断层破碎带泥岩重塑样膨胀性研究

高敬东 方志明 韦四江 李辉辉

(1.新驿煤矿有限公司，山东省济宁市，272100；2.河南理工大学，河南省焦作市，454003)

山东能源集团新驿煤矿位于山东省兖州市西北侧，采区西北方向长约4 km，东北方向宽约4 km，面积约11.7 km2。采区地表地势平坦，区内地表无河流湖泊。地面标高47.0～50.0 m。井田内断层较发育，以张扭性正断层为主，走向大部为北北东或北东向。根据现有资料确定采区区内有断层约77条，其中落差100 m以上的断层有5条，50～100 m的有5条，30～50 m的有7条，30 m以内的59条。巷道穿越的断层破碎带地层主要为粉砂质泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂质页岩、炭质页岩、泥质粉砂岩等软弱岩层。主采煤层平均厚度2.22 m，采用综合机械化采煤法。

新驿煤矿南翼集中轨道上山穿越长沟支五断层破碎带及软弱岩层带，围岩呈现软岩特征。在矿山压力作用下，围岩松动范围大，周围地质构造复杂巷道受动压影响情况较明显，巷道变形大，四周来压严重。软岩的种类有很多，不同类型的软岩其强度特性、泥质含量及力学特点有很大的差异。遇水膨胀泥化软岩不同于传统的软岩问题，该类岩石成岩时间较短，胶结程度差，强度低，岩石亲水性强，有的膨胀性十分显著，物理化学活性强，风化耐久性差，遇水易解体为软泥，因此对软岩巷道进行支护设计必须对矿井的软岩类型以及特性进行科学的判定，之后采取相应的加固方法。

1 试件制备

为了研究离南翼轨道上山起坡点311 m和257 m处围岩的物理力学性质以及水理性，分别从上述两处采取岩样，但是粉砂质泥岩、砂泥岩互层原岩取样困难，且岩样中裂隙发育，胶结程度松散，易于风化崩解，遇水后迅速软化、泥化，难以加工成用以测定其物理力学性质的标准试样。为了测定巷道围岩的物理力学性质，采用把裂隙发育的岩样加工成力学试验要求的标准尺寸的重塑样。

重塑样是由破碎不能加工成标准岩样的岩石通过球磨机研磨后，再和一定比例的水混合均匀，在压力机中压实成型的，其材料物理性质一样，因此具有物质组成和结构的均匀性。实际上，不同的成样方法可以制备出具有不同初始结构的重塑样，这些重塑样与原石岩样在结构和试验结果方面会存在较大差异。但是根据岩层赋存特征可知，岩层基本都是水平层理，因此加工重塑样的时候采用轴向加压的方法成样。尽管采用原岩的矿物组成成分，以及与现场相近的围压参数制作了重塑样，毕竟不能完全反应与原岩一样的物理力学性质，需要用完整性系数把制作成的重塑样的岩石物理力学性质进行折减。

本试验中粉砂岩和砂泥互层岩石试样的加工和制作设备主要包括：球磨机、筛子、烧杯、电子天平、电热恒温干燥箱、压力机等。

2 试件微观特性

岩石的性质与组成它的矿物成分类别以及含量有着密切的关系，特别是遇水有膨胀性和发生泥化现象的软岩，其中含的黏土成分与含量是其力学性质和水理性质表现差异大的重要原因。由于组成南翼集中轨道巷的顶底板的泥岩中含有大量的黏土矿物，而岩体的物理力学性质与这类黏土矿物成分及含量有密切关系，因此必须对围岩的微观特性进行研究，弄清矿物组成以及微观结构，才可制定相应的巷道支护方案。

2.1 X-射线衍射试验

试验步骤如下：将岩样破碎成直径5 cm块状，放入干燥箱干燥，再放入球磨机中加工5 min，用200目的筛子过滤，取试验所需分量的粉末放入密封袋备用，采用德国进口BrukerX射线衍射仪进行实验操作，然后对试验所得的数据进行整理分析。实验室专业人员通过对各种图谱进行分析并与标准图谱比对，得到了南翼开拓巷道起坡点311 m和257 m处围岩的组成成分以及含量。

表1 粉砂质泥岩岩样组份表

粉砂质泥岩X-射线衍射分析结果及组分表分别如图1和表1所示。由图1和表1可以看出，粉砂质泥岩组份以黏土矿物为主，占80%左右，其中软弱矿物伊利石占62.4%左右，高岭土占16.8%左右；石英占20.8%左右，胶结程度松散，软弱矿物易于风化崩解，遇水后迅速软化，而后泥化，使支护环境恶化。

表2 砂泥岩互层岩样组份表

砂泥岩互层X射线衍射分析结果及组分表分别如图2和表2所示。由图2和表2可以看出，砂泥岩互层组分黏土矿物占42%，其中蒙脱石占12%，高岭土占27%，石英占36%，白云石占10%，云母石占15%。由于互层节理发育，且蒙脱石、高岭土表现出遇空气风化，遇水后吸水膨胀，从而围岩崩解脱落严重。

图1 粉砂质泥岩组成成分及含量图

图2 砂泥岩互层组成成分及含量图

表3 软岩工程分类

何满潮教授根据软岩的强度特性，泥质含量、结构面特点及其塑性变形力学特点对软岩进行了分类，见表3。因此，根据对南翼开拓巷道起坡点311 m和257 m处的围岩的岩样试件做的全矿物X射线衍射分析结果可以看出，粉砂质泥岩和砂泥岩互层这两种围岩的岩性属于膨胀性软岩(低强度软岩)，再根据现场的施工中围岩表现出来的吸水性、膨胀性、软化明显特性可知，这两类围岩稳定性差，施工中要注意无支护时间一定要缩短，同时防止地质水进入。

2.2 扫描电镜试验

采用扫面电镜能够用电子射线照射物体提高分辨重塑样黏土矿物晶体大小，矿物颗粒之间的间隙，以弥补X射线衍射分析的不充分。

重塑样扫描电镜试验结果如图3和图4所示。由图3和图4可知，粉砂质泥岩重塑样中的孔隙为矿物粒间压实残余孔隙，其表现颗粒粒间孔隙，形成了储集空间和流体运移通道的能力，从而岩样容易吸水。砂泥岩互层重塑样中孔隙为粒间孔层间孔，也可以形成储集空间和流体运移通道的能力。

图3 粉砂质泥岩SEM试验结果

图4 砂泥岩互层SEM试验结果

通过研究离南翼开拓巷道起坡点311 m和257 m处围岩重塑样的微观结构特性可知，两处围岩的矿物成分中都含有能与水发生水化反应膨胀性黏土成分，当巷道掘进后岩体受到扰动而发生改变，围岩次生裂隙的产生为地下水的渗透提供了良好的通道，其中含的膨胀性黏土吸水后体积逐渐膨胀而破坏混泥土衬砌支护结构，对巷道产生损坏。

3 试件侧限膨胀性试验

3.1 侧限膨胀力试验

由于粉砂质泥岩和砂泥互层岩石二者制作的重塑样试件通过试验观察可知，具有弱胶结、低强度、遇水后泥化崩解等特性，因此自由膨胀试验受到了限制。本试验通过侧限膨胀试验对其膨胀性作了研究。侧限约束膨胀力可用来直接判别岩石膨胀性大小，试验数据直观准确，被广大科研工作者和规范标准所采用膨胀力是岩体在不允许侧向变形条件下充分吸水而保持其不发生竖向膨胀所需施加的最大压力值。

通过对粉砂质泥岩和砂泥岩互层重塑样以及细砂岩试样的侧限膨胀力试验，将试验的试样测量数据记录整理得出试样浸水试验时间对岩石膨胀力的影响，如图5所示。

图5 试件浸水时间与侧限膨胀力增量关系曲线

由图5可知，粉砂质泥岩和砂泥岩互层的膨胀力在初始含水率为0时变化明显，数显岩石膨胀应力测定仪测得的平均膨胀力分别为2.26 kN和1.75 kN，根据试样的尺寸换算分别为1.75 MPa和0.94 MPa。结合上述围岩微观X射线衍射试验的结果，在一定含水状态时，其水分子层的层间持水能力是一定的，在初始含水率较低时，其吸水能力较强，因而吸水后受约束产生膨胀力变化较大，在吸水后受约束产生膨胀力变化明显。

3.2 侧限膨胀量试验

通过对粉砂质泥岩和砂泥岩互层重塑样以及细砂岩试样的侧限膨胀量试验，将试验的试样测量数据记录整理，如图6所示。

由图6可知，粉砂质泥岩和砂泥岩互层的重塑样平均膨胀量非常大，分别为10.26 mm和7.96 mm，结合上述围岩微观X射线衍射试验的结果，说明膨胀性黏土是造成重塑样膨胀的主要原因。此外，从重塑样的扫描电镜图可以看出，重塑样微观孔隙为粒间孔层间孔，形成储集空间和流体运移通道的能力，利于水分快速进入试样中，水分子更容易进入细小的孔隙导致微裂隙增加，且孔隙分布趋向均匀，最终导致岩样的膨胀量明显。

图6 试件浸水时间与侧限膨胀量增量关系曲线

根据测线膨胀力和侧限膨胀量试样结果可知，粉砂质泥岩和砂泥岩互层的重塑样遇水后膨胀，且膨胀量较大，时间效应明显，得出侧限膨胀力和膨胀量与浸水时间的关系曲线，该曲线对工程实践有指导意义。

4 现场应用

结合以上研究成果，采用U型钢支架作为基本支护护表，防止破碎围岩的垮落；喷砼封闭围岩，防止围岩表面风化；巷道拱肩、拱脚及两帮、拱顶等易损关键部位注浆改性，提高围岩的整体性及其残余强度，提高其自承载能力，增强锚杆锚固效果；底拱梁控制底鼓；通过结构补偿锚索将钢支架-锚索进行耦合，形成一个支护整体来控制围岩的变形，将主动被动支护有机结合起来。在过断层破碎带粉砂质泥岩段的轨道上山长度为29 m，在中间位置布置1个测站，观测内容包括：顶沉、底鼓、两帮相对移近量。巷道掘出10 d后，变形速率开始减小，然后变形量逐渐增加，90 d后，变形速率降低到0.5 mm/d以下；其中顶底板最大变形量为96 mm，其中，顶沉38 mm，底鼓58 mm，两帮相对移近量106 mm。巷道表面没有出现混凝土开裂和锚杆断裂的现象。

5 结论

(1)南翼集中轨道巷穿过的断层破碎带大部分为遇水后会发生膨胀泥化的岩层，这类软弱围岩遇水后具有明显的流变特性。

(2)在水岩耦合的作用下，围岩进一步被破坏，这会形成两种不利于围岩稳定性的因素：一是遇水后膨胀泥化致使围岩的强度急剧降低；二是在水岩共同作用下，围岩遇水膨胀导致裂隙进一步发育，最终使得含水层中的水与围岩形成危险的导水通道。

(3)南翼集中轨道上山穿越长沟支五断层破碎带时围岩的控制关键在于阻止外围水对岩体物理、化学、力学性质的劣化的影响，防止进入泥化流变阶段。