艾維爾溝礦區(qū)堅(jiān)硬頂板回采巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征分析*

雍明超，王 震，金士魁，馮俊文

(新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學(xué)研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

0 引言

巷道圍巖是一個(gè)極其復(fù)雜的地質(zhì)體[1-3]。圍巖內(nèi)部含有各種各樣的不連續(xù)面，如節(jié)理、裂隙等，這些不連續(xù)面的存在，顯著改變了圍巖的強(qiáng)度特征和變形特征，致使巖塊與巖體的強(qiáng)度相差懸殊[4-7]。因此，一切與圍巖有關(guān)的工作，如巷道布置、巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，特別是錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，都離不開(kāi)對(duì)圍巖地質(zhì)力學(xué)特征的充分了解[8-10]。從收集的艾維爾溝礦區(qū)某礦地勘資料表明，礦區(qū)自西向東有一條常年流水的地表水體，采區(qū)范圍內(nèi)的采空區(qū)有一定數(shù)量的滲水積存。為了保證煤礦安全高效生產(chǎn)，就必須采取一定的措施對(duì)巷道圍巖進(jìn)行控制?；诖?，對(duì)新疆艾維爾溝礦區(qū)某礦堅(jiān)硬頂板回采巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，以尋求合理的巷道圍巖控制措施。

1 煤巖測(cè)試與分析

1.1 煤巖樣品采集

根據(jù)采區(qū)現(xiàn)有在掘巷道情況，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，按照取樣地點(diǎn)盡量避開(kāi)巷道交叉口、老空區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造帶等不良因素的原則，布置2-1號(hào)煤層頂板取樣地點(diǎn)，如圖1所示。頂?shù)装鍘r樣采用礦用液壓鉆機(jī)取芯，取芯管規(guī)格為φ108 mm×1 000 mm，取芯深度15 m；取芯鉆孔垂直巖層傾向施工，鉆進(jìn)過(guò)程鉆桿保持緩慢勻速推進(jìn)，以盡量減少鉆頭對(duì)巖體劇烈沖擊破壞。取出的巖芯，僅采集巖芯完整長(zhǎng)度≥10 cm的部分，在巖芯上貼標(biāo)簽紙，并用保鮮膜包裹巖芯。若鉆孔不能取完整煤芯，煤樣采集可利用風(fēng)鎬在巷幫采集塊狀煤，塊狀尺寸長(zhǎng)≥20 cm、寬≥20 cm、高≥20 cm，采集好的煤樣塊用保鮮膜包裹。

圖1 頂板取芯孔布置示意Fig.1 Layout of roof coring borehole

1.2 煤巖力學(xué)測(cè)試

利用實(shí)驗(yàn)室制備的2-1號(hào)煤層頂板粉砂巖(取樣深度0～5 m)標(biāo)準(zhǔn)試件，開(kāi)展單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、變形參數(shù)、密度、吸水率、含水率及抗剪強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)得自然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度67.56～97.56 MPa，平均值80.97 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度8.64～82.49 MPa，平均值42.58 MPa；抗拉強(qiáng)度為4.41～9.41 MPa，平均6.21 MPa；凝聚力41.65 MPa、內(nèi)摩擦角19°38′、泊松比0.17、彈性模量3.780×104MPa；自然塊體密度2.59 g/cm3，含水率0.63%，飽和吸水率0.94%。

利用實(shí)驗(yàn)室制備的2-1號(hào)煤層頂板中砂巖(取樣深度5～14 m)標(biāo)準(zhǔn)試件，開(kāi)展單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、變形參數(shù)、密度、吸水率、含水率及抗剪強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)得自然狀態(tài)時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度為45.94～103.90 MPa，平均值82.03 MPa，見(jiàn)表1。飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度65.24～72.87 MPa，平均值69.27 MPa；抗拉強(qiáng)度為4.95～9.62 MPa，平均6.52 MPa；凝聚力34.91 MPa、內(nèi)摩擦角28°31′、泊松比0.19、彈性模量2.488×104MPa；自然塊體密度2.54 g/cm3，含水率0.48%，飽和吸水率1.04%。

表1 頂板單軸抗壓強(qiáng)度Table 1 Uniaxial compressive strength of roof

利用實(shí)驗(yàn)室制備的2-1號(hào)煤層煤樣進(jìn)行自然塊體密度測(cè)試，測(cè)得塊體密度為1.32～1.40 g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度為2.9～3.7 MPa、抗拉強(qiáng)度為0.52～0.57 MPa。由于2-1號(hào)煤層裂隙發(fā)育，在進(jìn)行變形參數(shù)、抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法制樣或?qū)嶒?yàn)無(wú)法正常進(jìn)行，故無(wú)法獲得彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力參數(shù)。

通過(guò)對(duì)樣品測(cè)試分析得出，2-1號(hào)煤層頂板高度14 m范圍內(nèi)，以粉砂巖、中砂巖為主。測(cè)得粉砂巖自然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度67.56～97.56 MPa，平均值80.97 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度8.64～82.49 MPa，平均值42.58 MPa；抗拉強(qiáng)度為4.41～9.41 MPa，平均6.21 MPa；凝聚力41.65 MPa，內(nèi)摩擦角19°38′，泊松比0.17，彈性模量3.780×104MPa；自然塊體密度2.59 g/cm3，含水率0.63%，飽和吸水率0.94%。測(cè)得中砂巖自然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度45.94～103.90 MPa，平均值82.03 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度65.24～72.87 MPa，平均值69.27 MPa；抗拉強(qiáng)度為4.95～9.62 MPa，平均6.52 MPa；凝聚力34.91 MPa，內(nèi)摩擦角28°31′，泊松比0.19，彈性模量2.488×104MPa；自然塊體密度2.54 g/cm3，含水率0.48%，飽和吸水率1.04%。2-1號(hào)煤層測(cè)得塊體密度為1.32～1.40 g/cm3，測(cè)得單軸抗壓強(qiáng)度為2.9～3.7 MPa、抗拉強(qiáng)度為0.52～0.57 MPa。

1.3 巷道圍巖測(cè)試與觀(guān)察

為了進(jìn)一步了解2-1號(hào)煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育情況，正確評(píng)價(jià)頂板巖層穩(wěn)定性，直接利用原有的取芯鉆孔，采用CXK12(A)本安型智能鉆孔三維電視成像儀，記錄頂板巖層裂隙發(fā)育情況。鉆孔窺視儀在取芯孔中采集完圖像之后，利用圖像處理軟件將所有圖像拼接，形成三維柱狀圖像，得到取芯孔中巖層裂隙分布圖像。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯巖樣對(duì)窺視圖像進(jìn)行分析，劃分出頂板巖層巖性、巖層厚度及巖層裂隙發(fā)展特征、范圍。鉆孔觀(guān)測(cè)結(jié)果柱狀圖如圖2所示。

圖2 2-1號(hào)煤層頂板巖層窺視圖像Fig.2 Peek image of roof strata of No.2-1 coal seam

2 圍巖力學(xué)評(píng)估

2.1 圍巖力學(xué)性質(zhì)分析

結(jié)合力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果及鉆孔窺視圖像可以看出，頂板上方0～4.2 m為粉砂巖，頂板上方4.2～6.4 m為中砂巖，頂板上方6.4～6.7 m為碳質(zhì)泥巖，頂板上方6.7～8.7 m為中砂巖，頂板上方8.7～11.8 m為粉砂巖，頂板上方11.8～13.7 m為中砂巖。頂板除0.3 m厚的薄層碳質(zhì)泥巖外，主要以粉砂巖、中砂巖為主。其中，粉砂巖自然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度67.56～97.56 MPa，平均值80.97 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度平均值42.58 MPa。中砂巖自然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度45.94～103.90 MPa，平均值82.03 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度平均值69.27 MPa。表2為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc與巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，2-1號(hào)煤層頂板粉砂巖屬于較堅(jiān)硬巖層，中砂巖屬于堅(jiān)硬巖層。其中直接頂為4.2 m的較堅(jiān)硬粉砂巖，有利于錨桿(索)錨固；但工作面回采期間頂板可能不易冒落，回采期間要注意頂板管理，防止頂板大面積懸頂。

表2 巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc與巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Corresponding relationship between rock saturated uniaxial compressive strength Rc and rock hardness

由于礦區(qū)有常年地表流水體，采區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)有一定數(shù)量的滲水積存，煤礦巷道大部分布置在煤層附近沉積巖層中，砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖居多。由于沉積巖形成于地殼淺部，其生成和賦存環(huán)境與巖漿巖和變質(zhì)巖明顯不同，其力學(xué)性質(zhì)除與巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)類(lèi)型等有關(guān)外，還會(huì)受到其環(huán)境條件，尤其是地下水的影響[11-13]。因此，在進(jìn)行煤礦井下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮水對(duì)煤系地層巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。根據(jù)對(duì)圍巖水理性質(zhì)分析2-1號(hào)煤層頂板粉砂巖、中砂巖在浸水0～10 h內(nèi)含水量均迅速上升，吸水率近似呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，之后隨浸水時(shí)間增加含水量增量減小，24 h后含水率基本不再改變，二者受水的影響程度無(wú)顯著差別。

在巷道頂板水的作用下巖體弱面強(qiáng)度發(fā)生弱化，對(duì)不同含水狀態(tài)下的頂板巖層進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得到頂板巖石單軸抗壓強(qiáng)度與其含水率的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3、4所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到了各種巖性軟化系數(shù)。2-1號(hào)煤層頂板粉砂巖為0.53，中砂巖0.84；當(dāng)巖石軟化系數(shù)等于或小于0.75時(shí)，應(yīng)定為軟化巖石，反之，則為不軟化巖石。采區(qū)2-1號(hào)煤層頂板粉砂巖軟化系數(shù)較小，在水作用下該巖層強(qiáng)度容易弱化，是巷道支護(hù)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的對(duì)象。煤體含水量提高，內(nèi)聚力逐漸減小，根據(jù)摩爾準(zhǔn)則，巖體內(nèi)聚力減小，抗剪強(qiáng)度呈線(xiàn)性比例下降。采區(qū)2-1號(hào)煤層頂板粉砂巖內(nèi)聚力隨含水率增加近似線(xiàn)性快速下降，下降規(guī)律基本與抗壓強(qiáng)度一致，進(jìn)一步表明此類(lèi)巖層在礦井水及剪應(yīng)力的耦合作用下，容易剪切破斷，增加頂板的不穩(wěn)定性。

圖3 煤層頂板巖石試樣吸水率變化曲線(xiàn)Fig.3 Variation curve of water absorption rate of rock samples from the roof of coal seam

2.2 圍巖結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)鉆孔窺視及現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣結(jié)果，2-1號(hào)煤層頂板上方0～4.2 m為粉砂巖，頂板上方4.2～6.4 m為中砂巖，頂板上方6.4～6.7 m為碳質(zhì)泥巖，頂板上方6.7～8.7 m為中砂巖，頂板上方8.7～11.8 m為粉砂巖，頂板上方11.8～13.7 m為中砂巖。其鉆孔窺視記錄及柱狀圖見(jiàn)表3。從頂板窺視結(jié)果還可以看到，頂板0～0.8 m范圍可見(jiàn)2條離層裂隙，間距0.4 m，巖體中等破碎。頂板0.8～4.2 m含微裂隙，巖體較為完整。頂板4.2 m以上，巖體較為完整。根據(jù)頂板鉆孔窺視結(jié)果，按照巷道頂板賦存特征的基本劃分類(lèi)型，將2-1號(hào)煤層頂板類(lèi)別劃分為較完整型(Ⅱ)，屬于堅(jiān)硬頂板。

圖4 煤層頂板巖層抗壓強(qiáng)度與吸水率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relationship between compressive strength and water absorption of coal seam roof strata

表3 2-1號(hào)煤層頂板鉆孔窺視記錄及柱狀Table 3 Peeping record and histogram of roof boreholes in No.2-1 coal seam

2.3 煤體結(jié)構(gòu)分析

2-1號(hào)煤層原生節(jié)理發(fā)育，屬于片狀或板狀煤結(jié)構(gòu)。煤體被一組優(yōu)勢(shì)發(fā)育的節(jié)理切割形成平行排列的板狀或片狀，優(yōu)勢(shì)節(jié)理多與層面斜交或順著層面(0°)發(fā)育，節(jié)理間距0.5～10 cm；一般節(jié)理面平整光滑、延伸穩(wěn)定，摩擦面呈平面狀，表面滑動(dòng)跡象較弱。碎片間有一定的錯(cuò)動(dòng)和位移，裂隙面平直或略呈波狀起伏，橫向延伸穩(wěn)定，將煤體切割成片狀，局部也可見(jiàn)裂隙發(fā)生分叉、與其他方向裂隙交錯(cuò)。一般情況下，隨著節(jié)理傾角的不同，巖體的破壞模式逐漸變化，節(jié)理傾角對(duì)巖體的破壞模式具有重要的決定作用。

通過(guò)煤體單軸壓縮條件下RFPA2D數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示,可以看出，節(jié)理傾角為0°(順層節(jié)理)時(shí)，煤體在單向載荷作用下發(fā)生剪切破壞，在頂部邊緣形成較大的三角形裂隙破壞面?？梢?jiàn)，對(duì)于煤層巷道而言，巷道掘出后巷幫煤體在上覆集中載荷的作用下，尤其對(duì)于節(jié)理傾角為0°(順層節(jié)理)的情況而言，巷幫肩角處易形成三角形狀的破壞區(qū)，若該處支護(hù)強(qiáng)度不足，破壞區(qū)臨空自由面容易出現(xiàn)片幫危險(xiǎn)。

圖5 0°順層節(jié)理對(duì)巖體的破壞模式RFPA2D數(shù)值模擬Fig.5 RFPA2D numerical simulation of failure mode of 0° bedding joint on rock mass

3 結(jié)論

(1)因礦區(qū)受小窯水及煤層頂板砂巖裂隙水影響，并根據(jù)巖石水理性實(shí)驗(yàn)得出，頂板粉砂巖及粗砂巖在水的作用下，抗壓及抗剪強(qiáng)度下降幅度較大，在裂隙水作用下巖層強(qiáng)度容易弱化，是采掘期間巷道支護(hù)設(shè)計(jì)需要考慮的因素。

(2)通過(guò)煤巖力學(xué)測(cè)試得出，2-1號(hào)煤層頂板高度14 m范圍內(nèi)，以粉砂巖、中砂巖為主。粉砂巖自然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度平均值80.97 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度平均值42.58 MPa；并結(jié)合鉆孔窺視觀(guān)察得出，巖體較為完整，按照巷道頂板賦存特征的基本劃分類(lèi)型，將煤層頂板類(lèi)別劃分為較完整型，屬于堅(jiān)硬頂板。

(3)2-1號(hào)煤層直接頂為巖層較厚、強(qiáng)度較高的粉砂巖及中砂巖，有利于錨桿支護(hù)，但工作面回采期間頂板可能不易冒落，回采期間要注意頂板管理，可采取頂板預(yù)裂方法，防止頂板大面積懸頂。

(4)2-1號(hào)煤層自然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度2.9～3.7 MPa，原生節(jié)理發(fā)育屬于極軟煤層。巷道掘出后，巷幫肩角處易形成三角形狀的破壞區(qū)，存在片幫危險(xiǎn)，建議巷道掘進(jìn)及工作面回采期間，采用“強(qiáng)幫弱頂”支護(hù)管理，頂板可適當(dāng)減小支護(hù)強(qiáng)度，兩幫支護(hù)設(shè)計(jì)宜采用護(hù)表面積大的支護(hù)構(gòu)件，阻止裂隙的擴(kuò)容和變形，適當(dāng)減小錨桿間排距，加以施加高預(yù)緊力。