高傳朋

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

在我國，煤礦區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，影響礦井底板突水的因素也呈現(xiàn)多樣性。根據(jù)研究，底板突水事故的發(fā)生主要與巖層斷層有關(guān)，有完整隔水層的底板出現(xiàn)突水事故的概率極小。作為巖層移動破碎的產(chǎn)物，斷層破碎帶巖層記錄了許多與斷層活化突水有關(guān)的信息[1]，但對于這方面的細(xì)致研究卻不多，我們通過SEM、X 射線衍射試驗來探究斷層破碎帶巖石的元素物質(zhì)及理化性質(zhì)，分析其對底板導(dǎo)、突水的影響，為研究斷層活化提供更多的研究方向。

SEM 掃描電鏡試驗是利用帶有能量的入射電子束轟擊樣品表面，電子與元素的原子核及外層電子發(fā)生單次或多次的彈性與非彈性碰撞，一部分電子被反射出樣品表面，通過掃描電子顯微鏡接收這些信號從而得到訊息，通過分析得到樣品不同放大倍數(shù)的表面形貌特征，是我們探究巖石顯微結(jié)構(gòu)常用的試驗手段；X 射線衍射試驗是對物質(zhì)顆粒進(jìn)行物質(zhì)成分鑒定，是粘土礦物鑒定最常用的方式之一，它可以辨別出檢測物質(zhì)所含有的粘土礦物具體種類，并對物質(zhì)含有的礦物種類進(jìn)行定量分析。

陽城煤礦水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，在煤礦采區(qū)含有許多斷層構(gòu)造，這就給我們的開采提出了難題。為了研究斷層構(gòu)造對于底板突水的影響，我們通過SEM 試驗觀察斷層破碎帶表面微觀形態(tài)、構(gòu)造，通過IPP 軟件分析計算斷層物質(zhì)處的孔隙率大小，來判斷其斷層活動方式以及其含、導(dǎo)水特性，揭示斷層突水的機理；運用X 射線衍射得到斷層物質(zhì)各礦物成分含量，對其礦物成分進(jìn)行量化分析，探究其具體巖石種類及特性，分析其對該處含、導(dǎo)水性能的影響，豐富了我們對于斷層底板突水方面的研究，為實際生產(chǎn)活動提供了現(xiàn)實的指導(dǎo)意義[2]。

1 斷層構(gòu)造背景

本次試驗所取樣品為陽城煤礦3305 工作面DF53 斷層破碎帶巖樣。該3305 工作面煤層傾角25°～35°，平均29°，煤層平均厚度7.2 m，煤層底板標(biāo)高-870～ -990 m。該工作面皮順聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)期間揭露DF53 斷層（H=35 m），通過分析其微觀構(gòu)造、物質(zhì)組成、孔隙率大小來判斷其導(dǎo)、突水特性。

取形態(tài)結(jié)構(gòu)各異的DF53 斷層破碎帶巖樣分成若干組，并進(jìn)行編號。對巖樣進(jìn)行理化性質(zhì)試驗并分析其微觀形態(tài)及組成成分結(jié)構(gòu)，繼而判斷其含、導(dǎo)水性能。

2 試驗過程

2.1 SEM 試驗

將巖石樣品進(jìn)行加工制作，研磨成厚度大約為3 mm 的正方形薄片。用酒精清洗樣品表面碎屑，利用吹風(fēng)機將其吹干。將薄片進(jìn)行鍍金處理后，采用JSM-6510LV 高低真空掃描電子顯微鏡進(jìn)行掃描試驗，得到不同放大倍數(shù)下的物質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)，獲取其表面特征及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造。結(jié)合EDX 譜圖分析其中所含有的礦物元素種類及含量，對其進(jìn)行定量分析，判斷巖石種類，獲取其巖石理化性質(zhì)，并通過圖像分析軟件IPP 測定其滲透率及變化規(guī)律。

2.2 X 射線衍射試驗

由于粘土顆粒細(xì)小，通常用肉眼及顯微鏡都不能準(zhǔn)確鑒定，因此需要采用X 射線衍射法進(jìn)行礦物成分量化分析。將取自陽城煤礦DF53 斷層的物質(zhì)用砂紙研磨成手指感覺不到顆粒的細(xì)粉末，原則上粒徑在40 μm 之下，之后在玻璃上做成薄片。試驗中采用連續(xù)掃描，掃描范圍為10°～80°，掃描度設(shè)置為8°/min。試驗完成后用Jade 軟件進(jìn)行物相檢索，來獲取其中所含有的物相種類，確定其礦物成分含量，判斷巖層所含有的巖石種類及特性，進(jìn)而分析斷層物質(zhì)含、導(dǎo)水特性。

3 試驗結(jié)果

3.1 SEM 試驗結(jié)果分析

通過SEM 試驗獲取5 組巖樣1000 倍、5000 倍、10 000 倍、40 000 倍不同放大倍數(shù)下顯微構(gòu)造圖。各組巖樣放大10 000 倍顯微圖如圖1。

從獲取的微觀結(jié)構(gòu)圖看出，樣品1 表面較為稀疏，巖層表面物質(zhì)呈顆粒狀，顆粒之間含有較多縫隙，質(zhì)地較軟，孔隙結(jié)構(gòu)較多，斷層物質(zhì)受巖層移動剪切破壞較嚴(yán)重；樣品2 表面較為致密，顆粒之間聯(lián)系緊密，顆粒物質(zhì)較少，斷層物質(zhì)受到巖層擠壓影響；樣品5 塊狀物體較多，受到外力碎裂產(chǎn)生碎屑依附在表面，產(chǎn)生較多的孔隙。

為了探究該斷層破碎帶物質(zhì)含、導(dǎo)水性能，孔隙率作為巖石最重要的數(shù)據(jù)之一，是我們需要研究的內(nèi)容。通過獲取的SEM 圖像數(shù)據(jù)，通過IPP 圖像分析軟件，對斷層物質(zhì)進(jìn)行孔隙率測定、分析。為了計算準(zhǔn)確，運用圖像分析軟件IPP 對放大倍數(shù)1000 倍的圖像進(jìn)行孔隙率分析測定[3]。

樣品三維孔隙率根據(jù)公式（1）計算。

式中：n3D代表三維孔隙率，m為閾值大小，Yi為確定閾值，Ai為該閾值下測得孔隙面積，SA為IPP 軟件選中的區(qū)域像素。計算該孔隙率時，為計算方便及準(zhǔn)確，步距定為5[4]。計算結(jié)果見表1。

表1 各樣品孔隙率

由上表可知，樣品1、2 由于裂隙較多，具有更高的孔隙率，總體斷層破碎帶物質(zhì)孔隙率在15%～25%左右。相比普通巖層，樣品1、2 具有較高的孔隙率，在深部礦井回采過程中，容易成為導(dǎo)水通道，在礦井水壓力下該處容易形成突水，是需要防范的重要部位。

獲取的樣品5 掃描電鏡能譜圖如圖2，繪制的對應(yīng)樣品元素含量表見表2。

圖2 樣品5 掃描電鏡能譜圖

表2 樣品5 元素含量表

從上圖2 看出，樣品5 巖石呈灰白色，表面粗糙，表層有黃色結(jié)晶物質(zhì)。從圖2 和表2 可以看出，樣品5 中主要元素為O、C、Si、Pt、Fe、S，即可以推測樣品05 主要成分為SiO2、Al2O3、鉑族礦物、黃鐵礦；另外，樣品中還含有少量的Al、K、Mg等元素。含有鉑族礦物，鉑族礦物與水化硅酸鹽綠泥石密切共生。

根據(jù)巖石重要礦物組成成分及獲取的數(shù)據(jù)分析，可判斷該斷層物質(zhì)主要礦物組成為石英、石灰石、剛玉、鉑族礦物、黃鐵礦等物質(zhì)，另外還有多種礦物組成成分，成分構(gòu)成較為復(fù)雜。

至于斷層物質(zhì)中所含有的粘土礦物，根據(jù)常見黏土礦物元素成分特征參考表可以判斷斷層物質(zhì)粘土礦物主要為高嶺石、蒙脫石、伊利石等。這些礦物顆粒極細(xì)，顆粒多為細(xì)鱗片晶體集合體。該巖石種類就使得斷層物質(zhì)吸水性較強，吸水膨脹，具有較好的可塑性，該理化性質(zhì)可為防治斷層突水提供切實的落腳點。

3.2 X 射線衍射試驗結(jié)果分析

通過對斷層破碎帶物質(zhì)粉末進(jìn)行X 射線衍射試驗來對其所含礦物種類進(jìn)行定性、定量分析，以更好地判斷其物化特性，結(jié)果如圖3。

圖3 X 射線衍射

根據(jù)獲取的斷層破碎帶物質(zhì)衍射圖譜，利用JADE 軟件對其中所含有的礦物種類進(jìn)行定性、定量分析，獲取結(jié)果如圖4。

圖4 斷層物質(zhì)礦物定量分析圖

通過獲取的斷層物質(zhì)X 射線衍射圖譜，對照標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)圖譜分析，每個峰值代表一種物質(zhì)，利用軟件定量分析模塊，得到該斷層物質(zhì)含有的礦物種類主要為：石英、高嶺石、剛玉以及白云石等，其相對含量為：白云石占6.6%，剛玉占34%，石英占48.6%，高嶺石占10.8%。高嶺石作為粘土礦物，遇水易膨脹，斷層物質(zhì)在高嶺石等粘土礦物的影響下，容易吸收底板水發(fā)生泥化軟化效應(yīng)，降低斷層處的孔隙率，減弱斷層處的含、導(dǎo)水能力[5]。

4 結(jié)論

（1）通過SEM 試驗對斷層破碎帶物質(zhì)進(jìn)行掃描試驗，發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶物質(zhì)結(jié)構(gòu)較為致密且分散，有巖層擠壓痕跡，表面含有微小顆粒，顆粒之間裂隙較大，斷層處受到剪切破壞較嚴(yán)重。采用IPP 圖像分析軟件對獲取的圖像文件進(jìn)行分析判定，斷層物質(zhì)處孔隙率可達(dá)到15%～25%，相較其他巖層具有較大的孔隙率，容易成為礦井水導(dǎo)升的通道。

（2）通過對斷層破碎帶進(jìn)行能譜圖分析及X射線衍射試驗，能夠知道斷層破碎帶含有大量的元素，主要物質(zhì)為石英、剛玉、鉑族礦物及黃鐵礦等。另外，其中還含有大量的以高嶺石為主的粘土礦物，該類礦物遇水膨脹，能夠減小斷層間的孔隙，降低斷層處的導(dǎo)水性能，增加斷層阻隔水的能力。