巷道頂板巖層沉積穩(wěn)定性分析

劉洪濤，樊 龍，宋高峰，趙海嘯，湯 達(dá)，韓 斌

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

巷道頂板巖層沉積穩(wěn)定性分析

劉洪濤，樊 龍，宋高峰，趙海嘯，湯 達(dá)，韓 斌

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

為了確定巷道頂板不同區(qū)域的穩(wěn)定性，采用巖芯采取和描述、巖石切片顯微觀測(cè)為主要研究方法，以煤巖沉積學(xué)為理論基礎(chǔ)，以巖層砂泥比值為主要指標(biāo)，將礦井頂板穩(wěn)定性分為Ⅰ～Ⅴ級(jí)。結(jié)果表明:將砂泥比進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，可以做為頂板巖層穩(wěn)定性分類的重要依據(jù)，并據(jù)此得出礦井的頂板穩(wěn)定性分類圖;試驗(yàn)礦井頂板砂巖層強(qiáng)度低、濕式鉆眼時(shí)巖層強(qiáng)度弱化、錨桿錨索錨固質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的主要原因是由于原始沉積環(huán)境的不同而使砂泥比值過(guò)小、泥巖含量大、頂板穩(wěn)定性大部分區(qū)域?yàn)棰蟆跫?jí)所致。在進(jìn)行Ⅳ，Ⅴ級(jí)頂板支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)監(jiān)控巖層強(qiáng)度下降造成的支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

沉積;強(qiáng)度差異性;穩(wěn)定性分類

研究礦井位于神東礦區(qū)，是一座高產(chǎn)高效礦井。研究煤層為該礦現(xiàn)主采煤層，該煤層賦存條件較好，為淺埋煤層。研究礦井回采巷道施工過(guò)程中存在著下列問(wèn)題:巷道圍巖完整性差，掘進(jìn)過(guò)程中頂板常出現(xiàn)局部冒落現(xiàn)象;鉆孔施工時(shí)如采用濕式鉆眼，部分區(qū)域出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，成孔率較低，且由于水的沖洗使得孔壁出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，造成圍巖強(qiáng)度大幅下降［1］，但現(xiàn)場(chǎng)未觀測(cè)出強(qiáng)流變特性，錨索錨桿錨固質(zhì)量差，因此該礦井下多采用干式鉆眼，但也帶來(lái)諸如煤、巖屑沖洗不凈使得錨固劑粘結(jié)質(zhì)量差、局部地段錨桿錨索連同錨固劑被整根拉出等問(wèn)題，同時(shí)由于部分裂隙、輕微離層被煤巖屑堵塞而導(dǎo)致頂板巖層結(jié)構(gòu)窺視工作無(wú)法進(jìn)行，不能及時(shí)掌握頂板穩(wěn)定性變化情況。在頂板穩(wěn)定性研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者從沉積學(xué)、彈塑性力學(xué)角度進(jìn)行了大量的工作［2－6］，同時(shí)分析了冒頂產(chǎn)生的主要原因［6－8］，提出了頂板巖性識(shí)別的方法［9－10］。為了解決該礦的巷道支護(hù)難題，從含煤巖系巖石學(xué)特征角度著手研究礦井不同地段的穩(wěn)定性類別。

1 巖芯采取與巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試

根據(jù)該礦資料顯示，礦井頂板巖層以中、細(xì)砂巖為主，局部含泥巖夾層或極薄煤線。通過(guò)巖芯采取工作，可以較直接地描述出不同層位的巖層類型、巖芯采取率和完整性。取芯鉆孔深度為6m，每1m鉆孔長(zhǎng)度內(nèi)取出的巖芯長(zhǎng)度如圖1所示，共取出6段巖芯。

取芯地點(diǎn)選擇在回采巷道內(nèi)，超前工作面200～800m范圍內(nèi)，該范圍受采動(dòng)影響較小，共采取巖芯7組，取芯地點(diǎn)間隔100m左右。通過(guò)對(duì)多組巖芯采取分析后得出:該礦頂板巖層完整性較差，頂板深部6m范圍內(nèi)巖芯采取率接近50%（巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值遠(yuǎn)小于50%），造成頂板巖層穩(wěn)定性相對(duì)偏低，頂板由淺部至深部的巖性分別為:0.2～0.4m厚的煤層、細(xì)砂巖、中砂巖，局部為粗砂巖，其中中砂巖完整性相對(duì)較好，但局部含裂隙與軟弱夾層，影響了其完整性，細(xì)砂巖完整性相對(duì)較差，取出的巖芯單段完整長(zhǎng)度大于10cm的很少。

為研究方便，在鄰近礦井同一煤層頂板內(nèi)按相同的方法進(jìn)行取芯、力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并將力學(xué)參數(shù)同研究礦井相同巖樣力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表1。

圖1 各段巖芯完整性示意

表1 巖樣物理力學(xué)參數(shù)對(duì)照

由表1可知，鄰近礦井同一煤層頂板巖性基本以細(xì)砂巖和中砂巖為主，與研究礦井頂板巖層基本一致，但現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果顯示，鄰近礦井頂板完整性好，在鉆孔施工過(guò)程中都采用濕式鉆眼;回采巷道頂板支護(hù)基本上取消了錨索，這與研究礦井的井下情況形成了較大的反差。從表1內(nèi)所列各巖樣抗壓強(qiáng)度值對(duì)比可知，同一煤層頂板內(nèi)相同巖性強(qiáng)度存在著較大差別，中砂巖強(qiáng)度僅為鄰近礦中砂巖強(qiáng)度的一半，細(xì)砂巖不足1/3。

其原因?yàn)檠芯康V井頂板巖層主要為泥質(zhì)膠結(jié)，碎屑成分中泥質(zhì)含量較高，巖石固結(jié)成巖作用弱，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度相對(duì)較小。常規(guī)錨桿的錨固范圍內(nèi)為細(xì)砂巖，而本層細(xì)砂巖強(qiáng)度相對(duì)較弱，導(dǎo)致在淺部沒(méi)有穩(wěn)定巖層，自身穩(wěn)定能力弱;錨索的錨固范圍內(nèi)為中粒砂巖，本層中粒砂巖的強(qiáng)度較低，理論上不能做為錨索支護(hù)的懸吊層。因此該礦頂板穩(wěn)定性類別相對(duì)較低。

2 巖石細(xì)觀特征分析

為研究含煤巖系巖石學(xué)特征，利用巖芯磨制成巖石薄片，進(jìn)行顯微鏡下觀測(cè)。采用XP－Y型偏光顯微鏡觀測(cè)粒度、結(jié)構(gòu)成熟度及成分成熟度等3個(gè)方面內(nèi)容。不同試件的顯微圖片如圖2。

圖2 不同巖性巖石學(xué)特征正交偏光

該礦煤系地層包含了各類碎屑巖，從巖石薄片的鏡下觀測(cè)中可以明確分辨其粒差別，碎屑物質(zhì)中的石英為抗風(fēng)化能力最強(qiáng)的礦物組分［5，11］，可通過(guò)觀測(cè)碎屑巖中石英含量的多少來(lái)說(shuō)明砂巖成分成熟度的高低。結(jié)構(gòu)成熟度以碎屑的分選磨圓程度來(lái)表示。通過(guò)鏡下觀察，穩(wěn)定組分石英分選中等，多成次尖棱角狀，結(jié)構(gòu)成熟度相對(duì)一般，表明未經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離搬運(yùn)堆積后固結(jié)成巖。砂巖中的穩(wěn)定組分石英含量中等，砂巖以雜基支撐為主，成分成熟度相對(duì)較低。膠結(jié)物以泥質(zhì)為主，穩(wěn)定組分相對(duì)較少，粘土成分含量高。

3 原始沉積環(huán)境圍巖穩(wěn)定性分析

為劃分出研究礦區(qū)在原始沉積條件下的區(qū)域性差異，國(guó)內(nèi)學(xué)者采用硬質(zhì)巖石百分比含量來(lái)表示沉積巖體巖性特征［12］，也可以砂泥比來(lái)表征頂板巖層在原巖應(yīng)力條件下的砂泥巖分布［13］，并根據(jù)其比值的不同來(lái)確定、劃分相帶。關(guān)于相帶的劃分，可以按砂泥比的不同分為5個(gè)級(jí)別:比值大于5時(shí)，表明原始沉積區(qū)位于古河道附近，受長(zhǎng)期沖刷，砂巖含量占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，同一巖性的條件下強(qiáng)度最高;比值在3～4時(shí)，砂巖含量也占優(yōu)勢(shì);比值在2～3時(shí)，砂巖含量相對(duì)較多，但其優(yōu)勢(shì)已不十分明顯;比值在1～2時(shí)，砂泥質(zhì)含量相當(dāng);比值小于1時(shí)，泥巖含量大于砂巖，相同巖性的條件下強(qiáng)度相對(duì)最低。因此，砂泥比的不同是造成同一巖性強(qiáng)度存在巨大差異的主要原因。

在進(jìn)行砂泥比計(jì)算時(shí)，需將巖層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，首先要消除異常值影響，按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算:

式中，X″為無(wú)量綱化后的0至1之間的數(shù)據(jù);X'max，X'min為無(wú)量綱化后的最大、最小原始數(shù)據(jù)。

在對(duì)研究礦井進(jìn)行大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算后得出各砂泥比區(qū)域沉積相穩(wěn)定系數(shù):Ⅰ級(jí)取1.00，Ⅱ級(jí)0.85，Ⅲ級(jí)0.64，Ⅳ級(jí)0.57和Ⅴ級(jí)0.52，如表2所示。

表2 頂板巖層穩(wěn)定系數(shù)

至此，不同區(qū)域的沉積相穩(wěn)定性類別都可確定。再以SURFER軟件為工具，利用其繪圖與插值功能，繪制出研究礦井全礦區(qū)范圍內(nèi)的沉積相穩(wěn)定性類別等值線圖，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)礦井巖層穩(wěn)定性分區(qū)

圖3可以很好地解釋同一類別巖性存在巨大強(qiáng)度差異的原因。該礦區(qū)Ⅰ～Ⅴ級(jí)分區(qū)均有分布，僅在礦區(qū)局部區(qū)域存在Ⅰ～Ⅱ級(jí)分區(qū)，砂質(zhì)成分較多，原始沉積條件較好。大部分區(qū)域以Ⅲ～Ⅴ級(jí)分區(qū)為主，相應(yīng)區(qū)域泥質(zhì)成分含量較高，原始沉積條件較差，鄰礦的穩(wěn)定性分區(qū)結(jié)果以Ⅱ～Ⅲ級(jí)占據(jù)主導(dǎo)地位。砂巖層強(qiáng)度的巨大差異造成在巷道鉆眼施工的過(guò)程中難以成孔、濕式打眼時(shí)圍巖易泥化從而發(fā)生卡鉆、巖層強(qiáng)度急劇降低、錨桿錨索錨固性差，從而使巷道頂板存在著一定的安全隱患。

4 結(jié)論

從礦井具體條件出發(fā)，進(jìn)行了巖芯采取及完整性描述、力學(xué)試驗(yàn)、巖石學(xué)特征分析、原始沉積環(huán)境分析等工作，找出了研究礦井鉆眼施工過(guò)程中出現(xiàn)的巖石強(qiáng)度差異的主要原因。得出以下結(jié)論:

（1）將砂巖與泥巖的比值進(jìn)行無(wú)量綱化處理后，可以做為頂板巖層穩(wěn)定性分類的重要依據(jù)，據(jù)此得出研究礦井的頂板穩(wěn)定性分類圖。

（2）研究礦井頂板砂巖層強(qiáng)度低的主要原因是由于原始沉積環(huán)境的不同而使砂泥比值過(guò)小，泥巖含量過(guò)大、頂板穩(wěn)定性大部分為Ⅲ～Ⅴ級(jí)所致，因此在鉆孔施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)巖層強(qiáng)度弱化、錨固質(zhì)量達(dá)不到要求等問(wèn)題。

（3）在進(jìn)行Ⅳ，Ⅴ級(jí)頂板支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意由于巖層強(qiáng)度下降而造成的支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求的情況。

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Analysis of Sediment Stability of Roof Strata in Roadway

LIU Hong-tao，F(xiàn)AN Long，SONG Gao-feng，ZHAO Hai-xiao，TANG Da，HAN Bin
（Resources＆ Safety School，China University of Mining ＆ Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

In order to ensure roof stability at different areas，applying drilling core，microstructure observation by rock slice and taking ratio of sand to mud as main index on the basis of coal and rock sedimentology，roof stability was classified into 5 degrees from Ⅰ～Ⅴ.Results showed that ratio of sand to mud might be as important basis of roof stability classification after it was standardized.Thus mine roof stability classification map was obtained.In test mine，roof sandstone strength was low，rock strength reduced in wet drilling and anchored quality could not meet design requirement.Main reason included that the ratio of sand to mud was low，mudstone content was large，roof stability of most areas was betweenⅢ ～Ⅴ.In designingⅣ andⅤ degree roof supporting parameters，supporting structure instability because of rock strength decrease should be monitored especially.

sediment;strength difference;stability classification

TD353.6

A

1006-6225（2012）02-0054-03

2011－12－06

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 （973計(jì)劃）資助項(xiàng)目 （2011CB201204）;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)基金 （2009QZ01）

劉洪濤 （1981－），男，吉林公主嶺人，講師，博士，研究方向?yàn)榈V山壓力與巖層控制。

［責(zé)任編輯:姜鵬飛］