賦存深度對(duì)煤系砂巖力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究

靳 拓,沈書豪,翟曉榮

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001）

煤炭資源是國(guó)家能源安全與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，為滿足我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程中對(duì)能源的長(zhǎng)期需求提供了有力保障[1]。經(jīng)過長(zhǎng)期大規(guī)模開發(fā)，淺部煤炭資源日漸枯竭，煤炭開采進(jìn)入深部開采階段[2-3]。由于深部更加復(fù)雜的地質(zhì)條件以及煤系地層的沉積特點(diǎn)，同一煤層頂板、相同巖性的巖石，其賦存深度可能存在較大差異，物理力學(xué)性質(zhì)也大不相同[4-5]，這就為巷道設(shè)計(jì)支護(hù)及布置帶來巨大的不便。而煤系地層巖石主要以砂巖、泥巖為主，砂巖的力學(xué)性質(zhì)差異較為顯著，因此，對(duì)不同賦存深度煤系砂巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究有一定的實(shí)際意義。

現(xiàn)有研究賦存深度對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)影響多集中在花崗巖、玄武巖等較為均質(zhì)的巖石，如姜晨光[6]等通過室內(nèi)試驗(yàn)得到花崗巖的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都隨巖體賦存深度的增大而增大；李鵬波[7]等通過對(duì)地表到煤層的所有巖石進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，得出巖石的力學(xué)性質(zhì)隨賦存深度的變化規(guī)律；周宏偉[8]等通過對(duì)同一層不同賦存深度的玄武巖進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分析得到玄武巖的密度、彈性模量、單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角隨賦存深度的增大而線性增加，僅泊松比隨深度增加而線性減小。針對(duì)煤系沉積巖物理力學(xué)性質(zhì)隨賦存深度影響的研究成果還比較少。文章以潘集礦區(qū)深部13-1煤頂板砂巖為研究對(duì)象，對(duì)同為13-1煤層頂板巖性結(jié)構(gòu)相同而賦存深度差異較大的砂巖進(jìn)行了物理力學(xué)試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

潘集礦區(qū)煤田主體構(gòu)造形態(tài)呈北西西向展布的大型復(fù)式向斜，造成同一煤層在不同區(qū)域的埋深差異較大。以礦區(qū)13-1煤層為例，22-4號(hào)勘查鉆孔測(cè)得的13-1煤層埋深在860m，而18-4號(hào)勘查鉆孔測(cè)得其埋深為1429m。

本次試驗(yàn)取樣層位為潘集礦區(qū)深部勘查區(qū)的13-1煤層頂板砂巖，選擇深部勘查鉆孔巖芯賦存深度分別為870、970、1070、1170、1270、1370m，每個(gè)深度位置取樣3個(gè)。對(duì)所取樣品經(jīng)過二次加工，制備成為直徑φ=50mm，高徑比為2.0的標(biāo)準(zhǔn)巖石試件。此次制備標(biāo)準(zhǔn)試件共18個(gè)，在制樣成功后使用WSD-3聲波參數(shù)測(cè)定儀和100K-P40F激發(fā)、接收探頭進(jìn)行巖石標(biāo)準(zhǔn)樣的縱波波速測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用RMT-150B電液伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)這18個(gè)砂巖試件按照深度不同分組進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并在試驗(yàn)前安裝軸向位移計(jì)和橫向位移計(jì)，用以記錄軸向和橫向的變形值。制樣后的巖石樣品和室內(nèi)RMT單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。

圖1 制樣后巖石試件及RMT力學(xué)試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)砂巖試件進(jìn)行縱波波速測(cè)試及單軸壓縮試驗(yàn)，得到各個(gè)砂巖試件的縱波波速和單軸抗壓強(qiáng)度，并通過所記錄數(shù)據(jù)計(jì)算得到彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)。其中，彈性模量是軸向應(yīng)力除以軸向應(yīng)變得到，泊松比是橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的絕對(duì)值的比值，具體數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

為了更加直觀的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，觀察煤系砂巖的力學(xué)性質(zhì)隨賦存深度增加的變化規(guī)律，將表1中單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比三個(gè)力學(xué)性質(zhì)參數(shù)分別繪制了散點(diǎn)圖，統(tǒng)計(jì)計(jì)算同一賦存深度試驗(yàn)組中三件樣本的數(shù)據(jù)均值，并擬合了各力學(xué)參數(shù)隨深度的變化趨勢(shì)，如圖2所示。

圖2 力學(xué)參數(shù)隨賦存深度變化散點(diǎn)圖

圖2中藍(lán)色圓點(diǎn)為各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，黑色標(biāo)記為各組力學(xué)參數(shù)的均值，結(jié)合表1和圖2可以看出，煤系砂巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著砂巖賦存深度的增加呈線性增大的趨勢(shì)，而泊松比隨著砂巖賦存深度的增加逐漸減小。而通過各組參數(shù)散點(diǎn)圖不難發(fā)現(xiàn)，同組參數(shù)之間也存在差異性，部分巖石試件的力學(xué)參數(shù)偏離趨勢(shì)線，數(shù)據(jù)的離散性較大。

深部地層的煤系砂巖在脫離原位地質(zhì)環(huán)境時(shí)，受到高應(yīng)力解除等外力因素影響，內(nèi)部顆粒發(fā)生重新耦合，會(huì)造成巖石的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。在試驗(yàn)前已經(jīng)測(cè)量了各組試樣的縱波速度值，將各深度組試驗(yàn)測(cè)試的縱波波速繪制了散點(diǎn)圖，同樣以均值擬合了趨勢(shì)線，如圖3所示。

圖3 縱波波速隨賦存深度變化散點(diǎn)圖

由縱波波速的數(shù)據(jù)及散點(diǎn)圖不難發(fā)現(xiàn)，同組砂巖之間的縱波波速也可能存在較大差異；煤系砂巖的縱波波速隨著賦存深度的增加而增大，這與其單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系。由于縱波波速受到巖石成分、微觀結(jié)構(gòu)和孔隙度的影響較大，而巖石成分一般不會(huì)發(fā)生改變，因此，波速數(shù)據(jù)的離散性較大主要是由于巖石微觀結(jié)構(gòu)和孔隙度的變化不均造成的，這也是其相同賦存深度巖石的力學(xué)參數(shù)離散性較大的主要原因。

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)六個(gè)不同賦存深度水平的潘集礦區(qū)13-1煤層頂板砂巖進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出煤系砂巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著賦存深度的增加而增大，而泊松比隨著賦存深度的增加而線性減小。

（2）結(jié)合縱波波速的數(shù)據(jù)及散點(diǎn)圖，分析得出各組參數(shù)離散性較大的原因是由于巖石隨著外部環(huán)境改變，內(nèi)部顆粒發(fā)生重新耦合，其微觀結(jié)構(gòu)和孔隙度發(fā)生了不均勻的變化。

[1]謝克昌.中國(guó)煤炭清潔高效可持續(xù)開發(fā)利用戰(zhàn)略研究[M].科學(xué)出版社,2014.

[2]何滿潮,謝和平,彭蘇萍等.深部開采巖體力學(xué)及工程災(zāi)害控制研究[J].煤礦支護(hù),2007(03):1-14.

[3]何滿潮,謝和平,彭蘇萍等.深部開采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(16):2803-2813.