榮華煤礦軟巖巷道黏土礦物變形特性分析

馬福義，郭俊廷，趙威成，祁向前

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

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榮華煤礦軟巖巷道黏土礦物變形特性分析

馬福義1,2，郭俊廷1，趙威成2，祁向前2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

[摘要]利用掃描電鏡以及X射線能譜儀對(duì)榮華煤礦軟巖巷道圍巖進(jìn)行成分分析。巷道圍巖成分主要由黏土礦物、長(zhǎng)石和石英組成，其中黏土礦物伊/蒙混層比為46%～96%，屬于強(qiáng)膨脹性軟巖巷道。由于巷道各段黏土礦物含量不同，導(dǎo)致巷道整體變形隨黏土礦物含量的不同而產(chǎn)生明顯差異性。3個(gè)月內(nèi)最大累積變形量1.1m，并且未達(dá)到穩(wěn)定，通過(guò)掃描電鏡實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，巖樣內(nèi)部均出現(xiàn)大量絮狀伊/蒙混層結(jié)構(gòu)，伊/蒙混層黏土礦物與長(zhǎng)石、石英之間為泥性膠結(jié)。泥巖塊體內(nèi)部顆粒間膠結(jié)密實(shí)，孔隙率低，強(qiáng)度高，但層理面周圍膠結(jié)程度低，強(qiáng)度較低。在分析黏土礦物水化膨脹機(jī)理之后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)證實(shí)黏土礦物膨脹變形具有長(zhǎng)期性、快速性的特點(diǎn)，建議采用阻斷黏土礦物與水接觸的控制方法，避免水化膨脹現(xiàn)象的產(chǎn)生。

[關(guān)鍵詞]軟巖巷道；黏土礦物；伊/蒙混層；掃描電鏡

黑龍江榮華煤礦東主運(yùn)輸巷道底板標(biāo)高-648m，巷道整體設(shè)計(jì)長(zhǎng)度500m。巖性以煤質(zhì)泥巖、煤頁(yè)巖、泥質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r為主。在泥頁(yè)巖、泥質(zhì)砂巖等沉積巖當(dāng)中存在大量黏土礦物。當(dāng)與水相互作用時(shí)，這些含有黏土礦物的地層就會(huì)因吸水而產(chǎn)生膨脹作用，破壞原有的地層結(jié)構(gòu)及支護(hù)，如圖1所示[1]。

如果巷道圍巖含有這類礦物，就會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的親水性，膨脹應(yīng)力增加。另外該巷道含有較多斷層、光滑節(jié)理面、破碎帶。在巷道掘進(jìn)施工時(shí)，巷道壁有大量砂巖裂隙水及斷層水涌出，導(dǎo)致圍巖膨脹變形，收縮量較大，影響正常生產(chǎn)。

圖1　巷道破壞情況

1巷道圍巖成分分析

為確定巷道圍巖成分，在東主運(yùn)輸巷道不同區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，對(duì)各樣品進(jìn)行了X射線衍射分析實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)東主運(yùn)輸巷道圍巖由各種含黏土礦物巖石組成，成分包括石英、鉀長(zhǎng)石、方解石、斜長(zhǎng)石、伊利石(I)、蒙脫石(M)及一些I/S(伊/蒙混層)混層，X光衍射分析能譜如圖2所示。結(jié)果表明巷道黏土礦物含量占礦物總量的32.1%～55.6%，其中伊/蒙混層占黏土礦物總量的46%～96%，分析結(jié)果如表1所示[2]。

圖2　光譜衍射分析

序號(hào)礦物成分及含量/%石英鉀長(zhǎng)石方解石斜長(zhǎng)石菱鐵礦黏土礦物成分相對(duì)含量/%I/S(伊/蒙混層)136.90.91.41.43.896243.0-1.31.35.497342.41.01.13.94.391431.510.4-23.42.646542.6-1.81.75.094625.65.0-12.91.190

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巷道圍巖黏土含量高、軟巖膨脹性強(qiáng)。含有該黏土礦物圍巖在遇水之后，易產(chǎn)生水解、膨脹及軟化現(xiàn)象。因此，該巷道圍巖屬于高膨脹性軟巖巷道。為進(jìn)一步了解巖樣內(nèi)部整體構(gòu)造，進(jìn)行了SEM掃描電鏡分析實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，幾種樣品有以下特點(diǎn)：

(1)5μm掃描電鏡下顯示，巖樣粒間存在大量片狀絲狀伊/蒙混層，如圖3(a)顯示，伊/蒙混層分布范圍較廣，且密度差異性明顯。

(2)在20μm掃描電鏡顯示下，大量巖樣自生石英晶體被片絲狀伊/蒙混層所包覆，如圖3(b)所示，石英晶體分布十分密集，周邊被伊/蒙混層填充。

(3)各巖樣均存在大量伊/蒙混層黏土礦物，且分布廣泛，在水化作用下導(dǎo)致劇烈膨脹變形，因此整體巖性呈現(xiàn)軟化膨脹特性[3]。

圖3　不同樣品SEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2黏土礦物膨脹機(jī)理

黏土礦物的水化膨脹作用受晶體間離子影響，晶體之間的陽(yáng)離子交換導(dǎo)致其晶體表面吸附大量水分子，形成水化膜導(dǎo)致晶格間距增大，晶格分離狀態(tài)使黏土礦物顆粒分散。這種現(xiàn)象需要水分子與之作用，但是在干燥或無(wú)水狀態(tài)時(shí)，黏土礦物中顆粒晶層間距離較小，大約在1μm，晶層間結(jié)構(gòu)緊密。但當(dāng)與水接觸時(shí)，水分子會(huì)被吸附到層間內(nèi)部，在水分子的作用力下層間距離增加2～3μm，并且水分子在黏土分子的作用下被解離成OH-離子和H+離子。離子被分別吸附到黏土礦物的晶體端面和平面上，晶體周圍被離子包覆，黏土這時(shí)就變成了“水化黏土”。和干燥無(wú)水的黏土不同，水化黏土具有明顯的膠體特性，如膨脹性、流變性、分散性等[4-8]。

2.1礦物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

黏土礦物為具有層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，層狀結(jié)構(gòu)的基本單元是硅氧四面體和鋁氧八面體。

東主運(yùn)輸巷道圍巖中伊利石、蒙脫石是2∶1組成的層狀結(jié)構(gòu)晶體礦物，晶體礦物結(jié)構(gòu)主要以晶片方式排列。晶片間存在著水分子、陽(yáng)離子等層間物質(zhì)，靠陽(yáng)離子的正電性把晶片連接在一起，當(dāng)層間物質(zhì)的平衡被外界因素打破，晶片間的距離會(huì)因外界物質(zhì)進(jìn)入而發(fā)生變化，這時(shí)主要表現(xiàn)為水化膨脹現(xiàn)象。

2.2礦物水化作用

黏土礦物與水作用較為復(fù)雜，當(dāng)黏土礦物遇水之后，在氫鍵、交換性陽(yáng)離子和電荷的作用下，水分子進(jìn)入黏土礦物的晶層間內(nèi)部，在其表面上吸附水分子，并將黏土中蒙皂石(膨脹礦物)的顆粒晶層推離，而發(fā)生水化，同時(shí)產(chǎn)生晶層間斥力。在斥力的作用下，晶層間的雙電層效應(yīng)使黏土的顆粒及晶層進(jìn)一步推離。伴隨著晶層間的分離，黏土礦物體積膨脹，并隨著黏土顆粒一面膠連的形成使黏土膨脹有一定限度。

除此之外，水分子在滲透壓力的作用下，根據(jù)滲透原理，水分子會(huì)由低濃度一側(cè)移動(dòng)到高濃度一側(cè)直到滲透平衡狀態(tài)。

當(dāng)采動(dòng)破壞后，水體沿裂縫帶進(jìn)入圍巖，打破原有黏土離子濃度與地層水體的平衡狀態(tài)。由于圍巖黏土表面離子濃度高于周圍液體，此時(shí)周圍液體水分子就被吸附到黏土表面，形成水化膜包覆在黏土礦物周圍，使雙電層的斥力增加。在雙電層斥力的作用下，黏土表面顆粒繼續(xù)分離，使得黏土體積迅速膨脹，如圖4所示[9-17]。

圖4　擴(kuò)散雙電層形成原理　H2O

3巷道變形監(jiān)測(cè)

為研究黏土礦物膨脹變形規(guī)律，在東主運(yùn)輸巷道實(shí)施了變形監(jiān)測(cè)，該巷道為全斷面錨網(wǎng)U型鋼棚架聯(lián)合支護(hù)，采用井下激光基準(zhǔn)線變形監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行測(cè)量結(jié)果顯示，新掘巷道區(qū)域變形速率較快，距掘進(jìn)面較遠(yuǎn)處巷道，形變速率較慢，似趨于穩(wěn)定，但穩(wěn)定時(shí)間均在2.5個(gè)月以上。另外，黏土礦物富存區(qū)域，在斷層水的作用下，膨脹變形始終存在，無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，與普通圍巖變形規(guī)律不同，主要原因是由軟巖內(nèi)部黏土礦物遇水膨脹特性導(dǎo)致大變形。部分監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示[18-20]。

4結(jié)論

(1)榮華煤礦軟巖巷道主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石和黏土礦物，其中黏土礦物含量較高，黏土含量最低為32.1%，最高為55.6%。由于黏土含量的不同，導(dǎo)致巷道整體變形隨著黏土含量的變化產(chǎn)生明顯差異性。

(2)幾種巖樣內(nèi)部均出現(xiàn)大量絮狀伊/蒙混層結(jié)構(gòu)，伊/蒙混層黏土礦物與長(zhǎng)石、石英之間為泥質(zhì)膠結(jié)。層理面周圍膠結(jié)程度低，膠結(jié)強(qiáng)度較低；但在巖樣內(nèi)部物質(zhì)間膠結(jié)密實(shí)，顆?？紫堵屎艿?，不易吸水，強(qiáng)度相對(duì)較高。

(3)黏土礦物主要膨脹機(jī)理是由于水化作用而產(chǎn)生，由于煤礦巷道處于斷裂帶較多區(qū)域，斷層含水量較大，在炮采工作面的擾動(dòng)下，導(dǎo)致周圍裂隙節(jié)理加大，水體滲入巷道周圍巖體，加劇變形。

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)圍巖位移監(jiān)測(cè)，巷道整體變形量較大，3個(gè)月內(nèi)最大變形量1.1m，并且很難達(dá)到穩(wěn)定，隨著不斷的巷道修復(fù)過(guò)程，圍巖收縮量依然很大，遠(yuǎn)超過(guò)其他巖層巷道穩(wěn)定時(shí)間。

(5)為保證巷道正常生產(chǎn)，可以嘗試采用注漿、噴漿等方法阻斷黏土礦物與水融合，避免黏土礦物產(chǎn)生水化膨脹現(xiàn)象。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

Deformation Characters of Clay Minerals of Soft Rock Roadway in Ronghua Coal Mine

MA Fu-yi1，2，GUO Jun-ting1，ZHAO Wei-cheng2，QI Xiang-qian2

(1.Geosciences and Surveying Engineering College，China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;2.Ming Engineer College，Heilongjiang University of Science & Technology，Haerbin 150022，China)

Abstract：Surrounding rock composition of soft rock roadway in Ronghua coal mine was analyzed by scanning electron microscope and X-ray energy dispersive spectroscopy.The main composition of surrounding rock were clay mineral，feldspar and quartz，the ratio of I/S mixed-layer in clay minerals was 46%～96%，it was an extra expansive soft rock roadway.The total deformation of roadway was difference obliviously with different clay mineral in different section.The maximal accumulated deformation was 1.1m after three months，and it also instability，through experimental analysis of scanning electron microscope，large amount of gossypine I/S mixed-layer structure appeared in inside of rock sample.Clay mineral with I/S mixed-layer，feldspar and quartz was muddy cementation.The cementation of inner particles in mudstone was tightly，low porosity，high strength，but cementation degree and strength around bedding plane were low.Then on the basis of hydration expansion mechanism of clay mineral was analyzed，some characters such as long-term and fast of clay mineral expansion and deformation were validated by practical monitoring.The paper proposed clay mineral and water should be interrupted，and then hydration expansion phenomenon would be avoided.

Key words：soft rock roadway，clay minerals；I/S mixed-layer；scanning electron microscope

[收稿日期]2015-08-19

[作者簡(jiǎn)介]馬福義(1981-)，男，遼寧鞍山人，從事礦山測(cè)量、沉陷監(jiān)測(cè)方面的研究工作。

[中圖分類號(hào)]TD313.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)02-0049-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.014

[引用格式]馬福義，郭俊廷，趙威成，等.榮華煤礦軟巖巷道黏土礦物變形特性分析[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(2)：49-51.