高林　趙世毫　黃小芬　馬振乾　孔德中　康向濤　韓森

摘要：為進一步揭示盤江礦區(qū)回采巷道圍巖變形機理，采集礦區(qū)范圍內三對典型礦井回采巷道圍巖煤巖樣進行了點載荷、堅固性系數(shù)測定、礦物成分分析、耐崩解指數(shù)測定、水理特性等一系列圍巖特征實驗研究。結果表明：盤江礦區(qū)回采巷道頂?shù)装鍘r層多為泥巖、泥質粉砂巖等軟弱巖層，天然狀態(tài)下抗拉強度、抗壓強度及抗剪強度分別低至0.32 MPa、6.34 MPa及0.77 MPa，且煤的堅固性系數(shù)僅為0.50～0.86，礦區(qū)內回采巷道圍巖軟巖特征明顯;圍巖礦物成分以石英為主，但高嶺石、鈉長石等黏土礦物含量較高，遇水極易膨脹，裂隙及節(jié)理發(fā)育，圍巖強度大幅度降低;圍巖抵抗軟化和崩解作用的能力較差，其中底板泥巖的耐崩解性指數(shù)低至8.70%。研究結論可為盤江礦區(qū)回采巷道圍巖控制方案的制定提供科學依據(jù)和理論指導。

關鍵詞：盤江礦區(qū);軟巖;物理力學性質;回采巷道

中圖分類號：TD82;TD313文獻標志碼：A

貴州省煤炭資源儲量豐富，是云貴煤炭基地的主要組成部分，探明儲量超過江南五省之和，有著“江南煤?！敝u[1-2]。盤江礦區(qū)作為貴州省煤炭開采的“主戰(zhàn)場”，對貴州省乃至全國經(jīng)濟建設發(fā)揮著巨大作用;但由于礦區(qū)內含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，軟弱巖層分布廣泛，開采過程中回采巷道冒頂、底鼓等現(xiàn)象時有發(fā)生[3]。已有研究表明，分析和掌握巷道圍巖物理力學特征，是揭示圍巖變形破壞機理的前提和有效途徑[4-6]。如李化敏等[7]研究了神東礦區(qū)煤系地層巖石不同沉積時期的砂巖在單軸壓縮、三軸壓縮和巴西劈裂實驗下的物理力學參數(shù)，為該礦區(qū)圍巖控制制定方案提供了理論支持。何滿潮、周莉等[8-9]利用掃描電鏡和X射線衍射對興安礦深部軟巖進行了礦物成分分析，并提出一種新型聯(lián)合支護方式。楊曉杰、孫曉明等[10-11]針對軟巖巷道變形大、難支護的問題，采用工程地質力學分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗研究相結合的方法，分析了新安煤礦+535回風石門的變形機制，并提出了“恒阻大變形錨桿+金屬網(wǎng)+底角注漿錨管+鋼纖維混凝土”耦合支護方案。張杰等[12-13]采用力學參數(shù)測試、礦物成分分析及崩解實驗等方法研究了王洼煤礦1522-1工作面回風巷破壞機理，為提出合理的控制措施和支護參數(shù)確定提供了理論依據(jù)。

因此，通過采集盤江礦區(qū)范圍內三對典型礦井回采巷道圍巖煤巖樣，進行了一系列圍巖特征實驗，以期研究結論為進一步揭示該礦區(qū)回采巷道圍巖變形機理提供理論依據(jù)。

1實驗方案

1.1采樣地點及采樣方式

貴州盤江礦區(qū)主要含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，全層厚為280～310 m。為使本次實驗研究更加全面，選取礦區(qū)內A、B、C三對代表性礦井回采巷道進行實驗煤巖樣采集。采樣過程按照《煤和巖石物理力學性質測定方法 第1部分：采樣一般規(guī)定》（GB/T 23561.1—2009）中相關要求執(zhí)行。由表1可知，礦區(qū)內煤層及其頂?shù)装鍘r性主要為粉砂巖、泥巖及泥質粉砂巖等。為盡量減少實驗過程中的偶然誤差，提高實驗測試結果的可靠性，每個礦井回采巷道的頂板、底板和煤層均加工了3個以上試樣。

1.2實驗方法

考慮到礦區(qū)內回采巷道圍巖的軟巖特性，主要開展了點載荷實驗、煤的堅固性測定實驗、X射線衍射實驗、崩解實驗和水理特性實驗等，圍繞力學參數(shù)測試、礦物成分分析兩方面展開了系統(tǒng)研究。

2力學參數(shù)測試

2.1點載荷實驗

鑒于軟弱巖層制作標準試件的困難性，采用HDH-1點載荷試驗儀（圖1）對盤江礦區(qū)A礦、B礦、C礦煤層及其頂?shù)装鍘r層進行點載荷實驗，破壞載荷可由配套TY5D/A數(shù)顯儀直接讀出，測量精度高。

為便于實驗前后對比分析，實驗過程中記錄了各礦煤巖樣點載荷實驗前后的破壞形態(tài)，其中A礦試件如圖2所示。（a）試驗儀（b）TY5D/A數(shù)顯儀（c）試件

依據(jù)測試結果，根據(jù)《煤和巖石物理力學性質測定方法 第13部分：煤和巖石點載荷強度指數(shù)測定方法》（GB/T 23561.13—2010）中相應的公式，計算得出修正后的煤和巖石點載荷強度指數(shù)I_s（50）。煤和巖石的單軸抗壓強度與其點載荷強度之間具有很好的線性關系，因此，煤和巖石的單軸抗壓強度、單軸抗拉強度及抗剪強度可由其點載荷強度進行預估，換算公式如下[14]：

經(jīng)計算，A、B、C三對礦井煤層、頂?shù)装鍘r層平均點載荷強度指數(shù)I_s（50）及換算后的煤巖層抗壓強度、抗拉強度及抗剪強度如表2所示?？芍髅簬r層天然狀態(tài)下的抗拉強度、抗壓強度及抗剪強度分別低至0.32 MPa、6.34 MPa及0.77 MPa，表明盤江礦區(qū)回采巷道圍巖力學強度整體較低，屬于典型的軟弱圍巖。

2.2煤的堅固性系數(shù)測定實驗

為進一步分析盤江礦區(qū)回采巷道煤塊抵抗破壞的能力，采用DQ-4型煤堅固性系數(shù)測定儀進行煤的堅固性系數(shù)測定實驗。根據(jù)《煤和巖石物理力學性質測定方法 第12部分：煤的堅固性系數(shù)測定方法》（GB/T 23561.12—2010），將從A、B、C三對礦井回采巷道圍巖中采集的煤樣在實驗室分別處理成20～30 mm塊度的5份式樣（圖3）。實驗過程中，對試件各進行3次沖擊，測得三對礦井的堅固性系數(shù)最小值為0.50，最大值為0.86，均屬于超軟巖且接近極軟煤層臨界值[15]，表明礦區(qū)內可采煤層煤體強度較小。

3礦物成分分析及耐崩解實驗

3.1礦物成分分析

為了揭示盤江礦區(qū)回采巷道圍巖礦物特征，采用Panalytical多功能粉末X射線衍射儀，對三對礦井回采巷道煤層及頂?shù)装鍑鷰r礦物組分進行測試，依據(jù)各煤巖層X射線衍射圖譜分析得出礦物組分，其中，A礦回采巷道測試結果如表3所示。

綜合實驗結果分析可知：盤江礦區(qū)回采巷道圍巖礦物成分以石英為主，但高嶺石、鈉長石等黏土礦物含量較高，如A礦頂板巖石（泥質粉砂巖）中高嶺石含量為19.8%，15#煤層中高嶺石含量達32%，而底板巖石（泥巖）中高嶺石、鈉長石含量分別為31%、26%，屬于中膨脹性軟巖至強膨脹性軟巖[16]。由于巷道圍巖尤其底板巖石中黏土礦物含量較高，在井下水作用下，極易導致圍巖遇水膨脹、裂隙及節(jié)理發(fā)育，圍巖強度將大幅度降低。E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

3.2耐崩解實驗

為了分析評價盤江礦區(qū)回采巷道圍巖抵抗軟化和崩解作用的能力，采用HNB-1型巖石耐崩解實驗儀對采集于A、B、C三對礦井的煤層、頂?shù)装鍘r層進行了耐崩解性實驗。其中，A礦回采巷道頂?shù)装迥捅澜庑灾笖?shù)測定實驗試件前后形態(tài)對比如圖4所示。

根據(jù)《煤和巖石物理力學性質測定方法 第16部分：巖石耐崩解性指數(shù)測定方法》（GB/T 23561.16—2010）計算得出各礦圍巖耐崩解性指數(shù)。分析測試結果可知：礦區(qū)內回采巷道圍巖整體抵抗崩解的能力較差，如A礦底板泥巖崩解實驗之后殘留物僅為一小塊巖石，耐崩解性指數(shù)測定結果僅為8.70%。相比于泥巖，礦區(qū)內泥質粉砂巖抵抗崩解的能力稍強，平均耐崩解性指數(shù)約為66.0%，但從崩解殘留物看，絕大多數(shù)已崩解為粒徑小于3 mm的細小顆粒。

3.3巖石水理特性實驗

研究過程中，采樣對盤江礦區(qū)回采巷道煤層及頂?shù)装鍘r樣進行了為期10 d的水理特性實驗。以A礦為例，實驗過程中，回采巷道圍巖不同時期煤樣形態(tài)如圖5所示。煤樣浸水0.5 h和10 d之后，僅從煤樣裂隙中析出一些黑色油性物質，遇水崩解的效果不足，煤樣外觀未發(fā)生明顯變化。頂板浸水0.5 h后，即開始發(fā)生崩解變化，有小片的薄片狀巖塊從母體上剝離掉落，而且?guī)r石吸水作用明顯，貫穿到巖石裂隙中;10 d后，原始巖塊則遇水崩解成細小碎片狀。底板浸水0.5 h后，即開始發(fā)生崩解變化，有碎屑狀巖塊從母體上剝離掉落，而且?guī)r石吸水作用明顯，貫穿到巖石裂隙中;10 d后，原始巖塊則遇水崩解成細小碎塊，用手極易掰成小粒。

綜合分析可得，盤江礦區(qū)回采巷道頂?shù)装鍑鷰r受水理作用明顯。因此，巷道掘出后，如不及時采取封閉支護措施，在持續(xù)風化及水理作用下，加之遇水產(chǎn)生的膨脹、崩解效應等，使得軟弱圍巖更加破碎，強度大幅降低，同時產(chǎn)生的擴容變形、碎脹壓力也將給此類巷道圍巖控制帶來更大的困難。

4結論

1）盤江礦區(qū)回采巷道頂?shù)装鍘r層多為泥巖、泥質粉砂巖等軟弱巖層，天然狀態(tài)下抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度分別低至0.32 MPa、6.34 MPa及0.77 MPa，且煤的堅固性系數(shù)僅為0.50～0.86。

2）盤江礦區(qū)回采巷道頂?shù)装鍘r層礦物成分以石英為主，但高嶺石、鈉長石等黏土礦物含量較高，在井下水作用下，極易導致圍巖遇水膨脹，圍巖強度大幅度降低。

3）盤江礦區(qū)回采巷道頂板裂隙及節(jié)理發(fā)育，導致抵抗軟化及崩解的能力較差，底板巖層耐崩解性指數(shù)低至8.70%，與水相互作用后失去黏結力，產(chǎn)生膨脹、崩解等效應，使得巷道圍巖更加破碎。

4）整體而言，盤江礦區(qū)回采巷道圍巖力學強度較低，軟巖特征明顯，支護過程中應重點考慮遇水膨脹、風化崩解等對巷道圍巖控制帶來的不利影響。參考文獻：

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（責任編輯：周曉南）

Experimental Study on Surrounding Rock CharacteristicsE5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

of Gateway in Panjiang Mining Area

GAO LinZHAO Shihao HUANG Xiaofen MA Zhenqian KONG Dezhong KANG Xiangtao HAN Sen

（1.College of Mining， Guizhou University， Guiyang 550025， China; 2.Research Center of Roadway Support and Disaster

Prevention Engineering in Coal Industry， Beijing 100083， China; 3.National & Local Joint Laboratory of Engineering

for Effective Utilization of Regional Mineral Resources from Karst Areas， Guizhou University， Guiyang 550025， China）Abstract： To further reveal the deformation mechanism of surrounding rock of gateway in Panjiang mining area， coal and rock samples of surrounding rocks of three typical gateways in mining area were collected， and a series of surrounding rock characteristics such as point load， determination of the firmness coefficient， mineral composition analysis， determination of the disintegration resistance index and hydraulic characteristics were studied. The results show that the roof and floor strata of gateway in Panjiang mining area are mostly mudstone， argillaceous siltstone and other soft strata. Under natural conditions， the tensile strength， compressive strength and shear strength are as low as 0.32 MPa， 6.34 MPa and 0.77 MPa， and the firmness coefficient of coal is only 0.50-0.86. The characteristics of the soft surrounding rock of gateway in mining area are obvious. The main mineral composition of surrounding rock is quartz， but the contents of clay minerals such as kaolinite and albite are high， so the surrounding rock is easily expansive when meeting with water， fractures and joints are also developed， leading to a great reduction in the strength of surrounding rock. Besides， the ability of surrounding rock to resist softening and disintegration is poor， and the disintegration resistance index of mudstone on floor is as low as 8.70%. The research conclusions can provide scientific basis and theoretical guidance for the formulation of surrounding rock control scheme of gateway in Panjiang mining area.

Key words： Panjiang mining area; soft rock; physical and mechanical property; gatewayE5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A