盈盛煤業(yè)9號煤層頂板巖石力學(xué)性能實驗研究

王 飛，牛軍平，杜敬彬

(1.焦作煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司瓦斯治理工程公司，河南 焦作 454000；2.山西晉煤集團(tuán)澤州天安盈盛煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048019)

盈盛煤業(yè)91303工作面直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，常相變?yōu)榉凵百|(zhì)泥巖，巖體經(jīng)過沉積或變質(zhì)作用形成了層狀結(jié)構(gòu)，同時內(nèi)部蘊(yùn)含了大量非連續(xù)性的微缺陷。隨著層狀巖體受荷狀態(tài)的變化，損傷不斷發(fā)展，往往表現(xiàn)出物理和力學(xué)的各向異性特征。在回采過程中，煤層頂板垮落步距較長，且一旦發(fā)生垮落，容易形成較強(qiáng)的沖擊載荷，釋放瓦斯災(zāi)害，給礦井的安全生產(chǎn)帶來安全隱患[1-4]。因此，對盈盛煤業(yè)91303工作面進(jìn)行巖石力學(xué)試驗研究，探索其力學(xué)特征和破壞特征，具有重要的理論價值和工程指導(dǎo)意義。

目前，國內(nèi)外對煤層堅硬頂板以及層狀巖石的力學(xué)性能和破壞特征的試驗分析已經(jīng)取得不少成果。RAMAMURTHY[5]較早地開展關(guān)于層理對巖石的物理和力學(xué)性能方面的研究，探索了強(qiáng)度和變形的各向異性規(guī)律。胡千庭等[6]分析并建立了堅硬頂板在不同損傷程度下的強(qiáng)度與圍壓的函數(shù)關(guān)系式，提出了計算表征巖體非線性破壞準(zhǔn)則即Hoek-Brown準(zhǔn)則參數(shù)m、s的方法，為分析堅硬頂板賦存條件下的煤巖復(fù)合動力災(zāi)害誘發(fā)及致災(zāi)提供新途徑。張婧等[7]研究了圍壓對巖石變形和彈性模量的影響。李清[8]分析了圍巖巖樣的抗拉強(qiáng)度和單軸、三軸抗壓強(qiáng)度以及彈性模量和泊松比平均值與圍壓之間的關(guān)系。平琦等[9-10]等結(jié)合巖石內(nèi)部的微裂紋的細(xì)觀力學(xué)研究分析，對巖石單軸循環(huán)加卸載的應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征、峰值強(qiáng)度及斷裂損傷力學(xué)特性等進(jìn)行了研究。對礦巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試分析，能夠為礦山采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，同時也是為了保障礦井下相關(guān)工程的設(shè)計順利以及巷道支護(hù)的安全[11-13]。

本文針對盈盛煤業(yè)堅硬頂板賦存下重復(fù)開采條件，對7號和8號煤層分別開采時上覆堅硬砂巖的巖石力學(xué)性能進(jìn)行試驗研究，目的是討論該工作面是否適合水力壓裂技術(shù)，并且根據(jù)頂板巖層地應(yīng)力場及巖層強(qiáng)度計算裂縫起裂壓力。該測試能夠?qū)τ⒚簶I(yè)控制采空區(qū)堅硬頂板、工作面頂板管理水平提供理論和技術(shù)支持。

1 工程地質(zhì)條件

山西晉煤集團(tuán)澤州天安盈盛煤業(yè)有限公司(以下簡稱“盈盛煤業(yè)”)井田位于澤州縣川底鄉(xiāng)西南上小河一帶，目前回采9號煤層91303工作面，上部為3號煤層已采空，存有大量的積水，下部15號煤層為實體煤層。91303工作面位于太原組三段底部，煤層厚度約1.69 m，煤層傾角2°～6°，平均4°，煤層結(jié)構(gòu)簡單。

91303工作面局部存在偽頂，為炭質(zhì)泥巖，厚度0.1～0.2 m，灰黑色，含植物化石，一般隨采隨落。直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，常相變?yōu)榉凵百|(zhì)泥巖，厚度為2.50～3.25 m，其抗壓強(qiáng)度為26.8～32.0 MPa，平均29.2 MPa，堅固性系數(shù)0.63，普氏硬度系數(shù)2.9，抗拉強(qiáng)度為0.6～0.7 MPa，內(nèi)摩擦角31°39′；局部頂板為石灰?guī)r，石灰?guī)r厚度一般0.2～1.5 m；基本頂為中厚層的細(xì)粒、中粗粒砂巖，厚6.74 m，以石英為主，長石次之。工作面直接底為深灰色狀厚0.7～1.2 m，有斜節(jié)理，含方解細(xì)脈、生物碎屑?；镜诪榉凵皫r，厚約3.4 m，含黃鐵礦檢核，其下部為厚9.2 m的K2灰?guī)r，距15號煤層約25 m。

巖層分布以砂巖和泥巖互層分布為主，為典型的復(fù)合型頂板。目前91303工作面正在回采，在進(jìn)行堅硬頂板水力壓裂時只能進(jìn)行91205巷和91206巷中工作面頂板的水力壓裂鉆孔設(shè)計。

2 試驗研究

2.1 設(shè)備及方法

此次巖石力學(xué)試驗使用RMT-150B型電液伺服試驗機(jī)(圖1)，該試驗機(jī)是煤巖力學(xué)性質(zhì)參數(shù)試驗研究的專用設(shè)備，具有單軸壓縮、三軸壓縮、直接拉伸、直接剪切等多種功能。試驗數(shù)據(jù)自動采樣、實時顯示，試驗結(jié)束后可輸出試驗條件、各種載荷變形曲線以及相關(guān)分析處理結(jié)果。利用該試驗機(jī)的取樣要求為：①利用取芯鉆頭和取芯管鉆取巖芯，取芯直徑不低于72 mm，取芯完整段長度大于100 mm為有效段；②將長度大于100 mm的巖芯用保鮮膜密封嚴(yán)實，并依次編號，注明巖樣名稱、距鉆孔口位置；③將包裝好的巖芯依次裝入木箱子，并用棉紗等柔軟物填塞，防止運(yùn)輸途中損壞；④取芯角度垂直頂板，取芯深度25.0 m。

圖1 RMT-150B電液伺服試驗機(jī)Fig.1 RMT-150B electro hydraulic servo testing machine

2.2 試件取樣及實驗方案

根據(jù)項目研究需要，91303工作面取樣地點(diǎn)為91206巷頂板，傾角45°，鉆孔深度30 m。取芯直徑為72 mm，所取巖芯相對完整并且均大于100 mm為有效段。

此次試驗選擇所取巖芯中比較突出的煤巖樣，分為4類：砂巖、砂質(zhì)泥巖、煤和石灰?guī)r。其中煤為7號煤(M42-1)和8號(M28-1、M29-1)煤取出的煤芯，石灰?guī)r位于7號煤上方。每類煤巖樣選用 3 個試件進(jìn)行平行試驗，試驗采用位移控制方法。為了保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，加載速率設(shè)置為0.005 mm/s，記錄試件應(yīng)力—應(yīng)變曲線。并且對不同巖性巖樣分別做單軸壓縮實驗，來研究不同煤巖樣試件的力學(xué)性質(zhì)的差異及其破壞特征。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 巖石力學(xué)試驗結(jié)果分析

巖石的力學(xué)性質(zhì)主要包括巖石的強(qiáng)度和巖石的破壞特征等，對完整巖石試件進(jìn)行單軸壓縮試驗，試驗曲線如圖2所示。

圖2 巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Stress strain curve of rock

從圖2可以看出，試樣壓縮過程約可分3個階段：

(1)應(yīng)力變化階段。在壓縮初期，隨著應(yīng)力不斷增大，應(yīng)變也隨之增大，應(yīng)力應(yīng)變曲線展現(xiàn)為上凹特征，曲線的斜率隨應(yīng)力的增大而增大。

(2)線性、彈性變化階段。隨著載荷的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線性變化，應(yīng)力大于應(yīng)變增幅，此階段主要是彈性變形。

(3)峰后階段。曲線到達(dá)峰值后，方向直轉(zhuǎn)向下，巖石發(fā)生脆性破壞，直接破碎。

由圖2和表1可知，不同試樣的抗壓強(qiáng)度差別很大。9號煤層與煤線段主要以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，其中砂巖平均單軸抗壓強(qiáng)度為97.8 MPa，離散性大，最高達(dá)到118.8 MPa；黑色的砂質(zhì)泥巖平均單軸抗壓強(qiáng)度為69.1 MPa；K2灰?guī)r平均單軸抗壓強(qiáng)度為195 MPa，強(qiáng)度特別大；7號煤層、8號煤層的單軸礦壓強(qiáng)度相差不大，單軸抗壓強(qiáng)度平均為5.0 MPa。8號煤層與7號層煤之間的巖層強(qiáng)度較低，以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，巖層比較破碎。7號煤層頂板巖層以強(qiáng)度較高的灰?guī)r分布為主，故7號煤層頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度較高。

表1 巖石單軸壓縮實驗強(qiáng)度Tab.1 Experimental strength of rock under uniaxial compression

3.2 巖石力學(xué)破壞特征分析

裂紋的萌生以及裂隙的擴(kuò)展均需要能量，加之不同的煤巖樣結(jié)構(gòu)不同、受力方向不同，導(dǎo)致不同煤巖樣之間的儲能和釋能的能力差別較大，因此，試樣的破壞特征也存在差別。通過在壓縮過程中對試樣的觀察發(fā)現(xiàn)，煤樣和石灰?guī)r在載荷達(dá)到抗壓強(qiáng)度時，試件完全破碎，呈碎片狀。砂巖和砂質(zhì)泥巖則是由于瞬間出現(xiàn)了貫穿整個試件的軸向裂紋而發(fā)生破壞。試樣破壞后破壞特征如圖3所示。這些破壞形式表明該巖石的破壞類型為脆性破壞。從力學(xué)角度分析，當(dāng)巖石承受來自外界壓力時，內(nèi)部微裂紋成核、擴(kuò)展，隨著應(yīng)力的增加，裂紋逐漸匯合、貫通，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，經(jīng)過應(yīng)力場不斷調(diào)整，沿某些方位形成宏觀大裂紋，最終導(dǎo)致巖石的整體破壞。

圖3 巖石變形破壞特征Fig.3 Characteristics of rock deformation and failure

從圖3可以看出，砂巖和砂質(zhì)泥巖多為微裂紋，整體破壞程度比煤和石灰?guī)r更輕，其中煤的破碎程度最強(qiáng)，砂巖的破碎程度最弱。

4 結(jié)論

(1)砂巖離散性較大，最低單軸抗壓強(qiáng)度為67.6 MPa，最高達(dá)到118.8 MPa；黑色的砂質(zhì)泥巖平均單軸抗壓強(qiáng)度為69.1 MPa；K2灰?guī)r平均單軸抗壓強(qiáng)度最高，為195 MPa；7號、8號煤層的單軸礦壓強(qiáng)度相差不大，單軸抗壓強(qiáng)度平均為5.0 MPa。

(2)巖石試樣破壞類型為脆性破壞，砂巖和砂質(zhì)泥巖內(nèi)部有大量微裂紋，在單軸壓縮條件下以劈裂破壞為主，破壞面位于巖樣的中部；煤和石灰?guī)r雖然抗壓強(qiáng)度差別巨大，但是破壞特征非常相似，均為內(nèi)部微裂紋成核、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致破碎。