姚強(qiáng)嶺，陳 田，李學(xué)華，王 傲

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

寧東侏羅系煤層頂板粗粒含水砂巖特性研究

姚強(qiáng)嶺1,2，陳 田1,2，李學(xué)華1,2，王 傲1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

相似模擬實(shí)驗(yàn)研究一直是保水開采的主要實(shí)驗(yàn)手段之一，其中相似材料與巖石之間力學(xué)參數(shù)的相似度尤為關(guān)鍵。寧東煤田屬于我國典型的生態(tài)脆弱礦區(qū)，該區(qū)域主采煤層為侏羅系煤層，其頂?shù)装鍙V泛分布著成巖程度低且富含黏土礦物的一類特殊砂巖，該層砂巖在采動(dòng)、吸水-失水動(dòng)態(tài)循環(huán)作用下呈現(xiàn)軟巖力學(xué)特征。選取其中的一類含水砂巖為研究對(duì)象，通過分析該含水砂巖巖石成分和結(jié)構(gòu)特征確定其為粗粒泥質(zhì)長石砂巖，并分析認(rèn)為其形成于快速堆積的沉積環(huán)境；利用X衍射儀定量分析其礦物組分，發(fā)現(xiàn)該含水砂巖主要由黏土礦物、石英和長石組成，其中黏土礦物富含蒙脫石、伊蒙混層及綠泥石等吸水易膨脹組分；利用MTS伺服控制試驗(yàn)機(jī)研究了該類砂巖三軸抗壓強(qiáng)度及滲透特性，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的塑性破壞特征；且飽水含水砂巖滲透率有突變點(diǎn)存在，突變點(diǎn)后滲透率大致恒定直至試件破壞時(shí)滲透率增至最大值；進(jìn)一步研究了含水率對(duì)該含水砂巖單軸壓縮變形特征的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)含水砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與含水率負(fù)線性相關(guān)。

生態(tài)脆弱礦區(qū)；含水砂巖；相似模擬；保水開采

煤炭開采引起的覆巖破斷、變形和運(yùn)移，將會(huì)造成采動(dòng)影響區(qū)域內(nèi)覆巖隔水層、含水層結(jié)構(gòu)的破壞和地表變形下沉等，導(dǎo)致地下水流失、河流枯竭等一系列的水環(huán)境問題[1]，進(jìn)而加劇煤炭開發(fā)區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)失衡。我國煤炭資源的戰(zhàn)略重心在中西部[2]，而該地區(qū)地表生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)如果造成水資源的破壞，將會(huì)嚴(yán)重影響到該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)。針對(duì)該問題，我國學(xué)者率先提出了“保水采煤”[3-6]和“地下水庫儲(chǔ)水或含水層再造儲(chǔ)水”[7-9]的學(xué)術(shù)思想，并得到了諸多學(xué)者的響應(yīng)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等多種手段研究了生態(tài)脆弱礦區(qū)煤水共采的理論與技術(shù)[10-14]。其中，相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算是研究該問題的重要方法之一，為我國生態(tài)脆弱礦區(qū)煤水共采提供了理論和技術(shù)支持[15-19]。寧東煤田為我國大型煤炭基地之一，也是典型的生態(tài)脆弱礦區(qū)，煤水共采已成為開采該區(qū)域煤炭資源開采的首選技術(shù)。該區(qū)域廣泛發(fā)育侏羅系煤層，該煤系頂?shù)装搴皫r在受采動(dòng)、吸水-失水動(dòng)態(tài)循環(huán)作用下呈現(xiàn)典型的軟巖特征，與常見的煤系頂?shù)装迳皫r特性存在顯著差異。寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)按含煤組、巖性組合、含水層水力性質(zhì)及埋藏條件等，由上而下劃分為2個(gè)主要含水層組：第四系孔隙潛水含水巖組、侏羅系含水層組。其中侏羅系含水層組又分為4個(gè)含水層：直羅組砂巖裂隙孔隙層間承壓含水層、2～6煤間砂巖裂隙孔隙層間承壓含水層、6～18煤間砂巖裂隙孔隙承壓含水層組和18煤以下至底部分界線砂巖含水層組。

本文選取寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)梅花井礦2～6煤間砂巖裂隙孔隙層間承壓含水層砂巖為研究對(duì)象展開相關(guān)研究，以期掌握其物理力學(xué)特性，為后續(xù)煤水共采相關(guān)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步促進(jìn)我國生態(tài)脆弱礦區(qū)煤水共采理論與技術(shù)的發(fā)展。

1 含水砂巖鑒定

砂巖一般由砂級(jí)陸源碎屑、膠結(jié)物、雜基及孔隙等4部分組成，陸源碎屑又包括巖石碎屑和碎屑礦物；充填在巖石格架中的物質(zhì)稱為填隙物，包括雜基及膠結(jié)物。寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)梅花井礦2-2煤頂板含水砂巖試樣實(shí)物和實(shí)驗(yàn)薄片如圖1所示。

圖1 含水砂巖試樣

通過對(duì)該含水砂巖的鑒定分析，發(fā)現(xiàn)該含水砂巖具有如下特征：① 含水砂巖巖石由57%碎屑物質(zhì)和43%填隙物組成；② 碎屑物質(zhì)主要由石英、長石及少量的巖屑組成，其中石英以單晶石英為主，并含有燧石巖屑和變質(zhì)巖型多晶石英；長石以正長石為主，其次為微斜長石、斜長石及少量條紋長石；而巖屑為長石和石英的集合體；③ 43%的填隙物中雜基占42.5%，單偏光下淺褐紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要成分為高嶺石，內(nèi)部夾雜伊利石類黏土；膠結(jié)物占0.5%，為方解石，分散晶粒，粒度0.05～0.10 mm；④ 含水砂巖粒徑組成：0.50～1.00 mm占75%，0.25～0.50 mm占20%，1.00～2.00 mm占5%；顆粒磨圓度以次棱角狀為主、分選度較好；粒間孔隙式膠結(jié)、點(diǎn)狀接觸；成巖作用特征為壓實(shí)-重結(jié)晶作用；⑤ 形成于快速堆積的沉積環(huán)境，雜基含量高達(dá)40%。

結(jié)合張鵬飛[20]提出的砂巖分類方法，最終確定該含水砂巖為粗粒泥質(zhì)長石砂巖。

2 含水砂巖組分及微結(jié)構(gòu)分析

2.1 含水砂巖組分分析

含水砂巖在采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)下吸水-失水時(shí)，易于膨脹、崩解，明顯區(qū)別于常見煤系沉積巖砂巖特征。為掌握引起其吸水-失水膨脹、崩解的原因，利用D/Max-3B 型X射線衍射儀，研究了該含水砂巖組分，如圖2所示。

由圖2可知：粗粒泥質(zhì)長石砂巖中黏土礦物、石英和長石分別占39.2%，29.6%和28.2%；同時(shí)，黏土礦物中高嶺石、伊利石、蒙脫石及伊蒙混層、綠泥石分別占24.8%，5.5%，4.8%和4.1%。粗粒泥質(zhì)長石砂巖富含黏土礦物，尤其是黏土礦物中蒙脫石、伊蒙混層及綠泥石吸水后呈現(xiàn)很強(qiáng)的膨脹性[21]，這也是一般砂巖不具有的特性。在開采寧東煤田侏羅系煤層時(shí)需重視該類巖層在吸水-失水過程中呈現(xiàn)出的特殊性[22-23]；同時(shí)，研究該區(qū)域煤水共采問題，所涉及的相似模擬、數(shù)值計(jì)算參數(shù)等均應(yīng)考慮該類富含黏土礦物粗粒泥質(zhì)長石砂巖影響作用，使得計(jì)算結(jié)果更加切合工程實(shí)際[24]。

圖2 粗粒泥質(zhì)長石砂巖礦物組分

2.2 含水砂巖微結(jié)構(gòu)特征

由巖石鑒定結(jié)果可知，該粗粒泥質(zhì)長石砂巖形成于快速堆積的沉積環(huán)境，該沉積類型對(duì)于巖石的孔隙發(fā)育有重要影響，且其水力通道發(fā)育情況對(duì)于水巖作用的發(fā)生及發(fā)展進(jìn)程至關(guān)重要。本文利用Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡研究了粗粒泥質(zhì)長石砂巖微結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)～(c)可以看出，粗粒泥質(zhì)長石砂巖顆粒間孔隙，原生孔洞均較為發(fā)育，顆粒間連通性好，具有較好的導(dǎo)水性。圖3(d)，(e)的巖石微結(jié)構(gòu)顯示了粗粒泥質(zhì)長石砂巖在水-巖作用下顆粒表面溶蝕現(xiàn)象明顯，且顆粒之間膠結(jié)物為伊蒙混層，與巖石鑒定及礦物組分測(cè)試結(jié)果一致。由圖3(f)可知，顆粒間孔洞多角狀孔隙通道，粗粒顆粒間沒有形成很好的膠結(jié)，具有明顯的通道效應(yīng)。

3 含水砂巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及滲透特性

目前實(shí)驗(yàn)室研究“保水采煤”的主要手段為相似模擬和數(shù)值計(jì)算，這兩類實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否具有參考價(jià)值在于其所選取的相似模擬材料屬性和巖層參數(shù)是否與研究對(duì)象具有相似的物理力學(xué)性質(zhì)，特別是是否具有類似的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線、壓縮變形特性等[15-17]，這也是目前國內(nèi)外評(píng)價(jià)相似模擬和數(shù)值計(jì)算是否可行與科學(xué)的判斷標(biāo)準(zhǔn)之一。

圖3 粗粒泥質(zhì)長石砂巖電鏡掃描

3.1 含水砂巖飽水實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)粗粒泥質(zhì)長石砂巖鑒定分析、礦物組分及微結(jié)構(gòu)特征研究可知，該含水砂巖富含黏土礦物，且孔隙裂隙發(fā)育，水巖作用下易于膨脹和崩解(圖4)。而如果試件不飽和或不充分飽和會(huì)引起滲流過程不暢，進(jìn)而可能導(dǎo)致滲透壓差局部升高，在開展?jié)B透試驗(yàn)前有必要先使試件充分飽和。

為避免試件飽水時(shí)試樣崩解提出如下飽水實(shí)驗(yàn)方法，具體步驟如下：

圖4 含水砂巖崩解

(1)將滲透壓頭放置在試件兩端，滲透壓頭上均勻布置有滲水孔(圖5(a))；

(2)使用不透水膠帶將試件和滲透壓頭纏繞一起，以減少試件遇水后在環(huán)向上的變形量，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度；

(3)使用塑料密封試樣最外部(吹風(fēng)機(jī)加熱)，以確保試件不向外滲水，并將塑料在滲透壓頭的上部做成一個(gè)滲水容器(圖5(b))。

圖5 粗粒泥質(zhì)長石砂巖飽水

(4)通過滲水容器對(duì)試樣進(jìn)行滲水直至飽和，這樣可以避免含水砂巖直接浸水而引起的崩解破壞。同時(shí)，在試樣底部放置干燥紙巾以隨時(shí)觀察水是否滲透至底部，并判定試件飽水狀態(tài)；

(5)試樣飽水后剪除滲水容器，利用膠帶重新纏繞試件，至此完成滲透試驗(yàn)前試件的飽水準(zhǔn)備工作(圖5(c))。

3.2 含水砂巖三軸壓縮及滲透試驗(yàn)

3.2.1 三軸壓縮試驗(yàn)

實(shí)測(cè)粗粒泥質(zhì)長石砂巖飽水狀態(tài)下三軸壓縮特性，試件加工尺寸為49.80 mm×101.68 mm；圍壓5.0 MPa，三軸全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 粗粒泥質(zhì)長石砂巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖6可知：① 試件軸向位移達(dá)到一定數(shù)值后，主應(yīng)力差(σ1-σ3)亦達(dá)到了一個(gè)峰值，該值大小為13.76 MPa，對(duì)應(yīng)的σ1為18.76 MPa；② 主應(yīng)力差值非常平緩，且隨著軸向位移的增加，主應(yīng)力差略有降低后又慢慢增大，直至軸向應(yīng)變達(dá)到0.058 3(軸向位移為5.930 mm)時(shí)，主應(yīng)力差增至13.81 MPa，且還有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)。粗粒泥質(zhì)長石砂巖三軸試驗(yàn)呈現(xiàn)出明顯的塑性破壞特征，其破壞形態(tài)如7所示。

圖7 粗粒泥質(zhì)長石砂巖三軸壓縮破壞形態(tài)

3.2.2 含水砂巖飽水試件的滲透試驗(yàn)

根據(jù)3.2.1節(jié)粗粒泥質(zhì)長石砂巖三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，可以初步確定滲透試驗(yàn)時(shí)滲透率測(cè)試點(diǎn)的位移值，以此為參考實(shí)測(cè)粗粒泥質(zhì)長石砂巖飽水試件滲透特性，該試件加工尺寸為49.10 mm×102.80 mm。

測(cè)試步驟如下：① 加載1.0 kN軸向力，以確保試件與壓頭充分接觸；② 逐漸加圍壓至5.0 MPa；③ 開展不同點(diǎn)滲透試驗(yàn)。設(shè)置試件上下端頭水壓值分別為3.0 MPa和2.0 MPa，即初始滲透壓差為1.0 MPa。50號(hào)粗粒泥質(zhì)長石砂巖全應(yīng)力應(yīng)變過程應(yīng)變-滲透率曲線如圖8所示。

圖8 粗粒泥質(zhì)長石砂巖應(yīng)變-滲透率曲線

由圖8可知：粗粒泥質(zhì)長石砂巖滲透率在應(yīng)力較低水平時(shí)相對(duì)較低，為109.6×10-19m2；而當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到2.43×10-3時(shí)，滲透率增至186.5×10-19m2，但之后隨應(yīng)力應(yīng)變?cè)黾佣兓淮螅钡皆嚰茐臅r(shí)滲透率達(dá)到最大值249.0×10-19m2。

3.3 含水砂巖不同含水率單軸壓縮特性

煤炭開采過程中，上覆巖層含水率動(dòng)態(tài)變化而并非一個(gè)定值。為了更好地掌握含水砂巖不同含水率時(shí)其力學(xué)特性變化規(guī)律，開展了不同含水率單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。

粗粒泥質(zhì)長石砂巖不同含水率全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與含水率關(guān)系曲線如圖9所示。

由圖9可知：① 含水砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與含水率負(fù)線性相關(guān)，隨著含水率增加，粗粒泥質(zhì)長石砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等均下降明顯；② 不同含水率時(shí)，其全應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)大致相同，具有類似的變化規(guī)律；③ 相對(duì)干燥試樣(含水率為0)，含水率為2.25%，3.84%時(shí)，其單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量分別下降了56.8%，80.6%和50.0%，79.1%。

圖9 全應(yīng)力-應(yīng)變及單峰值強(qiáng)度、彈性模量與含水率關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

(1)研究了寧東煤田侏羅系煤層頂板一類含水砂巖組分及微結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)巖石鑒定結(jié)果，將該含水砂巖命名為粗粒泥質(zhì)長石砂巖；粗粒泥質(zhì)長石砂巖中黏土礦物、石英和長石分別占39.2%,29.6%和28.2%；同時(shí)，該含水砂巖礦物富含黏土礦物，其中蒙脫石及伊蒙混層、綠泥石等吸水易于膨脹礦物分別占4.8%和4.1%；同時(shí)，含水砂巖微結(jié)構(gòu)特征表明其內(nèi)部原生裂隙發(fā)育、導(dǎo)水性強(qiáng)。

(2)探討了粗粒泥質(zhì)長石砂巖三軸壓縮和滲透特性。粗粒泥質(zhì)長石砂巖主應(yīng)力差達(dá)到較大值后增加趨勢(shì)緩慢；從試樣破壞形態(tài)來看，其呈現(xiàn)出明顯的塑性破壞特征；試件滲透率達(dá)到一定值后穩(wěn)定，直至試件壓縮破壞時(shí)滲透率達(dá)到最大值。

(3)當(dāng)含水率在一定范圍內(nèi)時(shí)，粗粒泥質(zhì)長石砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與含水率呈負(fù)線性相關(guān)。

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Experimental study on coarsely water-bearing sandstone in roof of Jurassic coal seam

YAO Qiang-ling1，2,CHEN Tian1，2,LI Xue-hua1，2，WANG Ao1，2

(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;2.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducationofChina,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

The similar simulation experiment has always been an essential method to study water-preserved mining,during which the similarity between simulation materials and rock properties is the most significant issue.Ningdong coalfield is a typically ecological-fragile mining area where a special sandstone contains a large amount of low maturity and clay minerals.This sort of sandstone represents the soft-rock properties under mining influence and water absorb-drying process.It was confirmed that this is coarsely argillaceous arkose which is formed in quickly emerging sedimentary environment in accordance with its composition and structure.The sandstone is comprised of clay,quartz and feldspar by the quantified analysis of X-ray diffraction.The clay incorporates enormous mont-morillonite,illite smectite mixed layer and chlorite and all of these materials are water swelling.The study of triaxial compressive strength and permeability of the sandstone by MTS Servo demonstrates that the sandstone samples have plastic-failure characteristics.The permeability of water-saturated sandstone has mutational points,after which it is approximately constant before increasing to the maximum at failure.In addition,the uniaxial compressive strength and elastic modulus have a negative relation with moisture content.

ecological-fragile mining area;water-bearing sandstone;similar simulation experiment;water-preserved mining

10.13225/j.cnki.jccs.2017.5031

2016-07-02

2017-12-20責(zé)任編輯:張曉寧

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51674248，51304208)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

姚強(qiáng)嶺(1982—)，男，河南蘭考人，教授，博士。E-mail:yzqiangling@126.com。通訊作者：陳 田,E-mail：tianchen_cumt@163.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0183-06

姚強(qiáng)嶺，陳田，李學(xué)華，等.寧東侏羅系煤層頂板粗粒含水砂巖特性研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):183-188.

Yao Qiangling,Chen Tian,Li Xuehua，et al.Experimental study on coarsely water-bearing sandstone in roof of Jurassic coal seam[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):183-188.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.5031