岱莊煤礦11605工作面底板巖層微結(jié)構(gòu)及水穩(wěn)性

賈廣偉，郝 飛，姚振武，孟 輝

(1. 濟(jì)寧市國(guó)土資源局，山東 濟(jì)寧 272017；2. 淄博礦業(yè)集團(tuán)岱莊煤礦，山東 濟(jì)寧 272051)

岱莊煤礦11605工作面底板巖層微結(jié)構(gòu)及水穩(wěn)性

賈廣偉1，郝 飛2，姚振武2，孟 輝2

(1. 濟(jì)寧市國(guó)土資源局，山東 濟(jì)寧 272017；2. 淄博礦業(yè)集團(tuán)岱莊煤礦，山東 濟(jì)寧 272051)

開展受承壓水威脅煤層底板巖層成份、微結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)性研究，獲取其阻水性能，是煤礦防治水的重要工作.基于岱莊煤礦受高承壓水威脅的下組16煤層首采11605工作面煤層底板巖性阻水性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了岱莊煤礦下組16煤層底板不同巖層的組成成份、微結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)性特征，為岱莊煤礦承壓水防治提供了科學(xué)的計(jì)算參數(shù).

承壓水威脅；巖層微結(jié)構(gòu)；水穩(wěn)性；實(shí)驗(yàn)研究

淄博礦業(yè)集團(tuán)岱莊煤礦位于山東濟(jì)寧(北)煤田，其下組16煤開采受底板十三灰和奧灰強(qiáng)承壓含水層威脅.對(duì)煤層底板巖層阻水性開展研究，是確保受承壓水威脅煤層安全開采的有效途徑之一.岱莊煤礦在以往相關(guān)地質(zhì)補(bǔ)勘和科研工作中雖然已經(jīng)積累了一些煤系地層的物理力學(xué)和水理性實(shí)驗(yàn)成果，但缺少針對(duì)下組煤首采面底板巖層的相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料.本文通過(guò)岱莊煤礦16煤首采11605工作面現(xiàn)場(chǎng)編錄和取樣，在進(jìn)行大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到11605工作面底板巖層成分、微觀結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)性[1-2]參數(shù)，為科學(xué)評(píng)價(jià)11605工作面底板阻水能力提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 底板巖層巖性及微觀結(jié)構(gòu)特征

1.1 巖性組合特征

11605工作面及臨近區(qū)域底板主要由黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、雜色泥巖(鋁質(zhì)泥巖、鐵質(zhì)泥巖)、中細(xì)砂巖、薄層灰?guī)r和煤層等組成.從力學(xué)性質(zhì)和水穩(wěn)性特征角度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)編錄和取樣特征以十三灰為界把煤層底板巖層劃分為層段1、層段2和層段3三個(gè)層段.其中層段1包括直接底板的普通泥巖和細(xì)砂巖；層段2是十三灰；層段3為雜色泥巖，主要包括鐵質(zhì)泥巖和鋁質(zhì)泥巖，見圖1.

圖1 鉆孔柱狀及巖組劃分示意圖Fig.1 Drill hole column and fabric partition diagram

1.2 物質(zhì)成分與微觀結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)X光衍射、熒光分析和掃描電鏡對(duì)巖樣的要求，分別選取三個(gè)層段有代表性的巖樣，其中X光衍射和熒光分析樣品要求磨成粉末，粒度在300目以下(小于48nm)；掃描電鏡巖樣制成手指甲塊狀大小，并要有代表性的斷面進(jìn)行分析.

1.2.1 物質(zhì)成分(表1)

1) 普通泥巖

首采面及附近直接底板普通泥巖的礦物組成以粘土礦物和石英為主，其中高嶺石含量較高，其他為伊利石和長(zhǎng)石，但含量相對(duì)較低(圖2).化學(xué)成分以硅鋁為主，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)66.33%，其次為Al2O3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.15%，并含有一定量的鐵、鈣、鎂、鉀、鈉、磷等.

2) 砂巖

16煤層底板砂巖主要為粉砂巖和細(xì)砂巖.其中，太原組粉細(xì)砂巖分布較穩(wěn)定，厚度較大，巖心的RQD指標(biāo)為55%左右，屬中等完整性，礦物成分以石英和粘土礦物為主，其中高嶺石含量較高，其它的伊利石、云母和菱鐵礦等含量相對(duì)較低(圖3).化學(xué)成分仍以硅鋁為主，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)63.64%，其次為Al2O3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.79%，并含有一定量的鐵、鈣、鎂、鉀、鈉、硫、磷等.

表1 底板不同類型巖石成分的熒光實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
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/%巖性0.2650.35423.1566.332.190.191.30.150.045.46砂巖0.4590.94821.7963.643.560.378.980.360.65灰?guī)r0.0360.4311.374.970.0454.60.620.40.130.2937.7鐵質(zhì)泥巖0.2450.93321.3656.382.780.3811.560.530.320.125.51鋁質(zhì)泥巖0.2580.58523.4555.952.170.2311.090.20.155.45

3)灰?guī)r

完整性較好，鉆探巖心較完整，RQD質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般超過(guò)80%.礦物組成比較單一，以方解石為主，含少量白云石(圖4).化學(xué)成分以碳酸鹽巖為主，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)54.60%，其次為CO2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.70%，并含有一定量的鐵、硅、鋁、鉀、鈉、磷等.

4)雜色泥巖

鐵質(zhì)泥巖礦物成分主要由石英、黃鐵礦和高嶺石組成(圖5)，并含有少量的云母和長(zhǎng)石.化學(xué)成分以石英為主，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)56.38%，其次為Al2O3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.36%，并含有一定量的鐵、鉀、鈉、硫、磷等.

鋁質(zhì)泥巖礦物成分主要由石英和高嶺石組成(圖6)，并含有少量的伊利石、云母和長(zhǎng)石.化學(xué)成分與鐵質(zhì)泥巖基本相似.

泥質(zhì)巖的完整性受構(gòu)造作用和巖層原生結(jié)構(gòu)影響比較明顯，構(gòu)造作用的影響一般表現(xiàn)為局部性，引起構(gòu)造部位巖層的明顯破碎；原生結(jié)構(gòu)的影響則比較全面，反映為泥質(zhì)巖中普遍結(jié)構(gòu)微裂隙比較發(fā)育，且因巖性不同而表現(xiàn)出不同程度的差異：粉砂質(zhì)泥巖和鋁質(zhì)泥巖的水平層理相對(duì)發(fā)育，RQD相對(duì)較低，多在40%以下，部分層段甚至低于25%；鐵質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖則具有塊狀結(jié)構(gòu)特征， RQD多在38%～50%范圍.總體上看，泥質(zhì)巖類的完整性在深處稍好于淺部，依據(jù)RQD指標(biāo)對(duì)巖層質(zhì)量作等級(jí)劃分，多數(shù)泥質(zhì)巖層的巖層完整性屬較差等級(jí).

圖2 普通泥巖XRD譜圖Fig.2 The XRD spectrum of the ordinary mudstone

圖3 砂巖XRD譜圖 Fig.3 The XRD spectrum of the sandstone

圖4 灰?guī)rXRD譜圖Fig.4 The XRD spetrum of the limestone

圖5 鐵質(zhì)泥巖XRD譜圖 Fig.5 The XRD spectrum of the iron mudstone

圖6 鋁質(zhì)泥巖XRD譜圖 Fig.6 The XRD spectrum of the aluminum mudstone

1.2.2 微觀結(jié)構(gòu)特征

構(gòu)成11605工作面16煤層底板的主要巖層中，普通泥巖在微觀結(jié)構(gòu)上普通泥巖的孔隙性普遍較低，成絮狀排列，連通性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于砂巖和灰?guī)r，在沒有構(gòu)造條件下具有較強(qiáng)的阻水能力；砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，部分層段為泥質(zhì)和鈣質(zhì)混合膠結(jié)，具塊狀結(jié)構(gòu)，砂巖巖石孔隙性較好，以中小孔隙為主，孔隙度為泥質(zhì)巖的十幾倍；灰?guī)r結(jié)構(gòu)比較疏松，具有一定程度的溶蝕現(xiàn)象；雜色泥巖鐵質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)比較致密，并含有立方體型的黃鐵礦結(jié)核.鋁質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)比鐵質(zhì)泥巖疏松，但比砂巖致密.

2 底板巖石水巖作用

煤層底板隔水巖層遇水作用后的強(qiáng)度和變形性是反映其阻水能力的重要因素[3].由于隔水巖層巖石含有較大比例的粘土礦物，遇水后其力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)會(huì)不同程度地發(fā)生變化，直接影響其阻水能力.為測(cè)試不同溶液浸泡下16煤層底板巖石水巖作用規(guī)律，在自來(lái)水與模擬深部高礦化度礦井水的飽和食鹽水浸泡后并結(jié)合自然浸泡與濕-干交替循環(huán)浸泡條件下，對(duì)以首采面底板5種不同類型巖性的巖樣，兩兩組合進(jìn)行水穩(wěn)性試驗(yàn).

2.1 水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)水穩(wěn)性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)12個(gè)濕-干交替循環(huán)巖樣都發(fā)生了較高程度的崩解現(xiàn)象，而沒有經(jīng)過(guò)烘干的巖樣，除少數(shù)掉渣外，絕大多數(shù)都沒有發(fā)生崩解現(xiàn)象.另外在沒烘干的巖樣中，通過(guò)對(duì)比自來(lái)水和食鹽水對(duì)巖樣的崩解影響看，同種巖樣浸泡前后基本沒有變化.

水巖作用的機(jī)制主要有粘土礦物吸水膨脹、崩解軟化、與水中離子吸附和交換、易溶性礦物溶解與生成機(jī)制、水溶液對(duì)軟巖的微觀力學(xué)作用以及軟巖軟化的非線性化學(xué)動(dòng)力學(xué)等.大量研究已證實(shí)[4]，煤系軟巖的水穩(wěn)性與所含粘土礦物含量及其類型有密切關(guān)系，一般以蒙脫石為主軟巖的水穩(wěn)性最差，其他依次為伊/蒙混層、伊利石、高嶺石等.即使泥巖中蒙脫石含量極少，只要伊利石和高嶺石含量足夠高，巖樣也會(huì)發(fā)生軟化崩解的現(xiàn)象.但本次實(shí)驗(yàn)表明處于深部底板石炭系的不同類型的巖樣，在自來(lái)水正常浸泡條件下，巖樣基本沒有發(fā)生多大變化，而另外10個(gè)巖樣當(dāng)受到吸水-失水-吸水循環(huán)浸泡濕-干作用時(shí)其泥化或崩解速度才非常明顯.

2.2 水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果機(jī)理探究

為探討水巖作用機(jī)理，課題組對(duì)相同巖樣浸泡前后進(jìn)行了熒光和掃描電鏡分析，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)泥巖和灰?guī)r的成分與微觀結(jié)構(gòu)變化較大，而砂巖的相對(duì)變化較小.

1)泥質(zhì)巖類

浸泡前后泥質(zhì)巖中Na2O和K2O含量明顯減少，MgO、CaO、Fe2O3、P、S、Cl和CO2都明顯增加，而Al2O3和SiO2比較穩(wěn)定，含量基本沒變.在微觀結(jié)構(gòu)上，浸泡后泥質(zhì)巖的孔隙明顯大于浸泡前.泥巖主要成分是粘土礦物和石英，與水主要經(jīng)過(guò)溶解、脫碳酸、離子交換和混合作用后，導(dǎo)致巖石內(nèi)部物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，這對(duì)導(dǎo)水通道的形成將起到至關(guān)重要作用[5-6].

2)砂巖類

砂巖在浸泡前后主要成分除了Fe2O3變化較大外，其它成分變化均不大，相對(duì)比較穩(wěn)定，但浸泡前后砂巖孔隙性沒有發(fā)生較大變化.

3)灰?guī)r類

浸泡前后灰?guī)r中Al2O3含量明顯減少，MgO、SiO2、K2O、CaO、Fe2O3、P、Cl和CO2都比較穩(wěn)定，含量基本沒變.在微觀結(jié)構(gòu)上，浸泡后灰?guī)r的孔隙度明顯大于浸泡前.

3 結(jié)論

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了16煤層底板組成巖層的構(gòu)成成份和微結(jié)構(gòu).從岱莊煤礦16煤層底板中泥巖、砂巖雜色泥巖均以石英為主，其次為Al2O3.

(2) 從水穩(wěn)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，浸泡前后泥質(zhì)巖中Na2O和K2O含量明顯減少，MgO、CaO、Fe2O3、P、S、Cl和CO2都明顯增加，而Al2O3和SiO2比較穩(wěn)定，含量基本沒變；砂巖浸泡前后砂巖孔隙性沒有發(fā)生較大變化；灰?guī)r浸泡后灰?guī)r的孔隙度明顯大于浸泡前.

(3)奧灰承壓含水層與16煤層之間間隔穩(wěn)定分布的雜色泥巖，強(qiáng)度較高，水穩(wěn)性較好，是阻隔奧灰水和16煤層之間發(fā)生水力聯(lián)系的關(guān)鍵層位；不僅能緩解奧灰水向上滲透，還可以有效降低底板采動(dòng)破壞程度，從而大大提高底板抵抗靜水壓力的能力.

[1]張文泉，李白英，李加祥. 巖層阻水性能與其結(jié)構(gòu)成分、組合形式的關(guān)系 [J]. 煤田地質(zhì)與勘探,1992(4):45-48.

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[5] 顏標(biāo)，朱術(shù)云，閆鵬飛，等. 深部下組煤底板泥巖與水作用的微觀機(jī)理探討[J].煤礦安全, 2014,45(2):178-180.

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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

賈廣偉，男,jgw1973@126.com

1672-6197(2018)01-0044-04

P597+.2

A

(編輯：姚佳良)