浸水條件對煤系地層巖體單軸抗壓強(qiáng)度的影響

徐 靜，周 毅，吳 燕

（1.陜西煤田地質(zhì)化驗(yàn)測試有限公司，陜西 西安 710054；2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043；3.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

0 引言

煤炭一直是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的資源，煤層頂?shù)装鍘r體的物理力學(xué)性質(zhì)是勘探工作的重要關(guān)注參數(shù)，是后期井田開采、巷道支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)。巖體單軸抗壓強(qiáng)度在壓力作用下達(dá)到破壞時(shí)的極限應(yīng)力值［1］，是一項(xiàng)常規(guī)的力學(xué)指標(biāo)，壓裂是巖石鉆進(jìn)、爆破時(shí)主要的破壞形式，所以抗壓強(qiáng)度是一項(xiàng)值得研究的參數(shù)。一直以來地下水賦存條件是影響巷道圍巖穩(wěn)定的重大問題，水巖作用是一個(gè)復(fù)雜的理化過程［2］。

煤系地層以砂巖、粉砂巖、泥巖等沉積巖為主，具有一定的層理性，個(gè)別巖心存在卸荷崩解、遇水膨脹、崩解等特性。在勘探生產(chǎn)工作中，往往存在取心困難、運(yùn)輸、切割加工過程易破碎等情況，加之煤層頂、底板力學(xué)檢測對樣品尺寸有嚴(yán)格的規(guī)定，使得試驗(yàn)檢測常受到巖心加工數(shù)量的限制。煤田地質(zhì)勘探服務(wù)的試驗(yàn)室利用現(xiàn)有的室內(nèi)試驗(yàn)手段，將基礎(chǔ)試驗(yàn)深入分析，從生產(chǎn)實(shí)踐工作中獲取的一手試驗(yàn)數(shù)據(jù)并加以分析、總結(jié)，可以為廣大煤田建設(shè)工作提供參考與借鑒。通過對煤系地層巖石樣品進(jìn)行抽真空強(qiáng)制飽水、自然浸泡飽水，變化浸泡時(shí)長［3］，測得不同浸水條件下巖樣單軸抗壓強(qiáng)度，以期直觀地反映地下水作用下煤系地層巖體的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)樣品選自秦皇島市柳江盆地山羊寨—秋子峪一帶的秦能一礦。開采標(biāo)高+124～+1 020 m。本區(qū)巖體相對完整，取心率較高，在完成常規(guī)物理、力學(xué)性質(zhì)檢測后，參考國標(biāo)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法第7部分：煤和巖石單軸抗壓強(qiáng)度測定及軟化系數(shù)計(jì)算方法GB/T 23561.7—2009》《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50266—99》《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程SL264—2001》［4-6］，由于野外取心直徑62～63 mm較細(xì)，若室內(nèi)二次鉆取50 mm的巖心易產(chǎn)生樣品損毀，故將取得巖心帶水切割為高度100 mm的圓柱體，切割樣品端面平滑并用砂紙打磨。試樣兩端面不平行度小于0.05 mm。

設(shè)計(jì)浸泡條件為自然浸泡時(shí)間0 h（自然含水狀態(tài)）、抽真空浸泡6 h（國標(biāo)中強(qiáng)制飽水）、無壓浸泡30 d、60 d、90 d、120 d［7］。室溫20±5℃，清水浸泡。浸泡時(shí)，按照樣品高度分4次注水，每次注水淹沒樣品的1/4高度，每次注水間隔20 min。每組平行檢測樣品1～3塊，結(jié)果取平均值，對于同一地層同一巖性的多組數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)主要儀器為WAW-100型微機(jī)控制式電液伺服萬能壓力機(jī)，壓力機(jī)精度為0.1級，加載速率1 MPa/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度及軟化系數(shù)分析

首先按照巖性，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)劃分為3類：泥巖類、粉砂巖、細(xì)粒砂巖，繪制雷達(dá)圖總結(jié)天然抗壓強(qiáng)度及軟化系數(shù)的分布情況?？箟簭?qiáng)度及軟化系數(shù)普遍規(guī)律為：細(xì)粒砂巖＞粉砂巖＞泥巖；且細(xì)粒砂巖強(qiáng)度及軟化系數(shù)數(shù)據(jù)偏差相對泥巖、粉砂巖離散性小，泥巖數(shù)據(jù)離散性最大，如圖1、圖2所示。

圖2 軟化系數(shù)分布圖

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析試驗(yàn)結(jié)果［8-9］。本次試驗(yàn)，同一地層巖性滿足統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為山西組細(xì)粒砂巖、山西組粉砂巖各9組。山西組細(xì)粒砂巖、粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度及軟化系數(shù)統(tǒng)計(jì)值，詳見表1。

表1 單軸抗壓強(qiáng)度及軟化系數(shù)統(tǒng)計(jì)值

2.2 變化浸泡條件數(shù)據(jù)分析

變化浸泡條件后試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：無壓狀態(tài)浸泡30 d時(shí)，泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖的浸水后抗壓強(qiáng)度占天然抗壓強(qiáng)度的百分比分別為64.75%、76.76%、95.82%；無壓浸泡60 d時(shí)，泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖的浸水后抗壓強(qiáng)度占天然抗壓強(qiáng)度的百分比分別為：53.90%、66.65%、83.01%；無壓浸泡90 d時(shí)，泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖的浸水后抗壓強(qiáng)度占天然抗壓強(qiáng)度的百分比分別為：46.48%、52.92%、66.03%；無壓浸泡120 d時(shí)，泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖的浸水后抗壓強(qiáng)度占天然抗壓強(qiáng)度的百分比分別為：45.17%、48.01%、61.59%。分析可知：泥巖在120 d內(nèi)變化幅度最大，且在30 d內(nèi)變化速率最快，在90 d、120 d測試強(qiáng)度變化基本穩(wěn)定。粉砂巖在浸泡120 d內(nèi)變化幅度較大，其變化速率在30 d內(nèi)最快，在60 d、90 d仍未達(dá)到穩(wěn)定，降低幅度10.11%、13.73%，在120 d時(shí)減少幅度降低為4.91%；細(xì)粒砂巖浸泡120 d強(qiáng)度整體變化幅度最低，這與其軟化系數(shù)較大相關(guān)，前30 d，細(xì)粒砂巖的強(qiáng)度降低幅度僅為5.18%，在60 d、90 d降低幅度達(dá)到12.81%、16.98%，在120 d時(shí)降低幅度達(dá)到4.44%，如圖3所示。

圖3 軟化特征

強(qiáng)度與浸泡時(shí)間擬合曲線：通過計(jì)算泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖不同浸泡條件下的平均單軸抗壓強(qiáng)度，建立與浸泡時(shí)間相關(guān)的擬合曲線，得到多項(xiàng)式關(guān)系曲線，且擬合度較高，如圖4所示。浸泡抗壓強(qiáng)度y與浸泡天數(shù)x關(guān)系曲線分別為細(xì)粒砂巖：y=-0.388 4x+105.48，R2=0.957 9；粉砂巖：y=-0.223x+60.095，R2=0.976 2；泥巖：y=-0.120 4x+40.935，R2=0.872 9。將按巖性分組求得的平均值56.29、39.49，泥巖類的均值28.41帶入上式，反算浸泡天數(shù)為：126 d，92 d，104 d，與實(shí)際試驗(yàn)情況相符，可知山西組等煤系地層在無壓浸泡條件下要浸泡90 d以上對樣品的軟化作用與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中抽真空6 h浸泡條件下軟化作用相仿。室內(nèi)飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)抽真空強(qiáng)制飽和是十分必要的，可見在深埋井下，高壓環(huán)境下，水巖作用會更為強(qiáng)烈，水對巖體的軟化作用增大。

圖4 強(qiáng)度與浸泡時(shí)間關(guān)系曲線

2.3 問題與改進(jìn)

泥巖類樣品地層巖性不同，未能進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析時(shí)將鋁質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等合并為一組，可能存在數(shù)據(jù)偏差。細(xì)粒砂巖、粉砂巖浸泡120 d時(shí)強(qiáng)度減弱趨勢未達(dá)到完全穩(wěn)定，本試驗(yàn)浸泡時(shí)長受樣品量所限制，無法獲取更多浸泡更長時(shí)間的數(shù)據(jù)。在分析浸泡條件變化下的單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，按泥巖類、細(xì)粒砂巖、粉砂巖分組，由于下花園組和太原組樣品少，未對不同地層的樣品進(jìn)行分離單獨(dú)分析，但考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的寶貴性，也沒有剔除。本次試驗(yàn)樣品高徑比不是2∶1，采用分析數(shù)據(jù)是按《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50266—99》進(jìn)行高徑比換算后的結(jié)果分析。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)18組樣品分別進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)得出，山西組細(xì)粒砂巖天然工況單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為81.58 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為46.17 MPa，軟化系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值0.66；山西組粉砂巖天然工況單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為44.46 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為27.29 MPa，軟化系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值0.54。

（2）煤系地層山西組、太原組、下花園組中泥巖類樣品天然單軸抗壓強(qiáng)度相對小、遇水軟化作用明顯且軟化系數(shù)波動(dòng)大。細(xì)粒砂巖天然單軸抗壓強(qiáng)度大、遇水軟化作用最小且各試驗(yàn)指標(biāo)離散性小。粉砂巖參數(shù)介于泥巖和細(xì)粒砂巖之間。

（3）無壓浸泡前30 d對細(xì)粒砂巖作用不明顯，對泥巖軟化作用明顯，室內(nèi)飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)抽真空條件能明顯縮短飽水過程，快速飽和；但延長浸泡時(shí)間90 d、120d泥巖和粉砂巖的抗壓強(qiáng)度軟化程度比室內(nèi)抽真空條件下的軟化程度大。