酸性礦井水對K2灰?guī)r表面形貌影響的試驗研究

韓文梅，楊文博，李建軍

(中北大學 理學院，山西 太原 030051)

0 引 言

山西晉城地區(qū)所屬礦井目前開采15號煤層，該煤層原煤硫分為2～5%，浮煤硫分為2～4.5%，主要含有機硫和硫化物硫，為中高—高硫煤，煤層直接頂板多為K2灰?guī)r，礦井采掘活動后會生成大量pH為2～5的酸性礦井水?；谒嵝缘V井水對K2灰?guī)r斷裂面結構進行定量分析，可以為酸性礦井水對煤巖體摩擦滑動穩(wěn)定性的影響研究提供理論參考。

以晉城地區(qū)15號煤層直接頂板K2灰?guī)r作為研究對象，采用表面形貌儀對酸性礦井水作用前后K2灰?guī)r拋光面的表面形貌進行測試，基于粗糙度和粒度角度分析礦井水對K2灰?guī)r拋光面形貌的影響。

1 試驗巖樣及測試方法

試驗巖樣為K2灰?guī)r，采自晉城煤業(yè)15102工作面運輸巷350 m處頂板。該處位置K2灰?guī)r頂板巖溶裂隙發(fā)育，煤層原煤全硫質量分數為3.8%，黃鐵礦晶體結晶現象普遍，有明顯的刺激氣味。礦井水呈酸性，pH為2，為典型酸性礦井水。在實驗室加工K2灰?guī)r樣，將其切割成50 mm×50 mm×50 mm的立方體，選取1個面作為拋光面，采用500號拋光聚氨酯片進行拋光處理。

采用型號為ST400的NANOVEA三維非接觸式表面形貌儀對試驗巖樣表面形貌進行測量，儀器測量范圍20 mm×20 mm，掃描步長0.1 μm，掃描速度20 mm/s，Z軸方向測量范圍27 mm，Z軸方向測量分辨率2 nm。測試時掃描區(qū)域為10 mm×10 mm。表征后采用自配酸性礦井水對試驗巖樣表面進行侵蝕，時間分別為10、20 d，對侵蝕后的試驗巖樣表面形貌分別進行測量，得到侵蝕前、浸泡10 d和浸泡20 d的試驗巖樣表面形貌。

2 試驗結果及其分析

2.1 試驗巖樣表面形貌粒度分布

圖1為酸性礦井水作用前后試驗巖樣的拋光面形貌。對酸性礦井水作用前后試驗巖樣拋光面進行分析，圖2為與圖1相對應的試驗巖樣拋光面粒度分布等高線。

圖1 酸性礦井水作用前后試驗巖樣拋光面形貌Fig.1 Surface topography of polished samples before and after action of acid mine drainage

圖2 酸性礦井水作用前后試驗巖樣拋光面粒度分布等高線Fig.2 Contour of particle size distribution of polished surface before and after action of acid mine drainage

基于圖2，對酸性礦井水作用前后試驗巖樣拋光面表面粒度進行分析，圖3為試驗巖樣拋光面表面粒度的計數分布曲線。由圖3可知，酸性礦井水作用前，試驗巖樣拋光面顆粒粒徑為13.0～18.5 μm；酸性礦井水作用10和20 d后，其顆粒粒徑分別為18～28 μm和15.5～25.0 μm。酸性礦井水作用前粒徑為17 μm的拋光面顆粒為25個/mm2，粒徑為18 μm的拋光面顆粒為42個/mm2；酸性礦井水作用10 d后，粒徑為20～22、22～23和23～25 μm的拋光面顆粒數分別為10、27和8個/mm2；酸性礦井水作用20 d后，粒徑為20～21、21～23和23～24 μm的拋光面顆粒分別為13、20和15個/mm2。隨著酸性礦井水侵蝕時間的增加，拋光面顆粒粒徑顆粒最大分布依次為42、27和20個/mm2，呈減少趨勢。

圖3 酸性礦井水作用前后巖樣拋光面粒度計數分布Fig.3 Particle count distribution of polished surface before and after action of acid mine drainage

2.2 試驗巖樣表面形貌粗糙度分析

依據試驗巖樣的表面形貌得到輪廓支承長度率，由Abbott-Firestone曲線得到平均高度Rc、峰高度Rp和谷深度Rv等粗糙度參數。圖4為酸性礦井水作用前后試驗巖樣拋光面的Abbott-Firestone曲線，橫坐標為輪廓支承長度率Tp，縱坐標為標準化高度C，其中：

C=η(x,y)/Rq

式中：η(x,y)為輪廓偏差，Rq為均方根偏差。

圖4 酸性礦井水作用前后試驗巖樣拋光面tp-c曲線Fig.4 Tp-c curve of samples before and after action of acid mine drainage

Abbott-Firestone曲線同輪廓算術平均中線，用來描述試驗巖樣拋光面形貌的輪廓形狀，對曲線進行量化分析，得到酸性礦井水作用前后試驗巖樣拋光表面的輪廓均方根偏差Rq、輪廓平均高度Rc、峰高度Rp、谷深度Rv和輪廓最大高度Rz等5個粗糙度參數。圖5為酸性礦井水作用前后試驗巖樣拋光面表面粗糙度參數變化曲線。

由圖5知，酸性礦井水作用前后輪廓均方根偏差Rq為1.263～1.925 μm，輪廓平均高度Rc為0.913～1.417 μm，呈增加趨勢，但變化范圍較小，即酸性礦井水對這2個粗糙度參數影響較??；峰高度Rp為6.46～15.99 μm，谷深度Rv為16.40～21.81 μm，輪廓最大高度Rz為22.869～37.800 μm，隨著酸性礦井水作用時間的增加，這3個輪廓粗糙度參數分別增加了147%、33%和65.3%。

圖5 酸性礦井水作用前后巖樣拋光面表面粗糙度參數變化Fig.5 Roughness of polished surface of samples before and after action of acid mine drainage

2.3 酸性礦井水對巖樣拋光面表面形貌影響分析

K2灰?guī)r的主要成分為方解石，化學式為CaCO3，呈中性。晉城地區(qū)15號煤層的酸性礦井水主要為硫酸，K2灰?guī)r和硫酸發(fā)生反應，生成硫酸鈣，反應式為

CaCO3+H2SO4=CaSO4↓+H2O+CO2↑

化學反應產生CO2氣體，表現為產生大量氣泡。在實驗室，K2灰?guī)r和酸性礦井水發(fā)生的化學反應為靜態(tài)，生成的CaSO4不溶于水，其吸附在試驗巖樣拋光表面，阻止反應繼續(xù)進行。吸附在試驗巖樣拋光表面的CaSO4對試驗巖樣拋光面表面形貌影響較大。在礦井的采煤和掘進巷道，酸性礦井水是流動的，K2灰?guī)r頂板也會不斷產生新的斷裂面，化學反應生成的CaSO4隨著礦井水流動到水倉，不會吸附在K2灰?guī)r頂板的斷裂面，化學反應在持續(xù)發(fā)生。因此，在礦井巷道工程中，酸性礦井水對K2灰?guī)r頂板斷裂面的侵蝕性遠比試驗室嚴重，對其頂板巷道圍巖的穩(wěn)定性影響也較大。另一方面，化學反應生成的CaSO4隨著礦井水流動到水倉，不會吸附在K2灰?guī)r頂板的斷裂面，導致實驗室測得的酸性礦井水侵蝕后試驗巖樣拋光面表面的粒度和粗糙度參數，比礦井工程中新產生的斷裂面被酸性礦井水侵蝕后其粒度和粗糙度偏大，這些都對工程中煤巖體摩擦滑動穩(wěn)定性產生重要的影響。

3 結 論

1)酸性礦井水作用前后，K2灰?guī)r拋光面顆粒粒徑分布范圍分別為13.0～18.5、18～28和15.5～25.0 μm；隨著酸性礦井水侵蝕時間的增加，其拋光面顆粒粒徑顆粒數最大依次為42、27和20個/mm2，呈減少趨勢。

2)酸性礦井水作用后，K2灰?guī)r拋光表面粗糙度中的輪廓均方根偏差Rq為1.263～1.925 μm，輪廓平均高度Rc為0.913～1.417 μm，變化范圍較小，表明酸性礦井水作用對這2個粗糙度參數影響較?。欢鴮Ψ甯叨萊p、谷深度Rv和輪廓最大高度Rz影響較大，分別增加了147%、33%和65.3%。

3)酸性礦井水對K2灰?guī)r拋光面表面形貌影響的原因是酸性礦井水中的硫酸和K2灰?guī)r中的主要成分CaCO3發(fā)生化學反應，生成硫酸鈣和二氧化碳氣體，導致K2灰?guī)r拋光面形貌發(fā)生變化。