斷層破碎帶泥巖重塑樣膨脹性研究

高敬東 方志明 韋四江 李輝輝

(1.新驛煤礦有限公司，山東省濟寧市，272100；2.河南理工大學，河南省焦作市，454003)

山東能源集團新驛煤礦位于山東省兗州市西北側(cè)，采區(qū)西北方向長約4 km，東北方向?qū)捈s4 km，面積約11.7 km2。采區(qū)地表地勢平坦，區(qū)內(nèi)地表無河流湖泊。地面標高47.0～50.0 m。井田內(nèi)斷層較發(fā)育，以張扭性正斷層為主，走向大部為北北東或北東向。根據(jù)現(xiàn)有資料確定采區(qū)區(qū)內(nèi)有斷層約77條，其中落差100 m以上的斷層有5條，50～100 m的有5條，30～50 m的有7條，30 m以內(nèi)的59條。巷道穿越的斷層破碎帶地層主要為粉砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖等軟弱巖層。主采煤層平均厚度2.22 m，采用綜合機械化采煤法。

新驛煤礦南翼集中軌道上山穿越長溝支五斷層破碎帶及軟弱巖層帶，圍巖呈現(xiàn)軟巖特征。在礦山壓力作用下，圍巖松動范圍大，周圍地質(zhì)構(gòu)造復雜巷道受動壓影響情況較明顯，巷道變形大，四周來壓嚴重。軟巖的種類有很多，不同類型的軟巖其強度特性、泥質(zhì)含量及力學特點有很大的差異。遇水膨脹泥化軟巖不同于傳統(tǒng)的軟巖問題，該類巖石成巖時間較短，膠結(jié)程度差，強度低，巖石親水性強，有的膨脹性十分顯著，物理化學活性強，風化耐久性差，遇水易解體為軟泥，因此對軟巖巷道進行支護設計必須對礦井的軟巖類型以及特性進行科學的判定，之后采取相應的加固方法。

1 試件制備

為了研究離南翼軌道上山起坡點311 m和257 m處圍巖的物理力學性質(zhì)以及水理性，分別從上述兩處采取巖樣，但是粉砂質(zhì)泥巖、砂泥巖互層原巖取樣困難，且?guī)r樣中裂隙發(fā)育，膠結(jié)程度松散，易于風化崩解，遇水后迅速軟化、泥化，難以加工成用以測定其物理力學性質(zhì)的標準試樣。為了測定巷道圍巖的物理力學性質(zhì)，采用把裂隙發(fā)育的巖樣加工成力學試驗要求的標準尺寸的重塑樣。

重塑樣是由破碎不能加工成標準巖樣的巖石通過球磨機研磨后，再和一定比例的水混合均勻，在壓力機中壓實成型的，其材料物理性質(zhì)一樣，因此具有物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的均勻性。實際上，不同的成樣方法可以制備出具有不同初始結(jié)構(gòu)的重塑樣，這些重塑樣與原石巖樣在結(jié)構(gòu)和試驗結(jié)果方面會存在較大差異。但是根據(jù)巖層賦存特征可知，巖層基本都是水平層理，因此加工重塑樣的時候采用軸向加壓的方法成樣。盡管采用原巖的礦物組成成分，以及與現(xiàn)場相近的圍壓參數(shù)制作了重塑樣，畢竟不能完全反應與原巖一樣的物理力學性質(zhì)，需要用完整性系數(shù)把制作成的重塑樣的巖石物理力學性質(zhì)進行折減。

本試驗中粉砂巖和砂泥互層巖石試樣的加工和制作設備主要包括：球磨機、篩子、燒杯、電子天平、電熱恒溫干燥箱、壓力機等。

2 試件微觀特性

巖石的性質(zhì)與組成它的礦物成分類別以及含量有著密切的關系，特別是遇水有膨脹性和發(fā)生泥化現(xiàn)象的軟巖，其中含的黏土成分與含量是其力學性質(zhì)和水理性質(zhì)表現(xiàn)差異大的重要原因。由于組成南翼集中軌道巷的頂?shù)装宓哪鄮r中含有大量的黏土礦物，而巖體的物理力學性質(zhì)與這類黏土礦物成分及含量有密切關系，因此必須對圍巖的微觀特性進行研究，弄清礦物組成以及微觀結(jié)構(gòu)，才可制定相應的巷道支護方案。

2.1 X-射線衍射試驗

試驗步驟如下：將巖樣破碎成直徑5 cm塊狀，放入干燥箱干燥，再放入球磨機中加工5 min，用200目的篩子過濾，取試驗所需分量的粉末放入密封袋備用，采用德國進口BrukerX射線衍射儀進行實驗操作，然后對試驗所得的數(shù)據(jù)進行整理分析。實驗室專業(yè)人員通過對各種圖譜進行分析并與標準圖譜比對，得到了南翼開拓巷道起坡點311 m和257 m處圍巖的組成成分以及含量。

表1 粉砂質(zhì)泥巖巖樣組份表

粉砂質(zhì)泥巖X-射線衍射分析結(jié)果及組分表分別如圖1和表1所示。由圖1和表1可以看出，粉砂質(zhì)泥巖組份以黏土礦物為主，占80%左右，其中軟弱礦物伊利石占62.4%左右，高嶺土占16.8%左右；石英占20.8%左右，膠結(jié)程度松散，軟弱礦物易于風化崩解，遇水后迅速軟化，而后泥化，使支護環(huán)境惡化。

表2 砂泥巖互層巖樣組份表

砂泥巖互層X射線衍射分析結(jié)果及組分表分別如圖2和表2所示。由圖2和表2可以看出，砂泥巖互層組分黏土礦物占42%，其中蒙脫石占12%，高嶺土占27%，石英占36%，白云石占10%，云母石占15%。由于互層節(jié)理發(fā)育，且蒙脫石、高嶺土表現(xiàn)出遇空氣風化，遇水后吸水膨脹，從而圍巖崩解脫落嚴重。

圖1 粉砂質(zhì)泥巖組成成分及含量圖

圖2 砂泥巖互層組成成分及含量圖

表3 軟巖工程分類

何滿潮教授根據(jù)軟巖的強度特性，泥質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)面特點及其塑性變形力學特點對軟巖進行了分類，見表3。因此，根據(jù)對南翼開拓巷道起坡點311 m和257 m處的圍巖的巖樣試件做的全礦物X射線衍射分析結(jié)果可以看出，粉砂質(zhì)泥巖和砂泥巖互層這兩種圍巖的巖性屬于膨脹性軟巖(低強度軟巖)，再根據(jù)現(xiàn)場的施工中圍巖表現(xiàn)出來的吸水性、膨脹性、軟化明顯特性可知，這兩類圍巖穩(wěn)定性差，施工中要注意無支護時間一定要縮短，同時防止地質(zhì)水進入。

2.2 掃描電鏡試驗

采用掃面電鏡能夠用電子射線照射物體提高分辨重塑樣黏土礦物晶體大小，礦物顆粒之間的間隙，以彌補X射線衍射分析的不充分。

重塑樣掃描電鏡試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，粉砂質(zhì)泥巖重塑樣中的孔隙為礦物粒間壓實殘余孔隙，其表現(xiàn)顆粒粒間孔隙，形成了儲集空間和流體運移通道的能力，從而巖樣容易吸水。砂泥巖互層重塑樣中孔隙為粒間孔層間孔，也可以形成儲集空間和流體運移通道的能力。

圖3 粉砂質(zhì)泥巖SEM試驗結(jié)果

圖4 砂泥巖互層SEM試驗結(jié)果

通過研究離南翼開拓巷道起坡點311 m和257 m處圍巖重塑樣的微觀結(jié)構(gòu)特性可知，兩處圍巖的礦物成分中都含有能與水發(fā)生水化反應膨脹性黏土成分，當巷道掘進后巖體受到擾動而發(fā)生改變，圍巖次生裂隙的產(chǎn)生為地下水的滲透提供了良好的通道，其中含的膨脹性黏土吸水后體積逐漸膨脹而破壞混泥土襯砌支護結(jié)構(gòu)，對巷道產(chǎn)生損壞。

3 試件側(cè)限膨脹性試驗

3.1 側(cè)限膨脹力試驗

由于粉砂質(zhì)泥巖和砂泥互層巖石二者制作的重塑樣試件通過試驗觀察可知，具有弱膠結(jié)、低強度、遇水后泥化崩解等特性，因此自由膨脹試驗受到了限制。本試驗通過側(cè)限膨脹試驗對其膨脹性作了研究。側(cè)限約束膨脹力可用來直接判別巖石膨脹性大小，試驗數(shù)據(jù)直觀準確，被廣大科研工作者和規(guī)范標準所采用膨脹力是巖體在不允許側(cè)向變形條件下充分吸水而保持其不發(fā)生豎向膨脹所需施加的最大壓力值。

通過對粉砂質(zhì)泥巖和砂泥巖互層重塑樣以及細砂巖試樣的側(cè)限膨脹力試驗，將試驗的試樣測量數(shù)據(jù)記錄整理得出試樣浸水試驗時間對巖石膨脹力的影響，如圖5所示。

圖5 試件浸水時間與側(cè)限膨脹力增量關系曲線

由圖5可知，粉砂質(zhì)泥巖和砂泥巖互層的膨脹力在初始含水率為0時變化明顯，數(shù)顯巖石膨脹應力測定儀測得的平均膨脹力分別為2.26 kN和1.75 kN，根據(jù)試樣的尺寸換算分別為1.75 MPa和0.94 MPa。結(jié)合上述圍巖微觀X射線衍射試驗的結(jié)果，在一定含水狀態(tài)時，其水分子層的層間持水能力是一定的，在初始含水率較低時，其吸水能力較強，因而吸水后受約束產(chǎn)生膨脹力變化較大，在吸水后受約束產(chǎn)生膨脹力變化明顯。

3.2 側(cè)限膨脹量試驗

通過對粉砂質(zhì)泥巖和砂泥巖互層重塑樣以及細砂巖試樣的側(cè)限膨脹量試驗，將試驗的試樣測量數(shù)據(jù)記錄整理，如圖6所示。

由圖6可知，粉砂質(zhì)泥巖和砂泥巖互層的重塑樣平均膨脹量非常大，分別為10.26 mm和7.96 mm，結(jié)合上述圍巖微觀X射線衍射試驗的結(jié)果，說明膨脹性黏土是造成重塑樣膨脹的主要原因。此外，從重塑樣的掃描電鏡圖可以看出，重塑樣微觀孔隙為粒間孔層間孔，形成儲集空間和流體運移通道的能力，利于水分快速進入試樣中，水分子更容易進入細小的孔隙導致微裂隙增加，且孔隙分布趨向均勻，最終導致巖樣的膨脹量明顯。

圖6 試件浸水時間與側(cè)限膨脹量增量關系曲線

根據(jù)測線膨脹力和側(cè)限膨脹量試樣結(jié)果可知，粉砂質(zhì)泥巖和砂泥巖互層的重塑樣遇水后膨脹，且膨脹量較大，時間效應明顯，得出側(cè)限膨脹力和膨脹量與浸水時間的關系曲線，該曲線對工程實踐有指導意義。

4 現(xiàn)場應用

結(jié)合以上研究成果，采用U型鋼支架作為基本支護護表，防止破碎圍巖的垮落；噴砼封閉圍巖，防止圍巖表面風化；巷道拱肩、拱腳及兩幫、拱頂?shù)纫讚p關鍵部位注漿改性，提高圍巖的整體性及其殘余強度，提高其自承載能力，增強錨桿錨固效果；底拱梁控制底鼓；通過結(jié)構(gòu)補償錨索將鋼支架-錨索進行耦合，形成一個支護整體來控制圍巖的變形，將主動被動支護有機結(jié)合起來。在過斷層破碎帶粉砂質(zhì)泥巖段的軌道上山長度為29 m，在中間位置布置1個測站，觀測內(nèi)容包括：頂沉、底鼓、兩幫相對移近量。巷道掘出10 d后，變形速率開始減小，然后變形量逐漸增加，90 d后，變形速率降低到0.5 mm/d以下；其中頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?6 mm，其中，頂沉38 mm，底鼓58 mm，兩幫相對移近量106 mm。巷道表面沒有出現(xiàn)混凝土開裂和錨桿斷裂的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)南翼集中軌道巷穿過的斷層破碎帶大部分為遇水后會發(fā)生膨脹泥化的巖層，這類軟弱圍巖遇水后具有明顯的流變特性。

(2)在水巖耦合的作用下，圍巖進一步被破壞，這會形成兩種不利于圍巖穩(wěn)定性的因素：一是遇水后膨脹泥化致使圍巖的強度急劇降低；二是在水巖共同作用下，圍巖遇水膨脹導致裂隙進一步發(fā)育，最終使得含水層中的水與圍巖形成危險的導水通道。

(3)南翼集中軌道上山穿越長溝支五斷層破碎帶時圍巖的控制關鍵在于阻止外圍水對巖體物理、化學、力學性質(zhì)的劣化的影響，防止進入泥化流變階段。