张梦瑶， 李 扬， 王秀娟， 刘 巍

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛 266590； 2.榆阳中能袁大滩矿业有限公司， 陕西 榆林 719000)

矿井岩层地质分布特征和岩石物理力学参数是影响矿井建设和煤层安全开采的关键[1-5].随着东部煤炭资源开发殆尽，煤矿开采逐渐向西北地区转移，西北地区的岩层地质和岩石力学特征不同于东部[6-8].西北部早中侏罗世成煤作用最强，其含煤层由陆相粉砂岩、泥岩、砂砾岩和煤层组成，是典型的陆相沉积地层，裂隙相对发育，且上部大多覆盖巨厚松散层，部分地区表土和岩层风化严重.风化能削弱岩石颗粒之间的胶结强度，加剧裂隙发展，增加岩石细观裂隙贯通量，降低表面的粗糙度，使得各岩层接触面摩擦力大大减小，西北地区岩层也就更易发生失稳破坏[9-11].因此，开展西部地区特殊地质条件厚松散层岩土的研究，对矿井建设及保障煤矿安全生产具有重要意义.

众多专家学者对矿井地质构造、岩土体分类以及岩石力学特征已经进行了大量的研究，并取得了丰富的研究成果.在矿井地质构造和岩土体分类方面，王海军等[12]、李锦轶等[13]及武松[14]对具体地区的地质构造特征和岩土体特征进行了分析，为煤炭的安全生产提供了地质参数依据.在岩石力学特征方面，郭建强等[15]、王伟东等[16]进行了岩石力学试验，研究了岩体的力学性质，描述了岩体破坏时的强度特征.

以上研究成果对煤矿安全生产起到了重要推动作用，但对西北矿区厚松散层岩石力学特征研究相对较少.鉴于此，本文以榆林矿区袁大滩煤矿为工程背景，对矿井地区地质条件和岩土体特征进行分析，并通过岩石力学试验对不同岩石的抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度进行研究.该研究可为矿井建设提供一定的参考，并为矿井安全生产提供依据.

1 工程背景

袁大滩矿井位于榆溪河西部、无定河北部、古长城西北部，整体地处于陕北榆林矿区东北部.袁大滩井田由南至北宽度约18 km，由东至西长度约为15.4 km，总体面积约为231 km2.矿井采用斜井开拓方式，设计生产能力约8.0 Mt/a.矿井工业场地选择在井田中部，首采区位于东部边缘地带，进、回风井井口位于井田中部.

该矿井设计为每个水平布置三条东西向水平大巷，分别为带式输送机大巷、辅助运输大巷和回风大巷，每个水平的主运输系统均通过带式输送机大巷直接与主斜井搭接，辅助运输通过暗斜井沟通.为了探查该矿井筒的地层深度、地质条件、岩土体特征及岩土体物理力学性质等情况，也为矿井建设以及后续巷道支护优化提供可靠的地质依据，因此，需要进行地质条件分析和岩石力学试验研究.

2 地质条件分析与岩土体分类

2.1 地质条件分析

渝林矿区位于陕北斜坡中部的鄂尔多斯盆地，地形构造为单斜构造，总体形态为向西北微倾斜，地层倾向大约300°，地层倾角小于1°，属于简单构造.井筒区的地层由老至新分别为：侏罗系中统延安组、直罗组、安定组，平均厚度分别为：18.79 m、118.51 m和53.45 m.煤层位于延安组，是主要可采煤层，煤层平均厚度是1.87 m，埋深平均为325 m.煤层中含有一层平均厚度为0.17 m、结构比较单一的粉砂岩夹矸.

2.2 岩土体分类

为分析本矿区的岩土体特征及其形成原因，将本区岩体分为极软岩、软岩及较软岩三大类；岩层组分为松散沙层组、土层组、风化岩组、煤岩组、粉砂岩泥岩组及砂岩组六类.

(1)松散沙层组：岩土体测试结果显示，本组岩层厚度平均为104 m，岩性以细沙为主，含有微量粉质黏土，粒径大小平均为0.157 mm，不均匀系数为2.22，曲率系数为0.85，属于松散、中密的均匀砂.

(2)土层组：本段岩层覆盖于除地表外本矿区大部分地层，岩性为灰黄色、棕黄色亚砂土，含颗粒状钙质结核，岩层主要厚度为17 m左右，且厚度变化范围较小.本段岩层在该矿区部分地层被完全剥蚀，岩层分布不均匀.

(3)风化岩组：本组岩层主要位于安定组上部，主要由灰黄色、黄绿色的泥岩、粉砂岩及石砂岩构成.岩层厚度平均为22.96 m.该组岩层软化系数为0.28，岩石质量指标平均为43%.本段岩层属于软岩类极易软化岩石，岩石质量较劣，岩体完整性较差.

(4)煤岩组：本组岩层的可采煤层抗压强度整体略大于风化岩组，软化系数为0.80.该组岩层岩性为软岩类且不易软化岩石，具有较强的抗水及抗风化能力.

(5)粉砂岩、泥岩组：本组岩层主要由粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、砂质泥岩及薄煤层组成，岩体内含有大量的粘土矿物.该组岩石软化系数平均0.33，岩石质量指标平均为57%.该组属软岩类极易软化岩石，总体来看该组岩石质量为劣等-中等，岩体中等完整.

(6)砂岩组：本组岩层主要由中粒砂岩和细粒砂岩构成，另含有少量粗粒砂岩，岩性主要为石英、长石，另含有少量云母及暗色矿物.该组岩层软化系数为0.55，岩石质量指标平均为73%.砂岩组属于较软岩且易软化岩石，岩石质量中等，岩体中等完整，是该矿区内稳定性最好的岩石.

3 岩石力学试验

为了给矿井建设提供力学参数和依据，在上述岩层组中选取一定的岩石进行岩石力学试验.井筒区地层由老至新依次为侏罗系中统延安组、直罗组及安定组，安定组岩石包括风化岩石和未风化岩石，分别选取砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩和中粒砂岩四种岩性的岩石进行岩石力学试验.

3.1 采样及试件制作

本次试验所采集的岩样取自榆林矿区袁大滩煤矿，将采集的岩样固定在取芯机平台上，用金刚石钻头钻取直径为50 mm的试样，再用切割机将试样锯成高100 mm的圆柱体试件，在磨石机上将圆柱体试件两端磨平.对试件进行精度检测，要求试件表面光滑，不平行度不应大于0.05 mm，上下端直径偏差不应大于0.3 mm，轴向偏差不应大于0.25°.部分试样如图1所示.

图1 部分试样Fig.1 Partial rock samples

3.2 试验程序

将试件置于试验机承压板中心，调整承压板，使试件均匀受力.试验采用载荷加载方式，以1 kN/s的加载速度对试件加载，直到试件破坏为止.岩石力学试验机及岩石试件破坏情况见图2和图3.

图2 岩石力学试验机Fig.2 Rock mechanics testing machine

图3 试验过程Fig.3 Test process

4 试验结果分析

4.1 试件抗压强度试验分析

各组各岩性岩石试件的抗压强度如图4所示，同组不同岩性岩石试件的抗压强度演化曲线如图5所示.

图4 各岩石试件的抗压强度Fig.4 Compressive strength of each rock specimen

图5 岩石试件的抗压强度演化曲线

Fig.5 Evolution curve of compressive strength of rock specimen

由图4可得出，风化岩组比安定组砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩的抗压强度各降低了0.33 MPa、0.27 MPa、1.28 MPa及2.32 MPa，各下降了14.35%、3.06%、11.25%及17.81%；安定组比直罗组砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩及中粒砂岩的抗压强度各降低了0.86 MPa、6.16 MPa、17.18 MPa及8.84 MPa，各下降了24.44%、41.15%、60.15%及40.42%；直罗组比延安组砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩及中粒砂岩的抗压强度各降低了1.56 MPa、7.97 MPa、1.39 MPa及2.85 MPa，各下降了30.69%、34.74%、4.64%及11.53%.

由图5可知，风化岩组与安定组未风化岩石各岩性的抗压强度大小为：砂质泥岩<粉砂岩<细粒砂岩<中粒砂岩，风化岩组与安定组为同一岩石组，但风化岩组比安定组未风化岩石各岩性的抗压强度都有所降低；直罗组和延安组各岩性岩石的抗压强度大小为：砂质泥岩<粉砂岩<中粒砂岩<细粒砂岩；安定组、直罗组、延安组随着岩层的逐渐变老，岩石的抗压强度逐渐增强.

4.2 试件抗拉强度试验分析

各岩石试件的抗拉强度如图6所示，同组不同岩性岩石试件的抗拉强度演化曲线如图7所示.

图6 各岩石试件的抗拉强度Fig.6 Tensile strength of each rock specimen

图7 岩石试件的抗拉强度演化曲线Fig.7 Evolution curve of tensile strength of rock specimen

由图6可见，风化岩组比安定组砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩及中粒砂岩的抗拉强度各降低了0.044 MPa、0.018 MPa、0.046 MPa及0.106 MPa，各下降了30.77%、8.18%、9.21%及25.85%；安定组比直罗组砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩及中粒砂岩的抗拉强度各降低了0.044 MPa、0.22 MPa、0.26 MPa及0.29 MPa，各下降了23.53%、50%、35.14%及41.43%.直罗组比延安组砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩及中粒砂岩的抗拉强度各降低了0.016 MPa、0.05 MPa、0.08 MPa及0.16 MPa，各下降了7.88%、10.2%、9.76%及18.6%.

由图7可得出，风化岩组、安定组及直罗组各岩性的抗拉强度大小为：砂质泥岩<粉砂岩<中粒砂岩<细粒砂岩；延安组各岩性岩石的抗拉强度大小为：砂质泥岩<粉砂岩<细粒砂岩<中粒砂岩；风化岩组与安定组为同一岩石组，但风化岩组比安定组未风化岩石各岩性的抗拉强度都有所降低；安定组、直罗组、延安组随着岩层的逐渐变老，岩石的抗拉强度逐渐增强.

4.3 试件抗剪强度试验分析

各岩石试件的抗剪强度如图8所示，同组不同岩性岩石试件的抗剪强度演化曲线如图9所示.

图8 各岩石试件的抗剪强度Fig.8 Shear strength of each rock specimen

图9 岩石试件的抗剪强度演化曲线Fig.9 Shear strength evolution curve of rock specimen

由图8可知，风化岩组比安定组砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩及中粒砂岩的抗剪强度各降低了0.07 MPa、0.08 MPa、0.02 MPa及0.21 MPa，各下降了17.07%、8.08%、1.45%及15.56%.安定组比直罗组岩层中砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩的抗剪强度各降低了0.11 MPa、0.48 MPa、1.59 MPa及0.69 MPa，各下降了21.15%、32.65%、53.54%及33.82%.直罗比延安组岩层中砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩及中粒砂岩的抗剪强度各降低了0.26 MPa、0.12 MPa、0.15 MPa及0.18 MPa，各下降了33.33%、7.55%、4.81%及8.11%.

由图9可见，风化岩组、安定组、直罗组及延安组各岩性的抗剪强度大小都为：砂质泥岩<粉砂岩<中粒砂岩<细粒砂岩；风化岩组与安定组为同一岩石组，但风化岩组比安定组未风化岩石各岩性的抗剪强度都有所降低；②安定组、直罗组、延安组随着岩层的逐渐变老，岩石的抗剪强度逐渐增强.

由上述岩石力学试验可以得出，整体来看细粒砂岩的岩石强度较高，岩石力学性质最为稳定；风化岩组岩石抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度相较于其他三组岩石最弱，所以风化岩组的稳定性最差；安定组、直罗组、延安组随着岩层的逐渐变老，抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度依次逐渐增强，其岩石稳定性也逐渐增强.

5 结 论

(1)袁大滩矿井的井巷围岩大部分岩石为层状结构和块状结构的较软类岩石，岩石质量中等，岩体构造中等完整，且该区域内构造应力相对较小.在巷道掘进穿越散体结构和破碎结构的岩体时，应避免发生突水、坍塌及侧壁失稳等不良工程地质现象的发生.

(2)井筒区地层由老至新依次为延安组、直罗组和安定组，由于岩石所处时代的不同，物理力学性质表现出时代愈老强度愈大的趋势；由于埋深越深，其应力也就越大，所以巷道支护应综合物理力学特性和埋深确定.

(3)通过岩石力学试验可知，随着岩石由老至新，砂质泥岩、粉砂岩和中粒砂岩的岩石力学强度逐渐降低，细粒砂岩的岩石强度较高，岩石力学性质最为稳定；风化岩组虽与安定组为同一岩石组，但岩石经风化后的稳定性明显减弱，在巷道掘进时应着重加强井巷围岩支护强度.

(4)根据岩石力学测试，本区主要可采煤层顶板平均强度指数小于30 MPa，由《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类》(MT554-1996)方案，得出本区煤层顶板属于(Ι类)不稳定顶板，应注意加强顶板防护.