赵建光

(大同煤矿集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037101)

鲁新煤矿弱胶结煤岩体风化微结构及压汞试验研究

赵建光

(大同煤矿集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037101)

通过SEM试验和压汞试验对鲁新煤矿的风化前后煤体和岩体进行试验研究，试验结果发现：11煤的煤样在未风化前微结构排列整齐，较为密实，平均孔隙率为4.78%，风化后部分裂隙相互贯通，孔隙率急剧增加为15.1%；顶板泥岩岩样在未风化前岩样表面呈多小孔状微结构，孔隙率为24%，具有较强的吸水性，风化后的岩样孔隙率增加至28.56%，岩样表面呈片麻状结构，呈现出多个微小孔洞逐步形成大孔洞的表面特点。试验结果表明，在弱胶结软岩巷道支护尤其是大巷支护中必须采取封闭围岩的支护技术，例如混凝土喷层支护，防止巷道表面围岩持续风化，影响软岩巷道稳定性。

弱胶结软岩；压汞试验；SEM试验；巷道支护

内蒙古西部、宁夏东北部、陕西北部、新疆伊犁等地区都存在弱胶结软岩地层，由于西部特殊的成岩环境和沉积过程，弱胶结软岩一般成岩年代较短,多为黏土岩类，由于岩性本身的微观结构特点，形成了其独特的物理力学性质——强度低、胶结差、易风化、遇水泥化等。目前弱胶结软岩的力学特性和变形机理研究仍然处于试验阶段[1-4]。大量的实验室实验和现场工程实践均证明，围岩的物理力学性质是控制地下工程稳定性最基本和重要的因素，由于围岩的微观结构往往对其宏观力学行为具有很强的控制作用，通过深入研究其微观结构特征，能更好地掌控巷道围岩不同岩性的力学行为，从而更好地为矿井建设服务[5-9]。

针对鲁新煤矿31101工作面的弱胶结软岩地层的煤体和岩体，采用压汞孔隙率试验和SEM实验[10-14]，对风化前后的表面裂隙率和其微观结构特征进行了初步探索性研究，分析了其力学行为表现，从微观角度对其力学行为进行了分析和解释，根据其岩性特征提出了深入研究的建议。

1 试验方法介绍

1.1 压汞法试样制备

将试样破碎成粒径10mm以下，将2mm以下的颗粒筛除，放入无水酒精中浸泡24h终止水化。浸泡完毕，将试样60℃烘干至恒重，放入压汞仪样品室中进行压汞试验。

本实验使用美国Micromeritics公司制造的 AutoPore IV 9510型压汞仪测定样品的孔隙特性。仪器压力范围为0～60000psia，由计算机控制汞压入/挤出过程，能够分析直径为400μm到0.0036μm范围的微孔，压力精确度为0.11%满量程。测定过程所使用的水银的物性参数：侵润角θ=130.00°；表面张力系数σ=485.00dynes/cm；密度ρ=13.533g/mL。

1.2 SEM实验样品及设备

本实验试样选择表面起伏(凹凸)较大且不同大小的试验块体，并用离子溅射仪在试样表面上蒸涂一层重金属导电膜。实验样品如图1所示。此外，为减少杂质对试件表面观测的影响，在镀膜前宜先对试件表面杂质进行清洗，所用清洗溶剂为医用酒精。

图1 选用镀膜样品

本实验在中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室——北京岩石混凝土破坏力学重点实验室岛津SEM全数字液压高温疲劳实验机系统上完成。主要参数：温度范围为室温～800°C，放大倍率最大为200000倍，扫描速率为0.27～9.6s/f，观测范围为16mm×6mm，低真空扫描观测精度为5.5nm。

2 实验结果及分析

2.1 煤样微观结构分析

2.1.1 煤样SEM电镜扫描实验结果分析

图2为煤样风化前后SEM电镜扫描系列图片。风化前的煤体结构排列整齐，裂隙多为轴向裂隙，这种结构的煤体排列规则，能够承受一定的荷载，强度较高，如图2(a)所示。风化后的煤体则表现出表面裂隙杂乱，且有部分裂隙已相互贯通，这种煤体的破坏程度大，在受荷载后强度会显著下降，如图2(b)所示。

图2 未风化与风化煤样SEM系列图片

2.1.2 煤样压汞实验结果分析

随着外加压力的增加，煤样中的孔隙逐渐被填充，当汞附加压力达到58972.07psia时，煤样中的空隙完全被填充，随着孔隙压力的进一步增大，孔隙开始相互连通，附加压力下降，煤样结构发生破坏，实验结果如图3和表1所示。煤样在未风化前强度较高，较为密实，平均孔隙率为4.79%，平均表观密度为1.44g/cm3，平均堆积密度为1.38g/cm3。煤样受风化作用影响较大，孔隙率约增加近4倍，为15.1%，表观密度和堆积密度也有不同程度变化，表观密度略有增加，为1.46g/cm3，堆积密度略有降低，为1.23g/cm3。

图3 煤样微孔分布曲线

2.2 岩样微观结构分析

2.2.1 岩样SEM电镜扫描实验结果分析

图4为岩样风化前后SEM电镜扫描系列图片。风化前的岩体表现出多孔状微结构，如图4(a)所示，这种结构的岩体孔隙率大，强度低，遇水后吸水性强。风化后的岩体表面呈片麻状结构，则呈现出孔洞增大的特点，如图4(b)所示，原先的孔洞相互贯通，出现更大的孔洞，岩体结构受到破坏。

图4 未风化与风化岩样SEM系列图片

2.2.2 岩样压汞实验结果分析

随着外加压力的增加，岩样中的孔隙逐渐被填充，当汞附加压力达到58976.24psia时，岩样中的空隙完全被填充，随着孔隙压力的进一步增大，孔隙开始相互连通，附加压力下降，岩样结构发生破坏，实验结果如图5、图6和表2所示。在未风化前，顶板泥岩岩样孔隙率较大，为24%，表观密度为2.15g/cm3，堆积密度为1.63g/cm3。在风化后，顶板泥岩岩样孔隙率较大，为28.56%，表观密度和堆积密度明显增加，分别为2.5g/cm3和1.8g/cm3。

3 结 论

通过对鲁新煤矿的风化前后煤体和岩体进行SEM试验和压汞试验分析，发现鲁新煤矿11煤样和岩样具有以下特点：

(1)不同煤层煤样及其围岩岩体的表面微观形貌和结构特征均有一定的代表性，可以作为衡量煤、岩体风化程度及受力变形特性的一种辅助依据。

图5 岩样1微孔分布曲线

图6 岩样2微孔分布曲线

风化程度试件编号孔隙率/%表观密度/(g·cm-3)堆积密度(0.43psia)/(g·cm-3)未风化XHEI-324.07832.15021.6325平均值24.07832.15021.6325已风化XHEI-129.32742.64531.8695XHEI-231.74162.63651.7996XHUI-131.38822.66061.8255XHUI-228.73592.61241.8617XHUI-330.55842.65041.8405平均值28.55832.50081.8048

(2)11煤的煤样在未风化前微结构排练整齐，较为密实，平均孔隙率为4.78%，煤体受风化作用影响较大，微结构多样且复杂，部分裂隙相互贯通，孔隙率急剧增加为15.1%。

(3)顶板泥岩岩样在未风化前呈多小孔状微结构，孔隙率为24%，具有较强的吸水性，风化后的岩样孔隙率增加至28.56%，但岩体结构受到破坏，岩样表面呈片麻状结构，呈现出多个微小孔洞逐步形成大孔洞的表面特点。

(4)在全煤巷道支护尤其是大巷支护中必须施加喷层支护，防止巷道围岩不断风化，降低围岩岩体强度，影响煤矿的安全生产。

[1]王渭明，赵增辉，王 磊.考虑刚度和强度劣化时弱胶结软岩巷道围岩的弹塑性损伤分析.采矿与安全工程学报[J].2013，30(5):679-685.

[2]孔令辉.弱胶结软岩巷道稳定性分析及支护优化研究[D].青岛:山东科技大学，2011.

[3]冯 伟，韩立军,任光住，等，极弱胶结地层中硐室群围岩稳定性控制技术[J].金属矿山，2013，42(7):49-53.

[4]刘娟红,纪洪广,贺震平,等.适于弱胶结软岩的新型冻结孔封孔材料性能及微结构研究[J].煤炭学报，2013，38(4):596-599.

[5]隋旺华，李永涛，李贯田,等.煤矿立井微孔隙岩体注浆防渗及机理分析[J].岩土工程学报，2000,22(2):214-217.

[6]黄宏伟,车 平.泥岩遇水软化微观机理研究[J].同济大学学报(自然科学版),2007,35(7):866-870.

[7]蔡 峰，刘泽功,林柏泉,等.祁南矿区8煤储层孔裂隙性试验分析研究[J].煤炭科学技术,2008，36(5):31-34.

[8]杨春和,冒海军,王学潮,等.板岩遇水软化的微观结构及力学特性研究[J].岩土力学,2006,27(12):2090-2098.

[9]钱自卫,姜振泉,孙 强,等.深部煤系软岩遇水崩解的宏观特征及微观机理研究[J].高校地质学报,2011,17(4):605-610.

[10]周 晖,房营光,禹长江.广州软土固结过程微观结构的显微观测与分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28(S2): 3830-3837.

[11]孔令荣,黄宏伟,张冬梅,等.不同固结压力下饱和软粘土孔隙分布试验研究[J].地下空间与工程学报，2007，3(6): 1036-1040.

[12]丁建文，洪振舜，刘松玉.疏浚淤泥流动固化土的压汞试验研究[J].岩土力学，2011，32(12): 3591-3603.

[13]陈 悦,李东旭.压汞法测定材料孔结构的误差分析[J].硅酸盐通报，2006，25(4): 198-201.

[14]张 平，房营光，闫小庆，等.不同干燥方法对重塑膨润土压汞试验用土样的影响试验研究[J].岩土力学，2011，32(S1)：388-391.

[责任编辑：李 青]

Mercury Injection Test and Weathering Microstructure of Weakly Consolidated Coal and Rock Mass of Luxin Coal Mine

ZHAO Jian-guang

(Tongfa Dongzhouyao Coal Industry Co.,Ltd, Datong Coal Mine Group, Datong 037101 China)

Coal and rock before and after weathering of Luxin coal mine was test by SEM test and mercury injection test，the results showed that the micro-structure before weathering in alignment，and more densely of 11# coal，average porosity was 4.78%，some fractures interpenetration after weathering，porosity was 15.1%，more micro pores structure appeared in soft rock surface before weathering，porosity was 24%，water absorption was strong，porosity increased to 28.56% after weathering，gneissoid structure appeared in surface，and micro pore would be formed big pore.The test results showed that sealed surrounding rock supporting technology should be applied in roadway supporting of weakly consolidated soft rock supporting，for example shotcrete support should be applied，then surrounding rock surface weathering could be prevented，soft rock roadway stability would not be influenced.

weakly consolidated soft rock，mercury injection test，SEM test，roadway supporting

2016-10-14

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.002

国家自然科学基金(51404105)

赵建光(1969-)，男，山西大同人，工程师，从事煤矿生产技术工作。

赵建光.鲁新煤矿弱胶结煤岩体风化微结构及压汞试验研究[J].煤矿开采，2017，22(3)：6-8，81.

TD989

A

1006-6225(2017)03-0006-03