夾河礦深部巷道圍巖地質力學測試分析

齊 干，唐強達

(1.北京市地質研究所，北京 100120；2.上海建科建設監理咨詢有限公司，上海 200032)

隨著淺部煤炭資源的日益減少，國內外一大批礦區逐漸轉入深部開采階段[1,2]。深部復雜的地質條件和力學環境，使巷道圍巖穩定性控制成為制約煤礦安全高效生產的主要難題之一[3]。目前，徐州礦務集團所屬11對礦井中已有8對采掘深度達到1000m以下，夾河礦是該集團主力生產礦井，目前(800m水平已基本開采結束)，正向1010m水平延伸。該礦多條巷道在前期掘進過程中，由于深部地質構造復雜、地應力高、圍巖巖性差等原因，出現了高地壓、大變形、難支護現象。本文采用現場調查、地應力測試、掃描電鏡分析、X射線衍射分析和物理力學性質試驗等手段，對夾河礦深部巷道圍巖進行了地質力學測試分析，為確定軟巖類型、評價巖體質量、研究巷道變形機制，進而有針對性地提出合理可行的巷道支護方案，提供了基礎數據和科學依據。

1 夾河礦深部巷道變形破壞特征

通過對夾河礦2442工作面上材料道、7446工作面材料道及-1010膠帶機石門等深部巷道的現場調查，發現該礦深部巷道變形破壞具有如下特征：

(1)頂板下沉嚴重，離層及網兜現象明顯，造成難以控制。通過對2442工作面上材料道前期舊支護形式(錨網索支護)下的變形監測，在75d觀測時間內，頂板下沉總最大達420mm，日均下沉速率5.6mm/d。由于巷道頂板松散、破碎，采用原支護形式和參數的巷道，約一半以上地段出現明顯網兜現象，多處地段不得不采用點柱或梯形鋼架作二次支護(圖1(a))。

(2)兩幫收縮明顯，嚴重影響通風、運輸和行人(圖1(b))。據測量，在75d觀測時間內，兩幫移近總量最大為560mm，日均移近速率7.5mm/d，兩幫收縮明顯部位占2/5以上。

(3)巷道底臌量大(圖1(c))。據測量，在75d觀測時間內，底板臌出量最大達1500mm，日均底臌速率20mm/d，遠超過允許變形量，不得不多次清底，嚴重影響通風運輸和生產效率。

(4)支護體破壞失效嚴重(圖1(d))。據統計，2442工作面上材料道在使用原支護形式和參數掘進的100m巷道范圍，斷裂錨桿高達39根，錨索托盤多處掉落；鋼筋梯也多處發生剪斷；頂板菱形網嚴重變形，多處撕裂，不能與托盤連接，失去作用，局部幫錨桿發生錯位，錨固力明顯減??；幫部高強塑料網變形較大，使得局部錨桿體被拉出，失去錨固力。

圖1 夾河礦深部巷道典型變形破壞特征

初步分析夾河礦深部巷道變形破壞的原因，主要有：①深部地質條件復雜，地應力高；②深部巷道圍巖巖性差，強度低；③原有支護形式不合理，支護強度不足等。因而為解決夾河礦深部巷道支護難題，需對該礦深部巷道地應力和圍巖結構、成分、物理力學性質等進行測試，為研究確定合理可行的巷道支護方案提供依據。

2 深部地應力測試分析

2.1 地應力測試

夾河礦位于徐州復背斜九里山向斜南翼中段。井田總體為一走向略有變化的單斜構造。井田內無大型褶皺，在F1斷層上盤和下盤各發育有一個不完整的次級褶曲。地層產狀沿走向、傾向變化較大，且F1斷層上下兩盤地層產狀有明顯差異。井田內發育大中型斷層共21條，其中落差≥100m的斷層4條，其中正斷層1條、逆斷層3條；落差50～100m的斷層5條，其中正斷層4條、逆斷層1條；落差20～50m的斷層7條，其中正斷層6條、逆斷層1條；落差10～20m的斷層且走向長度≥100m的斷層5條，全部為正斷層。夾河井田褶曲構造及斷裂構造分布特征展示出是受不同方向、不同期次的應力作用疊加復合的產物，巷道地應力高且異常的現象突出。為了解夾河礦深部地應力分布規律，在-1010皮帶暗斜井石門和-1010回風暗斜井，應用空芯包體應變法[4,5]進行了地應力測量，結果詳見表1。

分析表1中所示兩個測點的地應力測試結果，可得出夾河礦深部地應力分布存在如下規律：

①在每一個測點均有二個主應力接近水平方向，最大主應力與水平面的夾角平均為9.6°，最小主應力與水平面的夾角平均為28.7°；另外一個主應力方向，基本接近于垂直方向，與水平面的夾角平均為60°，最大達到69.8°。②最大主應力位于水平方向，其值約為自重應力的1～1.1倍，說明該礦區的地應力場是以水平構造應力為主導的。③最大水平主應力的走向總體上為北西-南東向，個別測點方向偏離較大的原因，與測點的局部地質構造和巖石力學性質有關。④垂直應力基本上等于或者略小于單位面積上覆巖層的重量。

2.2 地應力場與區域構造關系分析

地應力測試的兩測點都位于F1斷層西北一側的井田深部。根據實測成果，夾河煤礦最大主應力的方向為南偏東43～60°，平均為51.45°。根據夾河煤礦7煤開采平面圖和地應力測點周邊的地質構造狀況，可以得出如下三點結論：

①地應力測點周圍區域控制性地質構造是F1逆斷層，最大主應力方向與F1逆斷層總體走向近似垂直，這與斷層形成時的最大主應力方向是一致的。②距離地應力測點最近的是SF23正斷層(走向NE，傾向NW，傾角60～80°，落差0～10m，延展長度170m)，最大主應力方向與SF23斷層走向的夾角約為73°。③最大主應力方向與該區域7煤層的走向呈70～90°夾角，夾河煤礦實測地應力方向如圖2所示。

表1 夾河礦地應力測試成果匯總表

圖2 夾河礦實測主應力方向圖

3 圍巖結構分析

以2442工作面上材料道為例，巷道頂底板特征如表2所示。由表2可知，巷道頂板為復合頂板，局部賦存頁巖偽頂和2上煤層，易離層冒落，對巷道掘進和頂板控制影響較大。

表2 2442工作面上材料道頂底板特征

根據現場調查，巷道圍巖主要分為三個工程巖組：砂巖巖組、頁巖巖組(包括頁巖、砂頁巖)和煤體巖組(包括2煤、2上煤)。巷道圍巖以砂頁巖為主，局部為煤和砂巖。

3.1 宏觀結構

現場掘進揭露煤體呈黑色，半光亮型，樹脂光澤，碎塊狀、粉末狀，性脆，參差斷口，節理發育。砂頁巖呈灰黑色，塊狀，節理發育，較破碎。砂巖呈灰色～灰白色，塊狀，中～細粒，較致密(圖3(a))。從現場鉆孔取心情況看(圖3(b))，取心率和RQD值都偏低，分別僅為46.7%和11.6%，巖體質量很差。由此可見，巷道圍巖結構從宏觀上來看對穩定性控制較為不利。

圖3 巷道圍巖宏觀結構特征

3.2 微觀結構

為查明巷道圍巖的微觀結構，在現場采集了2煤、砂頁巖和砂巖樣品各一塊，分別進行了掃描電鏡試驗。圖4為3個樣品的部分電鏡掃描照片。

圖4 巷道圍巖微觀結構特征

由掃描電鏡分析可見：2煤微裂縫發育，連通性好，縫中見片狀高嶺石與次生孔隙，粒表見片狀I/S混層及5～10μm溶蝕孔；砂頁巖具定向結構，見少量微裂隙，粒表可見片狀伊利石、片狀I/S混層與1～3μm溶蝕孔；砂巖中微裂縫約5μm，可見粒表片、絲狀I/S混層及片狀高嶺石、伊利石，溶蝕孔內見片狀綠泥石。由此可見，夾河礦深部巷道圍巖的微觀結構較差，在深部高應力條件和水的作用下，裂隙很容易擴展、連通，易變得更加破碎，是導致巷道大范圍的變形破壞的重要影響因素。

4 礦物成分分析

為確定夾河礦深部巷道圍巖的礦物成分及含量，對掃描電鏡試驗后的3種巖石樣品分別進行了X射線衍射分析。其中，砂頁巖的全巖和黏土礦物X射線衍射圖譜如圖5、圖6所示。據此可以得出各種巖石的全巖礦物成分、含量及其中黏土礦物的成分及相對含量，如表3、表4所示。

圖5 砂頁巖全巖X射線衍射圖譜

圖6 砂頁巖黏土礦物X射線衍射圖譜

表3 全巖礦物種類及含量

表4 黏土礦物種類及相對含量

根據圖5、圖6、表3、表4所列的X射線衍射試驗分析結果，對巷道穩定的不利因素主要有以下兩個：

①煤中非晶質含量較高：煤中非晶態物質含量達94.7%，而幾乎不含石英(含量僅為0.5%)。一般而言，巖石中非晶態物質含量越高，石英含量越低，巖石的強度就越低，巖石質量就越差，對巷道的穩定越不利；②黏土礦物含量高，其中的強膨脹性礦物伊/蒙混層含量也較高，以砂頁巖的兩個指標為最高。因此，可判定夾河礦深部巷道圍巖屬膨脹性軟巖[6,7]，遇水易膨脹軟化，一方面自身強度大幅降低，另一方面產生較大的膨脹力，對巷道穩定非常不利。因此，在穩定性控制設計和施工時，必須對此有足夠的重視，采取相應的措施。

5 物理力學性質試驗分析

為揭示夾河礦深部巷道的變形破壞機理，確定深部巷道的變形力學機制，為巷道穩定性控制設計提供依據，在研究巷道進行了2個鉆孔的鉆進施工(部分巖心照片見圖3(b))，將取得的巖心在實驗室制成標準試件，先后進行了密度和吸水率試驗、比重和孔隙率試驗、單軸壓縮及變形試驗、浸水單軸壓縮試驗、劈裂拉伸試驗和浸水劈裂拉伸試驗。

表5列出了試驗得出的三種不同巖組的物理力學特性平均值指標。由表5可見，巷道圍巖強度普遍較低，尤其是巷道主要揭露的砂頁巖抗拉強度甚低，僅有1.38MPa，吸水性較強(吸水率為1.39%)。吸水后，一方面強度大幅降低(吸水軟化系數為0.56)，另一方面巖體膨脹產生較大應力，對巷道穩定性控制不利。圍巖物理力學性質試驗結果，也較好地驗證了其結構、成分及含量的分析結論。

表5 不同巖組的物理力學特性

6 結論

(1)夾河礦深部巷道變形破壞具有頂板下沉嚴重、兩幫收縮明顯、底臌量大和支護體破壞失效嚴重等特征，主要原因是深部地質條件復雜、地應力高、巖性差、強度低、原有支護形式不合理、支護強度不足等。

(2)夾河礦深部地應力場以水平構造應力為主，最大主應力與水平面的夾角平均為9.6°，走向總體上為北西-南東向，與控制性區域構造(F1逆斷層)總體走向近似垂直。

(3)夾河礦深部巷道圍巖節理裂隙較發育，微裂隙和溶蝕孔較發育，連通性好。煤中非晶質含量較高，砂頁巖和砂巖中黏土礦物和伊/蒙混層含量較高，遇水易膨脹軟化。

(4)夾河礦深部巷道圍巖強度較低，孔隙率較大，吸水率較高，吸水后強度更低。

(5)夾河礦深部巷道軟巖為典型的高應力-節理化-膨脹性復合型軟巖[6]，具有復合型變形力學機制，必須采用有針對性的耦合支護對策。

[1] 謝和平.深部高應力下的資源開采——現狀、基礎科學問題與展望[A].見:香山科學會議主編.科學前沿與未來(第六集)[C].北京:中國環境科學出版社, 2002:179-191.

[2] 何滿潮,謝和平,彭蘇萍,等. 深部開采巖體力學研究[J]. 巖石力學與工程學報,2005,24(16):2803-2813.

[3] 晏玉書. 我國煤礦軟巖巷道圍巖控制技術現狀及發展趨勢[A]. 何滿潮主編. 中國煤礦軟巖巷道支護理論與實踐[C]. 徐州:中國礦業大學出版社,1996:1-17.

[4] 蔡美峰. 地應力測量原理和技術(修訂版)[M].北京:科學出版社,2000.

[5] 蔡美峰,何滿潮,劉東燕. 巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,2002.

[6] 何滿潮,景海河,孫曉明. 軟巖工程力學[M]. 北京: 科學出版社, 2004:94-100.

[7] 孫曉明,武雄,何滿潮,等. 強膨脹性軟巖的判別與分級標準[J]. 巖石力學與工程學報,2005,24(1):987-993.