鄂尔多斯盆地南部侏罗系杂色泥岩特征及形成机制
郭小铭1，2，3, 刘英锋1，2，3, 郭康1，2，3, 武晓适4
作者简介
郭小铭，山西吕梁人，博士，副研究员。现任中煤科工西安研究院（集团）有限公司煤矿灾害防控全国重点实验室水害防治分实验室副主任，中国煤科“菁英双百人选”青年拔尖人才，中国职业安全健康协会青年工作委员会专家，中国煤炭学会科学家传播专家，《煤田地质与勘探》《矿业安全与环保》青年编委，西安研究院矿山水害防治与水资源保护创新团队（2022年中煤协创新团队）核心成员。主要从事矿山水害防治与水资源保护理论技术研究与工程实践，主持/参与国家重点研发计划等纵向科研项目12项、企业大型横向科研项目20余项，获省部级科技奖励11项，授权发明专利10件，发表论文30余篇，参与出版专著2部，获2024年度煤炭青年科技奖等。
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摘要
鄂尔多斯盆地南缘旬耀矿区局部侏罗系地层发育有杂色泥岩，胶结松散且遇水易崩解，严重影响区域内煤矿建设并威胁矿井安全，需对其微观结构和力学特征进行研究。采用XRD和SEM测试方法，分析泥岩岩矿组成及遇水微观结构变化。开展泥岩崩解、膨胀试验研究杂色泥岩的整体崩解性和膨胀特征。试验结果表明，侏罗系杂色泥岩岩矿组成以石英、伊利石和高岭石为主，原始状态结构较稳定但遇水后形成大量微裂隙导致微观结构发生变化。泥岩试样遇水后4 min内崩解率可达98%，属于极易崩解岩层且具有良好的膨胀性能。利用元素分析与沉积环境分析，推测矿区内局部沉积的杂色泥岩是由于沉积过程中水体动荡导致地层沉积环境变化与后期风化共同作用的结果。研究成果揭示了矿区范围内照金煤矿发生采煤工作面顶板重大泥砂溃涌事故的物质来源，可为区内同类灾害防治过程中顶板岩性特征研究提供依据。
主要内容
通过室内岩样测试和微观结构观测，开展煤层顶板侏罗系泥岩岩矿成分分析、微观结构测试、崩解试验和膨胀试验，研究鄂尔多斯盆地南缘煤层顶板典型杂色泥岩的结构和力学性质，揭示泥岩遇水结构松散和崩解特性。结合元素分析方法研究杂色泥岩的沉积环境与易崩解特征的成因，为区域内煤矿顶板泥砂溃涌灾害评价与防治提供基础。
1. 研究区概况
图 1 研究区位置及井田揭露杂色泥岩的钻孔分布
图 2 侏罗系杂色泥岩地层
图 3 照金井田侏罗系地层走向剖面示意图
2. 试验手段与方法
2.1 样品采集
表 1 专项测试及室内试验采样序号
2.2 岩矿组成及微观结构观察
1) XRD岩矿成分分析
2) SEM测试
2.3 崩解性能试验
图 4 3号试样崩解性试验
2.4 膨胀性能试验
3. 试验结果与分析
3.1 岩矿组成及微观结构测试结果
3.1.1 XRD岩矿组成分析结果
表 2 岩矿组分测试结果
图 5 泥岩砂岩试样主要成分对比
3.1.2 SEM测试结果
图 6 1号试样扫描电镜结果(中砂岩)
图 7 3号试样扫描电镜结果
图 8 其他试样遇水风干放大100倍扫描电镜结果
3.2 崩解性试验结果
表 3 第一组试样耐崩解指数计算结果
表 4 第二组试样耐崩解指数计算结果
图 9 各试样的崩解速率—时间变化关系
3.3 膨胀力测试结果
图 10 泥岩试样膨胀力—时间关系曲线
表 5 各试样膨胀力值统计
3.4 杂色泥岩特征分析
4. 杂色泥岩成因分析
4.1 杂色泥岩颜色差异成因
图 11 元素分析结果
4.2 泥岩结构特征成因
5. 结论
1) 旬耀矿区照金煤矿揭露的杂色泥岩地层以高岭石和伊利石为主，原始状态下微观结构较为完整，遇水出现大量孔隙、微裂隙结构。
2) 杂色泥岩平均耐崩解指数为6.94%，在4 min左右几乎完全崩解，耐崩解性受尺寸因素控制较弱。同时，泥岩具备良好的膨胀性能，最大膨胀力为55.0 kPa，平均膨胀力41.4 kPa。遇水后微观结构被破坏并表现出的强崩解性，在煤层回采过程中给顶板管理造成较大困难。
3) 综合测试结果和沉积环境，杂色泥岩的形成是由于沉积环境受湖盆/河流水深度变化而出现氧化、还原的交替变化，从而表现为颜色多样、胶结程度差的特征。
郭小铭, 刘英锋, 郭康, 武晓适. 鄂尔多斯盆地南部侏罗系杂色泥岩特征及形成机制[J]. 矿业安全与环保, 2024, 51(6): 130-137.
GUO Xiaoming, LIU Yingfeng, GUO Kang, WU Xiaoshi. Characteristics and formation mechanism of Jurassic variegated mudstone in the southern Ordos Basin[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2024, 51(6): 130-137.
供稿：陈玉涛
审核：熊云威
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