永川煤礦須六段砂巖力學(xué)性質(zhì)與沖擊傾向性實(shí)驗(yàn)研究

郭臣業(yè)，鮮學(xué)福，萬亮亮，張昌勇，王培，汪小華

(1.重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030;

2.重慶永榮礦業(yè)有限公司永川煤礦，重慶 402194;3.重慶永榮礦業(yè)有限公司曾家山煤礦，重慶 402465;4.四川省攀枝花市仁和區(qū)煤炭管理局，四川攀枝花 617081)

永川煤礦須六段砂巖力學(xué)性質(zhì)與沖擊傾向性實(shí)驗(yàn)研究

郭臣業(yè)1，鮮學(xué)福1，萬亮亮2，張昌勇2，王培3，汪小華4

(1.重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030;

2.重慶永榮礦業(yè)有限公司永川煤礦，重慶 402194;3.重慶永榮礦業(yè)有限公司曾家山煤礦，重慶 402465;4.四川省攀枝花市仁和區(qū)煤炭管理局，四川攀枝花 617081)

為了認(rèn)識(shí)永川煤礦三疊紀(jì)上統(tǒng)須家河六段(T3xj6)地層砂巖的力學(xué)性質(zhì)和沖擊傾向性，以美國(guó)MTS815巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)作為動(dòng)力設(shè)備，對(duì)砂巖力學(xué)性質(zhì)和沖擊傾向性進(jìn)行了測(cè)試，并利用Origin7.5中的面積工具箱對(duì)沖擊傾向性指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，避免了曲線下面積計(jì)算不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:永川煤礦T3xj6砂巖具有楊氏模量較低、強(qiáng)度不高、變形曲線上的塑性變形表現(xiàn)不明顯的力學(xué)特性;T3xj6砂巖具有沖擊傾向性，但是沖擊傾向性整體上較弱，局部有強(qiáng)烈沖擊傾向性。研究結(jié)論為永川煤礦延深工程過三疊紀(jì)上統(tǒng)須家河六段(T3xj6)砂巖體發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的治理工作提供了理論基礎(chǔ)。

延深工程;砂巖;巖石力學(xué);沖擊傾向性

0 前言

在我國(guó)一些深部煤礦礦井，沖擊地壓、巖爆等問題已成為制約深部開采的關(guān)鍵難題［1－2］。重慶永榮礦業(yè)有限公司永川煤礦屬于大采深、高地應(yīng)力、高瓦斯礦井，核定生產(chǎn)能力42wt/a，該礦－600m水平延深工程系重慶市能源投資集團(tuán)的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，延深區(qū)域沿傾斜方向在－500～－700m之間，采用暗斜井開拓方式。永川煤礦延深工程(兩掘進(jìn)工作面)過三疊紀(jì)上統(tǒng)須家河組六段(T3xj6)砂巖體時(shí)發(fā)生了巖爆、地鼓、片幫等現(xiàn)象，給延深工作帶來巨大影響和潛在威脅。治理永川煤礦穿過T3xj6砂巖體巖巷掘進(jìn)時(shí)遇到的動(dòng)力災(zāi)害，需要了解砂巖力學(xué)性質(zhì)與圍巖沖擊傾向性，本文以永川煤礦T3xj6的砂巖為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了砂巖的力學(xué)性質(zhì)和沖擊傾向性。

1 砂巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

1.1 砂巖的取樣、試件加工及實(shí)驗(yàn)

2009年7月進(jìn)行了井下取樣，試樣取自永川煤礦－600m延深工程遇到T3xj6的砂巖層，采樣地點(diǎn)為－600m延深絞車房(A)、－600m延深工程主井(B)、－600m延深工程副井(C)。為盡可能降低因天然巖石試樣個(gè)體差異造成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散性，在比較完整無節(jié)理的砂巖塊體上采取密鉆提取巖芯，且以自然位置最為臨近的試樣進(jìn)行分組。采用濕式法將所采集巖樣加工成Φ50 mm×100 mm(單軸抗壓、三軸強(qiáng)度、抗沖擊傾向性用)、Φ50 mm×25 mm(劈裂試驗(yàn)用)的圓柱體試件和50 mm×50 mm×100 mm(聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)用)的立方體試件，其加工精度滿足國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議的試驗(yàn)規(guī)范要求，加工成型后保持自然干燥狀態(tài)。

砂巖力學(xué)性質(zhì)和沖擊傾向性試驗(yàn)以美國(guó)MTS815巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)(圖1)作為動(dòng)力設(shè)備，該試驗(yàn)機(jī)具有軸向剛度大、測(cè)試精度高、性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)巖石材料的在單軸、三軸、循環(huán)、蠕變等條件下的力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中用到的其它設(shè)備還有聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.2.1 砂巖物理力學(xué)性質(zhì)

本文所研究的砂巖力學(xué)性質(zhì)包括堅(jiān)固性系數(shù)f、抗壓強(qiáng)度σc、抗拉強(qiáng)度σt、彈模E、泊松比μ、內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ和σc/σt。按照原煤炭工業(yè)部頒布的“煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程”(MT38～50－80)的要求在MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試［3］。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取A、B、C三處巖樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值，結(jié)果見表1。

圖1 美國(guó)MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 US-made MTS815 rock testing machine

表1 T3xj6砂巖物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical mechanical properties of T3xj6sandstone

1.2.2 T3xj6砂巖的變形特性與聲發(fā)射的特征

對(duì)砂巖進(jìn)行單軸實(shí)驗(yàn)時(shí)，在巖石試件上粘貼聲發(fā)射探頭可以測(cè)得砂巖單軸破壞過程中聲發(fā)射特征參數(shù)(振鈴數(shù)及累計(jì)振鈴數(shù)、聲發(fā)射強(qiáng)度和能量)。

圖2中顯示砂巖在單軸荷載條件下，應(yīng)力－應(yīng)變曲線近似線彈性體受載的變形曲線，沒有明顯的孔隙壓密階段和屈服階段，達(dá)到峰值強(qiáng)度后砂巖承載力急劇下降。結(jié)合表1可以得出如下結(jié)論:永川砂巖的楊氏模量、強(qiáng)度一般不高，且具脆性性質(zhì)，沒有明顯的屈服點(diǎn)，塑性變形不明顯。圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明砂巖破壞時(shí)AE振鈴數(shù)增幅最大，第一個(gè)峰值表示砂巖破壞的Kaiser點(diǎn)，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在巖石最大強(qiáng)度時(shí)，此時(shí)聲發(fā)射數(shù)目最多。按照WANG H T應(yīng)用聲發(fā)射測(cè)試地應(yīng)力的理論［4］，可以計(jì)算出地應(yīng)力沿巖樣軸向方向上的值為38.81MPa，這說明地層環(huán)境中的地應(yīng)力是非常高的。

圖2 砂巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線Fig.2 Stress-strain full process curve of sandstone under uniaxial compressure

圖3 砂巖單軸壓縮破壞過程聲發(fā)射撞擊數(shù)-軸向力－時(shí)間曲線Fig.3 Hits-stress-time curves of sandstone under uniaxial compressure

這種性質(zhì)的砂巖在單軸荷載條件下沒有明顯的屈服階段，能夠積聚更多的能量，當(dāng)不能緩慢釋放能量時(shí)易發(fā)生巖爆等巖石動(dòng)力現(xiàn)象。在復(fù)雜應(yīng)力條件下，當(dāng)側(cè)向應(yīng)力很高時(shí)，由上述性質(zhì)砂巖組成的深部巷道圍巖易發(fā)生脆性－延性轉(zhuǎn)化［5］。這種轉(zhuǎn)化進(jìn)行到一定程度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)局部或區(qū)域失穩(wěn)現(xiàn)象，為巖爆、巖石突出等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生提供條件。

2 砂巖沖擊傾向性研究

2.1 煤巖沖擊傾向性理論

描述煤巖體沖擊現(xiàn)象的理論模型較多［6－7］，隨著研究的深入和現(xiàn)代非線性科學(xué)的發(fā)展，一些學(xué)者嘗試由單因素理論轉(zhuǎn)向用綜合因素理論、非線性理論解釋沖擊地壓機(jī)理，并取得了一些成果［8］。在實(shí)際工程應(yīng)用中，多采用沖擊傾向性指標(biāo)來判斷煤巖沖擊傾向性的強(qiáng)弱。衡量礦巖沖擊傾向性的指標(biāo)很多，可分為能量指標(biāo)(如彈性能量指數(shù)WET、沖擊能量指標(biāo)KE)、時(shí)間指標(biāo)(如動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT)、形變指標(biāo)(如彈性變形指標(biāo)DE)以及剛度指標(biāo)(如剛性比指標(biāo)KB)。這些指標(biāo)的特點(diǎn)是易于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得，其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)離散度較大，且易受試驗(yàn)條件影響，采用兩種或以上指標(biāo)評(píng)價(jià)巖體傾向性可以避免預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確性。其中，WET和KE指標(biāo)是國(guó)內(nèi)外較為流行的一種沖擊傾向性指標(biāo)，且我國(guó)已經(jīng)將該指標(biāo)列為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本研究因此選用WET和KE指標(biāo)來衡量永川煤礦T3xj6的砂巖沖擊傾向性。

2.2 T3xj6砂巖沖擊傾向性試驗(yàn)機(jī)結(jié)果分析

分別對(duì)A、B、C三處的巖樣進(jìn)行沖擊傾向性試驗(yàn)，試驗(yàn)按照MT/T174－2000標(biāo)準(zhǔn)［9］建議的方法在MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。

在計(jì)算WET和KE指標(biāo)時(shí)，采用Origin7.0中的面積工具箱，計(jì)算方法:將應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin7.0中，生成應(yīng)力應(yīng)變曲線，然后點(diǎn)擊Anslysis＞Calculus ＞Integrate，即可得到曲線與X軸圍成的面積。利用Origin7.0的面積工具箱計(jì)算面積，其基本思想是將計(jì)算數(shù)據(jù)曲線對(duì)x軸積分，能夠有效避免曲線下面積計(jì)算不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。

(1)WET指標(biāo)計(jì)算

WET用公式(1)計(jì)算，計(jì)算示意圖如圖4所示。

WET——彈性能量指數(shù);

S1——彈性應(yīng)變能，其值為卸載曲線下面積(cm2);

S2——塑形應(yīng)變能，其值為加載曲線和卸載曲線所包括的面積(cm2)。

WET計(jì)算結(jié)果見表2:

按MT/T174－2000的規(guī)定，WET＜2時(shí)無沖擊傾向性，2≤WET＜5具有弱沖擊傾向性，WET≥5具有強(qiáng)烈沖擊傾向性，由表2中數(shù)據(jù)可知，永川煤礦T3xj6的砂巖總體上具有弱沖擊傾向性，局部有強(qiáng)沖擊傾向性(WET≥5)。

(2)KE指標(biāo)計(jì)算

KE用公式(2)計(jì)算，計(jì)算示意圖如圖5所示。

KE——沖擊能量指數(shù);

AS——峰值前積聚的變形能;

AX——峰值后損耗變形能。

AS的值等于OC曲線下的面積，AX的值等于CD曲線下的面積。

表2 WET指數(shù)表Table 2 Table of Index WET

圖4 WET指數(shù)計(jì)算示意圖Fig.4 Computation schematic diagram for index WET

圖5 KE指數(shù)計(jì)算示意圖Fig.5 Computation schematic diagram of KE

KE計(jì)算結(jié)果見表3:

按照沖擊傾向性分類標(biāo)準(zhǔn)KE＜1.5時(shí)具有弱沖擊傾向性，1.5≤KET＜5具有弱沖擊傾向性，KET≥5具有強(qiáng)烈沖擊傾向性，由表3中數(shù)據(jù)可知，永川煤礦T3xj6的砂巖總體上具有弱沖擊傾向性，局部接近強(qiáng)沖擊傾向性。

表3 KE指數(shù)表Table 3 Table of Index KE

從以上兩個(gè)指標(biāo)的試驗(yàn)值可以看出，WET指標(biāo)和KE指標(biāo)具有一致性，這也說明了取樣地點(diǎn)的砂巖沖擊傾向性分布較均勻。試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映了永川煤礦T3xj6的砂巖總體上為弱沖擊傾向性，局部有較強(qiáng)的沖擊傾向性。沖擊傾向性是礦巖產(chǎn)生沖擊地壓的固有屬性，決定了其產(chǎn)生沖擊破壞的能力，是發(fā)生沖擊破壞的內(nèi)因。

3 結(jié)論與建議

(1)永川煤礦T3xj6的砂巖具有楊氏模量較低、強(qiáng)度不好、變形曲線上的塑性變形表現(xiàn)不明顯的力學(xué)特性;

(2)永川煤礦T3xj6的砂巖具有沖擊傾向性，但是沖擊傾向性整體上較弱，局部有強(qiáng)烈沖擊傾向性;

(3)巖巷掘進(jìn)經(jīng)過T3xj6的砂巖體時(shí)，應(yīng)按照《煤礦安全規(guī)程》的要求做好預(yù)防沖擊地壓、巖爆等動(dòng)力災(zāi)害的準(zhǔn)備工作，并加強(qiáng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

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［9］MT/T174－2000，煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測(cè)定方法(S).

Abstract:In order to understand the mechanical characteristics and burst－prone nature of Upper Triassic Xujiahe (T3xj6)sandstone in Yongchuan coal mine，experiments were conducted using MTS815 rock testing system made in US.Indexes of burst－prone were analyzed using the area tool in Origin7.5，which avoided the shortcomings of low precision in area calculation under peak.Results of the experiments indicated that the T3xj6sandstone has low mechanical characteristics，showing a low Young’s modulus，medium strength and plastic deformation.T3xj6sandstone was burst－prone，but normally fair and locally intensive.The research provided a theoretical basis for hazard treatment of T3xj6sandstone in Yongchuan coal mine.

Key words:deep expansion project;sandstone;failure mechanics;burst－prone

Mechanical characteristics and burst-prone experiments of T3xj6sandstone in Yougchuan coal mine

GUO Chen－ye1，XIAN Xue－fu1，WAN Liang－liang2，ZHANG Chang－yong2，WANG Pei3，WANG Xiao－h(huán)ua4
(1.College of Resources and Environmental Sciences，Chongqing University，Chongqing400044，China; 2.Yongchuan coal mine，Yongrong mining industry Co.Ltd.，Chongqing，Yongchuan402194，china; 3.Zengjiashan coal mine，Yongrong mining industry Co.Ltd.，YChongqing，Yongchuan402465，china; 4.Coal administmtion of Renhe of Panzhihua，Sichuan，Panzhihua617081，china)

1003－8035(2010)01－0094－04

TD713+.2;P642.3

A

2009－08－31;

2009－10－08

郭臣業(yè)(1980—)，男，博士，主要從事礦山巖石力學(xué)、礦山安全技術(shù)及工程方面的研究。

E－mail:gcyer@yahoo.com.cn/guocy@cqu.edu.cn