夾河礦深部巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試分析

齊 干，唐強(qiáng)達(dá)

(1.北京市地質(zhì)研究所，北京 100120；2.上海建科建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，上海 200032)

隨著淺部煤炭資源的日益減少，國(guó)內(nèi)外一大批礦區(qū)逐漸轉(zhuǎn)入深部開采階段[1,2]。深部復(fù)雜的地質(zhì)條件和力學(xué)環(huán)境，使巷道圍巖穩(wěn)定性控制成為制約煤礦安全高效生產(chǎn)的主要難題之一[3]。目前，徐州礦務(wù)集團(tuán)所屬11對(duì)礦井中已有8對(duì)采掘深度達(dá)到1000m以下，夾河礦是該集團(tuán)主力生產(chǎn)礦井，目前(800m水平已基本開采結(jié)束)，正向1010m水平延伸。該礦多條巷道在前期掘進(jìn)過程中，由于深部地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地應(yīng)力高、圍巖巖性差等原因，出現(xiàn)了高地壓、大變形、難支護(hù)現(xiàn)象。本文采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、地應(yīng)力測(cè)試、掃描電鏡分析、X射線衍射分析和物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)等手段，對(duì)夾河礦深部巷道圍巖進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)測(cè)試分析，為確定軟巖類型、評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量、研究巷道變形機(jī)制，進(jìn)而有針對(duì)性地提出合理可行的巷道支護(hù)方案，提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 夾河礦深部巷道變形破壞特征

通過對(duì)夾河礦2442工作面上材料道、7446工作面材料道及-1010膠帶機(jī)石門等深部巷道的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該礦深部巷道變形破壞具有如下特征：

(1)頂板下沉嚴(yán)重，離層及網(wǎng)兜現(xiàn)象明顯，造成難以控制。通過對(duì)2442工作面上材料道前期舊支護(hù)形式(錨網(wǎng)索支護(hù))下的變形監(jiān)測(cè)，在75d觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，頂板下沉總最大達(dá)420mm，日均下沉速率5.6mm/d。由于巷道頂板松散、破碎，采用原支護(hù)形式和參數(shù)的巷道，約一半以上地段出現(xiàn)明顯網(wǎng)兜現(xiàn)象，多處地段不得不采用點(diǎn)柱或梯形鋼架作二次支護(hù)(圖1(a))。

(2)兩幫收縮明顯，嚴(yán)重影響通風(fēng)、運(yùn)輸和行人(圖1(b))。據(jù)測(cè)量，在75d觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，兩幫移近總量最大為560mm，日均移近速率7.5mm/d，兩幫收縮明顯部位占2/5以上。

(3)巷道底臌量大(圖1(c))。據(jù)測(cè)量，在75d觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，底板臌出量最大達(dá)1500mm，日均底臌速率20mm/d，遠(yuǎn)超過允許變形量，不得不多次清底，嚴(yán)重影響通風(fēng)運(yùn)輸和生產(chǎn)效率。

(4)支護(hù)體破壞失效嚴(yán)重(圖1(d))。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2442工作面上材料道在使用原支護(hù)形式和參數(shù)掘進(jìn)的100m巷道范圍，斷裂錨桿高達(dá)39根，錨索托盤多處掉落；鋼筋梯也多處發(fā)生剪斷；頂板菱形網(wǎng)嚴(yán)重變形，多處撕裂，不能與托盤連接，失去作用，局部幫錨桿發(fā)生錯(cuò)位，錨固力明顯減?。粠筒扛邚?qiáng)塑料網(wǎng)變形較大，使得局部錨桿體被拉出，失去錨固力。

圖1 夾河礦深部巷道典型變形破壞特征

初步分析夾河礦深部巷道變形破壞的原因，主要有：①深部地質(zhì)條件復(fù)雜，地應(yīng)力高；②深部巷道圍巖巖性差，強(qiáng)度低；③原有支護(hù)形式不合理，支護(hù)強(qiáng)度不足等。因而為解決夾河礦深部巷道支護(hù)難題，需對(duì)該礦深部巷道地應(yīng)力和圍巖結(jié)構(gòu)、成分、物理力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行測(cè)試，為研究確定合理可行的巷道支護(hù)方案提供依據(jù)。

2 深部地應(yīng)力測(cè)試分析

2.1 地應(yīng)力測(cè)試

夾河礦位于徐州復(fù)背斜九里山向斜南翼中段。井田總體為一走向略有變化的單斜構(gòu)造。井田內(nèi)無(wú)大型褶皺，在F1斷層上盤和下盤各發(fā)育有一個(gè)不完整的次級(jí)褶曲。地層產(chǎn)狀沿走向、傾向變化較大，且F1斷層上下兩盤地層產(chǎn)狀有明顯差異。井田內(nèi)發(fā)育大中型斷層共21條，其中落差≥100m的斷層4條，其中正斷層1條、逆斷層3條；落差50～100m的斷層5條，其中正斷層4條、逆斷層1條；落差20～50m的斷層7條，其中正斷層6條、逆斷層1條；落差10～20m的斷層且走向長(zhǎng)度≥100m的斷層5條，全部為正斷層。夾河井田褶曲構(gòu)造及斷裂構(gòu)造分布特征展示出是受不同方向、不同期次的應(yīng)力作用疊加復(fù)合的產(chǎn)物，巷道地應(yīng)力高且異常的現(xiàn)象突出。為了解夾河礦深部地應(yīng)力分布規(guī)律，在-1010皮帶暗斜井石門和-1010回風(fēng)暗斜井，應(yīng)用空芯包體應(yīng)變法[4,5]進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，結(jié)果詳見表1。

分析表1中所示兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，可得出夾河礦深部地應(yīng)力分布存在如下規(guī)律：

①在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)均有二個(gè)主應(yīng)力接近水平方向，最大主應(yīng)力與水平面的夾角平均為9.6°，最小主應(yīng)力與水平面的夾角平均為28.7°；另外一個(gè)主應(yīng)力方向，基本接近于垂直方向，與水平面的夾角平均為60°，最大達(dá)到69.8°。②最大主應(yīng)力位于水平方向，其值約為自重應(yīng)力的1～1.1倍，說(shuō)明該礦區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的。③最大水平主應(yīng)力的走向總體上為北西-南東向，個(gè)別測(cè)點(diǎn)方向偏離較大的原因，與測(cè)點(diǎn)的局部地質(zhì)構(gòu)造和巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。④垂直應(yīng)力基本上等于或者略小于單位面積上覆巖層的重量。

2.2 地應(yīng)力場(chǎng)與區(qū)域構(gòu)造關(guān)系分析

地應(yīng)力測(cè)試的兩測(cè)點(diǎn)都位于F1斷層西北一側(cè)的井田深部。根據(jù)實(shí)測(cè)成果，夾河煤礦最大主應(yīng)力的方向?yàn)槟掀珫|43～60°，平均為51.45°。根據(jù)夾河煤礦7煤開采平面圖和地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)周邊的地質(zhì)構(gòu)造狀況，可以得出如下三點(diǎn)結(jié)論：

①地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)周圍區(qū)域控制性地質(zhì)構(gòu)造是F1逆斷層，最大主應(yīng)力方向與F1逆斷層總體走向近似垂直，這與斷層形成時(shí)的最大主應(yīng)力方向是一致的。②距離地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最近的是SF23正斷層(走向NE，傾向NW，傾角60～80°，落差0～10m，延展長(zhǎng)度170m)，最大主應(yīng)力方向與SF23斷層走向的夾角約為73°。③最大主應(yīng)力方向與該區(qū)域7煤層的走向呈70～90°夾角，夾河煤礦實(shí)測(cè)地應(yīng)力方向如圖2所示。

表1 夾河礦地應(yīng)力測(cè)試成果匯總表

圖2 夾河礦實(shí)測(cè)主應(yīng)力方向圖

3 圍巖結(jié)構(gòu)分析

以2442工作面上材料道為例，巷道頂?shù)装逄卣魅绫?所示。由表2可知，巷道頂板為復(fù)合頂板，局部賦存頁(yè)巖偽頂和2上煤層，易離層冒落，對(duì)巷道掘進(jìn)和頂板控制影響較大。

表2 2442工作面上材料道頂?shù)装逄卣?/p>

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，巷道圍巖主要分為三個(gè)工程巖組：砂巖巖組、頁(yè)巖巖組(包括頁(yè)巖、砂頁(yè)巖)和煤體巖組(包括2煤、2上煤)。巷道圍巖以砂頁(yè)巖為主，局部為煤和砂巖。

3.1 宏觀結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)揭露煤體呈黑色，半光亮型，樹脂光澤，碎塊狀、粉末狀，性脆，參差斷口，節(jié)理發(fā)育。砂頁(yè)巖呈灰黑色，塊狀，節(jié)理發(fā)育，較破碎。砂巖呈灰色～灰白色，塊狀，中～細(xì)粒，較致密(圖3(a))。從現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取心情況看(圖3(b))，取心率和RQD值都偏低，分別僅為46.7%和11.6%，巖體質(zhì)量很差。由此可見，巷道圍巖結(jié)構(gòu)從宏觀上來(lái)看對(duì)穩(wěn)定性控制較為不利。

圖3 巷道圍巖宏觀結(jié)構(gòu)特征

3.2 微觀結(jié)構(gòu)

為查明巷道圍巖的微觀結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場(chǎng)采集了2煤、砂頁(yè)巖和砂巖樣品各一塊，分別進(jìn)行了掃描電鏡試驗(yàn)。圖4為3個(gè)樣品的部分電鏡掃描照片。

圖4 巷道圍巖微觀結(jié)構(gòu)特征

由掃描電鏡分析可見：2煤微裂縫發(fā)育，連通性好，縫中見片狀高嶺石與次生孔隙，粒表見片狀I(lǐng)/S混層及5～10μm溶蝕孔；砂頁(yè)巖具定向結(jié)構(gòu)，見少量微裂隙，粒表可見片狀伊利石、片狀I(lǐng)/S混層與1～3μm溶蝕孔；砂巖中微裂縫約5μm，可見粒表片、絲狀I(lǐng)/S混層及片狀高嶺石、伊利石，溶蝕孔內(nèi)見片狀綠泥石。由此可見，夾河礦深部巷道圍巖的微觀結(jié)構(gòu)較差，在深部高應(yīng)力條件和水的作用下，裂隙很容易擴(kuò)展、連通，易變得更加破碎，是導(dǎo)致巷道大范圍的變形破壞的重要影響因素。

4 礦物成分分析

為確定夾河礦深部巷道圍巖的礦物成分及含量，對(duì)掃描電鏡試驗(yàn)后的3種巖石樣品分別進(jìn)行了X射線衍射分析。其中，砂頁(yè)巖的全巖和黏土礦物X射線衍射圖譜如圖5、圖6所示。據(jù)此可以得出各種巖石的全巖礦物成分、含量及其中黏土礦物的成分及相對(duì)含量，如表3、表4所示。

圖5 砂頁(yè)巖全巖X射線衍射圖譜

圖6 砂頁(yè)巖黏土礦物X射線衍射圖譜

表3 全巖礦物種類及含量

表4 黏土礦物種類及相對(duì)含量

根據(jù)圖5、圖6、表3、表4所列的X射線衍射試驗(yàn)分析結(jié)果，對(duì)巷道穩(wěn)定的不利因素主要有以下兩個(gè)：

①煤中非晶質(zhì)含量較高：煤中非晶態(tài)物質(zhì)含量達(dá)94.7%，而幾乎不含石英(含量?jī)H為0.5%)。一般而言，巖石中非晶態(tài)物質(zhì)含量越高，石英含量越低，巖石的強(qiáng)度就越低，巖石質(zhì)量就越差，對(duì)巷道的穩(wěn)定越不利；②黏土礦物含量高，其中的強(qiáng)膨脹性礦物伊/蒙混層含量也較高，以砂頁(yè)巖的兩個(gè)指標(biāo)為最高。因此，可判定夾河礦深部巷道圍巖屬膨脹性軟巖[6,7]，遇水易膨脹軟化，一方面自身強(qiáng)度大幅降低，另一方面產(chǎn)生較大的膨脹力，對(duì)巷道穩(wěn)定非常不利。因此，在穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)和施工時(shí)，必須對(duì)此有足夠的重視，采取相應(yīng)的措施。

5 物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)分析

為揭示夾河礦深部巷道的變形破壞機(jī)理，確定深部巷道的變形力學(xué)機(jī)制，為巷道穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)提供依據(jù)，在研究巷道進(jìn)行了2個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)施工(部分巖心照片見圖3(b))，將取得的巖心在實(shí)驗(yàn)室制成標(biāo)準(zhǔn)試件，先后進(jìn)行了密度和吸水率試驗(yàn)、比重和孔隙率試驗(yàn)、單軸壓縮及變形試驗(yàn)、浸水單軸壓縮試驗(yàn)、劈裂拉伸試驗(yàn)和浸水劈裂拉伸試驗(yàn)。

表5列出了試驗(yàn)得出的三種不同巖組的物理力學(xué)特性平均值指標(biāo)。由表5可見，巷道圍巖強(qiáng)度普遍較低，尤其是巷道主要揭露的砂頁(yè)巖抗拉強(qiáng)度甚低，僅有1.38MPa，吸水性較強(qiáng)(吸水率為1.39%)。吸水后，一方面強(qiáng)度大幅降低(吸水軟化系數(shù)為0.56)，另一方面巖體膨脹產(chǎn)生較大應(yīng)力，對(duì)巷道穩(wěn)定性控制不利。圍巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，也較好地驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)、成分及含量的分析結(jié)論。

表5 不同巖組的物理力學(xué)特性

6 結(jié)論

(1)夾河礦深部巷道變形破壞具有頂板下沉嚴(yán)重、兩幫收縮明顯、底臌量大和支護(hù)體破壞失效嚴(yán)重等特征，主要原因是深部地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力高、巖性差、強(qiáng)度低、原有支護(hù)形式不合理、支護(hù)強(qiáng)度不足等。

(2)夾河礦深部地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力與水平面的夾角平均為9.6°，走向總體上為北西-南東向，與控制性區(qū)域構(gòu)造(F1逆斷層)總體走向近似垂直。

(3)夾河礦深部巷道圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，微裂隙和溶蝕孔較發(fā)育，連通性好。煤中非晶質(zhì)含量較高，砂頁(yè)巖和砂巖中黏土礦物和伊/蒙混層含量較高，遇水易膨脹軟化。

(4)夾河礦深部巷道圍巖強(qiáng)度較低，孔隙率較大，吸水率較高，吸水后強(qiáng)度更低。

(5)夾河礦深部巷道軟巖為典型的高應(yīng)力-節(jié)理化-膨脹性復(fù)合型軟巖[6]，具有復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制，必須采用有針對(duì)性的耦合支護(hù)對(duì)策。

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