沙吉海煤礦半固結含水砂巖工程地質特性實驗*

呂曉磊 王曉雷 閆順璽

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.神華國能和豐煤電有限公司)

沙吉海煤礦半固結含水砂巖工程地質特性實驗*

呂曉磊1,2王曉雷1閆順璽1

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.神華國能和豐煤電有限公司)

以沙吉海礦井第一水平為試點，采用現場調查、工程資料分析及實驗室測試等綜合技術手段，對礦井已揭露巖體的宏觀特征、微觀結構及物化成分進行了多方位的分析研究。實驗結果表明，B10煤層覆巖強度較低，極易風化，不利于覆巖破壞控制，半固結中、粗砂巖的礦物成分以石英礦物為主，其微觀結構較差，存在大量的溶蝕孔，由此詮釋了礦區巷道巖體松軟和強度較低的根本原因和內在因素，為制定可靠、穩定支護對策提供了依據。

半固結含水砂巖 宏觀特征 微觀結構 物化成分

半固結含水砂巖是侏羅系中生代地層中特殊的賦存形態，在新疆煤炭資源開發過程中，大南湖、和什托洛蓋、伊寧、昭蘇等礦區都有揭露，在我國東部礦區，因對該類地層工程地質特性掌握不夠，曾發生過多起潰水、潰砂、壓架等災害，造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。而新疆地區煤炭資源開發時間較晚，對本地區半固結含水砂巖工程地質特性研究較少，對該類地層認識不夠深入。

沙吉海礦位于新疆和什托洛蓋特大型煤田內,地處克拉瑪依、塔城、阿勒泰三地市交界處,交通十分便利。井田面積約27.4 km2，可采儲量4.7億t，煤層賦存于侏羅系中統西山窯組地層中，可采煤層共14層。礦井首采B10煤層總體呈單斜狀，煤層傾角為10°～16°，平均為13.7°，走向起伏為0°～6°。平均厚5.38 m，為結構簡單、全礦井可采穩定的厚煤層[1]。

半固結含水砂巖在B10煤層頂板以上100 m范圍內平均占比達46.87%，鉆探巖芯和采掘施工揭露都表明，該地層主要為中、粗粒砂巖，膠結性差，呈半固結狀態，遇水松散，強度低于泥巖和細、粉砂巖，屬于軟弱含水砂巖，其工程地質特性與正常膠結的中、粗砂巖及軟弱泥巖具有顯著的特殊性，并最終影響B10煤層采掘過程中的圍巖控制問題[2]。B10煤層采用綜合機械化放頂煤開采工藝，開采強度高、采動影響大，一旦開采波及到上覆半固結砂巖含水層，將對礦井的安全生產造成影響。為此，有必要專門對沙吉海煤礦B10煤層頂板的半固結含水砂巖的工程地質特性進行研究，為安全開采提供技術依據[3]。

1 巖(煤)體分組及取樣

以沙吉海礦井第一水平(+550 m)以上所有巖層為主線，根據實際揭露巖(煤)層進行布點、取樣。將該巷道圍巖分為3個不同的工程巖組：①煤體巖組(B10煤層)；②泥巖組(泥巖、泥質粉砂巖)；③砂巖組(中砂巖、細砂巖、粉砂巖)。采用取樣鉆機現場取樣，蠟封并加工成標準件，進行相應實驗研究。

2 宏觀特性

半固結砂巖是沙吉海煤礦B10煤層頂板賦存的一層厚度大、沉積穩定的含水層，在井巷掘進和地面覆巖破壞觀測鉆孔施工期間，該地層均有揭露(圖1、圖2)，可以看出，巖性為中、粗砂巖，呈砂狀結構、厚層狀構造，碎屑含量在90%以上，層理較為發育，結構松散，暴露后風化松散嚴重，遇水極易沙化[4]。

沙吉海煤礦B10煤層頂板的半固結砂巖經采掘揭露后，在巖塊搬運過程中遇水即沙化成散體，在含水量達到一定程度后甚至具有流動性(圖1(b))。在覆巖破壞觀測鉆孔施工期間，由于強度低、膠結性差，常規取芯手段無法保證取芯率，通過取煤器對該段巖層取芯，巖芯采取率在80%以上，但巖芯極為破碎，呈散體狀和塊狀(圖2)，完全失去了地層原有的層序性。在施工現場分別選取泥巖、粉砂巖和粗砂巖進行巖塊的水穩定性測試(圖3)，塊狀粗砂巖在浸水10 s后即完全散開呈顆粒狀(圖3(b))，表明沙吉海煤礦半固結粗砂巖的水穩定性極差。

綜合來看，沙吉海煤礦B10煤層頂板半固結含水砂巖宏觀特性表現為強度低，膠結性極差，水穩定性差，遇水極易松散，含水量達到一定程度后具有流動性。

圖1 采掘作業期間揭露的半固結砂巖特性

圖2 覆巖破壞觀測鉆孔中、粗砂巖巖芯

圖3 沙吉海煤礦不同巖性巖塊水穩定性測試

3 微觀結構分析

3.1 實驗儀器及試樣制備

為研究沙吉海煤礦半固結含水砂巖微結構特征，采用高倍掃描電鏡、圖形采集及處理系統(圖4)。本實驗對試件尺寸無嚴格要求，取原樣品一小塊即可，并加工成小薄片。

圖4 掃描電鏡(SEM)及圖像處理系統

3.2 實驗結果分析

采用高倍掃描電鏡對B10煤層覆巖中砂巖和泥巖取樣進行掃描，中砂巖掃描電鏡結果(圖5)顯示，當放大至1 000倍時，可見巖體內發育15 ～60 μm的微裂縫；當放大至2 500倍時，可見巖體的裂隙、微裂隙及溶蝕孔；當放大至10 000倍時，可觀察到粒表溶蝕坑內的粒狀高嶺石。泥巖電鏡掃描結果(圖6)顯示，當放大5 000倍時，可觀察到巖樣內5 ～10 μm的微裂隙較為發育，且貫通性好；當放大10 000倍時，可見巖樣中表面存在片狀伊利石、粒表片絮狀I/S混層與溶蝕坑。

圖5 中砂巖電鏡掃描結果

圖6 泥巖電鏡掃描結果

通過巖樣的掃描電鏡結果分析可知，B10煤層頂板的中砂巖存在大量的溶蝕孔，同時孔隙和微裂隙較為發育，且貫通性較好；在泥巖中，裂隙較為發育且存在大量的微溶孔，同時裂隙中充填大量的片狀高嶺石及膨脹性較強的片絮狀I/S混層黏土礦物。由此可見，B10煤層頂板半固結中、粗砂巖的微觀結構較差，巖體中發育的微裂隙及裂縫極易在地應力場及采動應力場的疊加作用下張開、擴大和聯通，進一步降低圍巖的整體性和抗采動破壞能力，尤其是在地下水影響下，采動后粗砂巖極易受水的耦合作用沿弱結構面產生剪切滑移變形，形成大規模失穩效應[5]。

4 礦物組分實驗

4.1 實驗設備及試樣制備

本實驗對試樣尺寸無特殊要求，取原樣中的一小塊即可，并研磨成手指感覺不到顆粒的細粉末，在玻璃上做成薄片，采用X射線衍射儀測試(圖7)。

4.2 實驗原理及方法

X射線衍射儀的X光是由電子在高壓作用下轟擊鉬靶而產生的，當X光射入原子有序排列的晶體時，會發生類似于可見光入射到光柵時的衍射現象，然后通過X射線衍射儀觀察主要礦物粉末的反射波結果。根據標準物質的粉末峰值d進行內插，求得未知物質各粉末峰值d，對比確定礦物種類、名稱，波峰的高度表示該礦物含量大小，波峰越高，含量越大，反之亦然。

4.3 實驗結果分析

半固結砂巖的礦物成分及相對含量實驗結果見表1、表2。可以看出，中、粗砂巖的礦物成分以石英為主，含量在50%以上，黏土礦物成分的總量相對較高，占總量16.4%～26.3%，其黏土礦物主要以高嶺石、伊利石和綠泥石為主，上述3種礦物相對含量累計占黏土礦物總量65%以上，除個別樣品外，蒙脫石相對含量較低，不足20%；細砂巖的石英礦物和黏土礦物絕對含量與粗砂巖相當，但其黏土礦物成分主要以伊-蒙混層、伊利石及高嶺石為主；而泥質粉砂巖的石英礦物含量相對較低，黏土礦物絕對含量達55.7%，以高嶺石、伊利石和綠泥石為主。

表1 全巖礦物種類及含量

表2 黏土礦物種類及相對含量

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

礦物成分的顯著差異決定了沙吉海煤礦半固結中、粗砂巖工程地質特性相比細砂巖和粉砂巖具有特殊性，其膠結性差，黏土礦物含量較低且不具有膨脹性，遇水結構松散使得抗采動性能較差，采動裂縫難以彌合，透水性好。

5 結 論

(1)在B10煤層覆巖中含量達46.87%的半固結中、粗砂巖強度較低，極易風化，遇水極易沙化，抗采動性能差，不利于覆巖破壞的控制。

(2)礦區內半固結中、粗砂巖的微觀結構較差，存在大量的溶蝕孔，同時孔隙和微裂隙較為發育，且貫通性較好，極易在地應力場及采動應力場的疊加作用下張開、擴大和聯通，進一步降低圍巖的整體性和抗采動破壞能力，尤其是在地下水影響下，采動后極易受水的耦合作用沿結構弱面產生剪切滑移變形，形成大規模失穩效應。

(3)半固結中、粗砂巖的礦物成分以石英礦物為主，含量在50%以上，黏土礦物成分的總量相對較高，占總量16.4%～26.3%，其黏土礦物主要以高嶺石、伊利石和綠泥石為主，均為比較穩定的非膨脹性礦物，采動裂縫形成后難以彌合。

[1] 王曉雷,劉治國,呂曉磊.沙吉海煤礦礫巖層礫石粒度及強度特征分析[J].煤礦開采,2012(2):26-28.

[2] 王曉雷.軟巖層理結構效應試驗研究[D].北京：中國礦業大學,2013.

[3] 趙術江.煤層極松散礫石頂板特性及支護對策[J].采礦與安全工程學報,2014(4):537-543.

[4] 張建功,李東發,王建軍.新疆和什托洛蓋礦區侏羅系含水復合超軟巖治理[J].現代礦業,2014(2):44-47,51.

[5] 李東發,趙術江,王曉雷，等.新疆和什托洛蓋礦區侏羅系軟巖特性實驗研究[J].煤層開采,2013(5):10-13.

*河北省教育廳項目(編號：QN2015041)；華北理工大學研究生創新項目(編號：2016B07)。

王曉雷(1979—)，男，副教授，063210 河北省唐山市曹妃甸區唐山灣生態城渤海大道21號。

2016-10-19)

呂曉磊(1982—)，男，主任，工程師，834411 新疆塔城地區和豐縣和什托洛蓋鎮。