高林　趙世毫　黃小芬　馬振乾　孔德中　康向濤　韓森

摘要：為進(jìn)一步揭示盤江礦區(qū)回采巷道圍巖變形機(jī)理，采集礦區(qū)范圍內(nèi)三對(duì)典型礦井回采巷道圍巖煤巖樣進(jìn)行了點(diǎn)載荷、堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定、礦物成分分析、耐崩解指數(shù)測(cè)定、水理特性等一系列圍巖特征實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：盤江礦區(qū)回采巷道頂?shù)装鍘r層多為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等軟弱巖層，天然狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度分別低至0.32 MPa、6.34 MPa及0.77 MPa，且煤的堅(jiān)固性系數(shù)僅為0.50～0.86，礦區(qū)內(nèi)回采巷道圍巖軟巖特征明顯;圍巖礦物成分以石英為主，但高嶺石、鈉長(zhǎng)石等黏土礦物含量較高，遇水極易膨脹，裂隙及節(jié)理發(fā)育，圍巖強(qiáng)度大幅度降低;圍巖抵抗軟化和崩解作用的能力較差，其中底板泥巖的耐崩解性指數(shù)低至8.70%。研究結(jié)論可為盤江礦區(qū)回采巷道圍巖控制方案的制定提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：盤江礦區(qū);軟巖;物理力學(xué)性質(zhì);回采巷道

中圖分類號(hào)：TD82;TD313文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

貴州省煤炭資源儲(chǔ)量豐富，是云貴煤炭基地的主要組成部分，探明儲(chǔ)量超過江南五省之和，有著“江南煤?！敝u(yù)[1-2]。盤江礦區(qū)作為貴州省煤炭開采的“主戰(zhàn)場(chǎng)”，對(duì)貴州省乃至全國經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮著巨大作用;但由于礦區(qū)內(nèi)含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，軟弱巖層分布廣泛，開采過程中回采巷道冒頂、底鼓等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[3]。已有研究表明，分析和掌握巷道圍巖物理力學(xué)特征，是揭示圍巖變形破壞機(jī)理的前提和有效途徑[4-6]。如李化敏等[7]研究了神東礦區(qū)煤系地層巖石不同沉積時(shí)期的砂巖在單軸壓縮、三軸壓縮和巴西劈裂實(shí)驗(yàn)下的物理力學(xué)參數(shù)，為該礦區(qū)圍巖控制制定方案提供了理論支持。何滿潮、周莉等[8-9]利用掃描電鏡和X射線衍射對(duì)興安礦深部軟巖進(jìn)行了礦物成分分析，并提出一種新型聯(lián)合支護(hù)方式。楊曉杰、孫曉明等[10-11]針對(duì)軟巖巷道變形大、難支護(hù)的問題，采用工程地質(zhì)力學(xué)分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析了新安煤礦+535回風(fēng)石門的變形機(jī)制，并提出了“恒阻大變形錨桿+金屬網(wǎng)+底角注漿錨管+鋼纖維混凝土”耦合支護(hù)方案。張杰等[12-13]采用力學(xué)參數(shù)測(cè)試、礦物成分分析及崩解實(shí)驗(yàn)等方法研究了王洼煤礦1522-1工作面回風(fēng)巷破壞機(jī)理，為提出合理的控制措施和支護(hù)參數(shù)確定提供了理論依據(jù)。

因此，通過采集盤江礦區(qū)范圍內(nèi)三對(duì)典型礦井回采巷道圍巖煤巖樣，進(jìn)行了一系列圍巖特征實(shí)驗(yàn)，以期研究結(jié)論為進(jìn)一步揭示該礦區(qū)回采巷道圍巖變形機(jī)理提供理論依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)方案

1.1采樣地點(diǎn)及采樣方式

貴州盤江礦區(qū)主要含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，全層厚為280～310 m。為使本次實(shí)驗(yàn)研究更加全面，選取礦區(qū)內(nèi)A、B、C三對(duì)代表性礦井回采巷道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)煤巖樣采集。采樣過程按照《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法 第1部分：采樣一般規(guī)定》（GB/T 23561.1—2009）中相關(guān)要求執(zhí)行。由表1可知，礦區(qū)內(nèi)煤層及其頂?shù)装鍘r性主要為粉砂巖、泥巖及泥質(zhì)粉砂巖等。為盡量減少實(shí)驗(yàn)過程中的偶然誤差，提高實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的可靠性，每個(gè)礦井回采巷道的頂板、底板和煤層均加工了3個(gè)以上試樣。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

考慮到礦區(qū)內(nèi)回采巷道圍巖的軟巖特性，主要開展了點(diǎn)載荷實(shí)驗(yàn)、煤的堅(jiān)固性測(cè)定實(shí)驗(yàn)、X射線衍射實(shí)驗(yàn)、崩解實(shí)驗(yàn)和水理特性實(shí)驗(yàn)等，圍繞力學(xué)參數(shù)測(cè)試、礦物成分分析兩方面展開了系統(tǒng)研究。

2力學(xué)參數(shù)測(cè)試

2.1點(diǎn)載荷實(shí)驗(yàn)

鑒于軟弱巖層制作標(biāo)準(zhǔn)試件的困難性，采用HDH-1點(diǎn)載荷試驗(yàn)儀（圖1）對(duì)盤江礦區(qū)A礦、B礦、C礦煤層及其頂?shù)装鍘r層進(jìn)行點(diǎn)載荷實(shí)驗(yàn)，破壞載荷可由配套TY5D/A數(shù)顯儀直接讀出，測(cè)量精度高。

為便于實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)過程中記錄了各礦煤巖樣點(diǎn)載荷實(shí)驗(yàn)前后的破壞形態(tài)，其中A礦試件如圖2所示。（a）試驗(yàn)儀（b）TY5D/A數(shù)顯儀（c）試件

依據(jù)測(cè)試結(jié)果，根據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法 第13部分：煤和巖石點(diǎn)載荷強(qiáng)度指數(shù)測(cè)定方法》（GB/T 23561.13—2010）中相應(yīng)的公式，計(jì)算得出修正后的煤和巖石點(diǎn)載荷強(qiáng)度指數(shù)I_s（50）。煤和巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與其點(diǎn)載荷強(qiáng)度之間具有很好的線性關(guān)系，因此，煤和巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度可由其點(diǎn)載荷強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)估，換算公式如下[14]：

經(jīng)計(jì)算，A、B、C三對(duì)礦井煤層、頂?shù)装鍘r層平均點(diǎn)載荷強(qiáng)度指數(shù)I_s（50）及換算后的煤巖層抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度如表2所示?？芍?，各煤巖層天然狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度分別低至0.32 MPa、6.34 MPa及0.77 MPa，表明盤江礦區(qū)回采巷道圍巖力學(xué)強(qiáng)度整體較低，屬于典型的軟弱圍巖。

2.2煤的堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步分析盤江礦區(qū)回采巷道煤塊抵抗破壞的能力，采用DQ-4型煤堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行煤的堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。根據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法 第12部分：煤的堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定方法》（GB/T 23561.12—2010），將從A、B、C三對(duì)礦井回采巷道圍巖中采集的煤樣在實(shí)驗(yàn)室分別處理成20～30 mm塊度的5份式樣（圖3）。實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)試件各進(jìn)行3次沖擊，測(cè)得三對(duì)礦井的堅(jiān)固性系數(shù)最小值為0.50，最大值為0.86，均屬于超軟巖且接近極軟煤層臨界值[15]，表明礦區(qū)內(nèi)可采煤層煤體強(qiáng)度較小。

3礦物成分分析及耐崩解實(shí)驗(yàn)

3.1礦物成分分析

為了揭示盤江礦區(qū)回采巷道圍巖礦物特征，采用Panalytical多功能粉末X射線衍射儀，對(duì)三對(duì)礦井回采巷道煤層及頂?shù)装鍑鷰r礦物組分進(jìn)行測(cè)試，依據(jù)各煤巖層X射線衍射圖譜分析得出礦物組分，其中，A礦回采巷道測(cè)試結(jié)果如表3所示。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知：盤江礦區(qū)回采巷道圍巖礦物成分以石英為主，但高嶺石、鈉長(zhǎng)石等黏土礦物含量較高，如A礦頂板巖石（泥質(zhì)粉砂巖）中高嶺石含量為19.8%，15#煤層中高嶺石含量達(dá)32%，而底板巖石（泥巖）中高嶺石、鈉長(zhǎng)石含量分別為31%、26%，屬于中膨脹性軟巖至強(qiáng)膨脹性軟巖[16]。由于巷道圍巖尤其底板巖石中黏土礦物含量較高，在井下水作用下，極易導(dǎo)致圍巖遇水膨脹、裂隙及節(jié)理發(fā)育，圍巖強(qiáng)度將大幅度降低。E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

3.2耐崩解實(shí)驗(yàn)

為了分析評(píng)價(jià)盤江礦區(qū)回采巷道圍巖抵抗軟化和崩解作用的能力，采用HNB-1型巖石耐崩解實(shí)驗(yàn)儀對(duì)采集于A、B、C三對(duì)礦井的煤層、頂?shù)装鍘r層進(jìn)行了耐崩解性實(shí)驗(yàn)。其中，A礦回采巷道頂?shù)装迥捅澜庑灾笖?shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)試件前后形態(tài)對(duì)比如圖4所示。

根據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法 第16部分：巖石耐崩解性指數(shù)測(cè)定方法》（GB/T 23561.16—2010）計(jì)算得出各礦圍巖耐崩解性指數(shù)。分析測(cè)試結(jié)果可知：礦區(qū)內(nèi)回采巷道圍巖整體抵抗崩解的能力較差，如A礦底板泥巖崩解實(shí)驗(yàn)之后殘留物僅為一小塊巖石，耐崩解性指數(shù)測(cè)定結(jié)果僅為8.70%。相比于泥巖，礦區(qū)內(nèi)泥質(zhì)粉砂巖抵抗崩解的能力稍強(qiáng)，平均耐崩解性指數(shù)約為66.0%，但從崩解殘留物看，絕大多數(shù)已崩解為粒徑小于3 mm的細(xì)小顆粒。

3.3巖石水理特性實(shí)驗(yàn)

研究過程中，采樣對(duì)盤江礦區(qū)回采巷道煤層及頂?shù)装鍘r樣進(jìn)行了為期10 d的水理特性實(shí)驗(yàn)。以A礦為例，實(shí)驗(yàn)過程中，回采巷道圍巖不同時(shí)期煤樣形態(tài)如圖5所示。煤樣浸水0.5 h和10 d之后，僅從煤樣裂隙中析出一些黑色油性物質(zhì)，遇水崩解的效果不足，煤樣外觀未發(fā)生明顯變化。頂板浸水0.5 h后，即開始發(fā)生崩解變化，有小片的薄片狀巖塊從母體上剝離掉落，而且?guī)r石吸水作用明顯，貫穿到巖石裂隙中;10 d后，原始巖塊則遇水崩解成細(xì)小碎片狀。底板浸水0.5 h后，即開始發(fā)生崩解變化，有碎屑狀巖塊從母體上剝離掉落，而且?guī)r石吸水作用明顯，貫穿到巖石裂隙中;10 d后，原始巖塊則遇水崩解成細(xì)小碎塊，用手極易掰成小粒。

綜合分析可得，盤江礦區(qū)回采巷道頂?shù)装鍑鷰r受水理作用明顯。因此，巷道掘出后，如不及時(shí)采取封閉支護(hù)措施，在持續(xù)風(fēng)化及水理作用下，加之遇水產(chǎn)生的膨脹、崩解效應(yīng)等，使得軟弱圍巖更加破碎，強(qiáng)度大幅降低，同時(shí)產(chǎn)生的擴(kuò)容變形、碎脹壓力也將給此類巷道圍巖控制帶來更大的困難。

4結(jié)論

1）盤江礦區(qū)回采巷道頂?shù)装鍘r層多為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等軟弱巖層，天然狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度分別低至0.32 MPa、6.34 MPa及0.77 MPa，且煤的堅(jiān)固性系數(shù)僅為0.50～0.86。

2）盤江礦區(qū)回采巷道頂?shù)装鍘r層礦物成分以石英為主，但高嶺石、鈉長(zhǎng)石等黏土礦物含量較高，在井下水作用下，極易導(dǎo)致圍巖遇水膨脹，圍巖強(qiáng)度大幅度降低。

3）盤江礦區(qū)回采巷道頂板裂隙及節(jié)理發(fā)育，導(dǎo)致抵抗軟化及崩解的能力較差，底板巖層耐崩解性指數(shù)低至8.70%，與水相互作用后失去黏結(jié)力，產(chǎn)生膨脹、崩解等效應(yīng)，使得巷道圍巖更加破碎。

4）整體而言，盤江礦區(qū)回采巷道圍巖力學(xué)強(qiáng)度較低，軟巖特征明顯，支護(hù)過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮遇水膨脹、風(fēng)化崩解等對(duì)巷道圍巖控制帶來的不利影響。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Experimental Study on Surrounding Rock CharacteristicsE5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

of Gateway in Panjiang Mining Area

GAO LinZHAO Shihao HUANG Xiaofen MA Zhenqian KONG Dezhong KANG Xiangtao HAN Sen

（1.College of Mining， Guizhou University， Guiyang 550025， China; 2.Research Center of Roadway Support and Disaster

Prevention Engineering in Coal Industry， Beijing 100083， China; 3.National & Local Joint Laboratory of Engineering

for Effective Utilization of Regional Mineral Resources from Karst Areas， Guizhou University， Guiyang 550025， China）Abstract： To further reveal the deformation mechanism of surrounding rock of gateway in Panjiang mining area， coal and rock samples of surrounding rocks of three typical gateways in mining area were collected， and a series of surrounding rock characteristics such as point load， determination of the firmness coefficient， mineral composition analysis， determination of the disintegration resistance index and hydraulic characteristics were studied. The results show that the roof and floor strata of gateway in Panjiang mining area are mostly mudstone， argillaceous siltstone and other soft strata. Under natural conditions， the tensile strength， compressive strength and shear strength are as low as 0.32 MPa， 6.34 MPa and 0.77 MPa， and the firmness coefficient of coal is only 0.50-0.86. The characteristics of the soft surrounding rock of gateway in mining area are obvious. The main mineral composition of surrounding rock is quartz， but the contents of clay minerals such as kaolinite and albite are high， so the surrounding rock is easily expansive when meeting with water， fractures and joints are also developed， leading to a great reduction in the strength of surrounding rock. Besides， the ability of surrounding rock to resist softening and disintegration is poor， and the disintegration resistance index of mudstone on floor is as low as 8.70%. The research conclusions can provide scientific basis and theoretical guidance for the formulation of surrounding rock control scheme of gateway in Panjiang mining area.

Key words： Panjiang mining area; soft rock; physical and mechanical property; gatewayE5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A