雍明超，王 震，金士魁，馮俊文

(新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

0 引言

巷道圍巖是一個極其復雜的地質(zhì)體[1-3]。圍巖內(nèi)部含有各種各樣的不連續(xù)面，如節(jié)理、裂隙等，這些不連續(xù)面的存在，顯著改變了圍巖的強度特征和變形特征，致使巖塊與巖體的強度相差懸殊[4-7]。因此，一切與圍巖有關的工作，如巷道布置、巷道支護設計，特別是錨桿支護設計，都離不開對圍巖地質(zhì)力學特征的充分了解[8-10]。從收集的艾維爾溝礦區(qū)某礦地勘資料表明，礦區(qū)自西向東有一條常年流水的地表水體，采區(qū)范圍內(nèi)的采空區(qū)有一定數(shù)量的滲水積存。為了保證煤礦安全高效生產(chǎn)，就必須采取一定的措施對巷道圍巖進行控制。基于此，對新疆艾維爾溝礦區(qū)某礦堅硬頂板回采巷道圍巖結構特征進行系統(tǒng)研究，以尋求合理的巷道圍巖控制措施。

1 煤巖測試與分析

1.1 煤巖樣品采集

根據(jù)采區(qū)現(xiàn)有在掘巷道情況，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，按照取樣地點盡量避開巷道交叉口、老空區(qū)、地質(zhì)構造帶等不良因素的原則，布置2-1號煤層頂板取樣地點，如圖1所示。頂?shù)装鍘r樣采用礦用液壓鉆機取芯，取芯管規(guī)格為φ108 mm×1 000 mm，取芯深度15 m；取芯鉆孔垂直巖層傾向施工，鉆進過程鉆桿保持緩慢勻速推進，以盡量減少鉆頭對巖體劇烈沖擊破壞。取出的巖芯，僅采集巖芯完整長度≥10 cm的部分，在巖芯上貼標簽紙，并用保鮮膜包裹巖芯。若鉆孔不能取完整煤芯，煤樣采集可利用風鎬在巷幫采集塊狀煤，塊狀尺寸長≥20 cm、寬≥20 cm、高≥20 cm，采集好的煤樣塊用保鮮膜包裹。

圖1 頂板取芯孔布置示意Fig.1 Layout of roof coring borehole

1.2 煤巖力學測試

利用實驗室制備的2-1號煤層頂板粉砂巖(取樣深度0～5 m)標準試件，開展單軸抗壓強度、抗拉強度、變形參數(shù)、密度、吸水率、含水率及抗剪強度測試。測得自然狀態(tài)單軸抗壓強度67.56～97.56 MPa，平均值80.97 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強度8.64～82.49 MPa，平均值42.58 MPa；抗拉強度為4.41～9.41 MPa，平均6.21 MPa；凝聚力41.65 MPa、內(nèi)摩擦角19°38′、泊松比0.17、彈性模量3.780×104MPa；自然塊體密度2.59 g/cm3，含水率0.63%，飽和吸水率0.94%。

利用實驗室制備的2-1號煤層頂板中砂巖(取樣深度5～14 m)標準試件，開展單軸抗壓強度、抗拉強度、變形參數(shù)、密度、吸水率、含水率及抗剪強度測試。測得自然狀態(tài)時，單軸抗壓強度為45.94～103.90 MPa，平均值82.03 MPa，見表1。飽和狀態(tài)單軸抗壓強度65.24～72.87 MPa，平均值69.27 MPa；抗拉強度為4.95～9.62 MPa，平均6.52 MPa；凝聚力34.91 MPa、內(nèi)摩擦角28°31′、泊松比0.19、彈性模量2.488×104MPa；自然塊體密度2.54 g/cm3，含水率0.48%，飽和吸水率1.04%。

表1 頂板單軸抗壓強度Table 1 Uniaxial compressive strength of roof

利用實驗室制備的2-1號煤層煤樣進行自然塊體密度測試，測得塊體密度為1.32～1.40 g/cm3，單軸抗壓強度為2.9～3.7 MPa、抗拉強度為0.52～0.57 MPa。由于2-1號煤層裂隙發(fā)育，在進行變形參數(shù)、抗剪強度實驗時無法制樣或?qū)嶒灍o法正常進行，故無法獲得彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力參數(shù)。

通過對樣品測試分析得出，2-1號煤層頂板高度14 m范圍內(nèi)，以粉砂巖、中砂巖為主。測得粉砂巖自然狀態(tài)單軸抗壓強度67.56～97.56 MPa，平均值80.97 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強度8.64～82.49 MPa，平均值42.58 MPa；抗拉強度為4.41～9.41 MPa，平均6.21 MPa；凝聚力41.65 MPa，內(nèi)摩擦角19°38′，泊松比0.17，彈性模量3.780×104MPa；自然塊體密度2.59 g/cm3，含水率0.63%，飽和吸水率0.94%。測得中砂巖自然狀態(tài)單軸抗壓強度45.94～103.90 MPa，平均值82.03 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強度65.24～72.87 MPa，平均值69.27 MPa；抗拉強度為4.95～9.62 MPa，平均6.52 MPa；凝聚力34.91 MPa，內(nèi)摩擦角28°31′，泊松比0.19，彈性模量2.488×104MPa；自然塊體密度2.54 g/cm3，含水率0.48%，飽和吸水率1.04%。2-1號煤層測得塊體密度為1.32～1.40 g/cm3，測得單軸抗壓強度為2.9～3.7 MPa、抗拉強度為0.52～0.57 MPa。

1.3 巷道圍巖測試與觀察

為了進一步了解2-1號煤層頂板巖層結構、裂隙發(fā)育情況，正確評價頂板巖層穩(wěn)定性，直接利用原有的取芯鉆孔，采用CXK12(A)本安型智能鉆孔三維電視成像儀，記錄頂板巖層裂隙發(fā)育情況。鉆孔窺視儀在取芯孔中采集完圖像之后，利用圖像處理軟件將所有圖像拼接，形成三維柱狀圖像，得到取芯孔中巖層裂隙分布圖像。結合現(xiàn)場鉆孔取芯巖樣對窺視圖像進行分析，劃分出頂板巖層巖性、巖層厚度及巖層裂隙發(fā)展特征、范圍。鉆孔觀測結果柱狀圖如圖2所示。

圖2 2-1號煤層頂板巖層窺視圖像Fig.2 Peek image of roof strata of No.2-1 coal seam

2 圍巖力學評估

2.1 圍巖力學性質(zhì)分析

結合力學參數(shù)測試結果及鉆孔窺視圖像可以看出，頂板上方0～4.2 m為粉砂巖，頂板上方4.2～6.4 m為中砂巖，頂板上方6.4～6.7 m為碳質(zhì)泥巖，頂板上方6.7～8.7 m為中砂巖，頂板上方8.7～11.8 m為粉砂巖，頂板上方11.8～13.7 m為中砂巖。頂板除0.3 m厚的薄層碳質(zhì)泥巖外，主要以粉砂巖、中砂巖為主。其中，粉砂巖自然狀態(tài)單軸抗壓強度67.56～97.56 MPa，平均值80.97 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強度平均值42.58 MPa。中砂巖自然狀態(tài)單軸抗壓強度45.94～103.90 MPa，平均值82.03 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強度平均值69.27 MPa。表2為巖石飽和單軸抗壓強度Rc與巖石堅硬程度的對應關系，2-1號煤層頂板粉砂巖屬于較堅硬巖層，中砂巖屬于堅硬巖層。其中直接頂為4.2 m的較堅硬粉砂巖，有利于錨桿(索)錨固；但工作面回采期間頂板可能不易冒落，回采期間要注意頂板管理，防止頂板大面積懸頂。

表2 巖石飽和單軸抗壓強度Rc與巖石堅硬程度的對應關系Table 2 Corresponding relationship between rock saturated uniaxial compressive strength Rc and rock hardness

由于礦區(qū)有常年地表流水體，采區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)有一定數(shù)量的滲水積存，煤礦巷道大部分布置在煤層附近沉積巖層中，砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖居多。由于沉積巖形成于地殼淺部，其生成和賦存環(huán)境與巖漿巖和變質(zhì)巖明顯不同，其力學性質(zhì)除與巖石的礦物成分、結構、膠結類型等有關外，還會受到其環(huán)境條件，尤其是地下水的影響[11-13]。因此，在進行煤礦井下巷道支護設計應充分考慮水對煤系地層巖石力學性質(zhì)的影響。根據(jù)對圍巖水理性質(zhì)分析2-1號煤層頂板粉砂巖、中砂巖在浸水0～10 h內(nèi)含水量均迅速上升，吸水率近似呈線性增長，之后隨浸水時間增加含水量增量減小，24 h后含水率基本不再改變，二者受水的影響程度無顯著差別。

在巷道頂板水的作用下巖體弱面強度發(fā)生弱化，對不同含水狀態(tài)下的頂板巖層進行單軸壓縮實驗，得到頂板巖石單軸抗壓強度與其含水率的關系曲線，如圖3、4所示。根據(jù)試驗結果計算得到了各種巖性軟化系數(shù)。2-1號煤層頂板粉砂巖為0.53，中砂巖0.84；當巖石軟化系數(shù)等于或小于0.75時，應定為軟化巖石，反之，則為不軟化巖石。采區(qū)2-1號煤層頂板粉砂巖軟化系數(shù)較小，在水作用下該巖層強度容易弱化，是巷道支護設計重點考慮的對象。煤體含水量提高，內(nèi)聚力逐漸減小，根據(jù)摩爾準則，巖體內(nèi)聚力減小，抗剪強度呈線性比例下降。采區(qū)2-1號煤層頂板粉砂巖內(nèi)聚力隨含水率增加近似線性快速下降，下降規(guī)律基本與抗壓強度一致，進一步表明此類巖層在礦井水及剪應力的耦合作用下，容易剪切破斷，增加頂板的不穩(wěn)定性。

圖3 煤層頂板巖石試樣吸水率變化曲線Fig.3 Variation curve of water absorption rate of rock samples from the roof of coal seam

2.2 圍巖結構特征分析

根據(jù)鉆孔窺視及現(xiàn)場鉆孔取樣結果，2-1號煤層頂板上方0～4.2 m為粉砂巖，頂板上方4.2～6.4 m為中砂巖，頂板上方6.4～6.7 m為碳質(zhì)泥巖，頂板上方6.7～8.7 m為中砂巖，頂板上方8.7～11.8 m為粉砂巖，頂板上方11.8～13.7 m為中砂巖。其鉆孔窺視記錄及柱狀圖見表3。從頂板窺視結果還可以看到，頂板0～0.8 m范圍可見2條離層裂隙，間距0.4 m，巖體中等破碎。頂板0.8～4.2 m含微裂隙，巖體較為完整。頂板4.2 m以上，巖體較為完整。根據(jù)頂板鉆孔窺視結果，按照巷道頂板賦存特征的基本劃分類型，將2-1號煤層頂板類別劃分為較完整型(Ⅱ)，屬于堅硬頂板。

圖4 煤層頂板巖層抗壓強度與吸水率關系曲線Fig.4 Relationship between compressive strength and water absorption of coal seam roof strata

表3 2-1號煤層頂板鉆孔窺視記錄及柱狀Table 3 Peeping record and histogram of roof boreholes in No.2-1 coal seam

2.3 煤體結構分析

2-1號煤層原生節(jié)理發(fā)育，屬于片狀或板狀煤結構。煤體被一組優(yōu)勢發(fā)育的節(jié)理切割形成平行排列的板狀或片狀，優(yōu)勢節(jié)理多與層面斜交或順著層面(0°)發(fā)育，節(jié)理間距0.5～10 cm；一般節(jié)理面平整光滑、延伸穩(wěn)定，摩擦面呈平面狀，表面滑動跡象較弱。碎片間有一定的錯動和位移，裂隙面平直或略呈波狀起伏，橫向延伸穩(wěn)定，將煤體切割成片狀，局部也可見裂隙發(fā)生分叉、與其他方向裂隙交錯。一般情況下，隨著節(jié)理傾角的不同，巖體的破壞模式逐漸變化，節(jié)理傾角對巖體的破壞模式具有重要的決定作用。

通過煤體單軸壓縮條件下RFPA2D數(shù)值模擬結果如圖5所示,可以看出，節(jié)理傾角為0°(順層節(jié)理)時，煤體在單向載荷作用下發(fā)生剪切破壞，在頂部邊緣形成較大的三角形裂隙破壞面。可見，對于煤層巷道而言，巷道掘出后巷幫煤體在上覆集中載荷的作用下，尤其對于節(jié)理傾角為0°(順層節(jié)理)的情況而言，巷幫肩角處易形成三角形狀的破壞區(qū)，若該處支護強度不足，破壞區(qū)臨空自由面容易出現(xiàn)片幫危險。

圖5 0°順層節(jié)理對巖體的破壞模式RFPA2D數(shù)值模擬Fig.5 RFPA2D numerical simulation of failure mode of 0° bedding joint on rock mass

3 結論

(1)因礦區(qū)受小窯水及煤層頂板砂巖裂隙水影響，并根據(jù)巖石水理性實驗得出，頂板粉砂巖及粗砂巖在水的作用下，抗壓及抗剪強度下降幅度較大，在裂隙水作用下巖層強度容易弱化，是采掘期間巷道支護設計需要考慮的因素。

(2)通過煤巖力學測試得出，2-1號煤層頂板高度14 m范圍內(nèi)，以粉砂巖、中砂巖為主。粉砂巖自然狀態(tài)單軸抗壓強度平均值80.97 MPa；飽和狀態(tài)單軸抗壓強度平均值42.58 MPa；并結合鉆孔窺視觀察得出，巖體較為完整，按照巷道頂板賦存特征的基本劃分類型，將煤層頂板類別劃分為較完整型，屬于堅硬頂板。

(3)2-1號煤層直接頂為巖層較厚、強度較高的粉砂巖及中砂巖，有利于錨桿支護，但工作面回采期間頂板可能不易冒落，回采期間要注意頂板管理，可采取頂板預裂方法，防止頂板大面積懸頂。

(4)2-1號煤層自然狀態(tài)單軸抗壓強度2.9～3.7 MPa，原生節(jié)理發(fā)育屬于極軟煤層。巷道掘出后，巷幫肩角處易形成三角形狀的破壞區(qū)，存在片幫危險，建議巷道掘進及工作面回采期間，采用“強幫弱頂”支護管理，頂板可適當減小支護強度，兩幫支護設計宜采用護表面積大的支護構件，阻止裂隙的擴容和變形，適當減小錨桿間排距，加以施加高預緊力。