煤系巖石力學(xué)性質(zhì)差異的巖性效應(yīng)

楊文豐 田開(kāi)飛 黃丹 祝立亮 徐宏杰

摘 要：以淮南礦區(qū)煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)測(cè)試取得的大量數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，研究了煤層頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)的巖性效應(yīng)差異。結(jié)果表明：以細(xì)砂巖至粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖至砂質(zhì)泥巖為大致過(guò)渡界限，煤層頂?shù)装宀煌瑤r性的力學(xué)參數(shù)存在階梯狀突變，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、凝聚力與彈性模量隨顆粒減小而減小，泊松比隨顆粒變小而增大，內(nèi)摩擦角隨顆粒大小變化的趨勢(shì)不明顯，研究結(jié)果與前人所獲規(guī)律具有一致性。礦物成分變化、碎屑顆粒大小、接觸與支撐、膠結(jié)作用與類型是控制煤層頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)的巖性差異的主要內(nèi)因。

關(guān)鍵詞：力學(xué)性質(zhì)；巖性效應(yīng)；煤層頂?shù)装?；控制機(jī)制

煤系地層沉積巖主要由砂巖、泥巖、灰?guī)r等巖石構(gòu)成。不同巖性的的顆粒大小、礦物的成分以及巖石組成結(jié)構(gòu)等都有所不同，從而對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)有一定的影響。有關(guān)巖石力學(xué)特性研究早已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視且取得了許多研究成果[1-5]，主要是從巖石所處受力條件、賦存環(huán)境、含水性等影響因素方面開(kāi)展研究[6-9]，并對(duì)深部地層巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究[10-12]，而對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)差異起著決定作用的是巖石本身固有的巖性差異方面卻研究的較少[13-15]。為此，本文以淮南礦區(qū)含煤巖系不同巖性巖石的基本測(cè)試力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，分析了不同巖性的力學(xué)性質(zhì)差異規(guī)律，探討了影響煤系沉積巖力學(xué)性質(zhì)差異的內(nèi)在影響因素，以期對(duì)煤礦井下支護(hù)和地面瓦斯抽采鉆孔破壞的層位與巖性效應(yīng)研究提供一定理論依據(jù)。

1 煤層頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)巖性差異

1.1 樣品采集與參數(shù)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)所用巖石樣品采自淮南礦區(qū)丁集礦、顧北礦、顧橋礦、潘三礦、潘一礦以及張集礦煤系地層的粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、石英砂巖、以及泥巖等。為便于力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，根據(jù)礦物顆粒大小，進(jìn)一步將巖石劃分為粗、中、中細(xì)、細(xì)砂巖，粉砂、粉細(xì)砂和泥質(zhì)粉砂巖，砂質(zhì)泥巖和泥巖。

研究的巖石力學(xué)參數(shù)中，巖石變形參數(shù)泊松比v和彈性模量G是相互獨(dú)立的，可以通過(guò)三軸加載實(shí)驗(yàn)獲取得到。其他的巖石力學(xué)參數(shù)的機(jī)械強(qiáng)度參數(shù)，如抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和

凝聚力可以通過(guò)上述的兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)推導(dǎo)出來(lái) 。抗拉強(qiáng)度參數(shù)數(shù)據(jù)則需要另外進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得。本文數(shù)據(jù)來(lái)自于兩次獨(dú)立試驗(yàn)和多次數(shù)據(jù)計(jì)算。

1.2 巖石力學(xué)性質(zhì)的巖性效應(yīng)

試驗(yàn)結(jié)果表明（表1），砂巖的抗壓強(qiáng)度為27.0～150.525MPa，平均54.435MPa，抗拉強(qiáng)度1.02～4.22MPa，彈性模量8.412～43.93GPa，泊松比0.119～0.253，凝聚力5～21MPa，內(nèi)摩擦角29～42.0°；粉砂巖的抗壓強(qiáng)度為10.05～138.76MPa，平均38.610MPa，抗拉強(qiáng)度0.4～3.9MPa，彈性模量2.663～30.7GPa，泊松比0.078～0.325，凝聚力1.5～17MPa，內(nèi)摩擦角30～48°；泥巖的抗壓強(qiáng)度為9.4～122.412MPa，平均26.491MPa，抗拉強(qiáng)度0.16～3.64MPa，彈性模量2.038～48.21GPa，泊松比0.12～0.31，凝聚力1.2～15.5MPa，內(nèi)摩擦角25～45°。

不同巖性的巖石力學(xué)性質(zhì)差異較大，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)以砂巖為最大，平均值分別是54.435MPa和2.207MPa，泥巖最小，平均值為26.491MPa和0.895MPa。內(nèi)摩擦角各類巖性變化不明顯。但需要指出的是，不同巖性的同類力學(xué)參數(shù)存在重復(fù)與交叉，砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為27.04～150.525MPa，粉砂巖為10.05～138.76MPa，泥巖為9.4～122.412MPa。這些現(xiàn)象表明不同巖性的力學(xué)與巖性顆粒大小并非呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，巖性顆粒不是影響巖性力學(xué)性質(zhì)差異的唯一因素，巖石成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)成分，膠結(jié)類型和支撐類型等內(nèi)在因素和賦存環(huán)境、受力條件等外在因素同樣對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)存在影響。

1.2.1 巖石的機(jī)械強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比

巖石抵抗外力破壞的能力稱為巖石的機(jī)械強(qiáng)度，包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度，不同巖性的力學(xué)性質(zhì)有很大的不同。

從以上的試驗(yàn)成果可以看出（圖1、圖2；其中，①：粉砂、中砂、細(xì)砂巖，②：粉、粉細(xì)砂、泥質(zhì)粉砂巖，③：砂質(zhì)泥巖、泥巖；下同），巖性顆粒由粗變細(xì)，抗壓強(qiáng)度存在變小趨勢(shì)；特別是在較粗粒砂巖與泥巖比較變化明顯；抗拉強(qiáng)度反應(yīng)同樣趨勢(shì)，但部分砂泥巖互層抗壓強(qiáng)度低于砂質(zhì)泥巖。巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因?yàn)樵趬嚎s條件下，裂縫擴(kuò)展受阻止的機(jī)會(huì)比在拉伸條件下要多得多，決定抗拉強(qiáng)度的因素不只是巖石顆粒間的黏聚力，還有摩擦力。在拉伸條件下，試件中裂隙擴(kuò)展速率比壓縮時(shí)快，因?yàn)樵诶瓚?yīng)力場(chǎng)中，儲(chǔ)存能釋放速率隨裂隙尺寸微量增加而迅速增大，決定抗拉強(qiáng)度的因素主要是巖石顆粒的黏聚力。凝聚力與內(nèi)摩擦角是抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其隨巖性的變化趨勢(shì)如圖3和圖4所示。數(shù)據(jù)表明，凝聚力的變化比較明顯，隨顆粒由[16]大變小凝聚力減小，砂巖的凝聚力明顯大于泥巖，石英砂巖的凝聚力較大。各種巖性內(nèi)摩擦角的變化不明顯，反應(yīng)各類巖性顆粒之間相互摩擦需要克服顆粒表面粗糙不平而引起的滑動(dòng)摩擦和顆粒之間的嵌入與咬合產(chǎn)生的咬合摩擦程度相差不大，影響抗剪強(qiáng)度差異的主要是不同巖性的凝聚力不同，即影響抗剪強(qiáng)度的主要因素為顆粒間距離、粒徑大小、膠結(jié)程度。

1.2.2 巖石的變形參數(shù)的對(duì)比

在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，物體受外力作用產(chǎn)生全部變形，而除去外力后能夠立即恢復(fù)其原有的形狀和尺寸大小的性質(zhì)稱為彈性。巖石的彈性模量（E）和泊松比（μ）是描述巖石彈性變形、衡量巖石抵抗變形能力和程度的主要參數(shù)。通過(guò)對(duì)已有的巖石樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖5）表明：不同巖性的彈性模量變化范圍很大，隨顆粒由大變小而降低，變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和凝聚力變化趨勢(shì)一致；砂巖的彈性模量大于泥巖，其中砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖的彈性模量也較小。不同巖性泊松比變化范圍較小，與前述巖石力學(xué)參數(shù)變化趨勢(shì)相反，隨顆粒減小呈階梯狀增大趨勢(shì)，但變化范圍較?。▓D6）。

2 巖性對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的控制機(jī)制

影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素除與受力條件和賦存環(huán)境等外在因素有關(guān)外，巖石的沉積環(huán)境和沉積特征（物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造）等內(nèi)在因素起決定性的作用[17]。巖性對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的控制實(shí)質(zhì)是巖石的成分和結(jié)構(gòu)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的控制，主要與巖石礦物成分（主要為石英與粘土礦物相對(duì)含量）、顆粒大小、形態(tài)與結(jié)構(gòu)、膠結(jié)特性等因素有關(guān)。隨石英含量增高，巖石強(qiáng)度變大；隨顆粒減小，強(qiáng)度增高；抗壓強(qiáng)度隨孔隙率增加而減少[18，19]。抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、凝聚力、彈性模與泊松比隨碎屑顆粒變化呈現(xiàn)兩次明顯的階梯躍變，分別在碎屑顆粒由大到小分別至細(xì)砂巖向粉砂巖過(guò)渡、泥質(zhì)粉砂巖向砂質(zhì)泥巖過(guò)渡階段迅速減小，表現(xiàn)為“粒徑軟化”特性[20]。巖性力學(xué)性質(zhì)的規(guī)律性變化，實(shí)質(zhì)受顆粒碎屑成分與結(jié)構(gòu)控制。對(duì)于砂巖來(lái)說(shuō)，顆粒組分主要為石英，而長(zhǎng)石、巖屑等含量較小，而石英是一種高強(qiáng)度剛性礦物；同時(shí)碎屑顆粒的減少意味著雜基物質(zhì)含量的增加，顆粒成分不再構(gòu)成巖石的骨干，顆粒接觸逐漸向凸凹接觸、線接觸和點(diǎn)接觸過(guò)渡，支撐結(jié)構(gòu)由顆粒支撐向雜基支撐結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，膠結(jié)類型由鑲嵌式膠結(jié)、接觸式膠結(jié)、孔隙式膠結(jié)向基底式膠結(jié)過(guò)渡，使得顆粒間承受接觸力并在其內(nèi)部相互傳遞的能力減弱。隨著粒度進(jìn)一步變細(xì)，粘土礦物含量與云母含量增多，顆粒之間基本由雜基支撐，變形主要表現(xiàn)為粘性、塑性和粘彈塑性，則巖石的力學(xué)強(qiáng)度和剛度降低。

3 結(jié)論

（1）以細(xì)砂巖至粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖至砂質(zhì)泥巖為大致過(guò)渡界限，煤層頂?shù)装宀煌瑤r性的力學(xué)參數(shù)存在階梯狀突變，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、凝聚力與彈性模量隨顆粒減小而減小，泊松比隨顆粒變小而增大，內(nèi)摩擦角隨顆粒大小變化的趨勢(shì)不明顯。

（2）隨煤層頂?shù)装鍘r性變化，巖石力學(xué)性質(zhì)的階段式躍變呈現(xiàn)“粒徑軟化”，主要受控于巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)。石英和粘土礦物含量、顆粒大小、顆粒接觸與支撐結(jié)構(gòu)、膠結(jié)作用與類型是控制煤層頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)巖性差異的主要內(nèi)因。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41402140），安徽省自然科學(xué)基金（1408085QE88），安徽理工大學(xué)大學(xué)生科研項(xiàng)目（ZY1404），安徽理工大學(xué)省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目聯(lián)合資助。

作者簡(jiǎn)介：楊文豐（1993—），男，本科，安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)大四學(xué)生。