不同含水率下砂巖的沖擊傾向性試驗(yàn)研究

王鵬飛，李團(tuán)結(jié)，華 軍

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

采礦工程實(shí)踐表明，作為煤巖體的固有屬性，煤巖體的沖擊傾向性與煤礦能否發(fā)生沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害及巷道圍巖的穩(wěn)定性密切相關(guān)[1-3]。研究煤巖體的沖擊傾向性，確立適用的沖擊傾向性判別指標(biāo)對(duì)預(yù)防煤巖動(dòng)力災(zāi)害、合理制定預(yù)防措施意義重大。

諸多學(xué)者對(duì)煤的沖擊傾向性進(jìn)行了大量研究，并相應(yīng)提出沖擊傾向性鑒定指標(biāo)。其中，煤的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT、沖擊能指數(shù)KE、彈性能指數(shù)WET及單軸抗壓強(qiáng)度Rc已作為煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)普遍執(zhí)行，并得到了一致認(rèn)可[4]。然而，針對(duì)煤礦井下頂板巖層的沖擊傾向性評(píng)估，目前僅有齊慶新等[5]提出的頂板沖擊傾向性鑒定方法作為推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)使用。該標(biāo)準(zhǔn)基于煤礦開采的簡(jiǎn)支梁模型得出，主要考慮到單位寬度巖梁達(dá)到極限跨距時(shí)，頂板上覆巖層的載荷作用下頂板破斷產(chǎn)生的能量。該模型基于煤礦開采建立了力學(xué)簡(jiǎn)化模型，而未考慮巖層賦存的實(shí)際條件，例如煤礦頂板巖層處于復(fù)雜的地下水環(huán)境之中，地下水對(duì)巖石力學(xué)特性的影響不可忽視。例如段天柱等[6]通過(guò)對(duì)不同含水率下砂巖的單軸壓縮力學(xué)特性及損傷特性研究發(fā)現(xiàn)，砂巖的殘余塑性與內(nèi)部損傷隨含水率增加而增加。張二峰等[7]通過(guò)不同含水狀態(tài)的泥質(zhì)粉砂巖三軸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖石強(qiáng)度與變形特性受水合作用影響巨大。李天斌等[8]研究含水率條件下砂巖的能量機(jī)制發(fā)現(xiàn)，巖石的儲(chǔ)能和釋能能力隨含水率的增加而降低，且脆性特征減弱，塑性增強(qiáng)。

可見，在評(píng)價(jià)巖石的沖擊傾向性強(qiáng)弱時(shí)水對(duì)巖石的軟化和水楔作用等不容忽視。因此，文中后續(xù)將對(duì)不同含水率下巖石的力學(xué)特性進(jìn)行研究，并據(jù)此建立含水率條件下頂板巖層沖擊傾向性的判別模型。

1 實(shí)驗(yàn)研究方法

1.1 試驗(yàn)原理與試樣制備

為探究不同含水率下砂巖的力學(xué)特性，共制備了4組不同含水率試樣，然后針對(duì)4種不同含水率的試樣(干燥試樣、浸水7 d、浸水14 d、浸水21 d)進(jìn)行單軸壓縮與拉伸實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)選取陜西省黃陵礦區(qū)某礦的煤層頂板砂巖作為研究對(duì)象。該砂巖強(qiáng)度較高且致密，樣本間離散性較小，為實(shí)現(xiàn)良好的試驗(yàn)效果提供了基礎(chǔ)。巖樣均取自同一完整的巖體，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 23561.7—2009要求，分別制成直徑為50 mm，高度分別為100 mm和25 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，試樣兩端面的最大不平行度不超過(guò)0.05 mm，上、下端面直接偏差不大于0.3 mm，試樣高度偏差控制在0.05 mm以內(nèi)，軸向偏差不超過(guò)0.25°。制備好的試樣如圖1所示，浸水后的試樣效果如圖2所示。

圖1 制備好的巖石試樣

圖2 浸水后的巖石試樣

1.2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MTS-C64.106電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)，可進(jìn)行不同速率加載并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集，具有良好的系統(tǒng)剛度和穩(wěn)定性，能夠?qū)υ嚇蛹虞d與破壞過(guò)程中全應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉。試驗(yàn)機(jī)如圖3所示。

圖3 MTS-C64.106巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)前將制備好的試樣放置于試驗(yàn)平臺(tái)上，預(yù)壓固定試樣。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試樣進(jìn)行軸向加載，加載方式及加載速率嚴(yán)格依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 25217.2—2010的相關(guān)要求，直至試樣完全破壞，試驗(yàn)過(guò)程中主機(jī)自動(dòng)采集軸向應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)并自動(dòng)保存。

2 含水率對(duì)砂巖力學(xué)特性的影響

單軸抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)、劈裂抗拉強(qiáng)度和脆性系數(shù)等均可評(píng)價(jià)巖石強(qiáng)度及脆性特征[9]，然而作為沖擊傾向性指標(biāo)的適用性卻不一而足。文中選取廣泛使用的單軸抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)、劈裂抗拉強(qiáng)度等5個(gè)參數(shù)研究含水率對(duì)砂巖強(qiáng)度、變形的影響，并為后續(xù)頂板巖層沖擊傾向性評(píng)估模型參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

不同浸水時(shí)長(zhǎng)下試樣的平均含水率及樣本含水率方差變化情況，如圖4所示。由圖可知試樣在浸水7 d、14 d及21 d時(shí)平均含水率分別為1.67%、1.99%及2.67%。由不同浸水時(shí)長(zhǎng)的樣本含水率方差變化情況可以發(fā)現(xiàn)浸水21 d后樣本間含水率方差最低，且遠(yuǎn)低于浸水時(shí)長(zhǎng)7 d與14 d，可認(rèn)為砂巖浸水21 d時(shí)達(dá)到完全飽和狀態(tài)。

圖4 不同浸水時(shí)長(zhǎng)試樣含水率變化

2.1 脆性系數(shù)

脆性系數(shù)廣泛用于巖石沖擊傾向性的評(píng)價(jià)，其含義為巖石單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值，計(jì)算公式為

(1)

式中，Rc—單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Rt—抗拉強(qiáng)度，MPa；R—無(wú)量綱指數(shù)。

巖石的脆性系數(shù)沖擊傾向性分類指標(biāo)為：R<14.5為無(wú)沖擊傾向性，R=14.5～26.7為弱沖擊傾向性，R=26.7～40.0為中等沖擊傾向性，R>40.0為強(qiáng)沖擊傾向性。

表1及圖5為不同浸水時(shí)長(zhǎng)下的砂巖單軸抗壓強(qiáng)度及脆性系數(shù)變化。由圖可知，砂巖抗壓、抗拉強(qiáng)度隨浸水時(shí)長(zhǎng)增加而明顯下降，降幅于浸水14 d時(shí)達(dá)到最大，分別為39.4%和22.9%，浸水21 d時(shí)巖石強(qiáng)度變化不明顯甚至有所增加，可能由于樣本差異所致。塑性系數(shù)與浸水時(shí)長(zhǎng)關(guān)系不密切，表明脆性系數(shù)不能較好的評(píng)價(jià)不同含水率條件下砂巖的沖擊傾向性。

表1 不同浸水時(shí)長(zhǎng)巖石脆性系數(shù)

圖5 不同浸水時(shí)長(zhǎng)脆性系數(shù)變化

2.2 動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間

動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間可以很好的衡量巖石的脆性特征，巖石脆性越強(qiáng)，則動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間越短，發(fā)生沖擊時(shí)造成的破壞性也越大。不同浸水時(shí)長(zhǎng)下砂巖的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間變化情況如圖6所示。由圖可知隨浸水時(shí)間增加，該砂巖的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間顯著增加，由自然狀態(tài)下700 ms增加到浸水21 d時(shí)的1 836 ms，弱化效果明顯。表明動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間可用于評(píng)價(jià)巖石脆性變化及強(qiáng)度弱化特征。

圖6 不同浸水時(shí)長(zhǎng)動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間變化

2.3 能量指數(shù)

含水率對(duì)巖石的弱化效果不光體現(xiàn)在強(qiáng)度與脆性上，隨含水率增加，巖石變形過(guò)程中積蓄與釋放能量的能力也大大削弱，文中特選取彈性能指數(shù)與沖擊能指數(shù)分析不同含水率條件下砂巖變形過(guò)程中的儲(chǔ)能能力[6]。

其中彈性能指數(shù)為試樣加卸載條件下彈性能與塑性能的比值，可表示為

(2)

ΦSP=ΦC-ΦSE

(3)

式中，WET為彈性能指數(shù)；ΦSE為彈性變形能，值為卸載曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積；ΦC為總變形能，值為加載曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積；ΦSP為塑性變形能，值為總變形能與彈性變形能的差值。不同浸水時(shí)長(zhǎng)下典型的加卸載曲線與彈性能指數(shù)變化情況，如圖7、8所示。

圖7 不同浸水時(shí)長(zhǎng)典型加卸載曲線

由圖可知，隨著浸水時(shí)長(zhǎng)增加，試樣的彈性能明顯下降，降幅最大可達(dá)73.1%，塑性能變化幅度相對(duì)彈性變化較小，但是塑性顯著增強(qiáng)。然而彈性能指數(shù)與浸水時(shí)長(zhǎng)的擬合程度較差，究其原因，樣本差異及不同試驗(yàn)組中選擇的加卸載臨界值對(duì)其影響較大。

圖8 不同浸水時(shí)長(zhǎng)彈性能指數(shù)變化

沖擊能指數(shù)KE為全應(yīng)力應(yīng)變曲線峰前變形能與峰后變形能的比值，可表示為

(4)

式中，AS—峰前積聚的變形能，值為峰前曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積；AX—峰值后耗損的變形能，值為峰后曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積；KE—沖擊能量指數(shù)。不同浸水時(shí)長(zhǎng)下典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線與沖擊能指數(shù)變形情況，如圖9、10所示。

由圖可知，隨浸水時(shí)長(zhǎng)增加，試樣的峰前變形能顯著下降，降幅最大可達(dá)61.7%，與彈性能指數(shù)類似的是，峰后變形能變化較小，且沖擊能指數(shù)與浸水時(shí)長(zhǎng)擬合程度較差。然而由圖9可知，試樣浸水時(shí)間越久，強(qiáng)度越低，且峰后變形階段出現(xiàn)階梯狀，同時(shí)試驗(yàn)時(shí)觀察到該階段試樣完全失穩(wěn)前出現(xiàn)局部劈裂破壞，表明隨浸水時(shí)長(zhǎng)增加，即試樣內(nèi)部含水率增加，試樣完整性受到破壞，積蓄與釋放能量的能力減弱，沖擊傾向性降低。

圖9 不同浸水時(shí)長(zhǎng)典型加載曲線

圖10 不同浸水時(shí)長(zhǎng)沖擊能變化

上述分析可知，含水率條件下砂巖的弱化特征明顯，具體體現(xiàn)在隨含水率增加，砂巖的抗壓、抗拉強(qiáng)度明顯降低，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間顯著增加；然而脆性系數(shù)、彈性能及沖擊能指數(shù)與浸水時(shí)長(zhǎng)(即含水率)的擬合程度較差。由此可知可將抗壓、抗拉強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間作為含水率條件下巖石沖擊傾向性鑒定指標(biāo)之一，但是該指標(biāo)僅能定性描述含水率與沖擊傾向性強(qiáng)弱的關(guān)系，而無(wú)法定量評(píng)價(jià)，從而無(wú)法指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

3 巖石沖擊傾向性評(píng)估模型建立

已有學(xué)者根據(jù)關(guān)鍵層理論[10]，將頂板簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支巖梁，模型如圖11所示。頂板上覆巖層重量假設(shè)為均布載荷q，并充分考慮上覆頂板的受力狀態(tài)及垮落特征，建立了頂板巖層的沖擊傾向性判別公式[3]

圖11 簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型

(5)

(6)

式中，UWQ—頂板彎曲能量指數(shù)，kJ；q—單位寬度上覆巖層載荷，MPa；Rt—抗拉強(qiáng)度，MPa；h—頂板厚度，m；E為彈性模量，MPa。

式(5)(6)中所有參數(shù)可從實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得，計(jì)算所得結(jié)果具有一定的參考意義。但該模型過(guò)于簡(jiǎn)化，未考慮地下水環(huán)境對(duì)巖層沖擊傾向性的影響。由前文分析可知，不同含水率條件下巖石的強(qiáng)度、脆性等發(fā)生極大改變，但僅依據(jù)常見的脆性指數(shù)、能量指數(shù)等很難衡量含水率條件下巖石沖擊傾向性的變化。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)彈性模量與含水率滿足指數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系如式(7)，擬合關(guān)系圖如圖12所示，其與張二鋒等[7]所得的結(jié)果一致。

圖12 不同含水率彈性模量變化

E=10.93exp(-α/5.048)+0.418 8

(7)

將式(7)代入式(5)中可得含水率條件下頂板的沖擊傾向性判別公式

(8)

由該式可知當(dāng)含水率α增加時(shí)，彎曲能量指數(shù)隨之降低，表明該式可較好的衡量含水率條件下巖石的沖擊傾向性。

分析表明，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間與改進(jìn)的彎曲能量指數(shù)計(jì)算模型可很好地評(píng)估含水率條件下頂板巖石沖擊傾向性，可為煤礦含水率條件下頂板巖石沖擊傾向性評(píng)估提供參考。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)不同含水率條件下砂巖的損傷特征分析發(fā)現(xiàn)隨含水率增加其峰值強(qiáng)度、儲(chǔ)能能力下降明顯，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間顯著增加，彈性模量降低，塑性增強(qiáng)。

(2)研究發(fā)現(xiàn)原有脆性指數(shù)、彈性能指數(shù)與沖擊能指數(shù)與含水率的擬合程度較差，表明該指標(biāo)不能較好地評(píng)估含水率條件下巖石的沖擊傾向性。

(3)根據(jù)砂巖彈性模量與含水率間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，基于簡(jiǎn)支梁模型建立了改進(jìn)的頂板彎曲能量指數(shù)用于評(píng)估頂板的沖擊傾向性，研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間與改進(jìn)的彎曲能量指數(shù)模型用于含水率條件下頂板巖層的沖擊傾向性評(píng)估效果較好。