煤层底板灰岩成分微结构特征分析及注浆加固性质评价

康亚明 贾 延

(1.北方民族大学化学与化学工程学院，宁夏 银川 750021;2.北方民族大学数学与信息科学学院，宁夏 银川 750021)

煤层底板灰岩成分微结构特征分析及注浆加固性质评价

康亚明1贾 延2

(1.北方民族大学化学与化学工程学院，宁夏 银川 750021;2.北方民族大学数学与信息科学学院，宁夏 银川 750021)

岩石遇水后其内部结构及物理力学参数会发生一定变化，这些变化与水理作用下组成岩石的成分及内部结构的变化是紧密相关的。华北石炭二叠型煤炭底板灰岩的一个显著受力特点是受矿山压力和高承压水双重作用。这种特殊的应力环境使得其强度和变形特征比一般岩石要复杂得多，主要表现在水理长期作用下岩石的矿物成分及与岩石微结构有关的孔隙、裂隙等物理参数发生了显著变化，这种变异最终影响了岩石的强度。基于此，借助现代先进分析测试仪器，通过实验室内成分鉴定和微结构分析，定性研究了水对这些性质的影响，在此基础上对其注浆加固性质和水理软化倾向进行了评价。研究本溪灰岩的成分及不同含水率时的微结构特征，对于合理解释其力学性能的变异及工程性质有重要指导价值。

底板岩石 本溪灰岩 水理性质 成分鉴定 微结构特征 注浆加固 软化机理

我国煤炭资源在地理分布上的总体格局是“西多东少，北富南贫”，南方由于储量、煤质及开采条件的限制，煤炭产量有限，而东部地区分布有大量具有战略地位的煤矿企业，由于这种特殊的分布格局，“稳住东部，战略西移”将是我国煤炭工业重要发展战略之一。然而，东部矿区具有新生界覆盖层厚、煤层埋藏深等特点，经过近1个世纪的开采，特别是东部地区的华北石炭二叠型煤田，多数已进入深部层位，绝大多数东部地区的矿井已经开采石炭二叠纪煤系，而该煤系地层普遍受到底部奥灰承压水的威胁，这导致煤层底板岩石在受到承压水的同时，还受到水长期对底板岩石物理性质的影响。而岩石遇水后以及长期浸泡在地下水中，岩石内部结构会发生变化，这引起其物理和力学性质也发生变化[1]，其影响程度和岩石自身的内部结构和成分有内在联系，如微孔隙、微裂隙特征及这些微结构的空间形态和连接方式[2]，最终体现在岩石强度的变化上。因此，研究水环境下底板灰岩的物理性质及水对这些性质的影响，是进一步研究水环境下岩石其他性质的基础。

1 本溪灰岩成分鉴定

本溪灰岩岩样取自河北金牛能源股份有限公司葛泉矿1192工作面材料巷4号钻窝底板25 m深处。成分鉴定在国土资源部西南矿产资源监督检测中心完成，实验仪器用蔡司Axioskop 40偏光显微镜。

本次检测灰岩肉眼观察呈灰色致密块状结构，选取岩样的一个新鲜断面，切割样品，做磨片，如图1所示。

图1 样品切割及薄片

将薄片置于显微镜下观察(如图2所示)，发现该灰岩呈粒状碎屑结构，其中的介屑呈微小的弧状；腕足呈带状或平行片状结构。各生物碎屑之间的填充物主要为微晶及细晶方解石，并以微晶为主，还有少量有机质和铁质，分布于方解石之间。从图2可以直观地看出，该灰岩包含有大量生物碎屑，分析后认为这些生物碎片以蜓碎片为主。

2 本溪灰岩的微结构分析

2.1 分析仪器

目前，研究岩石孔隙特性的方法主要有室内实验(毛管压力曲线法、铸体薄片法、扫描电镜法及CT扫描法)和利用测井资料(电阻率测井资料和核磁共振测井资料)评价岩石孔隙结构的2大类方法。本次灰岩微结构分析在国土资源部西南矿产资源监督检测中心完成，分析仪器采用日立公司的S-4800扫描电子显微镜。

2.2 分析过程

为了保证检测结果的可比性，在同一岩样上敲取灰岩样品，将样品分为2组，其中一组在常温及常压下饱水1个月，分别从2组样品中切片。用扫描电镜分别对不同含水率时灰岩的微结构进行分析，切片制作过程如图3所示。

图2 灰岩薄片显微特征观察(放大25倍)

1—岩样；2—天然含水率时的碎片；3—饱和状态时的碎片；4—切片

1#—天然含水率；2#—饱水状态

2.3 分析结果

(1)天然含水率时，扫描电镜照片如图4～图16所示，灰岩中方解石晶内及晶间存在大量溶蚀孔等微孔洞。低倍形貌像显示断面有原生的与次生的层理、节理与微裂隙，如图4、图6所示。在揭示的溶蚀孔洞中，以直径在20 μm左右的居多，最大直径100 μm，且溶蚀洞之间几乎是孤立的。天然含水率时电镜照片特征汇总起来如表1所示。

图4 低倍形貌像(放大50倍)

图5 上视域方框内局部放大(放大600倍)

图6 粗晶方解石晶内溶蚀孔(放大150倍)

图7 上视域方框内局部放大(放大1 000倍)

图8 次生孔形貌(放大400倍)

图9 次生孔形貌(放大2 000倍)

图10 方解石溶蚀孔形貌(放大500倍)

图11 微晶方解石形貌(放大2 000倍)

图12 微晶方解石晶间孔形貌(放大2 000倍)

图13 方解石晶内体次生孔形貌(放大2 000倍)

图14 方解石晶体内次生孔形貌(放大2 000倍)

图15 上视域方框内局部放大(放大10 000倍)

图16 方解石晶体内次生孔形貌(放大2 000倍)

(2)饱水状态时，扫描电镜照片如图17～图29所示。对比饱水状态与天然含水率时的电镜照片后发现，灰岩中方解石晶体中的小溶蚀孔洞增多，如图25、图27、图28所示。另外，新生裂隙有所增加，大致呈微弯曲、断续的线理状，大多数新生裂隙是沿原生裂隙而发展的，饱水后扫描电镜观测照片及其特征汇总起来如表2所示。

表1 1#样品天然含水率时扫描电镜照片特征描述

图17 低倍形貌像(放大100倍)

图18 上视域方框内局部放大(放大1 000倍)

图19 方解石晶间孔形貌(放大1 000倍)

图20 方解石晶间孔形貌(放大2 000倍)

图21 次生孔形貌(放大100倍)

图22 晶间孔、晶内溶蚀孔形貌(放大500倍)

图23 溶蚀孔形貌(放大50倍)

图24 上视域方框内局部放大(放大250倍)

图25 方解石晶内微孔形貌(放大2 000倍)

图26 粗晶方解石晶内溶蚀孔(放大100倍)

图27 晶内溶蚀孔形貌(放大1 000倍)

图28 晶间、晶内微孔形貌(放大6 000倍)

图29 晶间、晶内微孔隙较发育(放大1 500倍)

照片编号放大倍数照片描述S-1100低倍形貌像，粒间粗大孔不发育S-21000上视域方框内局部放大，方解石晶间及晶内溶蚀孔形貌S-31000方解石晶间孔形貌S-42000方解石晶间孔形貌S-5100次生孔形貌S-6500晶间孔、晶内溶蚀孔形貌S-750溶蚀孔形貌S-8250上视域方框内局部放大，粗晶方解石溶蚀孔S-92000方解石晶内微孔形貌S-10100粗晶方解石晶内溶蚀孔S-111000晶内溶蚀孔形貌S-126000上视域局部放大，晶间、晶内微孔形貌S-131500晶间、晶内微孔隙较发育

3 灰岩煤层底板注浆加固性质评价

葛泉矿东井地处河北邢台，是受奥灰水威胁的华北石炭二叠型矿井的典型代表。经过多年的开采实践和矿井水文地质条件探查，已探明底板本溪灰岩已与奥灰含水层构成了统一含水体且富水性强。疏水降压效果不明显且在经济上是不合理的，而且会带来严重的水资源浪费和破坏，更严重的是疏水还会引起地面沉降等一系列环境地质问题。

针对这种现状，提出对本溪灰岩全面注浆加固后进行带压开采，通过对底板本溪灰岩成分和微结构特征的研究表明，除了强风化等特殊情况，整体性好的本溪灰岩在断面揭示的溶蚀孔洞中，以直径在20 μm左右的居多，最大直径也不超过100 μm，且溶蚀洞之间几乎是孤立的。

可见，若要对此类岩石煤层底板进行注浆加固，除了强风化等特殊情况，整体性较好的岩体不具备岩石注浆所必须的相互贯通的、浆液颗粒能通过的尺度较大的孔隙网络，若要对其注浆加固只是沿着宏观裂隙加固。因为，普通水泥粒径一半以上在60～100 μm之间[3-4]，用普通水泥作为浆液很难注入到200 μm以下的裂隙中，而且水泥浆液可注性差，易沉淀泌水。

此类灰岩底板的注浆加固主要是岩体注浆，也就是对工作面推进过程中底板破坏深度进行理论计算和现场实测，依据底板破坏深度，对这一深度及其以外一定范围的底板岩体进行注浆加固。首先要封堵一些大的导水断层和裂隙，然后再对小尺度裂隙进行全面加固。最后，由于注浆工程的隐蔽性，目前还不能较准确掌握注浆工程的施工质量，同时，局部薄弱层依然有突水的可能。为了防止这2种不利因素的迭加，对进行回采过程中底板破坏深度应该实行动态监测。

4 结 论

(1)研究的灰岩呈粒状碎屑结构，且以生物碎屑为主，其中的介屑呈微小的弧状，腕足呈带状或平行片状结构，各生物碎屑之间的填充物主要为微晶及细晶方解石，并以微晶为主，还有少量有机质和铁质分布于方解石之间，鉴定名称为生物碎屑灰岩。

(2)表观上本溪灰岩致密、坚硬，显微结构下低倍形貌像显示断面有大量原生与次生的层理、节理与微裂隙。局部放大图显示，方解石晶内及晶间微孔隙较发育，存在大量溶蚀孔等微孔洞，在断面揭示的溶蚀孔洞中，以直径在20 μm左右的居多，最大直径100 μm，且溶蚀洞之间几乎是孤立的。若要对此类岩石煤层底板进行注浆加固，除了强风化等特殊情况，整体性较好的岩体不具备岩石注浆所必须的相互贯通的、浆液颗粒能通过的尺度较大的孔隙网络，若要对其注浆加固只是沿着宏观裂隙进行加固。

(3)饱水1个月后，灰岩中微小溶蚀孔洞有所增多，但溶蚀孔洞直径都比较小，以2 μm左右居多，这主要是方解石中CaCO3的可溶性引起的。由此可见，除了强风化等特殊情况，整体性较好的本溪灰岩其物理力学特性受水的影响较小。同时由于微孔隙细小且不贯通，所以渗透性低，在水压轴压共同作用下，孔隙水压力对强度的影响不大，而对于灰岩岩体，水的存在能减小接触面直接的摩阻力和咬合力，对岩体强度有一定影响。

[1] 刘长武.碎胀软岩巷道全断面锚注加固机理与应用研究[D].徐州：中国矿业大学，1998. Liu Changwu.Bolting Broken Soft Rock Roadway Section Reinforcement Mechanism and Application[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology，1998.

[2] 朱效嘉.软岩的水理性质[J].矿业科学技术，1996，4(3)：46-50. Zhu Xiaojia.The soft rock water physical properties of[J].Mining Science and Technology，1996，4(3):46-50.

[3] 王寿华.实用建筑材料[M].北京:中国建筑工业出版社,1988. Wang Shouhua.Practical Building Materials[M].Beijing:China Building Industry Press,1988.

[4] 陈新年,谷拴成.微细或超细水泥类注浆材料及其性能[J].西安矿业学院学报,1999,19(S1):91-94. Chen Xinnian，Gu Shuancheng.Fine or superfine cement grouting material and its performance[J].Journal of Xi′an Institute of Mining and Technology，1999,19(S1):91-94.

(责任编辑 石海林)

Analysis on Micro-structural Characteristics for Limestone Componentsand the Evaluation of Grouting Reinforcement Properties

Kang Yaming1Jia Yan2

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering，BeifangUniversityofNationalities，Yinchuan750021，China；2.SchoolofMathematicsandInformationScience，BeifangUniversityofNationalities，Yinchuan750021，China)

Its internal micro structural characteristics and the physical and mechanical parameters will change when rocks are subjected to water.These changes are mostly associated with the inner structures and components of rock mass.The floor limestone of North China permo-carboniferous type has a typical feature that it is under double action of mine pressure and high pressure water.In this case，under the special stress condition，the strength and deformation characteristics are more complex than the common rock.It shows that mineral compositions and micro structural characteristics，such as pore，fracture and other physical parameters，will change greatly under water immersion environment.Such differences will ultimately affect the strength of rock.Based on these，components identification and microstructure are analyzed by means of advanced instruments in the lab，and the effects of water on the properties are qualitatively analyzed.Meanwhile，grouting quality and water softening tendency are evaluated.The researches on ingredients and micro structure characteristics in different moisture content for Benxi limestone have important guiding value for a reasonable explanation of their mechanical properties and its engineering properties.

Floor rock，Benxi limestone，Hydro-physical property，Components identification，Micro-structural characteristics，Grouting reinforcement，Softening mechanism

2015-06-09

国家自然科学基金项目(编号：51369001)。

康亚明(1980—)，男，副教授，博士。

TU 452，TD 313

A

1001-1250(2015)-10-146-06