宿州市祁南煤礦區含煤巖系巖石力學性質探討

辛聰聰，吳燦燦，朱方華，夏倫娣，劉嘉敏，高　詠（宿州學院　資源與土木工程學院，安徽　宿州　234000）

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宿州市祁南煤礦區含煤巖系巖石力學性質探討

辛聰聰，吳燦燦，朱方華，夏倫娣，劉嘉敏，高詠
（宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州234000）

摘要：本文對宿州區域內祁南煤礦區內巖層進行采樣分析.所采樣品主要是細砂巖、粉砂巖以及泥巖，著重從巖石的巖性特征以及含水情況兩方面進行分析研究.在對巖石的物理性質進行分析，得出單軸抗壓強度、抗壓強度、含水率、泊松比、粘聚力、內摩擦角等物理性質指標.在對巖性對巖石的強度分析中得出細砂巖的強度最大，所采樣品屬于軟質巖類；對含水量與強度的分析中得到，含水率越大，巖石的強度越小的性質.

關鍵詞:巖石力學性質；含煤巖系；影響因素

隨著礦業開發力度的進一步加大,礦井的開采深度不斷地加深,這一加深將伴隨著圍巖的自身重力、溫度、水壓、地下水等相應的增大,巖石的力學性能發生了顯著的變化,巖石出現了軟化等現象[1].影響巖石力學性質的因素很多，其中，主要受巖性(相)和賦存環境，如水和地應力環境等因素影響[2-3]，對巖石力學性質的認識，只有認真地考慮這些因素，才能作出正確的評價[4].采礦工程中，當在軟弱巖體中開挖巷道以后，由于應力重新分布，圍巖將產生顯著的塑性變形，巷道變形量可達數百甚至數千毫米以上，支護結構遭到嚴重的破壞，這給巷道支護設計、施工工藝帶來了一系列棘手的問題[5].由于巖石軟化對礦區生產的影響，受到專家們的廣泛關注，孟召平等[6-7]基于含煤巖系主要幾種巖石的單軸和三軸壓縮試驗，分析了水對煤系巖石力學性質及沖擊傾向性的影響.由此，進一步深化對軟弱巖石物理力學特性的認識，掌握巖石受力變形、破壞機制和規律，進而選擇正確的開挖方案、施工方法和支護方案，對于保證煤礦巷道圍巖的安全和穩定具有十分重要的意義[4].

1　研究背景

祁南煤礦位于安徽省宿州市埇橋區祁縣鎮境內，北距宿州市約23km，南距蚌埠市約70km，采樣范圍礦區面積54.5822km2，開采深度由-315m至-800m標高；本礦區屬淮河流域，在區內有淮河支流澮河和澥澮新河從礦區流過，流量不穩定，隨季節影響變化大.澮河自西北向東南注入淮河和洪澤湖.歷年本區最高洪水位+23.5m，對礦坑及礦區建設影響不大，礦井內農用灌溉溝渠縱橫，村莊星羅棋布.地表下潛水較豐富，一般居民生活用水及部分工業用水皆取于此，本礦水文地質條件是以裂隙充水為主的，水文地質類型為復雜型.其巖性主要巖性由淺海相石灰巖及過渡相的灰色砂巖、深灰色粉砂巖、泥巖和薄煤層組成.在采樣深度范圍內巖性主要是砂巖、粉砂巖、泥巖、鋁質泥巖和煤層組成.

2　巖性對巖石力學性質影響

巖性不同反映不同的力學性質.由實驗研究表明（表1），所采巖樣在自然狀態下力學性質的變化范圍都很大.細砂巖抗壓強度為：33.27-18.14MPa；中細砂巖抗壓強度為：32.48-27.02MPa；粉砂巖抗壓強度為：17.99-12.84MPa；泥巖抗壓強度為：16.58-11.57MPa.這四種巖石屬于同一類型的沉積巖，根據各個巖石的抗壓強度的比較，可以看出巖石力學性質的變化范圍有交叉.但是，變化范圍的不同反映出相同類型的巖石的力學性質具有較大的差異，說明影響巖石力學性質的因素除巖相外還有其他因素，例如：溫度、圍壓、應變率以及巖石的結構格架.

不同巖性巖石的力學性質的不同，不僅從抗壓強度變化范圍中體現，也可從其抗壓強度及其抗拉強度的平均值反映.細砂巖抗壓強度拉強度的平均值為28.71MPa、3.45MPa；中細砂巖抗壓強度拉強度的平均值為27.75MPa、2.93MPa；粉砂巖抗壓強度抗拉強度的平均值為15.42MPa、2.88MPa；泥巖抗壓強度拉強度的平均值為14.08MPa、1.50MPa。可以看出最大的是細砂巖，最小的是泥巖.

表1　含煤巖系巖石力學性質測試結果

根據巖石的抗壓強度的范圍不同，對巖石的軟弱性進行分類.

表2　巖石力學強度類型

由表2，以上巖石的抗壓強度的數值小于30MPa，分類歸位軟質巖類.在單軸壓縮條件下為剪張破壞，一定側壓條件下為弱面剪切破壞和塑性破壞，并且隨著側壓的增大，巖石應力一應變曲線由應變軟化性態向近似應變硬化性態過渡，并伴有體積膨脹現象[6].

3　水對巖石力學性質的影響

巖石軟化性是巖石浸水后力學強度降低的特性.它主要取決于巖石的礦物成分和孔隙性.其定量指標是軟化系數，軟化系數愈小，軟化性愈強，軟弱巖石通常具有密度小，孔隙裂隙度高，軟化系數大，巖石強度低，塑性變形大等特征[7-9].

巖石遇水作用后,會引起某些物理、化學和力學等性質的改變.水對巖石的這種作用特性稱為巖石的水理性.不同巖性的巖石因其組成成分,構造和結構特征不同,水對巖石的變形特征影響的程度不同.巖石內部存在著許多隨機分布的孔隙和裂縫,在自然含水狀態和飽和含水狀態下,這些孔隙和裂隙中必須有水存在.當在巖石上施加載荷時,巖石的內部孔隙和裂縫的體積被壓縮,孔隙水壓力增大,導致巖石的變形特性發生改變[10].

水對巖石的軟化作用，表現為巖石承載能力和抗變形能力明顯降低.不同巖石由于其巖性的不同導致其孔隙率、含水率、吸水率的不同，實驗數據表明從細砂巖、中細砂巖、粉砂巖、泥巖孔隙率越來越小，含水率逐漸增大，吸水率越來越大，巖石強度越低，如表3.

表3　巖石孔隙率、含水率、吸水率與巖石強度的關系

水對各試樣的強度參數和變形參數均有不同的影響.吸水率較高的粉砂巖和泥巖飽水后，抗壓強度降低較多，而相對較為致密、吸水率較低的細砂巖、中細砂巖，抗壓強度降低相對較少.強度較高、彈性模量較大的砂巖的礦物成分中高強度材料相對較多，而水對高強度材料的軟化作用較弱，對其變形的影響也較小.泥巖含有低強度材料成分相對較多，水對這部分材料的軟化作用較大，所以含水率的大小對泥巖的變形特性影響較大[11].

根據巖石在不同含水率的情況下測其強度得到如下數據.

表4　泥巖含水率與抗壓強度關系

圖1　不同含水率下泥巖的強度

表5　砂巖含水率與抗壓強度關系

圖2　不同含水率下泥巖的強度

由以上泥巖及砂巖在不同含水率情況下其強度變化可知，巖石的抗壓強度隨含水率的增加而降低.在變化過程中，雖然其變化的程度不同，這可能與實驗時的操作以及試樣變化有關.從總的趨勢來看，是隨著含水率的升高而降低的，即巖石的抗剪強度與含水率呈負相關.

4　結論

影響巖石強度因素有的巖性和巖石的含水性等因素，由以上的分析可得以下的結論：

（1）在沉積巖中，由砂巖和泥巖可知，巖石力學性質主要表現為，隨著碎屑顆粒粒度由粗到細，即由砂巖到泥巖變化，碎屑巖的強度與剛度均迅速衰減.

(2)水對巖石力學性質亦產生重要影響，在干燥或較少含水量情況下，巖石單軸抗壓強度和彈性模量值均急劇降低；含水率越大巖石的抗剪強度越低.

參考文獻：

〔1〕徐建金.礦井中圍巖應力計算及分布[J].礦業天地，2008（10）：300-301.

〔2〕孟召平，彭蘇萍.不同側壓下沉積巖石變形與強度特征[J]煤炭學報，2000,25（1）：15-18.

〔3〕肖樹芳，楊淑碧.巖體力學[M].北京：地質出版社，1987.1-6.

〔4〕陸銀龍，王連國，楊峰，李玉杰，陳海敏.軟弱巖石峰后應變軟化力學特性研究[J].巖石力學與工程學報，2000（3）：640-648.

〔5〕孟召平，潘結南，劉亮亮，等.含水量對沉積巖力學性質及其沖擊傾向性的影響[J].巖石力學與工程學報，2009,28(增1):2637-2643.

〔6〕孟召平，彭蘇萍，傅繼彤.含煤巖系巖石力學性質控制因素探討[J].石力學與工程學2002,21(1): 102-106.

〔7〕楊新安，黃宏偉，張禹.軟弱巖體分類及其變形規律的研究[J].上海鐵道大學學報(自然科學版)，1997，18(4)：113-118.

〔8〕陳成宗，王石春，陳光中.軟弱巖體中鐵路隧道圍巖穩定性及其控制[J].巖石力學與工程學報，1982，1(1)：57–66.

〔9〕林崇德，牛錫倬.軟弱巖體中巷道圍巖的特性及其支護特點[J].煤炭學報，1988(1)：23–31.

〔10〕劉新榮,姜德義，海龍.水對巖石力學特性影響的研究[J].化工礦物與加工，2000(5):17-20.

〔11〕熊德國，趙忠明，蘇承東，王耕耀.煤系地層巖石力學性質影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2011（5）:998-1006.

基金項目：宿州區域發展協同創新中心開放課題（2014SZXTQP02）

收稿日期：2015年10月19日

中圖分類號：TD315

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0151-03