西部矿区弱胶结地层工程围岩稳定性控制研究进展

我国西部矿区开采地层主要由侏罗系、白垩系地层构成,该地层岩石总体表现为强度低、胶结性差、易崩解等特性,属于弱胶结岩石。弱胶结地层工程围岩与中东部矿区地层岩石差异性较大,工作面顶板控制、巷道围岩控制等采用传统的控制技术很难有效保障工程的安全性,常出现巷道大变形失稳、工作面压架、突水、溃沙、冲击地压等灾害。通过大量的调研和室内试验,获得弱胶结岩石抗拉、抗压等力学指标远小于中东部矿区同类岩石力学指标,建立了多因素耦合作用下的弱胶结岩石的变异程度评估指标体系,初步获得了典型矿区弱胶结岩石的变异性程度。以红庆河煤矿弱胶结岩石为例,发现了弱胶结岩石在力、水等载荷作用下,具有“类相变”现象,分析了胶结度对类相变现象的影响,给出了弱胶结粗粒砂岩的“类相变”状态特征及其敏感性参数。分析了导致工作面支架压架、突水溃沙灾害发生的覆岩垮落带、断裂带动态发育规律以及巷道围岩大变形规律,推演了弱胶结地层大采高工作面不同开采阶段垮落带动态变化表达式,建立了支架-围岩相互作用模型,给出了工作面来压和非来压期间支架工作阻力;针对弱胶结地层的松散弱特性,提出了巷道围岩双壳加固技术,可为工作面安全开采和巷道围岩控制提供保障...     

泥质弱胶结软岩巷道变形破坏特征与机理分析

泥质弱胶结软岩巷道开挖后,围岩变形量大、变形持续时间长,巷道变形破坏严重,即围岩顶板下沉、两帮内挤、底鼓、强流变等,极不利于施工安全与围岩控制。基于榆树井煤矿井底车场巷道围岩松动圈测试、地应力测试、岩石力学性质试验、矿物成分分析及围岩变形与支护结构受力监测等地质力学技术手段,探测了泥质弱胶结软岩巷道围岩松动圈范围,掌握了井底车场地应力分布规律,获得了泥质弱胶结软岩的物理与力学特性,揭示了泥质弱胶结软岩巷道矿压显现规律,反映了泥质弱胶结软岩巷道围岩变形与支护结构受力特征,分析了泥质弱胶结软岩巷道变形破坏特征与机理,给出了巷道优化布置与支护对策,并成功应用于工程实践。     

鄂尔多斯盆地南部煤系致密砂岩胶结作用对储层物性的影响

鄂尔多斯盆地南部上古生界盒8段致密砂岩储层成岩作用以压实作用与胶结作用为主,其中胶结作用作为最重要的成岩作用,势必会对储层渗透性造成影响。通过阴极发光薄片技术、扫描电镜以及薄片观察,对胶结物的类型及特征进行分析。结果显示,研究区内盒8段砂岩胶结作用可分为硅质胶结、钙质胶结与泥质胶结这三大类。此外,根据胶结物不同的赋存状态,将硅质胶结物可细分为Ⅰ型接触式硅质胶结、Ⅱ型次生加大边式硅质胶结、Ⅲ型镶嵌式硅质胶结;钙质胶结物可细分为Ⅰ型孔隙式钙质胶结、Ⅱ型点式交代型钙质胶结、Ⅲ型连晶式钙质胶结、Ⅳ型基底式钙质胶结;泥质胶结物可细分为Ⅰ型伊利石型泥质胶结、Ⅱ型黏土杂基型泥质胶结、Ⅲ型绿泥石薄膜型泥质胶结,Ⅳ型高岭石型泥质胶结。不同胶结物的赋存方式以及含量均不相同,结合Photoshop对不同胶结物进行定量化分析,结果表明点式钙质胶结对储层物性影响较小;硅质胶结物含量在低于5%时,有利于储层储集空间发育;连晶式钙质胶结不利于储层储集空间发育。     

弱胶结砂岩在冲击荷载下的动力学性能研究

为研究粉砂岩在冲击荷载下的动力学性能,选取内蒙古东胜煤田红庆河煤矿副井-680 m 处的弱胶结 粉砂岩,运用 Hopkinson杆测试技术进行不同冲击能量下的冲击荷载实验。通过实验数据分析,得出结论如下：选取 的弱胶结砂岩为侏罗系延安组粉砂岩,强度较低,均值为 39.08 MPa。遇水易崩解,且极易风化,内部颗粒较细、多为 泥质胶结。弱胶结砂岩冲击荷载条件下的峰值强度均较单轴抗压强度下的峰值强度有大幅度提高,提高值为单轴 抗压强度的 1.14 倍。但相比于中部地区砂岩,其动、静强度较低,动载强度提高值有限,达不到中部砂岩静载强度。 冲击荷载越大,应变率越高,峰值强度越大。应变率与峰值强度间存在良好的指数增长或线性增长关系。其应力— 应变曲线按照应力的增速大致分为 3个阶段：应力骤升阶段、应力—应变平缓上升阶段、应力陡然下降阶段。     

弱胶结软岩煤巷锚杆索-围岩变形协同控制方法研究

针对西部弱胶结软岩煤巷顶板支护易失效问题,在探究弱胶结泥岩物性组分及破坏力学特征基础上,分析弱胶结软岩巷道围岩破坏特征,揭示弱胶结软岩巷道顶板破坏失稳机理,提出弱胶结软岩高预紧力下锚杆-围岩变形协同机理,开发相应支护设计方法,并进行应用实践。结果表明:(1)弱胶结软岩黏土矿物含量高,微裂隙发育造成其强度小、黏聚力小、胶结性差、易碎胀,在低围压条件下就产生剪切滑移破坏,提高其等效黏聚力和围岩应力水平是提升其抗变形能力的最有效途径;(2)弱胶结泥岩特性、高水平应力及低锚杆(锚索)预紧力等因素综合作用下,弱胶结软岩顶板易发生整体性下沉,内部破裂严重,破裂范围最大达4.0 m,尤其是煤岩界面破裂剪胀使部分锚杆-锚索破断失效,加剧顶板破裂下沉;(3)锚杆支护作用体现在提高锚杆加固范围内岩层等效黏聚力,锚索支护则强调对其支护范围内岩层提供较强的支护应力,两者工作阻力越高支护效果越好;(4)高预紧力下锚杆与锚索联合支护时,锚杆、锚索变形与顶板变形下沉协同、相适应,且要最大程度发挥锚杆-锚索支护效能。现场应用表明,按照高预紧力锚杆-围岩形变协同支护后,弱胶结软岩巷道顶板控制效果好,达到设计预期,该方法为弱胶结软岩巷道支护提供参考。     

弱胶结砂岩遇水软化过程细观结构演化及断口形貌分析

对西部鄂尔多斯红庆河矿区的弱胶结砂岩采用饱水实验、SEM扫描电镜、QEMSCAN扫描电镜和力学实验等试验手段,分析其软化过程细观结构演化及其细观断裂形貌和断裂机理。研究表明:弱胶结砂岩的成岩特性决定了其遇水软化、崩解的特性与其矿物组成和结构特征密切相关;证实了弱胶结砂岩遇水软化过程中细观结构破坏的主要方式为胶结物质的破坏,且发生破断的位置为物颗粒与颗粒的接触界面或者颗粒与胶结物质之间界面;弱胶结砂岩的宏观力学行为主要由颗粒间接触决定,当边界荷载发生变化时,砂岩的最终断口发生在黏土胶结物上及其与矿物颗粒的交界处,少数发生在矿物颗粒上,颗粒体系内部结构的变化总体上可以分为颗粒破碎、颗粒或颗粒簇脱离母体结构、沿颗粒裂纹扩展及微裂隙呈弥散分布、胶结物质破坏等四大类;胶结物质力学性质是其破坏形式的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。     

围岩吸水对泥质弱胶结岩石巷道稳定性的影响

针对泥质弱胶结岩石巷道开挖后的大变形问题,以内蒙古五间房西一矿为工程背景,基于弱胶结岩石常规物理与力学试验结果,建立4组不同吸水范围的泥质弱胶结巷道数值模型,分析围岩变形和塑性区随吸水范围的演化规律,并与围岩未吸水时的变形和塑性区进行对比分析,研究围岩吸水范围对巷道稳定性的影响。研究结果表明:岩石吸水后增大了围岩的塑性区范围,塑性区范围和塑性区体积随吸水范围的增加逐渐变大,但是地层的初始含水率仍然是影响巷道围岩塑性区大小的主控因素;围岩变形量随着吸水范围的增加近似线性递增,与围岩吸水层厚度从0～1m变化时的变形增量相比,变形增量随吸水范围的增加逐渐变缓。     

西部典型矿区弱胶结地层岩石的物理力学性能特征

西部矿区弱胶结岩层与中东部矿区岩层力学性能之间的差别认识不清是导致西部矿区开采过程中灾害性事故频发的根本原因。通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法,研究了我国煤矿区弱胶结地层地域分布规律,选取新疆矿区大井南一井和苇子沟矿、鄂尔多斯矿区的营盘壕矿、大海则矿、陶忽图矿、高头窑矿等6对典型矿井岩石物理力学数据,分析了密度、孔隙率、含水率、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角、泊松比等参数随埋深变化规律。现场采集了红庆河煤矿的砂质泥岩进行了崩解实验。研究结果表明:弱胶结地层主要分布在我国的新疆地区、鄂尔多斯盆地矿区、蒙东矿区,岩石成岩不充分,岩石强度普遍偏低,具有明显的松、散、弱的特性;西部矿区岩性主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩,胶结物大多为泥质;岩石密度与埋深呈正相关,随埋深增加呈线性递增,岩石孔隙率、含水率与埋深呈负相关;岩石的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力随埋深增加具有一定的线性递增关系;岩石的泊松比、内摩擦角与埋深无明显的相关性;实验发现弱胶结岩石遇水后具有强烈的崩解性,循环次数越多,崩解后的粒径越小越均匀,弱胶结岩石的强崩解性是导致西部矿区采场导水裂隙带高度增大的主要因素;弱胶结岩石强度普遍低于中东部同类岩石强度;建立岩石物理力学性能集合可进一步明确中西部岩石间差别。     

弱胶结软岩巷道围岩应力与位移分布规律及支护技术

针对西部浅埋弱胶结软岩巷道的复杂地质条件,基于X射线衍射试验、电镜扫描、岩石力学物理试验与现场监测,揭示了西部浅埋弱胶结软岩巷道围岩变形破坏失稳机理。根据巷道围岩大变形破坏特征,建立了FLAC3D数值模型,模拟演化了弱胶结软岩巷道的围岩应力位移分布规律和塑性区范围,研究结果表明:弱胶结软岩巷道围岩最大主应力决定了巷道围岩的破坏深度,且随围岩深度近似呈"へ"形分布;巷道围岩不同方向深部变形s与巷道表面距离h呈负指数衰减变化的关系。通过对比分析,数值模拟塑性区范围和地质雷达探测松动圈厚度基本一致,从而为弱胶结软岩巷道围岩稳定性分析及支护加固方案设计提供了科学指导。最后针对弱胶结软岩巷道塑性区范围,提出了"锚网喷主动支护+36U型钢支架+全断面锚注"的联合支护技术,现场监测结果表明改进的支护方案可以有效控制巷道围岩变形及塑性区的扩展,保证了巷道的长期稳定及安全。     

弱胶结富水顶板留巷围岩变形特征与控制技术

为解决弱胶结富水顶板双巷布置工作面留巷支护难题,以色连二矿12309辅助运输巷为工程背景,开展了弱胶结富水顶板锚杆及锚索锚固性能试验,提出了以提高锚索锚固力为基础的分步支护与加固技术。通过巷道变形观测,分析了留巷围岩的变形特征。结果表明,留巷受本工作面采动影响主要为滞后影响,其中围岩变形剧烈影响区为工作面采后 0～300 m 区段,当留巷受下一个工作面采动影响时,其影响范围及影响程度较上一个工作面大幅降低,说明以提高锚索锚固力为基础的分步支护与加固技术是比较适合弱胶结富水顶板留巷的支护方式。     

福建上杭地区泥质粉砂岩风化壳的工程性质探讨

在收集、分析上杭地区白垩系沙县组(K2s)泥质粉砂岩分布区有关岩土工程勘察、设计、施工资料的基础上,分析、研究了泥质粉砂岩残积土和全风化岩层的工程性质,建立了泥质粉砂岩残积土和全风化岩层的变形模量(E0)与标准贯入试验击数(N)的经验公式,为类似岩层分布区的工程建设提供借鉴。     

中生代砂岩细观结构对强度和能量耗散的影响

对取自东北部和西部侏罗白垩系煤矿中粒砂岩进行镜下观察,对比其矿物颗粒,胶结成分和结晶程度上的异同点,进行了三轴压缩试验和循环加载声发射试验,分析东北部和西部砂岩的强度和能量耗散特征,并用Kaiser效应和加卸载响应比理论研究了循环加载中的声发射规律。试验表明：以钙质胶结为主的东北部砂岩在Mohr-Coulomb准则下承载能力高于以钙泥质胶结为主的西部砂岩,随着压力的增大,耗散能所占比例呈现迅速降低、稳定、缓慢升高的趋势,且同等应力水平下东北部砂岩耗散能低于西部砂岩,Kaiser效应往往出现在低应力的弹性阶段,且在东北部砂岩中出现的频率和持续阶段要高于西部砂岩,加卸载响应比则出现急剧降低、缓慢平稳下降的趋势,在强度峰值点达到最小值,且东北部砂岩的加卸载响应比低于西部砂岩。东北部和西部砂岩的胶结物中泥质含量和重结晶成岩程度是产生上述力学性质和能量耗散特征差异的根本原因。     

地层含水率对弱胶结软岩巷道围岩稳定性影响

针对弱胶结软岩的力学性能受含水率影响大,以及在弱胶结地层中开挖巷道后围岩变形大的特点,以内蒙古五间房西一矿为工程背景,基于弱胶结软岩的室内力学试验、XRD矿物衍射分析和液塑限联合测定结果,建立五组不同含水率地层的数值仿真模型,分析弱胶结地层含水率分别为2%、5%、10%、15%和18%时开挖巷道后的围岩稳定性。研究结果表明：当地层含水率较低(≤5%)时,围岩塑性厚度和塑性区体积几乎没有变化,随着地层含水率的增加,围岩塑性厚度和塑性区体积近似呈线性增加；弱胶结地层中巷道围岩的最大变形发生在顶底板,往巷道两帮走,变形逐渐降低,围岩变形随着地层含水率的增加近似呈线性递增,但围岩的主要变形区间受地层含水率的影响不明显。     

神东矿区不同埋深弱胶结砂岩的孔隙结构特征研究

为了研究神东矿区不同埋深弱胶结砂岩的孔隙结构特征,以布尔台煤矿4种不同埋深弱胶结砂岩为研究对象,运用低场核磁共振测试仪对4种不同埋深试样进行了测试,分析了不同埋深弱胶结砂岩的T2谱特征、孔径分布和孔喉分布。研究结果表明:4种不同埋深弱胶结砂岩(92.14～94.30m,118.40～120.69m,242.27～242.95m,317.86～320.33m)的T2谱特征、孔径分布和孔喉分布存在差异,孔隙率分别为39.180%、36.132%、44.782%、19.732%;T2谱由3个波峰逐渐转变为2个波峰,波形连续性好(孔隙连通性好);弱胶结砂岩的孔径可以分为5类:微孔、小孔、中孔、大孔和微裂隙,孔径以中小孔为主,大孔次之;弱胶结砂岩的孔喉半径以0～0.10μm为主,0.10～0.16μm次之。研究成果有助于进一步揭示我国西部地区工作面溃水溃沙的机理。     

极弱胶结地层开拓巷道围岩变形破坏特性及演化规律

查干淖尔一号煤矿极弱胶结地层工程地质条件复杂,巷道围岩变形破坏严重,基于岩石力学基本实验对围岩的矿物成分、微观结构和物理力学性质进行分析,结合巷道围岩变形破坏特征,揭示了极弱胶结地层围岩发生变形破坏的内在和外在原因。通过FLAC3D模拟巷道变形特征的影响规律,结果表明:选择接近曲面形状的巷道稳定性相对较好,及时动态掌握侧压力系数和巷道埋深对巷道稳定性的影响,可有效降低巷道围岩的变形。     

浅埋煤层工作面弱胶结顶板破断结构模型研究

通过对鄂尔多斯盆地矿井2-2煤层综采工作面支架循环末阻力增长规律分析,建立浅埋煤层工作面弱胶结顶板破断结构模型,推导了工作面顶板不同运动阶段综采支架支护强度计算公式,并与现场观测结果进行对比。研究发现浅埋煤层弱胶结顶板中存在着由若干小断块岩块挤压构成的"岩块挤压岩梁",这部分岩层可称为"类基本顶",其不仅能够传递水平力,而且可起到减缓上覆岩层对支架的冲击作用;在浅埋煤层工作面开采期间,弱胶结顶板破断运动过程可分为3个阶段:阶段I,直接顶垮落,上方砂质泥岩断裂、挤压、离层;阶段II,类基本顶"岩块挤压岩梁"结构形成阶段;阶段III,基本顶冲击沉降阶段;随着工作面推进,液压支架循环末阻力增长过程也呈现工作阻力初次升高段、缓慢升高段和显著升高段3个阶段。研究可为鄂尔多斯盆地浅埋煤层工作面顶板控制设计、支架选型等提供借鉴和参考。     

鄂尔多斯深部富水砂岩冻结强度的试验研究

研究冻结条件下深部岩石的力学特征,对西部超深立井冻结壁厚度以及掘进段高的设计具有重要意义。本文以鄂尔多斯某立井冻结工程为背景,以深部富水地层中典型的中砂岩为研究对象,基于细观放大图像分析了岩石的粒径和孔洞分布特征。在-5℃、-10℃、-15℃条件下对冻结中砂岩进行了三轴压缩试验,并在26℃、-10℃和-20℃条件下进行了巴西劈裂试验。试验结果表明:冻结中砂岩的抗压强度随着温度的降低而线性增加,增加幅度最大为27.29%,但随着围压的增加,温度的影响有所减弱;冻结中砂岩内摩擦角φ和黏聚力c也随温度降低而增加,最大增加幅度分别为12.54%和18.69%;温度从26℃降至-10℃,中砂岩抗拉强度从0.73MPa增至1.59MPa,增加118.18%,但当温度继续降低,抗拉强度变化较小。中砂岩强度在冻结后随着温度的降低而增加,但增加幅度有限,此类地层中冻结壁厚度设计以满足封水效果为主,立井中心温度不必过低。     

侏罗系地层弱胶结砂质泥岩本构关系初步研究

侏罗纪地层多以泥岩、砂质泥岩、泥砂岩互层等岩性为主,强度低、胶结弱、易崩解、易风化、是其典型的工程力学特征。通过对不同含水状态的泥岩进行三轴试验,验证处于不同物理力学状态时泥岩的强度变异特征,得出围压递增导致泥岩加速软化的结论。并将其三轴变形过程分为四个阶段:节理裂隙压密阶段、弹性变形阶段、非稳定破裂阶段、应变软化阶段,初步的掌握弱胶结泥岩的本构关系。     

褐煤矿区弱胶结砂岩巷道支护技术研究

为解决褐煤矿区弱胶结砂岩巷道变形量大的难题,在地质力学测试、黏土矿物成分分析、可锚性试验研究的基础上,提出了强力承压拱、全断面及时支护、全长预应力锚固、强力护表及预应力有效扩散等巷道支护措施,实现了对褐煤矿区弱胶结砂岩巷道强力锚网索一次支护。结果表明:高预紧力强力锚杆支护系统取消了架棚支护,降低了支护成本,减轻了劳动强度,巷道整体收敛率控制在3%以内;巷道两帮最大移近量为55 mm,顶底板最大移近量为38 mm。     

采动影响巷道弱胶结层状底板稳定性分析与控制对策

针对弱胶结层状底板巷道在强烈采动影响下的非对称性变形失稳问题,以梅花井矿工作面辅助运输巷为工程背景,综合采用现场调研、理论计算、数值分析和工程试验的方法,对巷道围岩变形破坏机制和控制对策展开研究。结果表明:井田内含煤岩系成岩程度低,胶结程度差,顶底板岩层层理发育,巷道围岩具有产生大变形的倾向。在采动影响下,巷道呈显著的非对称性变形破坏,实体煤侧肩角、煤柱侧底角和底板是大变形频发区域,巷道收敛以底臌为主;由于工作面位置的动态性和弱胶结软岩的蠕变性,巷道底臌具有典型的时空特性。基于弹性理论,建立采动影响下横观各向同性底板力学分析模型,推导获得层状底板任一点的真实应力状态,准确反映了层状底板非对称应力分布特征。根据摩尔-库伦准则,获得层状底板破坏判据,采用Matlab计算得到底板非对称马鞍形破坏形态。上覆岩层关键岩块回转变形所产生的偏载效应使围岩主应力方向发生偏转,主应力偏角越大,塑性区非对称性扩展越显著,围岩破坏具有显著的方向性,垂直于最大主应力方向围岩破坏程度更大。针对强采动弱胶结层状底板非对称破坏特征,提出基于破碎区修复、塑性区加固、弹性区承载的底板分区差异化支护技术。工程实践表明,支护系统很好的适应了围岩非对称应力环境,围岩变形得到有效控制。