(jié)果,巷道底板泥巖黏土礦物含量均超過30%,所含黏土礦物中伊/蒙混層和高嶺石含量較高,具有一定的膨脹性。巷道掘進后,由于環(huán)境的變化,泥巖將吸附空氣中的水分和工程用水,產(chǎn)生膨脹變形,對巷道支護十分不利,具有膨脹性軟巖的特性。另外,巷道底臌劇烈區(qū)段揭露的底板鋁質(zhì)泥巖中節(jié)理、層理等結(jié)構(gòu)面發(fā)育,巖層比較破碎,工程巖體結(jié)構(gòu)類型為碎裂結(jié)構(gòu)。因此,可以確定西翼軌道巷底板軟巖類型為HJS復合型軟巖(高應(yīng)力-節(jié)理化-膨脹性)。

4.2 底臌變形力學機制及其防治對策

根據(jù)西翼軌道大巷底板泥巖X射線衍射分析和掃描電鏡實驗結(jié)果,巷道圍巖黏土礦物中伊/蒙混層和高嶺石含量較高,可確定巷道變形力學機制為ⅠAB型,即分子吸水膨脹型和膠體膨脹型。

西翼軌道大巷所受作用力主要為近水平方向的構(gòu)造應(yīng)力,且?guī)徒翘幑こ唐珣?yīng)力大,巷道變形力學機制為ⅡABD型,即構(gòu)造應(yīng)力型+重力型+工程偏應(yīng)力型。

根據(jù)已掘巷道所作的實測地質(zhì)剖面及巷道圍巖宏觀結(jié)構(gòu)特征,巷道底板泥巖為一軟弱巖層,巷道方向與弱層走向近似平行,因此該巷道變形力學機制為ⅢBA型,即弱層走向型。

綜上所述,西翼軌道大巷底臌變形力學機制為ⅠABⅡABDⅢBA復合型變形力學機制,其轉(zhuǎn)化過程如圖8所示。根據(jù)該變形力學機制和轉(zhuǎn)化對策,提出了底板加固方案,即底角錨桿+反底拱聯(lián)合支護技術(shù)。同時,在底板加固支護的基礎(chǔ)上采取防治水措施,巷道挖底后立即鋪干石灰粉墊層,吸收底板水分;及時設(shè)置排水溝,施工積水及時排出,避免底板浸水。以上支護措施經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用效果良好,如圖9所示。

圖8　復合型變形力學機制轉(zhuǎn)化過程Fig.8 Transformation process of the composite deformation mechanical mechanism

圖9　支護效果Fig.9 Picture of the supporting effect

5 結(jié) 論

(1)亭南煤礦西翼軌道大巷底板泥巖的黏土礦物含量高達50.9%,主要黏土礦物成分為高嶺石和伊/蒙混層礦物,具有強膨脹性。

(2)該軟巖巷道底板泥巖遇水后的軟化特性明顯,在暴露20 h后,強度衰減系數(shù)為0.72,35 h時,強度衰減系數(shù)為0.61,開挖后必須及時對底板泥巖進行封閉。

(3)該軟巖巷道底臌變形破壞主要受分子吸水膨脹、膠體膨脹、構(gòu)造應(yīng)力、工程偏應(yīng)力、軟弱夾層等多種因素影響,其變形力學機制為IABIIABDIIIBA型。

(4)根據(jù)該復合型變形力學機制,提出了鋪設(shè)干石灰粉、開挖反底拱和安裝底角錨桿的綜合支護對策,經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用,效果良好。

感謝深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室研究團隊的協(xié)同支持,特致謝忱!

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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

通訊作者:龐杰文(1988—),男,山西運城人,博士研究生。E-mail:pjwfanfan@126.com

作者簡介:楊曉杰(1968—),男,山西萬榮人,教授。Tel:010-62339107,E-mail:yxjcumt@ 163.com。

基金項目:國家自然科學基金資助項目(41040027);北京市自然科學基金資助項目(8142032)

收稿日期:2014-09-15

中圖分類號:TD353

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1761-07