西部典型礦區(qū)弱膠結(jié)地層巖石的物理力學(xué)性能特征

孫利輝，紀(jì)洪廣，楊本生

(1.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038; 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083; 3.河北省煤炭資源綜合開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038)

近年來，隨著我國西部大開發(fā)和煤炭行業(yè)上一輪“黃金十年”的快速發(fā)展，在我國西部陸續(xù)建成并投產(chǎn)了一批開采侏羅系和白堊系煤層的礦井，而侏羅系和白堊系地層巖石物理力學(xué)性能與我國中東部石炭二疊系地層具有一定的差別，主要表現(xiàn)為強(qiáng)度低、易崩解、遇水泥化、膠結(jié)性差等特點(diǎn)，被稱之為弱膠結(jié)地層。巖層的賦存條件、巖石物理力學(xué)性能是礦區(qū)規(guī)劃、礦井設(shè)計(jì)、礦壓活動(dòng)規(guī)律及其礦壓控制等礦山開采活動(dòng)研究中必須掌握的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如果認(rèn)識(shí)不清，則容易造成開采布局不合理、工作面異常來壓、潰水潰沙、地下水流失等問題[1-3]。同時(shí)，國家“十三五”期間將有序推進(jìn)陜北、黃隴、新疆煤炭基地建設(shè)，壓縮東部、中部及東北礦區(qū)產(chǎn)能。故開展煤系弱膠結(jié)地層巖石的物理力學(xué)性能研究，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)我國西部弱膠結(jié)地層礦井異于中東部礦井礦壓活動(dòng)規(guī)律具有重要意義。

通過網(wǎng)絡(luò)檢索發(fā)現(xiàn)關(guān)于研究礦業(yè)工程領(lǐng)域“弱膠結(jié)巖石”主題的文獻(xiàn)高達(dá)1 890余條，且在2015年研究達(dá)到最熱，說明國內(nèi)外學(xué)者在弱膠結(jié)巖石領(lǐng)域開展了卓有成效的研究，并取得了大批研究成果。如李化敏等[4-5]針對(duì)神東礦區(qū)3個(gè)典型礦井研究了不同沉積環(huán)境下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。紀(jì)洪廣等[6]研究了紅慶河煤礦白堊系砂巖力學(xué)性質(zhì)及聲發(fā)射特征。汪泓[7]、趙永川等[8]研究了榆橫礦區(qū)及小紀(jì)汗煤礦巖石物理力學(xué)性質(zhì)及其本構(gòu)關(guān)系。宋朝陽[9]、紀(jì)洪廣等[10]研究了弱膠結(jié)巖石受力破壞后的微觀結(jié)構(gòu)特征。孫利輝等[11-12]建立了弱膠結(jié)地層采場(chǎng)垮落帶內(nèi)巖石的冒落、充填、壓實(shí)、固結(jié)模型，揭示了垮落帶的動(dòng)態(tài)變化特征。王渭明[13-14]、ZHAO Zenghui等[15]研究了弱膠結(jié)軟巖巷道彈塑性損傷機(jī)理，以及煤巖組合條件下圍巖變形規(guī)律，成果應(yīng)用于立井井壁支護(hù)。孟慶彬[16-18]，喬衛(wèi)國[19]等研究了內(nèi)蒙東部極弱膠結(jié)巖石變形破壞特征，提出了工字鋼、鋼筋網(wǎng)+混凝土襯砌的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。李廷春等[20]研究認(rèn)為拱形斷面更加適合弱膠結(jié)地層巷道。綜上所述，前人研究成果主要焦點(diǎn)是弱膠結(jié)巖石在不同應(yīng)力路徑下發(fā)生的變形規(guī)律、本構(gòu)關(guān)系、工程穩(wěn)定以及微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究，但對(duì)弱膠結(jié)巖石的物理力學(xué)特性總體認(rèn)識(shí)尚不全面。

因此，筆者通過調(diào)研分析我國弱膠結(jié)地層分布規(guī)律，對(duì)典型礦區(qū)弱膠結(jié)地層巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示弱膠結(jié)巖石物理力學(xué)特征，以期為保水開采[21]、礦井設(shè)計(jì)、試驗(yàn)?zāi)M等提供全面的基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)。

1 煤系弱膠結(jié)地層地域分布規(guī)律

通過調(diào)研和查閱文獻(xiàn)可知[22]，我國煤礦弱膠結(jié)地層主要為成巖時(shí)間較短的侏羅系和白堊系地層，目前在我國的西部和西北礦區(qū)、蒙東和東北部分礦區(qū)開采該類地層中煤炭資源。成煤期較短的新生代和中生代煤炭資源主要分布在我國的新疆、神東、晉北、寧東、陜北、黃隴、蒙東、云貴幾個(gè)主要煤炭基地，其中西部和西北礦區(qū)所占比重最大，新疆正處于開發(fā)前期階段，其余處于開采階段。

通過我國14個(gè)大型煤炭基地內(nèi)所轄礦區(qū)及保有儲(chǔ)量情況來看，賦存弱膠結(jié)地層的基地主要有神東基地、陜北基地、黃隴基地、寧東基地、蒙東基地、新疆基地，均分布在我國的西部和西北部，僅蒙東基地分布在內(nèi)蒙古東北部;我國14個(gè)煤炭基地保有儲(chǔ)量占全國煤炭保有儲(chǔ)量的50.4%，開采弱膠結(jié)地層煤炭資源基地煤炭保有儲(chǔ)量約占14個(gè)基地保有儲(chǔ)量的54.09%，說明約有一半的煤炭資源賦存在弱膠結(jié)地層中。

2 典型礦區(qū)弱膠結(jié)巖石物理力學(xué)參數(shù)特征

筆者選取鄂爾多斯盆地的大海則煤礦、營盤壕煤礦、陶忽圖煤礦、高頭窯煤礦和新疆準(zhǔn)東礦區(qū)大井南一井和葦子溝煤礦等6對(duì)典型礦井巖石物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析。

2.1 典型礦區(qū)弱膠結(jié)巖石物理參數(shù)特征

圖1為巖石密度與埋深的相關(guān)性，由圖1可知，總體上巖石密度隨著埋深的增加而增大，近似呈線性遞增;大海則煤礦、葦子溝煤礦及高頭窯煤礦巖石密度隨埋深變化幅度較其他3個(gè)礦井小;巖石密度的最小值為1.86 g/cm3，為陶忽圖煤礦的細(xì)砂巖，巖石埋深為28.3 m;巖石密度的最大值為2.76 g/cm3，為葦子溝煤礦的中砂巖，巖石埋深為527.3 m;巖石密度大部分分布在2.0～2.6 g/cm3，當(dāng)埋深超過600 m，巖石密度均分布在2.3～2.6 g/cm3。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明受埋深增加，原巖應(yīng)力增大，巖石內(nèi)部孔隙受壓減小使得巖石密度增加;同時(shí)巖石埋藏深度增大巖石的成巖時(shí)間相應(yīng)增加，使巖石的密度也隨之增大，因此巖石密度的變化規(guī)律是受力學(xué)作用和成巖時(shí)間等綜合作用的結(jié)果。

圖1 巖石密度與埋深的相關(guān)性Fig.1 Relationship between density of the rock and depth

圖2為巖石孔隙率與埋深的相關(guān)性，不難看出，巖石孔隙率隨埋深增加呈線性遞減，巖石孔隙率隨埋深增加的變化率基本相等;對(duì)比3個(gè)礦井孔隙率大小發(fā)現(xiàn)，葦子溝煤礦巖石孔隙率較小，在1.45%～7.91%;巖石的最大孔隙率為26.12%，為大海則煤礦埋深為388 m的中粒砂巖，其次為高頭窯煤礦埋深為243 m的粗砂巖，其孔隙率為25.99%;大海則煤礦巖石孔隙率在0～10%的占26.32%，孔隙率在10%～20%的占55.26%，孔隙率在20%～30%的占18.42%;高頭窯煤礦巖石孔隙率在0～10%的占14.63%，孔隙率在10%～20%的占63.41%，孔隙率在20%～30%的占21.96%;葦子溝煤礦巖石孔隙率均小于10%。總體上看，泥巖、粉砂巖及砂質(zhì)泥巖的孔隙率相對(duì)較小，粗砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖的孔隙率較大。巖石孔隙率隨深度的變化關(guān)系也進(jìn)一步證明了巖石密度與深度的相關(guān)性。

圖2 巖石孔隙率與埋深的相關(guān)性Fig.2 Relationship between porosity of the rock and depth

圖3為巖石含水率與埋深的關(guān)系，由圖3可知，巖石含水率在0.33%～11.55%，大部分巖石的含水率在2%～8%;隨著巖石埋深的增加含水率隨之降低，并具有線性遞減關(guān)系，在一定程度上與巖石的孔隙率具有類似的趨勢(shì)，即巖石內(nèi)部孔隙減小則含水空間相應(yīng)減小;砂巖含水率基本上大于泥巖、粉砂巖的含水率。

圖3 巖石含水率與埋深的關(guān)系Fig.3 Relationship between moisture content of the rock and depth

不同礦井同類巖石的物理參數(shù)隨埋深變化情況，以粉砂巖的密度參數(shù)為例說明。圖4為粉砂巖密度與埋深的相關(guān)性，由圖4可知，總體上粉砂巖密度隨著埋深的增加而增大，近似呈線性遞增;大井南和營盤壕2個(gè)礦井粉砂巖密度隨采深變化幅度較其它礦井大，且大井南礦粉砂巖密度分布較分散，葦子溝礦粉砂巖密度值較集中。不同的礦區(qū)其它同類型巖石密度也表現(xiàn)出了同樣的特征。

圖4 粉砂巖密度與埋深的相關(guān)性Fig.4 Relationship between density of the siltstone and depth

另外，不同礦井同類型巖石在含水率、孔隙率也同樣表現(xiàn)出了隨埋深增加而減小的負(fù)相關(guān)特征，這里不再敖述。

2.2 典型礦區(qū)弱膠結(jié)巖石力學(xué)參數(shù)特征

圖5為巖石抗壓強(qiáng)度隨埋藏深度的變化關(guān)系，由圖5可知，巖石抗壓強(qiáng)度隨埋深的增加而增大，具有一定的線性關(guān)系;巖石抗壓強(qiáng)度在0～20 MPa的占43.7%，巖石抗壓強(qiáng)度在20～40 MPa的占44.8%，巖石抗壓強(qiáng)度在40～60 MPa的占9.5%，巖石抗壓強(qiáng)度在60～100 MPa的僅占2%，巖石抗壓強(qiáng)度大于40 MPa的僅占總數(shù)的11.5%，說明巖石抗壓強(qiáng)度普遍較低，我國中東部中硬巖石強(qiáng)度大多在40～60 MPa，對(duì)比可知西部絕大部分弱膠結(jié)巖石抗壓強(qiáng)度較中東部巖石抗壓強(qiáng)度小。

圖5 巖石抗壓強(qiáng)度隨深度變化關(guān)系Fig.5 Relationship between compressive strength of the rock and depth

圖6為巖石抗拉強(qiáng)度隨埋藏深度的變化關(guān)系，大井南煤礦、大海則煤礦和葦子溝煤礦的巖石抗拉強(qiáng)度隨埋深的增加呈現(xiàn)線性遞增特征，而高頭窯煤礦巖石抗拉強(qiáng)度隨埋深的增加呈現(xiàn)線性遞減;巖石抗拉強(qiáng)度在0～2 MPa的占94.8%，巖石抗拉強(qiáng)度在2～4 MPa的僅占5.2%，巖石抗拉強(qiáng)度普遍較低;砂巖抗拉強(qiáng)度較泥巖和粉砂巖抗拉強(qiáng)度高;巖石最大抗拉強(qiáng)度為高頭窯煤礦的粗粒砂巖，強(qiáng)度為3.86 MPa，巖石最小抗拉強(qiáng)度為大井南煤礦的泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)度為0.06 MPa，最大抗拉強(qiáng)度是最小抗拉強(qiáng)度的63.3倍。

圖6 巖石抗拉強(qiáng)度隨深度變化關(guān)系Fig.6 Relationship between tensile strength of the rock and depth

圖7為巖石彈性模量隨埋藏深度的變化關(guān)系，總體上巖石彈性模量隨著埋深的增加而增大;巖石彈性模量在0～10 GPa的占94.8%，其余彈性模量在10～45 GPa的僅占5.2%，進(jìn)一步說明巖石的強(qiáng)度較低，而且發(fā)現(xiàn)高頭窯巖石的彈性模量較其他4對(duì)礦井巖石的彈性模量大;大井南煤礦巖石的彈性模量總體上最小;高頭窯煤礦淺部粗砂巖彈性模量較其它巖石大，中深部砂質(zhì)泥巖彈性模量較其它巖石大;而營盤壕煤礦中粒砂巖和細(xì)粒砂巖彈性模量較大，陶忽圖煤礦巖石彈性模量較大的則為細(xì)粒砂巖和粉砂巖，大井南和大海則煤礦巖石彈性模量均較小。

圖7 巖石彈性模量隨深度變化關(guān)系Fig.7 Relationship between elastic modulus of the rock and depth

圖8為巖石黏聚力隨埋藏深度的變化關(guān)系，巖石的黏聚力也表現(xiàn)為隨著埋深的增加而增大的現(xiàn)象，特別是陶忽圖和營盤壕煤礦巖石這種現(xiàn)象比較明顯;巖石黏聚力在0～4 MPa的占總數(shù)的52.5%，巖石黏聚力在4～8 MPa的占總數(shù)的29.6%，巖石黏聚力在8～10 MPa的占總數(shù)的7.2%，黏聚力大于10 MPa的占總數(shù)的10.7%，可以看出巖石的黏聚力普遍較低，其中巖石的黏聚力大于8 MPa主要集中在埋深超過500 m的陶忽圖和營盤壕煤礦，特別是新疆礦區(qū)的大井南、葦子溝煤礦以及處于鄂爾多斯盆地毛烏素沙漠腹地的大海則煤礦黏聚力均小于8 MPa。

圖8 巖石黏聚力隨深度變化關(guān)系Fig.8 Relationship between cohesion of the rock and depth

圖9為巖石內(nèi)摩擦角隨埋藏深度的變化關(guān)系，6對(duì)礦井巖石內(nèi)摩擦角與埋深未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性;但礦井之間內(nèi)摩擦角具有一定的差異，大海則煤礦巖石內(nèi)摩擦角均大于40°，普遍大于其他5對(duì)礦井巖石內(nèi)摩擦角;大井南煤礦巖石內(nèi)摩擦角大多集中在30°～40°，營盤壕煤礦巖石內(nèi)摩擦角分布在20°～30°，高頭窯煤礦巖石內(nèi)摩擦角分布在25°～40°，葦子溝煤礦巖石內(nèi)摩擦角分布在30°～40°，而陶忽圖煤礦巖石內(nèi)摩擦角分布相對(duì)較分散在0°～30°。

圖9 巖石內(nèi)摩擦角隨深度變化關(guān)系Fig.9 Relationship between internal friction angle of the rock and depth

圖10為巖石泊松比隨埋藏深度的變化情況，不難看出，6對(duì)礦井巖石泊松比與埋深未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性;巖石泊松比分布在0.1～0.4，其中高頭窯煤礦、陶忽圖煤礦及營盤壕煤礦巖石泊松比分布比較分散，而大井南和大海則煤礦巖石泊松比分布則相對(duì)比較集中，在0.15～0.25。

圖10 巖石泊松比隨深度變化關(guān)系Fig.10 Relationship between Poisson ratio of the rock and depth

不同礦井同一名稱巖石的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、黏聚力隨埋深增加也具有一定的線性遞增關(guān)系，限于文章篇幅，僅以粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為例說明，如圖11所示。粉砂巖抗壓強(qiáng)度在0～20 MPa的占總數(shù)的12%，抗壓強(qiáng)度在20～40 MPa的占總數(shù)的73%，抗壓強(qiáng)度在40～60 MPa的占總數(shù)的6%，抗壓強(qiáng)度在60～100 MPa的僅占總數(shù)的1%，抗壓強(qiáng)度大于40 MPa的僅占總數(shù)的7%?？傮w上看，新疆礦區(qū)的大井南和葦子溝2個(gè)礦井的粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度離散性較大，而鄂爾多斯礦區(qū)的4個(gè)礦井的單軸抗壓數(shù)據(jù)相對(duì)比較集中，并具有隨深度增加呈明顯的線性遞增特點(diǎn)。

圖11 粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度隨深度變化關(guān)系Fig.11 Relationship between compressive strength of the siltstone and depth

3 典型弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖崩解特征

以紅慶河煤礦采集的3號(hào)煤頂板弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖的崩解為例，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用燒杯進(jìn)行了4個(gè)循環(huán)的浸水崩解實(shí)驗(yàn)。浸泡前完整巖塊質(zhì)量為275 g。每循環(huán)巖石浸泡時(shí)間均為24 h，巖石利用自然風(fēng)干，風(fēng)干時(shí)間約為28 h。

第1次崩解循環(huán):巖塊浸泡初始階段其表面的碎塊立即發(fā)生剝離、脫落，浸泡15 h后，發(fā)現(xiàn)燒杯底部出現(xiàn)了部分巖石碎片，經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)碎片是沿巖石裂隙碎脹后散落在燒杯下部，初步估算散落塊體體積占原體積約1/4，同時(shí)觀察到燒杯溶液有些許渾濁，判斷為部分溶解的黏土礦物和有機(jī)物。浸泡24 h后，巖石全部發(fā)生破碎，破碎尺度不盡相同，塊度較大居多。自然風(fēng)干后，可將破碎后的巖石分為4個(gè)粒徑等級(jí)，粒徑<1.5，1.5～2.0，2.0～3.5以及>3.5 cm的碎塊質(zhì)量占原質(zhì)量分別為10%，26%，18%，45%;另外，自然風(fēng)干損失質(zhì)量占原質(zhì)量的1%。如圖12(a)所示。

圖12 不同循環(huán)階段弱膠結(jié)巖石遇水崩解粒徑分級(jí)Fig.12 Particle size classification of weakly consolidated rock disintegrating under water in different cycle stages

第2次崩解循環(huán):浸泡初期水溶液渾濁，并在溶液液面漂浮巖石中的有機(jī)質(zhì)。24 h后，實(shí)施自然風(fēng)干處理，巖石分為4個(gè)粒徑等級(jí)，粒徑<1.5，1.5～2.0，2.0～2.5以及2.5～3.0 cm的碎塊質(zhì)量分別占原質(zhì)量的19%，32%，20%，26%;另外，自然風(fēng)干損失質(zhì)量占原質(zhì)量的3%。如圖12(b)所示。

第3次崩解循環(huán):浸泡初期水溶液渾濁明顯，并在溶液液面漂浮巖石中的有機(jī)物。24 h后，風(fēng)干處理后，可將破碎后的巖石分為2個(gè)粒徑等級(jí)，粒徑<1.0，1.0～1.5 cm的碎塊質(zhì)量分別占原質(zhì)量的59%和36%;另外，自然風(fēng)干損失質(zhì)量占原質(zhì)量的5%。該階段巖石破碎程度大幅度提高，粒徑大于1.5 cm的巖塊已經(jīng)不存在，說明水對(duì)巖石的弱化作用十分強(qiáng)烈。如圖12(c)所示。

第4次崩解循環(huán):最后1輪崩解實(shí)驗(yàn)，破碎巖石自然風(fēng)干后，破碎后的巖石粒徑進(jìn)一步減小，粒徑分別在<0.5和0.5～1.0 cm。2個(gè)區(qū)間粒徑的碎塊質(zhì)量分別為原質(zhì)量的78%和15%;另外，自然風(fēng)干損失質(zhì)量占原試塊質(zhì)量的7%。如圖12(d)所示。

實(shí)驗(yàn)表明，弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖隨著崩解循環(huán)次數(shù)的增加，巖石破碎的粒徑逐漸減小，巖石受水的作用崩解程度越大，與文獻(xiàn)[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，進(jìn)一步佐證了弱膠結(jié)巖石的易崩解特性。如果進(jìn)一步實(shí)施崩解循環(huán)實(shí)驗(yàn)，若干次循環(huán)后巖石顆?？删胶苄〉牧剑跄z結(jié)巖石的碎脹系數(shù)將會(huì)很小，由此可導(dǎo)致弱膠結(jié)地層采場(chǎng)垮落帶、裂隙帶高度均會(huì)大于中東部相同開采條件的采場(chǎng)。導(dǎo)水裂隙帶高度的增大，將增加對(duì)地下水的破壞，該類地層的特殊物理力學(xué)性質(zhì)增大了保水開采的難度[23]。

4 弱膠結(jié)巖石與中東部巖石的物理力學(xué)性能對(duì)比分析

近年來，礦井建設(shè)、開采實(shí)踐表明，我國西部煤礦區(qū)巖層大多為成巖地質(zhì)年代較晚的侏羅系、白堊系泥巖、砂巖巖層，其中侏羅系地層形成距今約1.9億a，成巖環(huán)境為內(nèi)陸湖泊相，巖石膠結(jié)物多為泥質(zhì)，含炭多，且普遍覆蓋物較薄，受物理化學(xué)作用強(qiáng)度小，因此，具有強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)性差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含大量膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱層等特征。上述分析的西部礦區(qū)典型弱膠結(jié)巖石物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)一步證明該類巖石的松、散、弱等特性。

而我國東部及中部礦區(qū)主要開采石炭二疊系煤炭資源，該類煤系地層巖石成巖時(shí)間較長，距今約2.5～2.99億a，較侏羅系長0.6～2.09億a，沉積環(huán)境為陸相，成巖期間發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，故較西部礦區(qū)巖石成巖充分。如前述弱膠結(jié)巖石的孔隙率總體上隨著埋深增加而減小，說明巖石在上覆巖層重力的作用下內(nèi)部孔隙被壓縮，那么隨著沉積時(shí)間的增加，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)將會(huì)越來越均勻。圖13為中部陶二煤礦中砂巖和西部鄂爾多斯紅慶河煤礦中砂巖電鏡下微觀形態(tài)，微觀條件下可見東部礦區(qū)巖石更加致密，而西部同類巖石顆粒大小分布不均、巖石顆粒間孔隙較多。

限于篇幅以砂巖為例，本文僅6對(duì)礦井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與煤礦常見砂巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見表1。并結(jié)合前述結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，西部弱膠結(jié)砂巖的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、黏聚力等力學(xué)參數(shù)大部分?jǐn)?shù)值小于常見砂巖強(qiáng)度的下限，只有極少數(shù)弱膠結(jié)砂巖的力

圖13 中部礦區(qū)與西部礦區(qū)巖石微觀形態(tài)對(duì)比分析Fig.13 Comparative analysis of microscopic morphology of rock between Middle mining area and Western mining area

學(xué)參數(shù)數(shù)值較大，接近相應(yīng)參數(shù)的上限，如高頭窯煤礦砂巖的彈模上限為33.3 GPa。弱膠結(jié)砂巖的泊松比總體上看大于常見砂巖的泊松比，進(jìn)一步說明了弱膠結(jié)巖石徑向變形能力更強(qiáng);弱膠結(jié)砂巖內(nèi)摩擦角的分布規(guī)律性不強(qiáng)，比較分散，而常見砂巖內(nèi)摩擦角分布相對(duì)比較集中;弱膠結(jié)巖石的密度總體上略低于常見砂巖的密度，極個(gè)別砂巖密度大于常見砂巖密度;孔隙率在正常分布范圍內(nèi)，與常見砂巖區(qū)別不大。由此可進(jìn)行西部礦區(qū)與中東部老礦區(qū)巖石間半定量化的綜合比較。具體評(píng)價(jià)方法見文獻(xiàn)[12]。

巖石的物理力學(xué)性能是由巖石組成成分、成巖環(huán)境、成巖時(shí)間等綜合作用形成的，而表征巖石物理力學(xué)特征的參數(shù)包括物理參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、沉積作用(成巖時(shí)間)組成，由此可建立表征巖石物理力學(xué)性能的函數(shù)集合:

U=f(ρ,n,E,σt,σc,C,T，……)

(1)

式中,U為函數(shù)集合;ρ為巖石密度，g/cm3;n為巖石孔隙率，%;E為巖石彈性模量，GPa;σt為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa;σc為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa;C為巖石黏聚力，MPa;T為成巖時(shí)間。

表1 常見砂巖與西部典型礦井砂巖物理力學(xué)參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of parameters of physical and mechanical of sandstone between Middle mining area and Western mining area

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)西部礦區(qū)勘探、建設(shè)、開采資料表明，西部礦區(qū)煤層普遍賦存于白堊系和侏羅系地層中，該類煤系地層大多由砂巖、泥巖組成，越接近煤層巖石含泥質(zhì)成分越高，巖石具有強(qiáng)度低、膠結(jié)性差、易崩解等松、散、弱特性。

(2)西部6對(duì)典型礦井弱膠結(jié)巖石密度總體上隨著埋深的增加呈線性遞增，而巖石孔隙率和含水率則隨著埋深的增加呈線性遞減;砂巖的孔隙率和含水率較泥巖大;不同礦井同類巖石也具有上述特性。

(3)弱膠結(jié)巖石的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、黏聚力總體上隨著埋深的增加呈線性增大，其中僅高頭窯煤礦巖石的抗拉強(qiáng)度有所不同，不同礦井同類巖石也具有上述特性;而弱膠結(jié)巖石的泊松比和內(nèi)摩擦角未表現(xiàn)出與埋深明顯的相關(guān)性。

(4)弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖遇水極易崩解，隨著崩解循環(huán)的增加，巖石破碎粒徑逐漸減小，多次循環(huán)后巖石顆?？删胶苄〉牧?，導(dǎo)致巖石碎脹系數(shù)小，由此可導(dǎo)致弱膠結(jié)地層采場(chǎng)垮落帶、裂隙帶高度均會(huì)大于中東部相同開采條件的采場(chǎng)，增大了保水開采的難度。

(5)對(duì)比中西部礦區(qū)砂巖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，西部弱膠結(jié)巖石力學(xué)參數(shù)大多小于中東部同類巖石參數(shù)的下限，僅有極少數(shù)西部巖石力學(xué)參數(shù)接近東部礦區(qū)巖石強(qiáng)度的上限。建立巖石物理力學(xué)性能函數(shù)集合可進(jìn)一步評(píng)價(jià)中西部巖石性質(zhì)間的差別。