趙建光

(大同煤礦集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101)

魯新煤礦弱膠結(jié)煤巖體風(fēng)化微結(jié)構(gòu)及壓汞試驗研究

趙建光

(大同煤礦集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101)

通過SEM試驗和壓汞試驗對魯新煤礦的風(fēng)化前后煤體和巖體進行試驗研究，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：11煤的煤樣在未風(fēng)化前微結(jié)構(gòu)排列整齊，較為密實，平均孔隙率為4.78%，風(fēng)化后部分裂隙相互貫通，孔隙率急劇增加為15.1%；頂板泥巖巖樣在未風(fēng)化前巖樣表面呈多小孔狀微結(jié)構(gòu)，孔隙率為24%，具有較強的吸水性，風(fēng)化后的巖樣孔隙率增加至28.56%，巖樣表面呈片麻狀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出多個微小孔洞逐步形成大孔洞的表面特點。試驗結(jié)果表明，在弱膠結(jié)軟巖巷道支護尤其是大巷支護中必須采取封閉圍巖的支護技術(shù)，例如混凝土噴層支護，防止巷道表面圍巖持續(xù)風(fēng)化，影響軟巖巷道穩(wěn)定性。

弱膠結(jié)軟巖；壓汞試驗；SEM試驗；巷道支護

內(nèi)蒙古西部、寧夏東北部、陜西北部、新疆伊犁等地區(qū)都存在弱膠結(jié)軟巖地層，由于西部特殊的成巖環(huán)境和沉積過程，弱膠結(jié)軟巖一般成巖年代較短,多為黏土巖類，由于巖性本身的微觀結(jié)構(gòu)特點，形成了其獨特的物理力學(xué)性質(zhì)——強度低、膠結(jié)差、易風(fēng)化、遇水泥化等。目前弱膠結(jié)軟巖的力學(xué)特性和變形機理研究仍然處于試驗階段[1-4]。大量的實驗室實驗和現(xiàn)場工程實踐均證明，圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)是控制地下工程穩(wěn)定性最基本和重要的因素，由于圍巖的微觀結(jié)構(gòu)往往對其宏觀力學(xué)行為具有很強的控制作用，通過深入研究其微觀結(jié)構(gòu)特征，能更好地掌控巷道圍巖不同巖性的力學(xué)行為，從而更好地為礦井建設(shè)服務(wù)[5-9]。

針對魯新煤礦31101工作面的弱膠結(jié)軟巖地層的煤體和巖體，采用壓汞孔隙率試驗和SEM實驗[10-14]，對風(fēng)化前后的表面裂隙率和其微觀結(jié)構(gòu)特征進行了初步探索性研究，分析了其力學(xué)行為表現(xiàn)，從微觀角度對其力學(xué)行為進行了分析和解釋，根據(jù)其巖性特征提出了深入研究的建議。

1 試驗方法介紹

1.1 壓汞法試樣制備

將試樣破碎成粒徑10mm以下，將2mm以下的顆粒篩除，放入無水酒精中浸泡24h終止水化。浸泡完畢，將試樣60℃烘干至恒重，放入壓汞儀樣品室中進行壓汞試驗。

本實驗使用美國Micromeritics公司制造的 AutoPore IV 9510型壓汞儀測定樣品的孔隙特性。儀器壓力范圍為0～60000psia，由計算機控制汞壓入/擠出過程，能夠分析直徑為400μm到0.0036μm范圍的微孔，壓力精確度為0.11%滿量程。測定過程所使用的水銀的物性參數(shù)：侵潤角θ=130.00°；表面張力系數(shù)σ=485.00dynes/cm；密度ρ=13.533g/mL。

1.2 SEM實驗樣品及設(shè)備

本實驗試樣選擇表面起伏(凹凸)較大且不同大小的試驗塊體，并用離子濺射儀在試樣表面上蒸涂一層重金屬導(dǎo)電膜。實驗樣品如圖1所示。此外，為減少雜質(zhì)對試件表面觀測的影響，在鍍膜前宜先對試件表面雜質(zhì)進行清洗，所用清洗溶劑為醫(yī)用酒精。

圖1 選用鍍膜樣品

本實驗在中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室——北京巖石混凝土破壞力學(xué)重點實驗室島津SEM全數(shù)字液壓高溫疲勞實驗機系統(tǒng)上完成。主要參數(shù)：溫度范圍為室溫～800°C，放大倍率最大為200000倍，掃描速率為0.27～9.6s/f，觀測范圍為16mm×6mm，低真空掃描觀測精度為5.5nm。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 煤樣微觀結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 煤樣SEM電鏡掃描實驗結(jié)果分析

圖2為煤樣風(fēng)化前后SEM電鏡掃描系列圖片。風(fēng)化前的煤體結(jié)構(gòu)排列整齊，裂隙多為軸向裂隙，這種結(jié)構(gòu)的煤體排列規(guī)則，能夠承受一定的荷載，強度較高，如圖2(a)所示。風(fēng)化后的煤體則表現(xiàn)出表面裂隙雜亂，且有部分裂隙已相互貫通，這種煤體的破壞程度大，在受荷載后強度會顯著下降，如圖2(b)所示。

圖2 未風(fēng)化與風(fēng)化煤樣SEM系列圖片

2.1.2 煤樣壓汞實驗結(jié)果分析

隨著外加壓力的增加，煤樣中的孔隙逐漸被填充，當(dāng)汞附加壓力達到58972.07psia時，煤樣中的空隙完全被填充，隨著孔隙壓力的進一步增大，孔隙開始相互連通，附加壓力下降，煤樣結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，實驗結(jié)果如圖3和表1所示。煤樣在未風(fēng)化前強度較高，較為密實，平均孔隙率為4.79%，平均表觀密度為1.44g/cm3，平均堆積密度為1.38g/cm3。煤樣受風(fēng)化作用影響較大，孔隙率約增加近4倍，為15.1%，表觀密度和堆積密度也有不同程度變化，表觀密度略有增加，為1.46g/cm3，堆積密度略有降低，為1.23g/cm3。

圖3 煤樣微孔分布曲線

2.2 巖樣微觀結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 巖樣SEM電鏡掃描實驗結(jié)果分析

圖4為巖樣風(fēng)化前后SEM電鏡掃描系列圖片。風(fēng)化前的巖體表現(xiàn)出多孔狀微結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示，這種結(jié)構(gòu)的巖體孔隙率大，強度低，遇水后吸水性強。風(fēng)化后的巖體表面呈片麻狀結(jié)構(gòu)，則呈現(xiàn)出孔洞增大的特點，如圖4(b)所示，原先的孔洞相互貫通，出現(xiàn)更大的孔洞，巖體結(jié)構(gòu)受到破壞。

圖4 未風(fēng)化與風(fēng)化巖樣SEM系列圖片

2.2.2 巖樣壓汞實驗結(jié)果分析

隨著外加壓力的增加，巖樣中的孔隙逐漸被填充，當(dāng)汞附加壓力達到58976.24psia時，巖樣中的空隙完全被填充，隨著孔隙壓力的進一步增大，孔隙開始相互連通，附加壓力下降，巖樣結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，實驗結(jié)果如圖5、圖6和表2所示。在未風(fēng)化前，頂板泥巖巖樣孔隙率較大，為24%，表觀密度為2.15g/cm3，堆積密度為1.63g/cm3。在風(fēng)化后，頂板泥巖巖樣孔隙率較大，為28.56%，表觀密度和堆積密度明顯增加，分別為2.5g/cm3和1.8g/cm3。

3 結(jié) 論

通過對魯新煤礦的風(fēng)化前后煤體和巖體進行SEM試驗和壓汞試驗分析，發(fā)現(xiàn)魯新煤礦11煤樣和巖樣具有以下特點：

(1)不同煤層煤樣及其圍巖巖體的表面微觀形貌和結(jié)構(gòu)特征均有一定的代表性，可以作為衡量煤、巖體風(fēng)化程度及受力變形特性的一種輔助依據(jù)。

圖5 巖樣1微孔分布曲線

圖6 巖樣2微孔分布曲線

風(fēng)化程度試件編號孔隙率/%表觀密度/(g·cm-3)堆積密度(0.43psia)/(g·cm-3)未風(fēng)化XHEI-324.07832.15021.6325平均值24.07832.15021.6325已風(fēng)化XHEI-129.32742.64531.8695XHEI-231.74162.63651.7996XHUI-131.38822.66061.8255XHUI-228.73592.61241.8617XHUI-330.55842.65041.8405平均值28.55832.50081.8048

(2)11煤的煤樣在未風(fēng)化前微結(jié)構(gòu)排練整齊，較為密實，平均孔隙率為4.78%，煤體受風(fēng)化作用影響較大，微結(jié)構(gòu)多樣且復(fù)雜，部分裂隙相互貫通，孔隙率急劇增加為15.1%。

(3)頂板泥巖巖樣在未風(fēng)化前呈多小孔狀微結(jié)構(gòu)，孔隙率為24%，具有較強的吸水性，風(fēng)化后的巖樣孔隙率增加至28.56%，但巖體結(jié)構(gòu)受到破壞，巖樣表面呈片麻狀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出多個微小孔洞逐步形成大孔洞的表面特點。

(4)在全煤巷道支護尤其是大巷支護中必須施加噴層支護，防止巷道圍巖不斷風(fēng)化，降低圍巖巖體強度，影響煤礦的安全生產(chǎn)。

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[責(zé)任編輯：李 青]

Mercury Injection Test and Weathering Microstructure of Weakly Consolidated Coal and Rock Mass of Luxin Coal Mine

ZHAO Jian-guang

(Tongfa Dongzhouyao Coal Industry Co.,Ltd, Datong Coal Mine Group, Datong 037101 China)

Coal and rock before and after weathering of Luxin coal mine was test by SEM test and mercury injection test，the results showed that the micro-structure before weathering in alignment，and more densely of 11# coal，average porosity was 4.78%，some fractures interpenetration after weathering，porosity was 15.1%，more micro pores structure appeared in soft rock surface before weathering，porosity was 24%，water absorption was strong，porosity increased to 28.56% after weathering，gneissoid structure appeared in surface，and micro pore would be formed big pore.The test results showed that sealed surrounding rock supporting technology should be applied in roadway supporting of weakly consolidated soft rock supporting，for example shotcrete support should be applied，then surrounding rock surface weathering could be prevented，soft rock roadway stability would not be influenced.

weakly consolidated soft rock，mercury injection test，SEM test，roadway supporting

2016-10-14

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.002

國家自然科學(xué)基金(51404105)

趙建光(1969-)，男，山西大同人，工程師，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)工作。

趙建光.魯新煤礦弱膠結(jié)煤巖體風(fēng)化微結(jié)構(gòu)及壓汞試驗研究[J].煤礦開采，2017，22(3)：6-8，81.

TD989

A

1006-6225(2017)03-0006-03