煤系巖石力學性質差異的巖性效應

楊文豐 田開飛 黃丹 祝立亮 徐宏杰

摘 要：以淮南礦區煤層頂底板巖石力學測試取得的大量數據資料為基礎，研究了煤層頂底板力學性質的巖性效應差異。結果表明：以細砂巖至粉砂巖、泥質粉砂巖至砂質泥巖為大致過渡界限，煤層頂底板不同巖性的力學參數存在階梯狀突變，抗壓強度、抗拉強度、凝聚力與彈性模量隨顆粒減小而減小，泊松比隨顆粒變小而增大，內摩擦角隨顆粒大小變化的趨勢不明顯，研究結果與前人所獲規律具有一致性。礦物成分變化、碎屑顆粒大小、接觸與支撐、膠結作用與類型是控制煤層頂底板力學性質的巖性差異的主要內因。

關鍵詞：力學性質；巖性效應；煤層頂底板；控制機制

煤系地層沉積巖主要由砂巖、泥巖、灰巖等巖石構成。不同巖性的的顆粒大小、礦物的成分以及巖石組成結構等都有所不同，從而對巖石力學性質有一定的影響。有關巖石力學特性研究早已受到國內外學者的重視且取得了許多研究成果[1-5]，主要是從巖石所處受力條件、賦存環境、含水性等影響因素方面開展研究[6-9]，并對深部地層巖石力學性質進行了研究[10-12]，而對巖石力學性質差異起著決定作用的是巖石本身固有的巖性差異方面卻研究的較少[13-15]。為此，本文以淮南礦區含煤巖系不同巖性巖石的基本測試力學參數為依據，分析了不同巖性的力學性質差異規律，探討了影響煤系沉積巖力學性質差異的內在影響因素，以期對煤礦井下支護和地面瓦斯抽采鉆孔破壞的層位與巖性效應研究提供一定理論依據。

1 煤層頂底板力學性質巖性差異

1.1 樣品采集與參數測試

實驗所用巖石樣品采自淮南礦區丁集礦、顧北礦、顧橋礦、潘三礦、潘一礦以及張集礦煤系地層的粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、石英砂巖、以及泥巖等。為便于力學參數的統計對比分析，根據礦物顆粒大小，進一步將巖石劃分為粗、中、中細、細砂巖，粉砂、粉細砂和泥質粉砂巖，砂質泥巖和泥巖。

研究的巖石力學參數中，巖石變形參數泊松比v和彈性模量G是相互獨立的，可以通過三軸加載實驗獲取得到。其他的巖石力學參數的機械強度參數，如抗壓強度、內摩擦角和

凝聚力可以通過上述的兩個獨立參數推導出來 。抗拉強度參數數據則需要另外進行抗拉強度試驗測得。本文數據來自于兩次獨立試驗和多次數據計算。

1.2 巖石力學性質的巖性效應

試驗結果表明（表1），砂巖的抗壓強度為27.0～150.525MPa，平均54.435MPa，抗拉強度1.02～4.22MPa，彈性模量8.412～43.93GPa，泊松比0.119～0.253，凝聚力5～21MPa，內摩擦角29～42.0°；粉砂巖的抗壓強度為10.05～138.76MPa，平均38.610MPa，抗拉強度0.4～3.9MPa，彈性模量2.663～30.7GPa，泊松比0.078～0.325，凝聚力1.5～17MPa，內摩擦角30～48°；泥巖的抗壓強度為9.4～122.412MPa，平均26.491MPa，抗拉強度0.16～3.64MPa，彈性模量2.038～48.21GPa，泊松比0.12～0.31，凝聚力1.2～15.5MPa，內摩擦角25～45°。

不同巖性的巖石力學性質差異較大，抗壓強度和抗拉強度等指標以砂巖為最大，平均值分別是54.435MPa和2.207MPa，泥巖最小，平均值為26.491MPa和0.895MPa。內摩擦角各類巖性變化不明顯。但需要指出的是，不同巖性的同類力學參數存在重復與交叉，砂巖的單軸抗壓強度為27.04～150.525MPa，粉砂巖為10.05～138.76MPa，泥巖為9.4～122.412MPa。這些現象表明不同巖性的力學與巖性顆粒大小并非呈簡單的線性關系，巖性顆粒不是影響巖性力學性質差異的唯一因素，巖石成分、結構、膠結成分，膠結類型和支撐類型等內在因素和賦存環境、受力條件等外在因素同樣對巖石力學性質存在影響。

1.2.1 巖石的機械強度參數對比

巖石抵抗外力破壞的能力稱為巖石的機械強度，包括抗壓強度、抗拉強度和抗剪切強度，不同巖性的力學性質有很大的不同。

從以上的試驗成果可以看出（圖1、圖2；其中，①：粉砂、中砂、細砂巖，②：粉、粉細砂、泥質粉砂巖，③：砂質泥巖、泥巖；下同），巖性顆粒由粗變細，抗壓強度存在變小趨勢；特別是在較粗粒砂巖與泥巖比較變化明顯；抗拉強度反應同樣趨勢，但部分砂泥巖互層抗壓強度低于砂質泥巖。巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度，之所以出現這種現象，是因為在壓縮條件下，裂縫擴展受阻止的機會比在拉伸條件下要多得多，決定抗拉強度的因素不只是巖石顆粒間的黏聚力，還有摩擦力。在拉伸條件下，試件中裂隙擴展速率比壓縮時快，因為在拉應力場中，儲存能釋放速率隨裂隙尺寸微量增加而迅速增大，決定抗拉強度的因素主要是巖石顆粒的黏聚力。凝聚力與內摩擦角是抗剪強度指標，其隨巖性的變化趨勢如圖3和圖4所示。數據表明，凝聚力的變化比較明顯，隨顆粒由[16]大變小凝聚力減小，砂巖的凝聚力明顯大于泥巖，石英砂巖的凝聚力較大。各種巖性內摩擦角的變化不明顯，反應各類巖性顆粒之間相互摩擦需要克服顆粒表面粗糙不平而引起的滑動摩擦和顆粒之間的嵌入與咬合產生的咬合摩擦程度相差不大，影響抗剪強度差異的主要是不同巖性的凝聚力不同，即影響抗剪強度的主要因素為顆粒間距離、粒徑大小、膠結程度。

1.2.2 巖石的變形參數的對比

在一定的應力范圍內，物體受外力作用產生全部變形，而除去外力后能夠立即恢復其原有的形狀和尺寸大小的性質稱為彈性。巖石的彈性模量（E）和泊松比（μ）是描述巖石彈性變形、衡量巖石抵抗變形能力和程度的主要參數。通過對已有的巖石樣品實驗數據（圖5）表明：不同巖性的彈性模量變化范圍很大，隨顆粒由大變小而降低，變化趨勢與抗壓強度、抗拉強度和凝聚力變化趨勢一致；砂巖的彈性模量大于泥巖，其中砂質泥巖和泥質粉砂巖的彈性模量也較小。不同巖性泊松比變化范圍較小，與前述巖石力學參數變化趨勢相反，隨顆粒減小呈階梯狀增大趨勢，但變化范圍較小（圖6）。

2 巖性對巖石力學性質的控制機制

影響巖石力學性質的因素除與受力條件和賦存環境等外在因素有關外，巖石的沉積環境和沉積特征（物質成分和結構構造）等內在因素起決定性的作用[17]。巖性對巖石力學性質的控制實質是巖石的成分和結構對巖石力學性質的控制，主要與巖石礦物成分（主要為石英與粘土礦物相對含量）、顆粒大小、形態與結構、膠結特性等因素有關。隨石英含量增高，巖石強度變大；隨顆粒減小，強度增高；抗壓強度隨孔隙率增加而減少[18，19]。抗壓強度、抗拉強度、凝聚力、彈性模與泊松比隨碎屑顆粒變化呈現兩次明顯的階梯躍變，分別在碎屑顆粒由大到小分別至細砂巖向粉砂巖過渡、泥質粉砂巖向砂質泥巖過渡階段迅速減小，表現為“粒徑軟化”特性[20]。巖性力學性質的規律性變化，實質受顆粒碎屑成分與結構控制。對于砂巖來說，顆粒組分主要為石英，而長石、巖屑等含量較小，而石英是一種高強度剛性礦物；同時碎屑顆粒的減少意味著雜基物質含量的增加，顆粒成分不再構成巖石的骨干，顆粒接觸逐漸向凸凹接觸、線接觸和點接觸過渡，支撐結構由顆粒支撐向雜基支撐結構轉變，膠結類型由鑲嵌式膠結、接觸式膠結、孔隙式膠結向基底式膠結過渡，使得顆粒間承受接觸力并在其內部相互傳遞的能力減弱。隨著粒度進一步變細，粘土礦物含量與云母含量增多，顆粒之間基本由雜基支撐，變形主要表現為粘性、塑性和粘彈塑性，則巖石的力學強度和剛度降低。

3 結論

（1）以細砂巖至粉砂巖、泥質粉砂巖至砂質泥巖為大致過渡界限，煤層頂底板不同巖性的力學參數存在階梯狀突變，抗壓強度、抗拉強度、凝聚力與彈性模量隨顆粒減小而減小，泊松比隨顆粒變小而增大，內摩擦角隨顆粒大小變化的趨勢不明顯。

（2）隨煤層頂底板巖性變化，巖石力學性質的階段式躍變呈現“粒徑軟化”，主要受控于巖石的礦物成分和結構。石英和粘土礦物含量、顆粒大小、顆粒接觸與支撐結構、膠結作用與類型是控制煤層頂底板力學性質巖性差異的主要內因。

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基金項目：國家自然科學基金項目（41402140），安徽省自然科學基金（1408085QE88），安徽理工大學大學生科研項目（ZY1404），安徽理工大學省級大學生創新創業訓練計劃項目聯合資助。

作者簡介：楊文豐（1993—），男，本科，安徽理工大學地球與環境學院地質工程專業大四學生。