煤層底板灰?guī)r成分微結(jié)構(gòu)特征分析及注漿加固性質(zhì)評價

康亞明 賈 延

(1.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021;2.北方民族大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

煤層底板灰?guī)r成分微結(jié)構(gòu)特征分析及注漿加固性質(zhì)評價

康亞明1賈 延2

(1.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021;2.北方民族大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

巖石遇水后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)參數(shù)會發(fā)生一定變化，這些變化與水理作用下組成巖石的成分及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化是緊密相關(guān)的。華北石炭二疊型煤炭底板灰?guī)r的一個顯著受力特點是受礦山壓力和高承壓水雙重作用。這種特殊的應(yīng)力環(huán)境使得其強度和變形特征比一般巖石要復(fù)雜得多，主要表現(xiàn)在水理長期作用下巖石的礦物成分及與巖石微結(jié)構(gòu)有關(guān)的孔隙、裂隙等物理參數(shù)發(fā)生了顯著變化，這種變異最終影響了巖石的強度。基于此，借助現(xiàn)代先進分析測試儀器，通過實驗室內(nèi)成分鑒定和微結(jié)構(gòu)分析，定性研究了水對這些性質(zhì)的影響，在此基礎(chǔ)上對其注漿加固性質(zhì)和水理軟化傾向進行了評價。研究本溪灰?guī)r的成分及不同含水率時的微結(jié)構(gòu)特征，對于合理解釋其力學(xué)性能的變異及工程性質(zhì)有重要指導(dǎo)價值。

底板巖石 本溪灰?guī)r 水理性質(zhì) 成分鑒定 微結(jié)構(gòu)特征 注漿加固 軟化機理

我國煤炭資源在地理分布上的總體格局是“西多東少，北富南貧”，南方由于儲量、煤質(zhì)及開采條件的限制，煤炭產(chǎn)量有限，而東部地區(qū)分布有大量具有戰(zhàn)略地位的煤礦企業(yè)，由于這種特殊的分布格局，“穩(wěn)住東部，戰(zhàn)略西移”將是我國煤炭工業(yè)重要發(fā)展戰(zhàn)略之一。然而，東部礦區(qū)具有新生界覆蓋層厚、煤層埋藏深等特點，經(jīng)過近1個世紀(jì)的開采，特別是東部地區(qū)的華北石炭二疊型煤田，多數(shù)已進入深部層位，絕大多數(shù)東部地區(qū)的礦井已經(jīng)開采石炭二疊紀(jì)煤系，而該煤系地層普遍受到底部奧灰承壓水的威脅，這導(dǎo)致煤層底板巖石在受到承壓水的同時，還受到水長期對底板巖石物理性質(zhì)的影響。而巖石遇水后以及長期浸泡在地下水中，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，這引起其物理和力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生變化[1]，其影響程度和巖石自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分有內(nèi)在聯(lián)系，如微孔隙、微裂隙特征及這些微結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)和連接方式[2]，最終體現(xiàn)在巖石強度的變化上。因此，研究水環(huán)境下底板灰?guī)r的物理性質(zhì)及水對這些性質(zhì)的影響，是進一步研究水環(huán)境下巖石其他性質(zhì)的基礎(chǔ)。

1 本溪灰?guī)r成分鑒定

本溪灰?guī)r巖樣取自河北金牛能源股份有限公司葛泉礦1192工作面材料巷4號鉆窩底板25 m深處。成分鑒定在國土資源部西南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，實驗儀器用蔡司Axioskop 40偏光顯微鏡。

本次檢測灰?guī)r肉眼觀察呈灰色致密塊狀結(jié)構(gòu)，選取巖樣的一個新鮮斷面，切割樣品，做磨片，如圖1所示。

圖1 樣品切割及薄片

將薄片置于顯微鏡下觀察(如圖2所示)，發(fā)現(xiàn)該灰?guī)r呈粒狀碎屑結(jié)構(gòu)，其中的介屑呈微小的弧狀；腕足呈帶狀或平行片狀結(jié)構(gòu)。各生物碎屑之間的填充物主要為微晶及細(xì)晶方解石，并以微晶為主，還有少量有機質(zhì)和鐵質(zhì)，分布于方解石之間。從圖2可以直觀地看出，該灰?guī)r包含有大量生物碎屑，分析后認(rèn)為這些生物碎片以蜓碎片為主。

2 本溪灰?guī)r的微結(jié)構(gòu)分析

2.1 分析儀器

目前，研究巖石孔隙特性的方法主要有室內(nèi)實驗(毛管壓力曲線法、鑄體薄片法、掃描電鏡法及CT掃描法)和利用測井資料(電阻率測井資料和核磁共振測井資料)評價巖石孔隙結(jié)構(gòu)的2大類方法。本次灰?guī)r微結(jié)構(gòu)分析在國土資源部西南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，分析儀器采用日立公司的S-4800掃描電子顯微鏡。

2.2 分析過程

為了保證檢測結(jié)果的可比性，在同一巖樣上敲取灰?guī)r樣品，將樣品分為2組，其中一組在常溫及常壓下飽水1個月，分別從2組樣品中切片。用掃描電鏡分別對不同含水率時灰?guī)r的微結(jié)構(gòu)進行分析，切片制作過程如圖3所示。

圖2 灰?guī)r薄片顯微特征觀察(放大25倍)

1—巖樣；2—天然含水率時的碎片；3—飽和狀態(tài)時的碎片；4—切片

1#—天然含水率；2#—飽水狀態(tài)

2.3 分析結(jié)果

(1)天然含水率時，掃描電鏡照片如圖4～圖16所示，灰?guī)r中方解石晶內(nèi)及晶間存在大量溶蝕孔等微孔洞。低倍形貌像顯示斷面有原生的與次生的層理、節(jié)理與微裂隙，如圖4、圖6所示。在揭示的溶蝕孔洞中，以直徑在20 μm左右的居多，最大直徑100 μm，且溶蝕洞之間幾乎是孤立的。天然含水率時電鏡照片特征匯總起來如表1所示。

圖4 低倍形貌像(放大50倍)

圖5 上視域方框內(nèi)局部放大(放大600倍)

圖6 粗晶方解石晶內(nèi)溶蝕孔(放大150倍)

圖7 上視域方框內(nèi)局部放大(放大1 000倍)

圖8 次生孔形貌(放大400倍)

圖9 次生孔形貌(放大2 000倍)

圖10 方解石溶蝕孔形貌(放大500倍)

圖11 微晶方解石形貌(放大2 000倍)

圖12 微晶方解石晶間孔形貌(放大2 000倍)

圖13 方解石晶內(nèi)體次生孔形貌(放大2 000倍)

圖14 方解石晶體內(nèi)次生孔形貌(放大2 000倍)

圖15 上視域方框內(nèi)局部放大(放大10 000倍)

圖16 方解石晶體內(nèi)次生孔形貌(放大2 000倍)

(2)飽水狀態(tài)時，掃描電鏡照片如圖17～圖29所示。對比飽水狀態(tài)與天然含水率時的電鏡照片后發(fā)現(xiàn)，灰?guī)r中方解石晶體中的小溶蝕孔洞增多，如圖25、圖27、圖28所示。另外，新生裂隙有所增加，大致呈微彎曲、斷續(xù)的線理狀，大多數(shù)新生裂隙是沿原生裂隙而發(fā)展的，飽水后掃描電鏡觀測照片及其特征匯總起來如表2所示。

表1 1#樣品天然含水率時掃描電鏡照片特征描述

圖17 低倍形貌像(放大100倍)

圖18 上視域方框內(nèi)局部放大(放大1 000倍)

圖19 方解石晶間孔形貌(放大1 000倍)

圖20 方解石晶間孔形貌(放大2 000倍)

圖21 次生孔形貌(放大100倍)

圖22 晶間孔、晶內(nèi)溶蝕孔形貌(放大500倍)

圖23 溶蝕孔形貌(放大50倍)

圖24 上視域方框內(nèi)局部放大(放大250倍)

圖25 方解石晶內(nèi)微孔形貌(放大2 000倍)

圖26 粗晶方解石晶內(nèi)溶蝕孔(放大100倍)

圖27 晶內(nèi)溶蝕孔形貌(放大1 000倍)

圖28 晶間、晶內(nèi)微孔形貌(放大6 000倍)

圖29 晶間、晶內(nèi)微孔隙較發(fā)育(放大1 500倍)

照片編號放大倍數(shù)照片描述S-1100低倍形貌像，粒間粗大孔不發(fā)育S-21000上視域方框內(nèi)局部放大，方解石晶間及晶內(nèi)溶蝕孔形貌S-31000方解石晶間孔形貌S-42000方解石晶間孔形貌S-5100次生孔形貌S-6500晶間孔、晶內(nèi)溶蝕孔形貌S-750溶蝕孔形貌S-8250上視域方框內(nèi)局部放大，粗晶方解石溶蝕孔S-92000方解石晶內(nèi)微孔形貌S-10100粗晶方解石晶內(nèi)溶蝕孔S-111000晶內(nèi)溶蝕孔形貌S-126000上視域局部放大，晶間、晶內(nèi)微孔形貌S-131500晶間、晶內(nèi)微孔隙較發(fā)育

3 灰?guī)r煤層底板注漿加固性質(zhì)評價

葛泉礦東井地處河北邢臺，是受奧灰水威脅的華北石炭二疊型礦井的典型代表。經(jīng)過多年的開采實踐和礦井水文地質(zhì)條件探查，已探明底板本溪灰?guī)r已與奧灰含水層構(gòu)成了統(tǒng)一含水體且富水性強。疏水降壓效果不明顯且在經(jīng)濟上是不合理的，而且會帶來嚴(yán)重的水資源浪費和破壞，更嚴(yán)重的是疏水還會引起地面沉降等一系列環(huán)境地質(zhì)問題。

針對這種現(xiàn)狀，提出對本溪灰?guī)r全面注漿加固后進行帶壓開采，通過對底板本溪灰?guī)r成分和微結(jié)構(gòu)特征的研究表明，除了強風(fēng)化等特殊情況，整體性好的本溪灰?guī)r在斷面揭示的溶蝕孔洞中，以直徑在20 μm左右的居多，最大直徑也不超過100 μm，且溶蝕洞之間幾乎是孤立的。

可見，若要對此類巖石煤層底板進行注漿加固，除了強風(fēng)化等特殊情況，整體性較好的巖體不具備巖石注漿所必須的相互貫通的、漿液顆粒能通過的尺度較大的孔隙網(wǎng)絡(luò)，若要對其注漿加固只是沿著宏觀裂隙加固。因為，普通水泥粒徑一半以上在60～100 μm之間[3-4]，用普通水泥作為漿液很難注入到200 μm以下的裂隙中，而且水泥漿液可注性差，易沉淀泌水。

此類灰?guī)r底板的注漿加固主要是巖體注漿，也就是對工作面推進過程中底板破壞深度進行理論計算和現(xiàn)場實測，依據(jù)底板破壞深度，對這一深度及其以外一定范圍的底板巖體進行注漿加固。首先要封堵一些大的導(dǎo)水?dāng)鄬雍土严叮缓笤賹π〕叨攘严哆M行全面加固。最后，由于注漿工程的隱蔽性，目前還不能較準(zhǔn)確掌握注漿工程的施工質(zhì)量，同時，局部薄弱層依然有突水的可能。為了防止這2種不利因素的迭加，對進行回采過程中底板破壞深度應(yīng)該實行動態(tài)監(jiān)測。

4 結(jié) 論

(1)研究的灰?guī)r呈粒狀碎屑結(jié)構(gòu)，且以生物碎屑為主，其中的介屑呈微小的弧狀，腕足呈帶狀或平行片狀結(jié)構(gòu)，各生物碎屑之間的填充物主要為微晶及細(xì)晶方解石，并以微晶為主，還有少量有機質(zhì)和鐵質(zhì)分布于方解石之間，鑒定名稱為生物碎屑灰?guī)r。

(2)表觀上本溪灰?guī)r致密、堅硬，顯微結(jié)構(gòu)下低倍形貌像顯示斷面有大量原生與次生的層理、節(jié)理與微裂隙。局部放大圖顯示，方解石晶內(nèi)及晶間微孔隙較發(fā)育，存在大量溶蝕孔等微孔洞，在斷面揭示的溶蝕孔洞中，以直徑在20 μm左右的居多，最大直徑100 μm，且溶蝕洞之間幾乎是孤立的。若要對此類巖石煤層底板進行注漿加固，除了強風(fēng)化等特殊情況，整體性較好的巖體不具備巖石注漿所必須的相互貫通的、漿液顆粒能通過的尺度較大的孔隙網(wǎng)絡(luò)，若要對其注漿加固只是沿著宏觀裂隙進行加固。

(3)飽水1個月后，灰?guī)r中微小溶蝕孔洞有所增多，但溶蝕孔洞直徑都比較小，以2 μm左右居多，這主要是方解石中CaCO3的可溶性引起的。由此可見，除了強風(fēng)化等特殊情況，整體性較好的本溪灰?guī)r其物理力學(xué)特性受水的影響較小。同時由于微孔隙細(xì)小且不貫通，所以滲透性低，在水壓軸壓共同作用下，孔隙水壓力對強度的影響不大，而對于灰?guī)r巖體，水的存在能減小接觸面直接的摩阻力和咬合力，對巖體強度有一定影響。

[1] 劉長武.碎脹軟巖巷道全斷面錨注加固機理與應(yīng)用研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，1998. Liu Changwu.Bolting Broken Soft Rock Roadway Section Reinforcement Mechanism and Application[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology，1998.

[2] 朱效嘉.軟巖的水理性質(zhì)[J].礦業(yè)科學(xué)技術(shù)，1996，4(3)：46-50. Zhu Xiaojia.The soft rock water physical properties of[J].Mining Science and Technology，1996，4(3):46-50.

[3] 王壽華.實用建筑材料[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1988. Wang Shouhua.Practical Building Materials[M].Beijing:China Building Industry Press,1988.

[4] 陳新年,谷拴成.微細(xì)或超細(xì)水泥類注漿材料及其性能[J].西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,1999,19(S1):91-94. Chen Xinnian，Gu Shuancheng.Fine or superfine cement grouting material and its performance[J].Journal of Xi′an Institute of Mining and Technology，1999,19(S1):91-94.

(責(zé)任編輯 石海林)

Analysis on Micro-structural Characteristics for Limestone Componentsand the Evaluation of Grouting Reinforcement Properties

Kang Yaming1Jia Yan2

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering，BeifangUniversityofNationalities，Yinchuan750021，China；2.SchoolofMathematicsandInformationScience，BeifangUniversityofNationalities，Yinchuan750021，China)

Its internal micro structural characteristics and the physical and mechanical parameters will change when rocks are subjected to water.These changes are mostly associated with the inner structures and components of rock mass.The floor limestone of North China permo-carboniferous type has a typical feature that it is under double action of mine pressure and high pressure water.In this case，under the special stress condition，the strength and deformation characteristics are more complex than the common rock.It shows that mineral compositions and micro structural characteristics，such as pore，fracture and other physical parameters，will change greatly under water immersion environment.Such differences will ultimately affect the strength of rock.Based on these，components identification and microstructure are analyzed by means of advanced instruments in the lab，and the effects of water on the properties are qualitatively analyzed.Meanwhile，grouting quality and water softening tendency are evaluated.The researches on ingredients and micro structure characteristics in different moisture content for Benxi limestone have important guiding value for a reasonable explanation of their mechanical properties and its engineering properties.

Floor rock，Benxi limestone，Hydro-physical property，Components identification，Micro-structural characteristics，Grouting reinforcement，Softening mechanism

2015-06-09

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51369001)。

康亞明(1980—)，男，副教授，博士。

TU 452，TD 313

A

1001-1250(2015)-10-146-06