夹河矿深部巷道围岩地质力学测试分析

齐 干，唐强达

(1.北京市地质研究所，北京 100120；2.上海建科建设监理咨询有限公司，上海 200032)

随着浅部煤炭资源的日益减少，国内外一大批矿区逐渐转入深部开采阶段[1,2]。深部复杂的地质条件和力学环境，使巷道围岩稳定性控制成为制约煤矿安全高效生产的主要难题之一[3]。目前，徐州矿务集团所属11对矿井中已有8对采掘深度达到1000m以下，夹河矿是该集团主力生产矿井，目前(800m水平已基本开采结束)，正向1010m水平延伸。该矿多条巷道在前期掘进过程中，由于深部地质构造复杂、地应力高、围岩岩性差等原因，出现了高地压、大变形、难支护现象。本文采用现场调查、地应力测试、扫描电镜分析、X射线衍射分析和物理力学性质试验等手段，对夹河矿深部巷道围岩进行了地质力学测试分析，为确定软岩类型、评价岩体质量、研究巷道变形机制，进而有针对性地提出合理可行的巷道支护方案，提供了基础数据和科学依据。

1 夹河矿深部巷道变形破坏特征

通过对夹河矿2442工作面上材料道、7446工作面材料道及-1010胶带机石门等深部巷道的现场调查，发现该矿深部巷道变形破坏具有如下特征：

(1)顶板下沉严重，离层及网兜现象明显，造成难以控制。通过对2442工作面上材料道前期旧支护形式(锚网索支护)下的变形监测，在75d观测时间内，顶板下沉总最大达420mm，日均下沉速率5.6mm/d。由于巷道顶板松散、破碎，采用原支护形式和参数的巷道，约一半以上地段出现明显网兜现象，多处地段不得不采用点柱或梯形钢架作二次支护(图1(a))。

(2)两帮收缩明显，严重影响通风、运输和行人(图1(b))。据测量，在75d观测时间内，两帮移近总量最大为560mm，日均移近速率7.5mm/d，两帮收缩明显部位占2/5以上。

(3)巷道底臌量大(图1(c))。据测量，在75d观测时间内，底板臌出量最大达1500mm，日均底臌速率20mm/d，远超过允许变形量，不得不多次清底，严重影响通风运输和生产效率。

(4)支护体破坏失效严重(图1(d))。据统计，2442工作面上材料道在使用原支护形式和参数掘进的100m巷道范围，断裂锚杆高达39根，锚索托盘多处掉落；钢筋梯也多处发生剪断；顶板菱形网严重变形，多处撕裂，不能与托盘连接，失去作用，局部帮锚杆发生错位，锚固力明显减小；帮部高强塑料网变形较大，使得局部锚杆体被拉出，失去锚固力。

图1 夹河矿深部巷道典型变形破坏特征

初步分析夹河矿深部巷道变形破坏的原因，主要有：①深部地质条件复杂，地应力高；②深部巷道围岩岩性差，强度低；③原有支护形式不合理，支护强度不足等。因而为解决夹河矿深部巷道支护难题，需对该矿深部巷道地应力和围岩结构、成分、物理力学性质等进行测试，为研究确定合理可行的巷道支护方案提供依据。

2 深部地应力测试分析

2.1 地应力测试

夹河矿位于徐州复背斜九里山向斜南翼中段。井田总体为一走向略有变化的单斜构造。井田内无大型褶皱，在F1断层上盘和下盘各发育有一个不完整的次级褶曲。地层产状沿走向、倾向变化较大，且F1断层上下两盘地层产状有明显差异。井田内发育大中型断层共21条，其中落差≥100m的断层4条，其中正断层1条、逆断层3条；落差50～100m的断层5条，其中正断层4条、逆断层1条；落差20～50m的断层7条，其中正断层6条、逆断层1条；落差10～20m的断层且走向长度≥100m的断层5条，全部为正断层。夹河井田褶曲构造及断裂构造分布特征展示出是受不同方向、不同期次的应力作用叠加复合的产物，巷道地应力高且异常的现象突出。为了解夹河矿深部地应力分布规律，在-1010皮带暗斜井石门和-1010回风暗斜井，应用空芯包体应变法[4,5]进行了地应力测量，结果详见表1。

分析表1中所示两个测点的地应力测试结果，可得出夹河矿深部地应力分布存在如下规律：

①在每一个测点均有二个主应力接近水平方向，最大主应力与水平面的夹角平均为9.6°，最小主应力与水平面的夹角平均为28.7°；另外一个主应力方向，基本接近于垂直方向，与水平面的夹角平均为60°，最大达到69.8°。②最大主应力位于水平方向，其值约为自重应力的1～1.1倍，说明该矿区的地应力场是以水平构造应力为主导的。③最大水平主应力的走向总体上为北西-南东向，个别测点方向偏离较大的原因，与测点的局部地质构造和岩石力学性质有关。④垂直应力基本上等于或者略小于单位面积上覆岩层的重量。

2.2 地应力场与区域构造关系分析

地应力测试的两测点都位于F1断层西北一侧的井田深部。根据实测成果，夹河煤矿最大主应力的方向为南偏东43～60°，平均为51.45°。根据夹河煤矿7煤开采平面图和地应力测点周边的地质构造状况，可以得出如下三点结论：

①地应力测点周围区域控制性地质构造是F1逆断层，最大主应力方向与F1逆断层总体走向近似垂直，这与断层形成时的最大主应力方向是一致的。②距离地应力测点最近的是SF23正断层(走向NE，倾向NW，倾角60～80°，落差0～10m，延展长度170m)，最大主应力方向与SF23断层走向的夹角约为73°。③最大主应力方向与该区域7煤层的走向呈70～90°夹角，夹河煤矿实测地应力方向如图2所示。

表1 夹河矿地应力测试成果汇总表

图2 夹河矿实测主应力方向图

3 围岩结构分析

以2442工作面上材料道为例，巷道顶底板特征如表2所示。由表2可知，巷道顶板为复合顶板，局部赋存页岩伪顶和2上煤层，易离层冒落，对巷道掘进和顶板控制影响较大。

表2 2442工作面上材料道顶底板特征

根据现场调查，巷道围岩主要分为三个工程岩组：砂岩岩组、页岩岩组(包括页岩、砂页岩)和煤体岩组(包括2煤、2上煤)。巷道围岩以砂页岩为主，局部为煤和砂岩。

3.1 宏观结构

现场掘进揭露煤体呈黑色，半光亮型，树脂光泽，碎块状、粉末状，性脆，参差断口，节理发育。砂页岩呈灰黑色，块状，节理发育，较破碎。砂岩呈灰色～灰白色，块状，中～细粒，较致密(图3(a))。从现场钻孔取心情况看(图3(b))，取心率和RQD值都偏低，分别仅为46.7%和11.6%，岩体质量很差。由此可见，巷道围岩结构从宏观上来看对稳定性控制较为不利。

图3 巷道围岩宏观结构特征

3.2 微观结构

为查明巷道围岩的微观结构，在现场采集了2煤、砂页岩和砂岩样品各一块，分别进行了扫描电镜试验。图4为3个样品的部分电镜扫描照片。

图4 巷道围岩微观结构特征

由扫描电镜分析可见：2煤微裂缝发育，连通性好，缝中见片状高岭石与次生孔隙，粒表见片状I/S混层及5～10μm溶蚀孔；砂页岩具定向结构，见少量微裂隙，粒表可见片状伊利石、片状I/S混层与1～3μm溶蚀孔；砂岩中微裂缝约5μm，可见粒表片、丝状I/S混层及片状高岭石、伊利石，溶蚀孔内见片状绿泥石。由此可见，夹河矿深部巷道围岩的微观结构较差，在深部高应力条件和水的作用下，裂隙很容易扩展、连通，易变得更加破碎，是导致巷道大范围的变形破坏的重要影响因素。

4 矿物成分分析

为确定夹河矿深部巷道围岩的矿物成分及含量，对扫描电镜试验后的3种岩石样品分别进行了X射线衍射分析。其中，砂页岩的全岩和黏土矿物X射线衍射图谱如图5、图6所示。据此可以得出各种岩石的全岩矿物成分、含量及其中黏土矿物的成分及相对含量，如表3、表4所示。

图5 砂页岩全岩X射线衍射图谱

图6 砂页岩黏土矿物X射线衍射图谱

表3 全岩矿物种类及含量

表4 黏土矿物种类及相对含量

根据图5、图6、表3、表4所列的X射线衍射试验分析结果，对巷道稳定的不利因素主要有以下两个：

①煤中非晶质含量较高：煤中非晶态物质含量达94.7%，而几乎不含石英(含量仅为0.5%)。一般而言，岩石中非晶态物质含量越高，石英含量越低，岩石的强度就越低，岩石质量就越差，对巷道的稳定越不利；②黏土矿物含量高，其中的强膨胀性矿物伊/蒙混层含量也较高，以砂页岩的两个指标为最高。因此，可判定夹河矿深部巷道围岩属膨胀性软岩[6,7]，遇水易膨胀软化，一方面自身强度大幅降低，另一方面产生较大的膨胀力，对巷道稳定非常不利。因此，在稳定性控制设计和施工时，必须对此有足够的重视，采取相应的措施。

5 物理力学性质试验分析

为揭示夹河矿深部巷道的变形破坏机理，确定深部巷道的变形力学机制，为巷道稳定性控制设计提供依据，在研究巷道进行了2个钻孔的钻进施工(部分岩心照片见图3(b))，将取得的岩心在实验室制成标准试件，先后进行了密度和吸水率试验、比重和孔隙率试验、单轴压缩及变形试验、浸水单轴压缩试验、劈裂拉伸试验和浸水劈裂拉伸试验。

表5列出了试验得出的三种不同岩组的物理力学特性平均值指标。由表5可见，巷道围岩强度普遍较低，尤其是巷道主要揭露的砂页岩抗拉强度甚低，仅有1.38MPa，吸水性较强(吸水率为1.39%)。吸水后，一方面强度大幅降低(吸水软化系数为0.56)，另一方面岩体膨胀产生较大应力，对巷道稳定性控制不利。围岩物理力学性质试验结果，也较好地验证了其结构、成分及含量的分析结论。

表5 不同岩组的物理力学特性

6 结论

(1)夹河矿深部巷道变形破坏具有顶板下沉严重、两帮收缩明显、底臌量大和支护体破坏失效严重等特征，主要原因是深部地质条件复杂、地应力高、岩性差、强度低、原有支护形式不合理、支护强度不足等。

(2)夹河矿深部地应力场以水平构造应力为主，最大主应力与水平面的夹角平均为9.6°，走向总体上为北西-南东向，与控制性区域构造(F1逆断层)总体走向近似垂直。

(3)夹河矿深部巷道围岩节理裂隙较发育，微裂隙和溶蚀孔较发育，连通性好。煤中非晶质含量较高，砂页岩和砂岩中黏土矿物和伊/蒙混层含量较高，遇水易膨胀软化。

(4)夹河矿深部巷道围岩强度较低，孔隙率较大，吸水率较高，吸水后强度更低。

(5)夹河矿深部巷道软岩为典型的高应力-节理化-膨胀性复合型软岩[6]，具有复合型变形力学机制，必须采用有针对性的耦合支护对策。

[1] 谢和平.深部高应力下的资源开采——现状、基础科学问题与展望[A].见:香山科学会议主编.科学前沿与未来(第六集)[C].北京:中国环境科学出版社, 2002:179-191.

[2] 何满潮,谢和平,彭苏萍,等. 深部开采岩体力学研究[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(16):2803-2813.

[3] 晏玉书. 我国煤矿软岩巷道围岩控制技术现状及发展趋势[A]. 何满潮主编. 中国煤矿软岩巷道支护理论与实践[C]. 徐州:中国矿业大学出版社,1996:1-17.

[4] 蔡美峰. 地应力测量原理和技术(修订版)[M].北京:科学出版社,2000.

[5] 蔡美峰,何满潮,刘东燕. 岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2002.

[6] 何满潮,景海河,孙晓明. 软岩工程力学[M]. 北京: 科学出版社, 2004:94-100.

[7] 孙晓明,武雄,何满潮,等. 强膨胀性软岩的判别与分级标准[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(1):987-993.