艾维尔沟矿区坚硬顶板回采巷道围岩结构特征分析*

雍明超，王 震，金士魁，冯俊文

(新疆维吾尔自治区煤炭科学研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

0 引言

巷道围岩是一个极其复杂的地质体[1-3]。围岩内部含有各种各样的不连续面，如节理、裂隙等，这些不连续面的存在，显著改变了围岩的强度特征和变形特征，致使岩块与岩体的强度相差悬殊[4-7]。因此，一切与围岩有关的工作，如巷道布置、巷道支护设计，特别是锚杆支护设计，都离不开对围岩地质力学特征的充分了解[8-10]。从收集的艾维尔沟矿区某矿地勘资料表明，矿区自西向东有一条常年流水的地表水体，采区范围内的采空区有一定数量的渗水积存。为了保证煤矿安全高效生产，就必须采取一定的措施对巷道围岩进行控制。基于此，对新疆艾维尔沟矿区某矿坚硬顶板回采巷道围岩结构特征进行系统研究，以寻求合理的巷道围岩控制措施。

1 煤岩测试与分析

1.1 煤岩样品采集

根据采区现有在掘巷道情况，经过现场调研，按照取样地点尽量避开巷道交叉口、老空区、地质构造带等不良因素的原则，布置2-1号煤层顶板取样地点，如图1所示。顶底板岩样采用矿用液压钻机取芯，取芯管规格为φ108 mm×1 000 mm，取芯深度15 m；取芯钻孔垂直岩层倾向施工，钻进过程钻杆保持缓慢匀速推进，以尽量减少钻头对岩体剧烈冲击破坏。取出的岩芯，仅采集岩芯完整长度≥10 cm的部分，在岩芯上贴标签纸，并用保鲜膜包裹岩芯。若钻孔不能取完整煤芯，煤样采集可利用风镐在巷帮采集块状煤，块状尺寸长≥20 cm、宽≥20 cm、高≥20 cm，采集好的煤样块用保鲜膜包裹。

图1 顶板取芯孔布置示意Fig.1 Layout of roof coring borehole

1.2 煤岩力学测试

利用实验室制备的2-1号煤层顶板粉砂岩(取样深度0～5 m)标准试件，开展单轴抗压强度、抗拉强度、变形参数、密度、吸水率、含水率及抗剪强度测试。测得自然状态单轴抗压强度67.56～97.56 MPa，平均值80.97 MPa；饱和状态单轴抗压强度8.64～82.49 MPa，平均值42.58 MPa；抗拉强度为4.41～9.41 MPa，平均6.21 MPa；凝聚力41.65 MPa、内摩擦角19°38′、泊松比0.17、弹性模量3.780×104MPa；自然块体密度2.59 g/cm3，含水率0.63%，饱和吸水率0.94%。

利用实验室制备的2-1号煤层顶板中砂岩(取样深度5～14 m)标准试件，开展单轴抗压强度、抗拉强度、变形参数、密度、吸水率、含水率及抗剪强度测试。测得自然状态时，单轴抗压强度为45.94～103.90 MPa，平均值82.03 MPa，见表1。饱和状态单轴抗压强度65.24～72.87 MPa，平均值69.27 MPa；抗拉强度为4.95～9.62 MPa，平均6.52 MPa；凝聚力34.91 MPa、内摩擦角28°31′、泊松比0.19、弹性模量2.488×104MPa；自然块体密度2.54 g/cm3，含水率0.48%，饱和吸水率1.04%。

表1 顶板单轴抗压强度Table 1 Uniaxial compressive strength of roof

利用实验室制备的2-1号煤层煤样进行自然块体密度测试，测得块体密度为1.32～1.40 g/cm3，单轴抗压强度为2.9～3.7 MPa、抗拉强度为0.52～0.57 MPa。由于2-1号煤层裂隙发育，在进行变形参数、抗剪强度实验时无法制样或实验无法正常进行，故无法获得弹性模量、泊松比、内摩擦角、内聚力参数。

通过对样品测试分析得出，2-1号煤层顶板高度14 m范围内，以粉砂岩、中砂岩为主。测得粉砂岩自然状态单轴抗压强度67.56～97.56 MPa，平均值80.97 MPa；饱和状态单轴抗压强度8.64～82.49 MPa，平均值42.58 MPa；抗拉强度为4.41～9.41 MPa，平均6.21 MPa；凝聚力41.65 MPa，内摩擦角19°38′，泊松比0.17，弹性模量3.780×104MPa；自然块体密度2.59 g/cm3，含水率0.63%，饱和吸水率0.94%。测得中砂岩自然状态单轴抗压强度45.94～103.90 MPa，平均值82.03 MPa；饱和状态单轴抗压强度65.24～72.87 MPa，平均值69.27 MPa；抗拉强度为4.95～9.62 MPa，平均6.52 MPa；凝聚力34.91 MPa，内摩擦角28°31′，泊松比0.19，弹性模量2.488×104MPa；自然块体密度2.54 g/cm3，含水率0.48%，饱和吸水率1.04%。2-1号煤层测得块体密度为1.32～1.40 g/cm3，测得单轴抗压强度为2.9～3.7 MPa、抗拉强度为0.52～0.57 MPa。

1.3 巷道围岩测试与观察

为了进一步了解2-1号煤层顶板岩层结构、裂隙发育情况，正确评价顶板岩层稳定性，直接利用原有的取芯钻孔，采用CXK12(A)本安型智能钻孔三维电视成像仪，记录顶板岩层裂隙发育情况。钻孔窥视仪在取芯孔中采集完图像之后，利用图像处理软件将所有图像拼接，形成三维柱状图像，得到取芯孔中岩层裂隙分布图像。结合现场钻孔取芯岩样对窥视图像进行分析，划分出顶板岩层岩性、岩层厚度及岩层裂隙发展特征、范围。钻孔观测结果柱状图如图2所示。

图2 2-1号煤层顶板岩层窥视图像Fig.2 Peek image of roof strata of No.2-1 coal seam

2 围岩力学评估

2.1 围岩力学性质分析

结合力学参数测试结果及钻孔窥视图像可以看出，顶板上方0～4.2 m为粉砂岩，顶板上方4.2～6.4 m为中砂岩，顶板上方6.4～6.7 m为碳质泥岩，顶板上方6.7～8.7 m为中砂岩，顶板上方8.7～11.8 m为粉砂岩，顶板上方11.8～13.7 m为中砂岩。顶板除0.3 m厚的薄层碳质泥岩外，主要以粉砂岩、中砂岩为主。其中，粉砂岩自然状态单轴抗压强度67.56～97.56 MPa，平均值80.97 MPa；饱和状态单轴抗压强度平均值42.58 MPa。中砂岩自然状态单轴抗压强度45.94～103.90 MPa，平均值82.03 MPa；饱和状态单轴抗压强度平均值69.27 MPa。表2为岩石饱和单轴抗压强度Rc与岩石坚硬程度的对应关系，2-1号煤层顶板粉砂岩属于较坚硬岩层，中砂岩属于坚硬岩层。其中直接顶为4.2 m的较坚硬粉砂岩，有利于锚杆(索)锚固；但工作面回采期间顶板可能不易冒落，回采期间要注意顶板管理，防止顶板大面积悬顶。

表2 岩石饱和单轴抗压强度Rc与岩石坚硬程度的对应关系Table 2 Corresponding relationship between rock saturated uniaxial compressive strength Rc and rock hardness

由于矿区有常年地表流水体，采区范围内采空区有一定数量的渗水积存，煤矿巷道大部分布置在煤层附近沉积岩层中，砂岩、砂质泥岩和泥岩居多。由于沉积岩形成于地壳浅部，其生成和赋存环境与岩浆岩和变质岩明显不同，其力学性质除与岩石的矿物成分、结构、胶结类型等有关外，还会受到其环境条件，尤其是地下水的影响[11-13]。因此，在进行煤矿井下巷道支护设计应充分考虑水对煤系地层岩石力学性质的影响。根据对围岩水理性质分析2-1号煤层顶板粉砂岩、中砂岩在浸水0～10 h内含水量均迅速上升，吸水率近似呈线性增长，之后随浸水时间增加含水量增量减小，24 h后含水率基本不再改变，二者受水的影响程度无显著差别。

在巷道顶板水的作用下岩体弱面强度发生弱化，对不同含水状态下的顶板岩层进行单轴压缩实验，得到顶板岩石单轴抗压强度与其含水率的关系曲线，如图3、4所示。根据试验结果计算得到了各种岩性软化系数。2-1号煤层顶板粉砂岩为0.53，中砂岩0.84；当岩石软化系数等于或小于0.75时，应定为软化岩石，反之，则为不软化岩石。采区2-1号煤层顶板粉砂岩软化系数较小，在水作用下该岩层强度容易弱化，是巷道支护设计重点考虑的对象。煤体含水量提高，内聚力逐渐减小，根据摩尔准则，岩体内聚力减小，抗剪强度呈线性比例下降。采区2-1号煤层顶板粉砂岩内聚力随含水率增加近似线性快速下降，下降规律基本与抗压强度一致，进一步表明此类岩层在矿井水及剪应力的耦合作用下，容易剪切破断，增加顶板的不稳定性。

图3 煤层顶板岩石试样吸水率变化曲线Fig.3 Variation curve of water absorption rate of rock samples from the roof of coal seam

2.2 围岩结构特征分析

根据钻孔窥视及现场钻孔取样结果，2-1号煤层顶板上方0～4.2 m为粉砂岩，顶板上方4.2～6.4 m为中砂岩，顶板上方6.4～6.7 m为碳质泥岩，顶板上方6.7～8.7 m为中砂岩，顶板上方8.7～11.8 m为粉砂岩，顶板上方11.8～13.7 m为中砂岩。其钻孔窥视记录及柱状图见表3。从顶板窥视结果还可以看到，顶板0～0.8 m范围可见2条离层裂隙，间距0.4 m，岩体中等破碎。顶板0.8～4.2 m含微裂隙，岩体较为完整。顶板4.2 m以上，岩体较为完整。根据顶板钻孔窥视结果，按照巷道顶板赋存特征的基本划分类型，将2-1号煤层顶板类别划分为较完整型(Ⅱ)，属于坚硬顶板。

图4 煤层顶板岩层抗压强度与吸水率关系曲线Fig.4 Relationship between compressive strength and water absorption of coal seam roof strata

表3 2-1号煤层顶板钻孔窥视记录及柱状Table 3 Peeping record and histogram of roof boreholes in No.2-1 coal seam

2.3 煤体结构分析

2-1号煤层原生节理发育，属于片状或板状煤结构。煤体被一组优势发育的节理切割形成平行排列的板状或片状，优势节理多与层面斜交或顺着层面(0°)发育，节理间距0.5～10 cm；一般节理面平整光滑、延伸稳定，摩擦面呈平面状，表面滑动迹象较弱。碎片间有一定的错动和位移，裂隙面平直或略呈波状起伏，横向延伸稳定，将煤体切割成片状，局部也可见裂隙发生分叉、与其他方向裂隙交错。一般情况下，随着节理倾角的不同，岩体的破坏模式逐渐变化，节理倾角对岩体的破坏模式具有重要的决定作用。

通过煤体单轴压缩条件下RFPA2D数值模拟结果如图5所示,可以看出，节理倾角为0°(顺层节理)时，煤体在单向载荷作用下发生剪切破坏，在顶部边缘形成较大的三角形裂隙破坏面。可见，对于煤层巷道而言，巷道掘出后巷帮煤体在上覆集中载荷的作用下，尤其对于节理倾角为0°(顺层节理)的情况而言，巷帮肩角处易形成三角形状的破坏区，若该处支护强度不足，破坏区临空自由面容易出现片帮危险。

图5 0°顺层节理对岩体的破坏模式RFPA2D数值模拟Fig.5 RFPA2D numerical simulation of failure mode of 0° bedding joint on rock mass

3 结论

(1)因矿区受小窑水及煤层顶板砂岩裂隙水影响，并根据岩石水理性实验得出，顶板粉砂岩及粗砂岩在水的作用下，抗压及抗剪强度下降幅度较大，在裂隙水作用下岩层强度容易弱化，是采掘期间巷道支护设计需要考虑的因素。

(2)通过煤岩力学测试得出，2-1号煤层顶板高度14 m范围内，以粉砂岩、中砂岩为主。粉砂岩自然状态单轴抗压强度平均值80.97 MPa；饱和状态单轴抗压强度平均值42.58 MPa；并结合钻孔窥视观察得出，岩体较为完整，按照巷道顶板赋存特征的基本划分类型，将煤层顶板类别划分为较完整型，属于坚硬顶板。

(3)2-1号煤层直接顶为岩层较厚、强度较高的粉砂岩及中砂岩，有利于锚杆支护，但工作面回采期间顶板可能不易冒落，回采期间要注意顶板管理，可采取顶板预裂方法，防止顶板大面积悬顶。

(4)2-1号煤层自然状态单轴抗压强度2.9～3.7 MPa，原生节理发育属于极软煤层。巷道掘出后，巷帮肩角处易形成三角形状的破坏区，存在片帮危险，建议巷道掘进及工作面回采期间，采用“强帮弱顶”支护管理，顶板可适当减小支护强度，两帮支护设计宜采用护表面积大的支护构件，阻止裂隙的扩容和变形，适当减小锚杆间排距，加以施加高预紧力。