斷層物質微觀結構及含導水性能探究

高傳朋

（山東科技大學，山東 青島 266590）

在我國，煤礦區域水文地質條件復雜多樣，影響礦井底板突水的因素也呈現多樣性。根據研究，底板突水事故的發生主要與巖層斷層有關，有完整隔水層的底板出現突水事故的概率極小。作為巖層移動破碎的產物，斷層破碎帶巖層記錄了許多與斷層活化突水有關的信息[1]，但對于這方面的細致研究卻不多，我們通過SEM、X 射線衍射試驗來探究斷層破碎帶巖石的元素物質及理化性質，分析其對底板導、突水的影響，為研究斷層活化提供更多的研究方向。

SEM 掃描電鏡試驗是利用帶有能量的入射電子束轟擊樣品表面，電子與元素的原子核及外層電子發生單次或多次的彈性與非彈性碰撞，一部分電子被反射出樣品表面，通過掃描電子顯微鏡接收這些信號從而得到訊息，通過分析得到樣品不同放大倍數的表面形貌特征，是我們探究巖石顯微結構常用的試驗手段；X 射線衍射試驗是對物質顆粒進行物質成分鑒定，是粘土礦物鑒定最常用的方式之一，它可以辨別出檢測物質所含有的粘土礦物具體種類，并對物質含有的礦物種類進行定量分析。

陽城煤礦水文地質條件較為復雜，在煤礦采區含有許多斷層構造，這就給我們的開采提出了難題。為了研究斷層構造對于底板突水的影響，我們通過SEM 試驗觀察斷層破碎帶表面微觀形態、構造，通過IPP 軟件分析計算斷層物質處的孔隙率大小，來判斷其斷層活動方式以及其含、導水特性，揭示斷層突水的機理；運用X 射線衍射得到斷層物質各礦物成分含量，對其礦物成分進行量化分析，探究其具體巖石種類及特性，分析其對該處含、導水性能的影響，豐富了我們對于斷層底板突水方面的研究，為實際生產活動提供了現實的指導意義[2]。

1 斷層構造背景

本次試驗所取樣品為陽城煤礦3305 工作面DF53 斷層破碎帶巖樣。該3305 工作面煤層傾角25°～35°，平均29°，煤層平均厚度7.2 m，煤層底板標高-870～ -990 m。該工作面皮順聯絡巷掘進期間揭露DF53 斷層（H=35 m），通過分析其微觀構造、物質組成、孔隙率大小來判斷其導、突水特性。

取形態結構各異的DF53 斷層破碎帶巖樣分成若干組，并進行編號。對巖樣進行理化性質試驗并分析其微觀形態及組成成分結構，繼而判斷其含、導水性能。

2 試驗過程

2.1 SEM 試驗

將巖石樣品進行加工制作，研磨成厚度大約為3 mm 的正方形薄片。用酒精清洗樣品表面碎屑，利用吹風機將其吹干。將薄片進行鍍金處理后，采用JSM-6510LV 高低真空掃描電子顯微鏡進行掃描試驗，得到不同放大倍數下的物質顯微結構，獲取其表面特征及其結構構造。結合EDX 譜圖分析其中所含有的礦物元素種類及含量，對其進行定量分析，判斷巖石種類，獲取其巖石理化性質，并通過圖像分析軟件IPP 測定其滲透率及變化規律。

2.2 X 射線衍射試驗

由于粘土顆粒細小，通常用肉眼及顯微鏡都不能準確鑒定，因此需要采用X 射線衍射法進行礦物成分量化分析。將取自陽城煤礦DF53 斷層的物質用砂紙研磨成手指感覺不到顆粒的細粉末，原則上粒徑在40 μm 之下，之后在玻璃上做成薄片。試驗中采用連續掃描，掃描范圍為10°～80°，掃描度設置為8°/min。試驗完成后用Jade 軟件進行物相檢索，來獲取其中所含有的物相種類，確定其礦物成分含量，判斷巖層所含有的巖石種類及特性，進而分析斷層物質含、導水特性。

3 試驗結果

3.1 SEM 試驗結果分析

通過SEM 試驗獲取5 組巖樣1000 倍、5000 倍、10 000 倍、40 000 倍不同放大倍數下顯微構造圖。各組巖樣放大10 000 倍顯微圖如圖1。

從獲取的微觀結構圖看出，樣品1 表面較為稀疏，巖層表面物質呈顆粒狀，顆粒之間含有較多縫隙，質地較軟，孔隙結構較多，斷層物質受巖層移動剪切破壞較嚴重；樣品2 表面較為致密，顆粒之間聯系緊密，顆粒物質較少，斷層物質受到巖層擠壓影響；樣品5 塊狀物體較多，受到外力碎裂產生碎屑依附在表面，產生較多的孔隙。

為了探究該斷層破碎帶物質含、導水性能，孔隙率作為巖石最重要的數據之一，是我們需要研究的內容。通過獲取的SEM 圖像數據，通過IPP 圖像分析軟件，對斷層物質進行孔隙率測定、分析。為了計算準確，運用圖像分析軟件IPP 對放大倍數1000 倍的圖像進行孔隙率分析測定[3]。

樣品三維孔隙率根據公式（1）計算。

式中：n3D代表三維孔隙率，m為閾值大小，Yi為確定閾值，Ai為該閾值下測得孔隙面積，SA為IPP 軟件選中的區域像素。計算該孔隙率時，為計算方便及準確，步距定為5[4]。計算結果見表1。

表1 各樣品孔隙率

由上表可知，樣品1、2 由于裂隙較多，具有更高的孔隙率，總體斷層破碎帶物質孔隙率在15%～25%左右。相比普通巖層，樣品1、2 具有較高的孔隙率，在深部礦井回采過程中，容易成為導水通道，在礦井水壓力下該處容易形成突水，是需要防范的重要部位。

獲取的樣品5 掃描電鏡能譜圖如圖2，繪制的對應樣品元素含量表見表2。

圖2 樣品5 掃描電鏡能譜圖

表2 樣品5 元素含量表

從上圖2 看出，樣品5 巖石呈灰白色，表面粗糙，表層有黃色結晶物質。從圖2 和表2 可以看出，樣品5 中主要元素為O、C、Si、Pt、Fe、S，即可以推測樣品05 主要成分為SiO2、Al2O3、鉑族礦物、黃鐵礦；另外，樣品中還含有少量的Al、K、Mg等元素。含有鉑族礦物，鉑族礦物與水化硅酸鹽綠泥石密切共生。

根據巖石重要礦物組成成分及獲取的數據分析，可判斷該斷層物質主要礦物組成為石英、石灰石、剛玉、鉑族礦物、黃鐵礦等物質，另外還有多種礦物組成成分，成分構成較為復雜。

至于斷層物質中所含有的粘土礦物，根據常見黏土礦物元素成分特征參考表可以判斷斷層物質粘土礦物主要為高嶺石、蒙脫石、伊利石等。這些礦物顆粒極細，顆粒多為細鱗片晶體集合體。該巖石種類就使得斷層物質吸水性較強，吸水膨脹，具有較好的可塑性，該理化性質可為防治斷層突水提供切實的落腳點。

3.2 X 射線衍射試驗結果分析

通過對斷層破碎帶物質粉末進行X 射線衍射試驗來對其所含礦物種類進行定性、定量分析，以更好地判斷其物化特性，結果如圖3。

圖3 X 射線衍射

根據獲取的斷層破碎帶物質衍射圖譜，利用JADE 軟件對其中所含有的礦物種類進行定性、定量分析，獲取結果如圖4。

圖4 斷層物質礦物定量分析圖

通過獲取的斷層物質X 射線衍射圖譜，對照標準物質圖譜分析，每個峰值代表一種物質，利用軟件定量分析模塊，得到該斷層物質含有的礦物種類主要為：石英、高嶺石、剛玉以及白云石等，其相對含量為：白云石占6.6%，剛玉占34%，石英占48.6%，高嶺石占10.8%。高嶺石作為粘土礦物，遇水易膨脹，斷層物質在高嶺石等粘土礦物的影響下，容易吸收底板水發生泥化軟化效應，降低斷層處的孔隙率，減弱斷層處的含、導水能力[5]。

4 結論

（1）通過SEM 試驗對斷層破碎帶物質進行掃描試驗，發現斷層破碎帶物質結構較為致密且分散，有巖層擠壓痕跡，表面含有微小顆粒，顆粒之間裂隙較大，斷層處受到剪切破壞較嚴重。采用IPP 圖像分析軟件對獲取的圖像文件進行分析判定，斷層物質處孔隙率可達到15%～25%，相較其他巖層具有較大的孔隙率，容易成為礦井水導升的通道。

（2）通過對斷層破碎帶進行能譜圖分析及X射線衍射試驗，能夠知道斷層破碎帶含有大量的元素，主要物質為石英、剛玉、鉑族礦物及黃鐵礦等。另外，其中還含有大量的以高嶺石為主的粘土礦物，該類礦物遇水膨脹，能夠減小斷層間的孔隙，降低斷層處的導水性能，增加斷層阻隔水的能力。