0 引 言
山西晋城地区所属矿井目前开采15号煤层，该煤层原煤硫分为2～5%，浮煤硫分为2～4.5%，主要含有机硫和硫化物硫，为中高—高硫煤，煤层直接顶板多为K2灰岩，矿井采掘活动后会生成大量pH为2～5的酸性矿井水。基于酸性矿井水对K2灰岩断裂面结构进行定量分析，可以为酸性矿井水对煤岩体摩擦滑动稳定性的影响研究提供理论参考。
酸性矿井水对矿井的采掘活动影响较大，许光泉[1]等对四台矿4号煤层掘进工作面矿井水进行了分析，指出该矿井水为酸性矿井水，pH为
浓度大，导致金属网大面积破断，严重影响掘进工作面的锚网支护工程质量。张良等[2]就酸性矿井水对巷道支护材料的危害进行了分析，在酸性水的作用下8 h内锚杆直径可以减少1 mm。孙立勤[3]在研究酸性矿井水危害的过程中，指出pH<4的酸性矿井水具有较强的腐蚀性，主要表现在对掘进面支护材料、采面设备、运输设备和管道等腐蚀破坏方面。支护材料是影响煤岩体顶板摩擦滑动稳定性的外在因素，矿井水作用下煤岩体断裂面是影响煤岩体摩擦滑动稳定性的内在因素。岩石摩擦滑动的位移[4-6]、本构参数[7]、变形演化[8-11]等物理力学性质均与其断裂面相关。翟英达等[12]对煤系地层细、中和粗3类砂岩煤岩体的断裂面力学参数和摩擦性质进行了研究，指出断裂面的摩擦角约为30°，摩擦系数与该断裂面的法向应力呈反比关系。杨健锋等[13]对不同程度水损伤作用对泥岩的断裂特性进行了研究，得出随着水浸泡时间的增加，泥岩的断裂破坏由脆性逐渐转变为延性。罗丽等[14]在热水条件下对辉长岩35°锯开面的摩擦滑动稳定性进行了研究，指出在温度高于400 ℃时，锯开面表面的斜长石和辉岩对辉长岩的摩擦滑动性质影响较大，从速度弱化逐渐向速度强化转移。任凤文等[15]在热水条件下对花岗质糜棱岩锯开面的摩擦滑动稳定性进行了研究，指出在100～600 ℃，以300 ℃为拐点，小于300 ℃时糜棱岩锯开面的摩擦强度与温度升高呈正比关系,大于300 ℃时糜棱岩锯开面的摩擦强度与温度升高呈反比关系。陈瑜等[16]对大理岩、含辉橄榄岩、二辉橄榄岩、斜长角闪岩和混合岩等岩石在水岩作用下抛光面表面形貌进行了研究，分析了水岩作用前后岩石抛光面的形貌变化，指出岩石表面形貌中的高度离散性、偏离基准面程度、粗糙度等均增加。曹平等[17]从分形维数角度对水岩作用前后岩石节理面的表面形貌进行了表征，指出在20～80 ℃，以60 ℃为拐点，小于60 ℃时，分形维数的变化量与温度升高呈正比,大于60 ℃时，与温度升高呈反比。郭玉良等[18]采用扫描电镜和X射线衍射方法对矿井水作用前后底板砂岩的表面形貌进行了表征，指出在矿井水作用下砂岩表面微观裂隙发育，矿物晶体结构的完整性降低。韩文梅等[19-20]指出，煤岩体的组成矿物在其摩擦滑动面形成具有不同粒度和孔隙率的表面形貌，表现为不同形状的微凸体，表面形貌表征是煤岩体断裂面和其摩擦滑动稳定性研究的基础内容。上述研究主要是基于酸性矿井水对采掘面的金属材料及设备进行了研究，而基于酸性矿井水对煤岩体顶板断裂面进行分析，进而对煤岩体摩擦滑动稳定性影响的研究则相对较少。在采掘活动影响下煤岩体发生断裂形成断裂面，该断裂面在酸性矿井水的腐蚀作用下导致煤岩体的摩擦滑动稳定性发生变化。
以晋城地区15号煤层直接顶板K2灰岩作为研究对象，采用表面形貌仪对酸性矿井水作用前后K2灰岩抛光面的表面形貌进行测试，基于粗糙度和粒度角度分析矿井水对K2灰岩抛光面形貌的影响。
1 试验岩样及测试方法
试验岩样为K2灰岩，采自晋城煤业15102工作面运输巷350 m处顶板。该处位置K2灰岩顶板岩溶裂隙发育，煤层原煤全硫质量分数为3.8%，黄铁矿晶体结晶现象普遍，有明显的刺激气味。矿井水呈酸性，pH为2，为典型酸性矿井水。在实验室加工K2灰岩样，将其切割成50 mm×50 mm×50 mm的立方体，选取1个面作为抛光面，采用500号抛光聚氨酯片进行抛光处理。
采用型号为ST400的NANOVEA三维非接触式表面形貌仪对试验岩样表面形貌进行测量，仪器测量范围20 mm×20 mm，扫描步长0.1 μm，扫描速度20 mm/s，Z轴方向测量范围27 mm，Z轴方向测量分辨率2 nm。测试时扫描区域为10 mm×10 mm。表征后采用自配酸性矿井水对试验岩样表面进行侵蚀，时间分别为10、20 d，对侵蚀后的试验岩样表面形貌分别进行测量，得到侵蚀前、浸泡10 d和浸泡20 d的试验岩样表面形貌。
2 试验结果及其分析
2.1 试验岩样表面形貌粒度分布
图1为酸性矿井水作用前后试验岩样的抛光面形貌。对酸性矿井水作用前后试验岩样抛光面进行分析，图2为与图1相对应的试验岩样抛光面粒度分布等高线。
图1 酸性矿井水作用前后试验岩样抛光面形貌
Fig.1 Surface topography of polished samples before and after action of acid mine drainage
图2 酸性矿井水作用前后试验岩样抛光面粒度分布等高线
Fig.2 Contour of particle size distribution of polished surface before and after action of acid mine drainage
基于图2，对酸性矿井水作用前后试验岩样抛光面表面粒度进行分析，图3为试验岩样抛光面表面粒度的计数分布曲线。由图3可知，酸性矿井水作用前，试验岩样抛光面颗粒粒径为13.0～18.5 μm；酸性矿井水作用10和20 d后，其颗粒粒径分别为18～28 μm和15.5～25.0 μm。酸性矿井水作用前粒径为17 μm的抛光面颗粒为25个/mm2，粒径为18 μm的抛光面颗粒为42个/mm2；酸性矿井水作用10 d后，粒径为20～22、22～23和23～25 μm的抛光面颗粒数分别为10、27和8个/mm2；酸性矿井水作用20 d后，粒径为20～21、21～23和23～24 μm的抛光面颗粒分别为13、20和15个/mm2。随着酸性矿井水侵蚀时间的增加，抛光面颗粒粒径颗粒最大分布依次为42、27和20个/mm2，呈减少趋势。
图3 酸性矿井水作用前后岩样抛光面粒度计数分布
Fig.3 Particle count distribution of polished surface before and after action of acid mine drainage
2.2 试验岩样表面形貌粗糙度分析
依据试验岩样的表面形貌得到轮廓支承长度率，由Abbott-Firestone曲线得到平均高度Rc、峰高度Rp和谷深度Rv等粗糙度参数。图4为酸性矿井水作用前后试验岩样抛光面的Abbott-Firestone曲线，横坐标为轮廓支承长度率Tp，纵坐标为标准化高度C，其中：
C=η(x,y)/Rq
式中：η(x,y)为轮廓偏差，Rq为均方根偏差。
图4 酸性矿井水作用前后试验岩样抛光面tp-c曲线
Fig.4 Tp-c curve of samples before and after action of acid mine drainage
Abbott-Firestone曲线同轮廓算术平均中线，用来描述试验岩样抛光面形貌的轮廓形状，对曲线进行量化分析，得到酸性矿井水作用前后试验岩样抛光表面的轮廓均方根偏差Rq、轮廓平均高度Rc、峰高度Rp、谷深度Rv和轮廓最大高度Rz等5个粗糙度参数。图5为酸性矿井水作用前后试验岩样抛光面表面粗糙度参数变化曲线。
由图5知，酸性矿井水作用前后轮廓均方根偏差Rq为1.263～1.925 μm，轮廓平均高度Rc为0.913～1.417 μm，呈增加趋势，但变化范围较小，即酸性矿井水对这2个粗糙度参数影响较小；峰高度Rp为6.46～15.99 μm，谷深度Rv为16.40～21.81 μm，轮廓最大高度Rz为22.869～37.800 μm，随着酸性矿井水作用时间的增加，这3个轮廓粗糙度参数分别增加了147%、33%和65.3%。
图5 酸性矿井水作用前后岩样抛光面表面粗糙度参数变化
Fig.5 Roughness of polished surface of samples before and after action of acid mine drainage
2.3 酸性矿井水对岩样抛光面表面形貌影响分析
K2灰岩的主要成分为方解石，化学式为CaCO3，呈中性。晋城地区15号煤层的酸性矿井水主要为硫酸，K2灰岩和硫酸发生反应，生成硫酸钙，反应式为
CaCO3+H2SO4=CaSO4↓+H2O+CO2↑
化学反应产生CO2气体，表现为产生大量气泡。在实验室，K2灰岩和酸性矿井水发生的化学反应为静态，生成的CaSO4不溶于水，其吸附在试验岩样抛光表面，阻止反应继续进行。吸附在试验岩样抛光表面的CaSO4对试验岩样抛光面表面形貌影响较大。在矿井的采煤和掘进巷道，酸性矿井水是流动的，K2灰岩顶板也会不断产生新的断裂面，化学反应生成的CaSO4随着矿井水流动到水仓，不会吸附在K2灰岩顶板的断裂面，化学反应在持续发生。因此，在矿井巷道工程中，酸性矿井水对K2灰岩顶板断裂面的侵蚀性远比试验室严重，对其顶板巷道围岩的稳定性影响也较大。另一方面，化学反应生成的CaSO4随着矿井水流动到水仓，不会吸附在K2灰岩顶板的断裂面，导致实验室测得的酸性矿井水侵蚀后试验岩样抛光面表面的粒度和粗糙度参数，比矿井工程中新产生的断裂面被酸性矿井水侵蚀后其粒度和粗糙度偏大，这些都对工程中煤岩体摩擦滑动稳定性产生重要的影响。
3 结 论
1)酸性矿井水作用前后，K2灰岩抛光面颗粒粒径分布范围分别为13.0～18.5、18～28和15.5～25.0 μm；随着酸性矿井水侵蚀时间的增加，其抛光面颗粒粒径颗粒数最大依次为42、27和20个/mm2，呈减少趋势。
2)酸性矿井水作用后，K2灰岩抛光表面粗糙度中的轮廓均方根偏差Rq为1.263～1.925 μm，轮廓平均高度Rc为0.913～1.417 μm，变化范围较小，表明酸性矿井水作用对这2个粗糙度参数影响较小；而对峰高度Rp、谷深度Rv和轮廓最大高度Rz影响较大，分别增加了147%、33%和65.3%。
3)酸性矿井水对K2灰岩抛光面表面形貌影响的原因是酸性矿井水中的硫酸和K2灰岩中的主要成分CaCO3发生化学反应，生成硫酸钙和二氧化碳气体，导致K2灰岩抛光面形貌发生变化。
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