石嘴山一矿软岩巷道变形破坏的水理分析.pdf

2 0 0 9年 1 0月 矿 业安 全 与环 保 第3 6 卷第5期 石嘴山一矿软岩巷道变形破坏的水理分析 王 超 内蒙古科技 大学 资源与安 全工程 学院， 内蒙古 包头 0 1 4 0 1 0 摘 要 以石嘴 山一矿 3 8区 6 0 0 m轨道巷 围岩为研 究对象 ， 以岩石物理及力学性质为基础， 从水 理作用进行研讨 ， 并应用分子膨胀机制和胶体膨胀机制分析得 出了巷道变形破坏的原 因， 可为石嘴 山矿 区后期开采中巷道的维护提供可靠的理论依据。 关键词 深部开采； 软岩； 巷道变形； 膨胀机制 中图分类号 T D 3 1 3 ． 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 9 0 5 0 0 7 2 0 3 石嘴 山一矿在 西北地 区是开采 最深 的矿井 之 一 ⋯ ，已达 7 5 0 m， 所采煤层 大多数属 于“ 三软” 煤 层 ， 巷道围岩属于软弱、 破碎岩层 。3 8区 6 0 0 m轨 道巷所服务的 9 煤层 ， 其开采深度位 于 5 5 0 m。随 着开采深度逐渐增加 ， 围岩性质发生很大变化 ， 加上 构造应力复杂 ， 动压大 ， 巷道破坏更加剧烈 巷道顶 底板及两帮相对 移近量 大， 且喷层 大面积破 坏、 塌 落 ， 巷道断面由直墙半圆拱状收敛成“ 喇叭口” ， 巷道 底鼓很严 重 未 翻修 前， 最 大底 鼓量达 1 ． 0 m ， 如 图 1 _2所示 ， 其轨道因底鼓而严重倾斜 ， 已不能满 足正常生产要求。 图 1 轨道巷底鼓与周 围破坏情况 图 2 轨道巷顶部垮落 与支护状况 收稿 日期 2 0 0 80 91 9 ； 2 0 0 9 0 32 6修订 作者简介 王超 1 9 7 9 一 ， 男， 陕西渭 南人， 教 师 ， 硕士 研究生， 主要从事岩层控制与灾害治理方面 的研究。E ma i l wa n g e h a o 7 90 2 2 4 1 63． c o m。 ． 7 2 1 巷道 围岩物理及 力学特征 随着开采深度 的增加 ， 岩石破坏机制也 随之转 化 ， 由浅部的脆性能或断裂韧度控制的破坏转化为 深部开采条件下 由侧 向应力控制 的断裂生长破坏 ， 实际上就是 由浅部的动态破坏转化成为深部的准静 态破坏 ， 以及 由浅部的脆性力学 响应转化为深部 潜在的延性行为力学响应 。根据研究的需要 ， 采 用 D ／ MA Xr A型 x射线衍射仪对灰黑色泥岩进行 分析 ， 在 MO T I CB A 3 0 0 P O L偏光显微镜下放大不 同倍数进行单偏光观察 ， 如 图 3所示。实验结果显 示 ， 现场判定为泥岩 的岩石实际是凝灰岩 黑色 ， 粉 砂状 ， 遇 盐 酸 起 泡 ， 但 不 强 烈。凝 灰 岩 吸水 率 为 2 ． 0 ％， 其组成成分如下 伊利石 7 ％、 高岭石 5 ％、 石英 5 ％ 、 铁白云石 7 9 ％、 黄铁矿 2 ％ ， 以及其他未检测出的 物质 占2 ％。岩石变形力学性质实验结果见表 1 。 图3 泥岩微观结构图 2 围岩变形机制分析 2 ． 1 膨胀 机制 2 ． 1 ． 1 分子膨胀机制 已有研究表明 ， 所有黏性土在与水作用时 ， 都会 表现出一定 的膨胀性 。分子膨胀机制认为这是因为 有些种类的黏土矿物 的晶体构造是活动的 ， 称为膨 2 0 0 9年 1 0月 矿 业安 全 与 环 保 第3 6卷第5 期 胀晶格构造 J ， 水分子能够进入晶层之间， 形成水化膜 夹层引起晶格扩张， 从而导致岩土体宏观体积膨胀。 黏土矿物学研究表明 ， 黏土矿物是 由各种硅 酸 盐矿物分解形成 的含水硅铝酸盐矿物 ， 其 晶胞 由硅 氧四面体 见图 4 和铝氧八面体 见 图 5 2种基本 结构单元组成。 a 透视 图 b 侧视 图 图 4 硅氧 四面体 、 ’ ， 1 02 2 Si 1 0 一 I I I i I s oH 1 A1 ” ／ 、 3 0 I 、 ， ’l、 ， I、 一 ， b 侧视 图 图5 铝氧八面体 黏土矿物会产生置换现象 ， 即四面体或八 面体 的中心原子 S i 、 A l 被低价的 F e 、 Mg等置换 ， 其结构 形式不变 ， 但物理化学性质发生变化 ， 成为另一种矿 物。四面体、 八 面体都不是单个存在而是成层排列 的， 在平面上连成一 片， 成为 四面体层 和八面体层 ， 交接处 的粒子为相邻单元共用 。四面体层可与八面 体层通过顶部的 0 和 O H一 共用 而结合在一起。 由于伊利石相邻 晶胞具有 同号电荷 ， 因而具有 斥力 ， 活动性大。另一方面 ， 晶胞之间的沸石水也有 一 些反离子 。当泥岩遇水后 ， 其 中的伊利石 晶胞之 间沸石水 的一部分反离子溢 出， 使吸引力减小 ， 水分 子挤入 ， 晶胞 间距增大 ， 使矿物颗粒本身急剧膨胀 ， 其体积大大增加， 甚至使相邻晶胞失去连接力。 2 ． I ． 2 胶体膨胀机制 高岭石 的结 构格架是 由互相平 行 的晶胞 组成 的， 由于晶胞之间通过 0 与 O H一 胶结连接 ， 连接力 较强 ， 不允许水 分子进 入 晶胞之 间 ， 所 以其 亲水 性 小 ， 遇水后体积膨胀也小。高岭石等黏粒遇到水时， 虽然其晶胞之间不允许进入水分子 ， 但其黏粒表面 具有游离价原子 和离子 ， 这些原子和离子具有静电 吸力场。水分子是极体 ， 一端带正 电荷 ， 一端带负电 荷 ， 可以被静电引力所吸引。于是 ， 黏粒表面附近的 水分子紧密 、 整齐地排列起来。这 时水分 子失去 了 自由活动的能力 ， 越靠近黏粒表面 ， 这种情况就越显 著 ； 距黏粒表面稍远 ， 静 电引力场的强度便减弱 ， 水 分子失去的 自由能力减小 ， 排列也将不那么整齐 ， 此 即为胶体中的弱结合水 ； 再远一些 ， 静 电引力几乎没 有作用 ， 水分子 自由活动的能力和原来差不多 ， 成为 自由液态水。完全失去 自由活动能力 的水分子是胶 体中的弱吸附层中的弱结合水。这两部分结合水共 同组成水化膜 4 J ， 使黏粒 的体积膨胀 。其 结合水力 学性质既不同于液体 ， 也不同于固体 ， 而是介于两者 之间的过 渡类 型。由于黏粒极小 ， 表 面积很 大， 因 此 ， 这种 吸附作用极其 明显。这时 的黏粒将形成胶 体 ， 黏粒表面形成很厚 的水化膜吸附层 ， 使得黏土在 宏观上产生膨胀。 2 ． 2 围岩变 形破 坏机 制分 析 凝灰岩是 由粒度小于 2 mm或是更小 的火山物 质 ， 被火山灰水解 物质或黏土物质胶结经压实而形 成的。其粒度细 、 孔 隙率 高、 颗粒 表面积大 ， 因而很 容易遭受次生变化使其 向含黏土质类矿物增多的方 向转化 ， 其结构逐渐变为黏粒集合体 ， 并在各粒之间 吸附一定厚度的水化膜。当相邻 的颗粒之 间比较靠 近时 ， 水化膜便有一部分重叠起来 ， 形成公共强结合 水化膜 ， 这时的凝灰岩表现出具有一定的硬度_ 5 ； 吸 水后各 自的水化膜增厚 ， 公共强水化膜将逐渐消失， 而代之以公共弱 结合水化膜 ， 这时 的凝灰岩体积增 大 ， 强度降低 ， 变成 黏塑状态 ； 当其吸水饱 和或过饱 和时， 水化膜加厚至趋于消失或完全消失 ， 代之在黏 粒问出现 自由水 ， 这时的凝灰岩体积迅速增大 ， 强度 急剧衰减 ， 表现出松软状态 ， 此时也完全失去固体时 73 o O O o 2 0 0 9年 1 O月 矿 业安 全 与 环 保 第3 6卷第5期 所具有的强度。 凝灰岩是含水较高 、 吸水较强 的岩石 ， 其抗压强 度随含水量的增加明显降低 ； 当含水量达到饱和时 ， 其抗压强度仅为 自然状态的3 2 ％ ～ 6 9 ％。显然水是 影响凝灰岩强度的一个重要因素。 由轨道巷 围岩组成成分可知 ， 凝灰岩 中含有伊 利石和高岭石。当围岩遇水时， 伊利石因晶格扩 张 而导致体积膨胀 ； 高岭石 因结合水而形成水化膜 ， 使 黏粒的体积膨胀。 综上所述 ， 在地应力作用下， 3 8区 6 0 0 m轨道 巷围岩顶板及两帮岩体裂隙扩展 ， 岩体吸水弱化 ， 而 且岩体遇水具有强烈的膨胀性。轨道巷处于丰富的 地层水下 ， 底板未封闭， 造成 了巷道从支护最薄弱的 底板开始变形 ， 即底鼓 ； 顶板及两帮岩体 因水弱化 ， 其变形及压力超出了支 护体 的形变范 围及强度 ， 导 致了顶板及两 帮的喷层开 裂， 金属 网撕开 ， 锚 杆失 效 ， 最终导致巷道严重变形破坏。 3 结语 通过实验对岩石物理及力学性质进行 了研究 ， 应用分子膨胀机制和胶体膨胀机制分析得出了轨道 巷变形破坏是 围岩遇水弱化 、 膨胀 ， 进而导致巷道变 形破坏 ， 为进一步研究石嘴 山矿 区深部开采巷道 的 支护理论奠定了基础 ； 同时从侧面反映了深部开采 条件下水治理的重要性 。 参考文献 [ 1 ]西安科技大学， 宁夏煤业集团石嘴山一矿， 教育部西部 矿井开采与灾害控制重点实验室．高应力松软复杂岩 层稳定性控制及综合支护 阶段研究报告 [ R] ． 西安 西安科技 大学 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 伍永平 ， 来兴平 ， 南葆 ， 等． 深部 高应力松 软岩 层稳定 性 监测及实验研究[ J ] ．西安科技大学学报， 2 0 0 5 ， 1 2 4 4 0741 0． [ 3 ]李树刚， 钱鸣高． 综放开采覆岩离层裂隙变化及空隙渗 流特性研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 o 0 ， 1 9 5 6 0460 7． [ 4 ]何满潮， 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