沙吉海煤礦半固結(jié)含水砂巖工程地質(zhì)特性實驗*

呂曉磊 王曉雷 閆順璽

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.神華國能和豐煤電有限公司)

沙吉海煤礦半固結(jié)含水砂巖工程地質(zhì)特性實驗*

呂曉磊1,2王曉雷1閆順璽1

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.神華國能和豐煤電有限公司)

以沙吉海礦井第一水平為試點，采用現(xiàn)場調(diào)查、工程資料分析及實驗室測試等綜合技術(shù)手段，對礦井已揭露巖體的宏觀特征、微觀結(jié)構(gòu)及物化成分進行了多方位的分析研究。實驗結(jié)果表明，B10煤層覆巖強度較低，極易風(fēng)化，不利于覆巖破壞控制，半固結(jié)中、粗砂巖的礦物成分以石英礦物為主，其微觀結(jié)構(gòu)較差，存在大量的溶蝕孔，由此詮釋了礦區(qū)巷道巖體松軟和強度較低的根本原因和內(nèi)在因素，為制定可靠、穩(wěn)定支護對策提供了依據(jù)。

半固結(jié)含水砂巖 宏觀特征 微觀結(jié)構(gòu) 物化成分

半固結(jié)含水砂巖是侏羅系中生代地層中特殊的賦存形態(tài)，在新疆煤炭資源開發(fā)過程中，大南湖、和什托洛蓋、伊寧、昭蘇等礦區(qū)都有揭露，在我國東部礦區(qū)，因?qū)υ擃惖貙庸こ痰刭|(zhì)特性掌握不夠，曾發(fā)生過多起潰水、潰砂、壓架等災(zāi)害，造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。而新疆地區(qū)煤炭資源開發(fā)時間較晚，對本地區(qū)半固結(jié)含水砂巖工程地質(zhì)特性研究較少，對該類地層認識不夠深入。

沙吉海礦位于新疆和什托洛蓋特大型煤田內(nèi),地處克拉瑪依、塔城、阿勒泰三地市交界處,交通十分便利。井田面積約27.4 km2，可采儲量4.7億t，煤層賦存于侏羅系中統(tǒng)西山窯組地層中，可采煤層共14層。礦井首采B10煤層總體呈單斜狀，煤層傾角為10°～16°，平均為13.7°，走向起伏為0°～6°。平均厚5.38 m，為結(jié)構(gòu)簡單、全礦井可采穩(wěn)定的厚煤層[1]。

半固結(jié)含水砂巖在B10煤層頂板以上100 m范圍內(nèi)平均占比達46.87%，鉆探巖芯和采掘施工揭露都表明，該地層主要為中、粗粒砂巖，膠結(jié)性差，呈半固結(jié)狀態(tài)，遇水松散，強度低于泥巖和細、粉砂巖，屬于軟弱含水砂巖，其工程地質(zhì)特性與正常膠結(jié)的中、粗砂巖及軟弱泥巖具有顯著的特殊性，并最終影響B(tài)10煤層采掘過程中的圍巖控制問題[2]。B10煤層采用綜合機械化放頂煤開采工藝，開采強度高、采動影響大，一旦開采波及到上覆半固結(jié)砂巖含水層，將對礦井的安全生產(chǎn)造成影響。為此，有必要專門對沙吉海煤礦B10煤層頂板的半固結(jié)含水砂巖的工程地質(zhì)特性進行研究，為安全開采提供技術(shù)依據(jù)[3]。

1 巖(煤)體分組及取樣

以沙吉海礦井第一水平(+550 m)以上所有巖層為主線，根據(jù)實際揭露巖(煤)層進行布點、取樣。將該巷道圍巖分為3個不同的工程巖組：①煤體巖組(B10煤層)；②泥巖組(泥巖、泥質(zhì)粉砂巖)；③砂巖組(中砂巖、細砂巖、粉砂巖)。采用取樣鉆機現(xiàn)場取樣，蠟封并加工成標準件，進行相應(yīng)實驗研究。

2 宏觀特性

半固結(jié)砂巖是沙吉海煤礦B10煤層頂板賦存的一層厚度大、沉積穩(wěn)定的含水層，在井巷掘進和地面覆巖破壞觀測鉆孔施工期間，該地層均有揭露(圖1、圖2)，可以看出，巖性為中、粗砂巖，呈砂狀結(jié)構(gòu)、厚層狀構(gòu)造，碎屑含量在90%以上，層理較為發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，暴露后風(fēng)化松散嚴重，遇水極易沙化[4]。

沙吉海煤礦B10煤層頂板的半固結(jié)砂巖經(jīng)采掘揭露后，在巖塊搬運過程中遇水即沙化成散體，在含水量達到一定程度后甚至具有流動性(圖1(b))。在覆巖破壞觀測鉆孔施工期間，由于強度低、膠結(jié)性差，常規(guī)取芯手段無法保證取芯率，通過取煤器對該段巖層取芯，巖芯采取率在80%以上，但巖芯極為破碎，呈散體狀和塊狀(圖2)，完全失去了地層原有的層序性。在施工現(xiàn)場分別選取泥巖、粉砂巖和粗砂巖進行巖塊的水穩(wěn)定性測試(圖3)，塊狀粗砂巖在浸水10 s后即完全散開呈顆粒狀(圖3(b))，表明沙吉海煤礦半固結(jié)粗砂巖的水穩(wěn)定性極差。

綜合來看，沙吉海煤礦B10煤層頂板半固結(jié)含水砂巖宏觀特性表現(xiàn)為強度低，膠結(jié)性極差，水穩(wěn)定性差，遇水極易松散，含水量達到一定程度后具有流動性。

圖1 采掘作業(yè)期間揭露的半固結(jié)砂巖特性

圖2 覆巖破壞觀測鉆孔中、粗砂巖巖芯

圖3 沙吉海煤礦不同巖性巖塊水穩(wěn)定性測試

3 微觀結(jié)構(gòu)分析

3.1 實驗儀器及試樣制備

為研究沙吉海煤礦半固結(jié)含水砂巖微結(jié)構(gòu)特征，采用高倍掃描電鏡、圖形采集及處理系統(tǒng)(圖4)。本實驗對試件尺寸無嚴格要求，取原樣品一小塊即可，并加工成小薄片。

圖4 掃描電鏡(SEM)及圖像處理系統(tǒng)

3.2 實驗結(jié)果分析

采用高倍掃描電鏡對B10煤層覆巖中砂巖和泥巖取樣進行掃描，中砂巖掃描電鏡結(jié)果(圖5)顯示，當(dāng)放大至1 000倍時，可見巖體內(nèi)發(fā)育15 ～60 μm的微裂縫；當(dāng)放大至2 500倍時，可見巖體的裂隙、微裂隙及溶蝕孔；當(dāng)放大至10 000倍時，可觀察到粒表溶蝕坑內(nèi)的粒狀高嶺石。泥巖電鏡掃描結(jié)果(圖6)顯示，當(dāng)放大5 000倍時，可觀察到巖樣內(nèi)5 ～10 μm的微裂隙較為發(fā)育，且貫通性好；當(dāng)放大10 000倍時，可見巖樣中表面存在片狀伊利石、粒表片絮狀I(lǐng)/S混層與溶蝕坑。

圖5 中砂巖電鏡掃描結(jié)果

圖6 泥巖電鏡掃描結(jié)果

通過巖樣的掃描電鏡結(jié)果分析可知，B10煤層頂板的中砂巖存在大量的溶蝕孔，同時孔隙和微裂隙較為發(fā)育，且貫通性較好；在泥巖中，裂隙較為發(fā)育且存在大量的微溶孔，同時裂隙中充填大量的片狀高嶺石及膨脹性較強的片絮狀I(lǐng)/S混層黏土礦物。由此可見，B10煤層頂板半固結(jié)中、粗砂巖的微觀結(jié)構(gòu)較差，巖體中發(fā)育的微裂隙及裂縫極易在地應(yīng)力場及采動應(yīng)力場的疊加作用下張開、擴大和聯(lián)通，進一步降低圍巖的整體性和抗采動破壞能力，尤其是在地下水影響下，采動后粗砂巖極易受水的耦合作用沿弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移變形，形成大規(guī)模失穩(wěn)效應(yīng)[5]。

4 礦物組分實驗

4.1 實驗設(shè)備及試樣制備

本實驗對試樣尺寸無特殊要求，取原樣中的一小塊即可，并研磨成手指感覺不到顆粒的細粉末，在玻璃上做成薄片，采用X射線衍射儀測試(圖7)。

4.2 實驗原理及方法

X射線衍射儀的X光是由電子在高壓作用下轟擊鉬靶而產(chǎn)生的，當(dāng)X光射入原子有序排列的晶體時，會發(fā)生類似于可見光入射到光柵時的衍射現(xiàn)象，然后通過X射線衍射儀觀察主要礦物粉末的反射波結(jié)果。根據(jù)標準物質(zhì)的粉末峰值d進行內(nèi)插，求得未知物質(zhì)各粉末峰值d，對比確定礦物種類、名稱，波峰的高度表示該礦物含量大小，波峰越高，含量越大，反之亦然。

4.3 實驗結(jié)果分析

半固結(jié)砂巖的礦物成分及相對含量實驗結(jié)果見表1、表2。可以看出，中、粗砂巖的礦物成分以石英為主，含量在50%以上，黏土礦物成分的總量相對較高，占總量16.4%～26.3%，其黏土礦物主要以高嶺石、伊利石和綠泥石為主，上述3種礦物相對含量累計占黏土礦物總量65%以上，除個別樣品外，蒙脫石相對含量較低，不足20%；細砂巖的石英礦物和黏土礦物絕對含量與粗砂巖相當(dāng)，但其黏土礦物成分主要以伊-蒙混層、伊利石及高嶺石為主；而泥質(zhì)粉砂巖的石英礦物含量相對較低，黏土礦物絕對含量達55.7%，以高嶺石、伊利石和綠泥石為主。

表1 全巖礦物種類及含量

表2 黏土礦物種類及相對含量

注：S為蒙脫石；I/S為伊/蒙混層；I為伊利石；K為高嶺石；C為綠泥石；C/S為綠/蒙混層。

礦物成分的顯著差異決定了沙吉海煤礦半固結(jié)中、粗砂巖工程地質(zhì)特性相比細砂巖和粉砂巖具有特殊性，其膠結(jié)性差，黏土礦物含量較低且不具有膨脹性，遇水結(jié)構(gòu)松散使得抗采動性能較差，采動裂縫難以彌合，透水性好。

5 結(jié) 論

(1)在B10煤層覆巖中含量達46.87%的半固結(jié)中、粗砂巖強度較低，極易風(fēng)化，遇水極易沙化，抗采動性能差，不利于覆巖破壞的控制。

(2)礦區(qū)內(nèi)半固結(jié)中、粗砂巖的微觀結(jié)構(gòu)較差，存在大量的溶蝕孔，同時孔隙和微裂隙較為發(fā)育，且貫通性較好，極易在地應(yīng)力場及采動應(yīng)力場的疊加作用下張開、擴大和聯(lián)通，進一步降低圍巖的整體性和抗采動破壞能力，尤其是在地下水影響下，采動后極易受水的耦合作用沿結(jié)構(gòu)弱面產(chǎn)生剪切滑移變形，形成大規(guī)模失穩(wěn)效應(yīng)。

(3)半固結(jié)中、粗砂巖的礦物成分以石英礦物為主，含量在50%以上，黏土礦物成分的總量相對較高，占總量16.4%～26.3%，其黏土礦物主要以高嶺石、伊利石和綠泥石為主，均為比較穩(wěn)定的非膨脹性礦物，采動裂縫形成后難以彌合。

[1] 王曉雷,劉治國,呂曉磊.沙吉海煤礦礫巖層礫石粒度及強度特征分析[J].煤礦開采,2012(2):26-28.

[2] 王曉雷.軟巖層理結(jié)構(gòu)效應(yīng)試驗研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué),2013.

[3] 趙術(shù)江.煤層極松散礫石頂板特性及支護對策[J].采礦與安全工程學(xué)報,2014(4):537-543.

[4] 張建功,李東發(fā),王建軍.新疆和什托洛蓋礦區(qū)侏羅系含水復(fù)合超軟巖治理[J].現(xiàn)代礦業(yè),2014(2):44-47,51.

[5] 李東發(fā),趙術(shù)江,王曉雷，等.新疆和什托洛蓋礦區(qū)侏羅系軟巖特性實驗研究[J].煤層開采,2013(5):10-13.

*河北省教育廳項目(編號：QN2015041)；華北理工大學(xué)研究生創(chuàng)新項目(編號：2016B07)。

王曉雷(1979—)，男，副教授，063210 河北省唐山市曹妃甸區(qū)唐山灣生態(tài)城渤海大道21號。

2016-10-19)

呂曉磊(1982—)，男，主任，工程師，834411 新疆塔城地區(qū)和豐縣和什托洛蓋鎮(zhèn)。