荣华煤矿软岩巷道黏土矿物变形特性分析_马福义.pdf

荣华煤矿软岩巷道黏土矿物变形特性分析 马福义1,2, 郭俊廷1, 赵威成2, 祁向前2 1． 中国矿业大学 北京 地球科学与测绘工程学院, 北京 100083; 2． 黑龙江科技大学 矿业工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150022 [摘 要] 利用扫描电镜以及 X 射线能谱仪对荣华煤矿软岩巷道围岩进行成分分析。 巷道围岩 成分主要由黏土矿物、 长石和石英组成, 其中黏土矿物伊/ 蒙混层比为 46 96, 属于强膨胀性软 岩巷道。 由于巷道各段黏土矿物含量不同, 导致巷道整体变形随黏土矿物含量的不同而产生明显差异 性。 3 个月内最大累积变形量 1． 1m, 并且未达到稳定, 通过扫描电镜实验分析发现, 岩样内部均出现 大量絮状伊/ 蒙混层结构, 伊/ 蒙混层黏土矿物与长石、 石英之间为泥性胶结。 泥岩块体内部颗粒间胶 结密实, 孔隙率低, 强度高, 但层理面周围胶结程度低, 强度较低。 在分析黏土矿物水化膨胀机理之 后, 通过现场变形监测证实黏土矿物膨胀变形具有长期性、 快速性的特点, 建议采用阻断黏土矿物与 水接触的控制方法, 避免水化膨胀现象的产生。 [关键词] 软岩巷道; 黏土矿物; 伊/ 蒙混层; 扫描电镜 [中图分类号] TD313． 1 [文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 2016 02-0049-04 Deation Characters of Clay Minerals of Soft Rock Roadway in Ronghua Coal Mine MA Fu-yi1,2, GUO Jun-ting1, ZHAO Wei-cheng2, QI Xiang-qian2 1． Geosciences and Surveying Engineering College, China University of Mining 2． Ming Engineer College, Heilongjiang University of Science I/ S mixed-layer; scanning electron microscope [收稿日期] 2015-08-19[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 02． 014 [作者简介] 马福义 1981-, 男, 辽宁鞍山人, 从事矿山测量、 沉陷监测方面的研究工作。 [引用格式] 马福义, 郭俊廷, 赵威成, 等 ． 荣华煤矿软岩巷道黏土矿物变形特性分析 [J] ． 煤矿开采, 2016, 21 2 49-51． 黑龙江荣华煤矿东主运输巷道底板标高 -648m, 巷道整体设计长度 500m。 岩性以煤质泥 岩、 煤页岩、 泥质砂岩、 凝灰岩为主。 在泥页岩、 泥质砂岩等沉积岩当中存在大量黏土矿物。 当与水 相互作用时, 这些含有黏土矿物的地层就会因吸水 而产生膨胀作用, 破坏原有的地层结构及支护, 如 图 1 所示[1]。 如果巷道围岩含有这类矿物, 就会表现出强烈 的亲水性, 膨胀应力增加。 另外该巷道含有较多断 层、 光滑节理面、 破碎带。 在巷道掘进施工时, 巷 道壁有大量砂岩裂隙水及断层水涌出, 导致围岩膨 胀变形, 收缩量较大, 影响正常生产。 图 1 巷道破坏情况 1 巷道围岩成分分析 为确定巷道围岩成分, 在东主运输巷道不同区 94 第 21 卷 第 2 期 总第 129 期 2016 年 4 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol． 21No． 2 Series No． 129 April 2016 ChaoXing 域进行现场采样, 对各样品进行了 X 射线衍射分 析实验, 发现东主运输巷道围岩由各种含黏土矿物 岩石组成, 成分包括石英、 钾长石、 方解石、 斜长 石、 伊利石 I、 蒙脱石 M 及一些 I/ S 伊/ 蒙混层 混层, X 光衍射分析能谱如图 2 所示。 结 果表明巷道黏土矿物含量占矿物总量的 32． 1 55． 6, 其中伊/ 蒙混层占黏土矿物总量的 46 96, 分析结果如表 1 所示[2]。 图 2 光谱衍射分析 表 1 矿物成分及含量 序 号 矿物成分及含量/ 石英 钾长石 方解石 斜长石 菱铁矿 黏土矿物成分 相对含量/ I/ S 伊/ 蒙混层 136． 90． 91． 41． 43． 896 243-1． 31． 35． 497 342． 41． 01． 13． 94． 391 431． 510． 4-23． 42． 646 542． 6-1． 81． 7594 625． 65． 0-12． 91． 190 实验结果表明, 巷道围岩黏土含量高、 软岩膨 胀性强。 含有该黏土矿物围岩在遇水之后, 易产生 水解、 膨胀及软化现象。 因此, 该巷道围岩属于高 膨胀性软岩巷道。 为进一步了解岩样内部整体构 造, 进行了 SEM 扫描电镜分析实验, 由实验结果 可以看出, 几种样品有以下特点 1 5μm 扫描电镜下显示, 岩样粒间存在大 量片状丝状伊/ 蒙混层, 如图 3 a 显示, 伊/ 蒙 混层分布范围较广, 且密度差异性明显。 2 在20μm 扫描电镜显示下, 大量岩样自生 石英晶体被片丝状伊/ 蒙混层所包覆, 如图 3 b 所示, 石英晶体分布十分密集, 周边被伊/ 蒙混层 填充。 3 各岩样均存在大量伊/ 蒙混层黏土矿物, 且分布广泛, 在水化作用下导致剧烈膨胀变形, 因 此整体岩性呈现软化膨胀特性[3]。 图 3 不同样品 SEM 实验结果 2 黏土矿物膨胀机理 黏土矿物的水化膨胀作用受晶体间离子影响, 晶体之间的阳离子交换导致其晶体表面吸附大量水 分子, 形成水化膜导致晶格间距增大, 晶格分离状 态使黏土矿物颗粒分散。 这种现象需要水分子与之 作用, 但是在干燥或无水状态时, 黏土矿物中颗粒 晶层间距离较小, 大约在 1μm, 晶层间结构紧密。 但当与水接触时, 水分子会被吸附到层间内部, 在 水分子的作用力下层间距离增加 2 3μm, 并且水 分子在黏土分子的作用下被解离成 OH-离子和 H 离子。 离子被分别吸附到黏土矿物的晶体端面和平 面上, 晶体周围被离子包覆, 黏土这时就变成了 “水化黏土”。 和干燥无水的黏土不同, 水化黏土 具有明显的胶体特性, 如膨胀性、 流变性、 分散性 等[4-8]。 2． 1 矿物结构特点 黏土矿物为具有层状结构的硅酸盐矿物, 层状 结构的基本单元是硅氧四面体和铝氧八面体。 东主运输巷道围岩中伊利石、 蒙脱石是 2 ∶ 1 组成的层状结构晶体矿物, 晶体矿物结构主要以晶 片方式排列。 晶片间存在着水分子、 阳离子等层间 05 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 物质, 靠阳离子的正电性把晶片连接在一起, 当层 间物质的平衡被外界因素打破, 晶片间的距离会因 外界物质进入而发生变化, 这时主要表现为水化膨 胀现象。 2． 2 矿物水化作用 黏土矿物与水作用较为复杂, 当黏土矿物遇水 之后, 在氢键、 交换性阳离子和电荷的作用下, 水 分子进入黏土矿物的晶层间内部, 在其表面上吸附 水分子, 并将黏土中蒙皂石 膨胀矿物 的颗粒 晶层推离, 而发生水化, 同时产生晶层间斥力。 在 斥力的作用下, 晶层间的双电层效应使黏土的颗粒 及晶层进一步推离。 伴随着晶层间的分离, 黏土矿 物体积膨胀, 并随着黏土颗粒一面胶连的形成使黏 土膨胀有一定限度。 除此之外, 水分子在渗透压力的作用下, 根据 渗透原理, 水分子会由低浓度一侧移动到高浓度一 侧直到渗透平衡状态。 当采动破坏后, 水体沿裂缝带进入围岩, 打破 原有黏土离子浓度与地层水体的平衡状态。 由于围 岩黏土表面离子浓度高于周围液体, 此时周围液体 水分子就被吸附到黏土表面, 形成水化膜包覆在黏 土矿物周围, 使双电层的斥力增加。 在双电层斥力 的作用下, 黏土表面颗粒继续分离, 使得黏土体积 迅速膨胀, 如图 4 所示[9-17]。 图 4 扩散双电层形成原理 H2O 3 巷道变形监测 为研究黏土矿物膨胀变形规律, 在东主运输巷 道实施了变形监测, 该巷道为全断面锚网 U 型钢 棚架联合支护, 采用井下激光基准线变形监测方法 进行测量结果显示, 新掘巷道区域变形速率较快, 距掘进面较远处巷道, 形变速率较慢, 似趋于稳 定, 但稳定时间均在 2． 5 个月以上。 另外, 黏土矿 物富存区域, 在断层水的作用下, 膨胀变形始终存 在, 无法达到稳定, 通过监测数据对比, 与普通围 岩变形规律不同, 主要原因是由软岩内部黏土矿物 遇水膨胀特性导致大变形。 部分监测结果如图 5 所 示[18-20]。 图 5 监测结果曲线 4 结 论 1 荣华煤矿软岩巷道主要矿物成分为石英、 长石和黏土矿物, 其中黏土矿物含量较高, 黏土含 量最低为 32． 1, 最高为 55． 6。 由于黏土含量 的不同, 导致巷道整体变形随着黏土含量的变化产 生明显差异性。 2 几种岩样内部均出现大量絮状伊/ 蒙混层 结构, 伊/ 蒙混层黏土矿物与长石、 石英之间为泥 质胶结。 层理面周围胶结程度低, 胶结强度较低; 但在岩样内部物质间胶结密实, 颗粒孔隙率很低, 不易吸水, 强度相对较高。 3 黏土矿物主要膨胀机理是由于水化作用 而产生, 由于煤矿巷道处于断裂带较多区域, 断层 含水量较大, 在炮采工作面的扰动下, 导致周围裂 隙节理加大, 水体渗入巷道周围岩体, 加剧变形。 4 通过现场围岩位移监测, 巷道整体变形 量较大, 3 个月内最大变形量 1． 1m, 并且很难达 到稳定, 随着不断的巷道修复过程, 围岩收缩量依 然很大, 远超过其他岩层巷道稳定时间。 5 为保证巷道正常生产, 可以尝试采用注 浆、 喷浆等方法阻断黏土矿物与水融合, 避免黏土 矿物产生水化膨胀现象。 [参考文献] [1] 冒海军, 郭印同, 王光进, 等 ． 黏土矿物组构对水化作用影 响评价 [J] ． 岩土力学, 2010, 31 9 2723-2728． [2] 余晓霞 ． 黏土矿物水化膨胀影响因素试验研究 [J] ． 长江大 15 马福义等 荣华煤矿软岩巷道黏土矿物变形特性分析2016 年第 2 期 ChaoXing 学学报 自科版, 2013, 10 32 137-139． [3] 张 星, 毕义泉, 汪庐山, 等 ． 黏土矿物膨胀机理及防膨研 究现状 [J] ． 精细石油化工进展, 2014, 15 5 39-43． [4] 毛 惠, 邱正松, 黄维安, 等 ． 温度和压力对黏土矿物水化 膨胀特性的影响 [J] ． 石油钻探技术, 2013, 41 6 56- 61． [5] 付永强, 曾立新, 马发明, 等 ． 页岩膨胀性及分散性特征实 验分析 [J] ． 天然气工业, 2012, 32 9 48-51． [6] 焦淑静, 韩 辉, 翁庆萍, 等 ． 页岩孔隙结构扫描电镜分析 方法研究 [J] ． 电子显微学报, 2012, 31 5 432-436． [7] 李永良, 马 辉, 邱维理, 等 ． 泥河湾井儿洼剖面粉砂黏土 纹层成分的扫描电镜与能谱分析 [J] ． 北京师范大学学报 自然科学版, 2004, 40 1 120-123． [8] 王坤阳, 杜 谷, 杨玉杰, 等 ． 应用扫描电镜与 X 射线能谱 仪研究黔北黑色页岩储层孔隙及矿物特征 [J] ． 岩矿测试, 2014, 33 5 634-639． [9] 王坤阳, 徐金沙, 饶华文, 等 ． 扫描电镜-X 射线能谱仪在丹 巴地区铂族矿物物相特征分析中的应用 [J] ． 岩矿测试, 2013, 32 6 924-930． [10] 王 羽, 金 婵, 汪丽华, 等 ． 应用氩离子抛光-扫描电镜 方法研究四川九老洞组页岩微观孔隙特征 [J] ． 岩矿测试, 2015, 34 3 278-285． [11] 赵国会, 刘进晓, 尹增德, 等 ． 梁家煤矿巷道软岩微观特性 的试验研究 [J] ． 煤炭技术, 2015, 34 3 74-76． [12] Roland Pusch． A technique to delay hydration and maturation of borehole seals of expansive clay [ J] ． Engineering Geology, 2011, 1211 1 1-6． [13] 孟召平, 彭苏萍, 屈洪亮 ． 煤层顶底板岩石成分和结构与其 力学性质的关系 [J] ． 岩石力学与工程学报, 2000, 19 2 136-139． [14] 张保平, 单文文, 田国荣, 等 ． 泥页岩水化膨胀的实验研究 [J] ． 岩石力学与工程学报, 2000, 19 Z1 910-912． [15] David E． Smith, Yu Wang, Heather D． Whitley． Molecular simu- lations of hydration and swelling in clay minerals [ J] ． Fluid Phase Equilibria, 2004, 222 02 189-194． [16] 周 莉, 杜文学, 韩 雪, 等 ． 黏土矿物微观孔隙结构的分 形特征 [J] ． 黑龙江科技学院学报, 2009, 19 2 94- 96． [17] 孙仁远, 张云飞, 范坤坤, 等 ． 页岩中黏土矿物吸附特性分 子模拟 [J] ． 化工学报, 2015, 66 6 2118-2122． [18] 黄秋伟, 许江文, 王新河, 等 ． 有机盐抑制黏土水化膨胀应 用 [J] ． 油田化学, 2013, 30 4 496-499． [19] 王 萍, 屈 展, 刘易非, 等 ． 泥页岩水化膨胀的非线性蠕 变模型 [J] ． 西北大学学报 自然科学版, 2015, 45 1 117-122． [20] 徐力群, 刘厚彬, 孟英峰 ． 实验分析泥岩水化膨胀应力与力 学参数之间的关系 [J] ． 科学技术与工程, 2014, 14 9 151-154．[责任编辑 邹正立] ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接 28 页 预计参数进行修订。 [参考文献] [1] 谢和平, 周宏伟, 薛东杰, 等 ． 煤炭深部开采与极限开采深 度的研究与思考 [J] ． 煤炭学报, 2012, 37 4 535-542． [2] 徐乃忠, 王 斌, 祁永川 ． 深部开采的地表沉陷预测研究 [J] ． 采矿与安全工程学报, 2006, 23 1 66-69． [3] 朱刘娟, 邹友峰, 郭增长, 等 ． 深部开采地表沉陷预测与控 制存在的问题及对策探讨 [J] ． 中国矿业, 2007, 16 12 61-64． [4] 邓喀中, 张冬至, 张周权 ． 深部开采条件下地表沉陷预测及 控制探讨 [J] ． 中国矿业大学学报, 2000, 29 1 52-55． [5] 于保华, 朱卫兵, 许家林 ． 深部开采地表沉陷特征的数值模 拟 [J] ． 采矿与安全工程学报, 2007, 24 4 422-426． [6] 缪协兴, 茅献彪, 孙振武, 等 ． 采场覆岩复合关键层的形成 条件与判别方法 [J] ． 中国矿业大学学报, 2005, 34 5 547-550．[责任编辑 施红霞] ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接 36 页 小, 而下部由于受到拉伸, 而形成应力集中区域, 且墙体两侧的应力较小, 易形成下宽上窄的正 “八” 字裂缝。 [参考文献] [1] 题正义, 刘思杨, 屈年华 ． 采动作业下地表移动变形分析 [J] ． 辽宁工程技术大学学报 自然科学版, 2015, 37 6 657-660． [2] 冯宝红 ． 开采沉陷对建筑物影响的分析 [J] ． 测绘科学, 2013, 36 4 170-171． [3] 梁为民, 李 想, 乔俊凤 ． 受采动曲率变形影响的地基对建 筑物基础的力学作用 [ J] ． 矿业研究与开发, 2012, 32 4 93-96． [4] 刘书贤, 魏晓刚, 张 弛, 等 ． 煤矿多煤层重复采动所致地 表移动与建筑损坏分析 [J] ． 中国安全科学学报, 2014, 24 3 59-65． [5] 郭麒麟, 乔世范, 刘宝琛 ． 开采影响下的岩土体移动与变形 规律 [J] ． 采矿与安全工程学报, 2011, 28 1 109-114． [6] 陈 凯, 张俊英, 贾新果, 等 ． 浅埋煤层综采工作面地表移 动规律研究 [J] ． 煤炭科学技术, 2015, 43 4 127-130． [7] 冯 军, 谭志祥, 邓喀中 ． 厚松散层深部宽条带跳采对地表 沉陷的影响及应用 [J] ． 煤矿安全, 2015, 46 4 189- 191． [8] 赵 飞, 杨双锁, 崔 健, 等 ． 薄冲积层急倾斜煤层群开采 地表移动规律 [J] ． 煤矿安全, 2015, 46 1 40-43． [9] 王 刚, 郭广礼, 李 伶 ． 开采沉陷对高等级公路的破坏机 理 [J] ． 煤矿安全, 2011, 42 6 169-172． [10] 朱庆伟, 蒋 军 ． 煤层开采沉陷对桥梁建筑物的影响分析 [J] ． 测绘科学, 2014, 37 4 88-91． [11] 姚文华, 宋选民 ． 开采沉陷对地面建筑物的影响研究 [J] ． 中国煤炭, 2013, 34 3 57-59． [责任编辑 徐乃忠] 25 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing