煤層上覆巖層力學(xué)性質(zhì)隨賦存深度變化試驗(yàn)

李鵬波，王金安1

（1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，100083北京；2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)），221116江蘇徐州）

煤層上覆巖層力學(xué)性質(zhì)隨賦存深度變化試驗(yàn)

李鵬波1，2，王金安1

（1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，100083北京；2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)），221116江蘇徐州）

為獲得煤層上覆巖層力學(xué)性質(zhì)隨賦存深度變化的規(guī)律，鉆孔選取從地表到煤層的所有完整巖石，通過(guò)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)獲取相應(yīng)力學(xué)參數(shù).試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣的天然密度、抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量等隨著賦存深度增加而增大，吸水率、泊松比隨著賦存深度增加而減小；試樣力學(xué)性質(zhì)除了與賦存深度有關(guān)外，還與巖性有直接關(guān)系；試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性隨著賦存深度增加而增大.造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性的原因除構(gòu)造應(yīng)力、煤層采動(dòng)及溫度影響外，主要是砂巖等沉積巖試樣內(nèi)部顆粒隨著應(yīng)力解除而重新耦合.

巖體力學(xué)參數(shù)；賦存深度；試驗(yàn)研究；離散性；顆粒耦合

隨著人類(lèi)活動(dòng)向地下空間發(fā)展，地下工程災(zāi)害也日益加劇［1－2］，謝和平［3］認(rèn)為地下巖石力學(xué)性質(zhì)（如彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等）和地表有很大不同，是造成工程災(zāi)害的主要原因.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同賦存深度下的巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究.Paterson［4］的試驗(yàn)表明，單軸狀態(tài)下的脆性巖石在高圍壓條件下轉(zhuǎn)為延性破壞；姜晨光等［5］和景峰等［6］分別通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)花崗巖的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)都隨巖體賦存深度增大而增大；仵彥卿［7］通過(guò)某油田地層巖樣室內(nèi)三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石孔隙率隨地層深度增加而減??；周宏偉等［8－9］通過(guò)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，揭示了玄武巖的力學(xué)性質(zhì)隨賦存深度變化的規(guī)律；滿軻等［10］對(duì)不同賦存深度巖石的動(dòng)態(tài)斷裂韌性與拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究.但是實(shí)驗(yàn)室研究多是模擬理想狀態(tài)下的賦存條件，忽略了巖石結(jié)構(gòu)和地層構(gòu)造等因素的變化.進(jìn)行不同實(shí)際賦存深度下巖石力學(xué)研究對(duì)于分析工程災(zāi)害事故機(jī)理和保證礦山開(kāi)采等生產(chǎn)活動(dòng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

本文通過(guò)勘探鉆孔選取從地表到煤層的所有完整巖石進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，進(jìn)而得到煤層上覆巖層在不同賦存深度上的力學(xué)性質(zhì).勘探鉆孔位于華亭煤田硯北煤礦，終孔靠近采空區(qū)，對(duì)鉆孔過(guò)程中取得的所有完整巖石都進(jìn)行了書(shū)面記錄.

1 試 驗(yàn)

鉆孔孔徑為50 mm，巖石取出后進(jìn)行巖性分類(lèi)并標(biāo)注取樣深度等參數(shù)，密封后立即送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行選擇和加工，以避免試樣含水率的變化.華亭煤田鉆孔共計(jì)取樣298件，試樣的巖性為：粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、含礪粗粒砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等，根據(jù)試樣的巖性和在地層中的深度，將其劃分為20組進(jìn)行試驗(yàn)，每組3～5個(gè)試樣.

采用LP3102型電子天平和游標(biāo)卡尺等儀器測(cè)定試樣的天然密度和飽水密度；采用WEP－600液壓式屏顯萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及相應(yīng)的壓力傳感器與程序記錄儀測(cè)量巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；采用巴西劈裂法測(cè)量巖石的抗拉強(qiáng)度；采用變角剪切儀器分組以38°、46°、54°、62°和70°來(lái)進(jìn)行變角剪切試驗(yàn).

2 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

從表1可看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)律性：

1）力學(xué)性質(zhì)隨賦存深度變化而變化.試樣的抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力等隨著賦存深度增加而增大；泊松比、吸水率隨賦存深度增大而減小，趨勢(shì)較明顯.

2）巖石力學(xué)性質(zhì)與巖性緊密相關(guān).

地下255 m處地層巖性為中粒砂巖，其相鄰地層為粗粒砂巖和含礫粗砂巖；475 m處為粗粒砂巖，其臨近地層皆為細(xì)粒砂巖.試樣在255m處和475m處，其抗拉強(qiáng)度、天然密度、吸水率等都有較大突變.這說(shuō)明巖石的力學(xué)性質(zhì)除了與賦存深度有關(guān)外，還與其巖性有直接關(guān)系.從表1還可看出，試樣的軟化系數(shù)、內(nèi)摩擦角等與賦存深度并無(wú)直接關(guān)系，更多地與巖樣本身的巖性有關(guān).

對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，利用origin軟件畫(huà)出散點(diǎn)圖見(jiàn)圖1.試樣的抗壓強(qiáng)度在150～300 m處曲線擬合的決定系數(shù)為0.747，300～500m處決定系數(shù)為0.479；抗拉強(qiáng)度在150～350 m處決定系數(shù)為0.680，350～500 m處決定系數(shù)為0.142；同樣的，彈性模量在200～350 m處決定系數(shù)為 0.870，350～500 m處決定系數(shù)為0.286.從數(shù)據(jù)擬合的決定系數(shù)可直觀看到數(shù)據(jù)離散性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性隨試樣賦存深度增加而增大，這種數(shù)據(jù)的離散性現(xiàn)象在以往的試驗(yàn)和研究中極為少見(jiàn).

3 數(shù)據(jù)離散性分析

造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性隨賦存深度增加而增大的原因有以下幾種：

1）試樣含水率的變化.鉆孔現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)大的天然含水層，同時(shí)由于試樣運(yùn)送較為及時(shí)，水的蒸發(fā)基本可忽略，因此認(rèn)為試樣含水率未發(fā)生變化.

2）構(gòu)造應(yīng)力及煤層采動(dòng)的影響.華亭煤田處于背斜處，無(wú)大的斷層，認(rèn)為巖層構(gòu)造應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較??；但隨著試樣位置靠近煤層（約500 m處），數(shù)據(jù)的離散性漸漸變大.這是因?yàn)槿游恢孟路綖槌幈泵旱V，煤層上覆巖層在開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生較大位移，不可避免地對(duì)取樣位置造成擾動(dòng)，引起應(yīng)力的重新分布，這是造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性變大的原因之一.

圖1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨賦存深度變化的擬合曲線

3）溫度降低及應(yīng)力解除的影響.試樣從地下取出后，溫度降低，彈性模量和抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)會(huì)隨溫度降低而增大.計(jì)算地層內(nèi)溫度時(shí)采用陜甘寧盆地的地溫梯度2.75［11］，則

式中：H為地層深度，m；t為溫度，℃.則500 m處，t＝27.75℃.試樣從地下取出后，溫度降低，巖石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量都會(huì)有一定程度的增加，類(lèi)似于趙彥東等［12］的研究，變化公式為

式中：E1、σ1為溫度降低后巖石的彈性模量和抗壓強(qiáng)度，E0、σ0為地層中原始彈性模量和抗壓強(qiáng)度，k1、k2為溫度系數(shù).

由于所取試樣為砂巖和泥巖類(lèi)沉積巖，且其賦存深度在500m以上，未引起巖石塑性變化，所以可忽略巖石內(nèi)部的壓結(jié)作用和重結(jié)晶作用，只考慮顆粒之間的相互作用.隨著應(yīng)力的解除，巖石內(nèi)部除彈性變化外，顆粒之間還會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，顆粒重新耦合，造成了彈性模量和抗壓強(qiáng)度的減小，此時(shí)有

式中E2、σ2為巖石顆粒重新耦合造成的彈性模量和抗壓強(qiáng)度的減小量.

溫度降低和應(yīng)力解除對(duì)試樣的影響見(jiàn)圖2.圖中?E2和?σ2為顆粒耦合影響的彈性模量和抗壓強(qiáng)度沿試樣半徑分布的減小量.

圖2 試樣內(nèi)部影響因素

試樣因溫度降低和彈性膨脹而產(chǎn)生的變化內(nèi)外基本一致；因顆粒重新耦合而產(chǎn)生的變化則是越靠近試樣表面變化越大，所以其造成的?E2和?σ2數(shù)值就越大，極限狀態(tài)為顆粒間耦合程度減小到與地表巖石相同，所以有圖3、4的曲線.

圖3 抗壓強(qiáng)度分析

圖3中σ0曲線為地層中原始抗壓強(qiáng)度，σ1曲線為溫度降低后的抗壓強(qiáng)度，σ2max和σ2min為巖石顆粒重新耦合造成的抗壓強(qiáng)度減小量的最大值和最小值.結(jié)合式（4）可看出，顆粒重新耦合造成了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出類(lèi)似扇形的離散性.

圖4 彈性模量分析

圖4中E0曲線為地層中原始彈性模量，E1曲線為溫度降低后的彈性模量，E2max和E2min為巖石顆粒重新耦合造成的彈性模量減小量的最大值和最小值.結(jié)合式（5）可看出，顆粒重新耦合造成了彈性模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出類(lèi)似扇形的離散性.

顆粒重新耦合造成了試樣力學(xué)性質(zhì)的差異性，體現(xiàn)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)上就是離散性的增加.需要指出的是，以碎屑、砂礫等顆粒為主要構(gòu)成的砂巖才存在上述明顯的顆粒耦合重組現(xiàn)象，其他以結(jié)晶為主的花崗巖等巖漿巖，其顆粒耦合重組現(xiàn)象并不明顯；同時(shí)，圖3、4所示的曲線為定性分析，定量分析還需后續(xù)進(jìn)一步研究.

4 結(jié) 論

1）從試驗(yàn)結(jié)果看，試樣的天然密度、抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著賦存深度增加而增大；吸水率、泊松比則隨著賦存深度增加而減?。粠r樣軟化系數(shù)、內(nèi)摩擦角等與賦存深度并無(wú)直接關(guān)系，更多是與試樣的巖性有關(guān).

2）在靠近煤層（約500 m）處，由于受采動(dòng)影響，試樣所處地層的受力狀態(tài)非常復(fù)雜，這使同一地層試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較大的差異性.

3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性隨著賦存深度增加而增大.砂巖等顆粒沉積巖從地層中取出后，隨著應(yīng)力解除，其內(nèi)部顆粒會(huì)重新耦合，這是數(shù)據(jù)離散性隨賦存深度增加而增大的主要原因.

4）由于試樣選取深度為500 m以上的砂巖和泥巖，忽略了巖石內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)以及砂巖的壓結(jié)作用和重結(jié)晶作用，這與花崗巖等巖漿巖會(huì)存在較大區(qū)別.

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（編輯趙麗瑩）

Experimental on mechanical properties of overlying strata rock changed w ith the occurrence depth

LIPengbo1，2，WANG Jin’an1

（1.Civil and Environmental Engineering School，University of Science and Technology Beijing，100083 Beijing，China；
2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining（China University of Mining and Technology），221116 Xuzhou，Jiangsu，China）

Mechanical parameterswere obtained bymechanical test to obtain themechanical properties of overlying strata in coal seam.Test results show that natural density，tensile strength，uniaxial compressive strength and the elastic modulus of the samples increase with the raise of the occurrence depth while water absorption rate and Poisson＇s ratio decrease with the increase of the occurrence depth，and themechanical properties of the specimen are directly related to the lithology.Discreteness of test data increaseswith the increase of the occurrence depth.In addition to tectonic stress，coalmining and temperature effects，themain reason for discreteness is that the internal particles of the sandstone and other sedimentary rocks recouple with the stress relief.

mechanical parameters；the occurrence depth；experimental study；discreteness；particle coupling

TU452

A

0367－6234（2015）12－0098－04

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.12.017

2015－01－23.

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U1361208）；煤炭資源開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室資助項(xiàng)目（11KF03）.

李鵬波（1982—），男，博士研究生；王金安（1958—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

李鵬波，117854536＠qq.com.