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)
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。
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
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。
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
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
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
2-1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
(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。