某礦巖石力學參數試驗研究及應用

李夢楠

（1.內蒙古科技大學礦業工程學院 內蒙古 包頭 014000；2.河南油田石油工程技術研究院 河南 南陽 473132）

0 引言

目前對露天煤礦進行深孔爆破，同一區域的開采臺階由上部到下部可能包括砂巖、泥巖、含礫砂巖、煤巖等不同巖體組成。由于不同巖石力學參數的性質不同，采用傳統的爆破方式會產生爆破后巖層高度相對高，爆炸后巖塊均勻性差，炸藥消耗大的問題[1]。爆破效果受多種因素影響，主要包括巖石力學性質、藥量、微差時間、孔徑等。在這些因素中，巖石的力學性質與爆破結果關聯性最大。因此，有必要在實施爆破前，對該礦區巖體的力學性質開展測試，為后續輸入力學參數利用軟件指導爆破設計提供數據支撐。

1 巖石力學性質測試

本次實驗采用X礦區，由于巖石較為堅固，縱向上巖石成分變化大，軟巖，硬巖交錯沉積，過去炸藥下入深度深，造成了爆炸后平臺出現根底，需要后期機械鉆孔，降低了工廠的生產效率。為了降低炸藥消耗，和提高巖石開采效率，因此有必要對礦區內巖石的力學性質做測試研究。為后期科學的布孔，下入炸藥提供施工依據。

本次鉆孔取樣的砂巖和含礫砂巖，對巖層的樣品分析后，巖石成分以細砂巖、含礫細砂巖為主，巖石中碎屑成分主要為石英（平均31%～44%）、長石（平均18%～20%）、巖屑（平均21%～22%），以及少量花崗巖、硅質巖、云母。砂巖巖石中因石英、長石含量高。但巖石膠結類型多為孔隙-壓嵌型，其中膠結物主要為泥質，且膠結疏松。

1.1 巖石密度測試

測量試樣尺寸并計算體積。將試樣置于105°C~110°C溫度下連續烘干1~2天，然后放到干燥器中冷卻至室溫，稱干試樣質量，準確至0.01 g。

表1 某礦砂巖巖石密度測定結果

表2 某礦含礫砂巖巖石密度測定結果

1.2 巖石抗張強度測試

1.2.1 測試原理

本次試驗采用劈裂法測定巖石的抗張強度。劈裂法是沿加工成規則圓柱體試件直徑方向施加相對線性載荷，使試件內部沿徑向產生拉應力而破壞的試驗方法[2]。

1.2.2 測試步驟及結果

測量試樣尺寸。將試樣置于105°C~110°C溫度下連續烘干1~2天，然后放到干燥器中冷卻至室溫。將試樣準確放在試樣架內，試驗機加載至試樣破壞，記錄試樣破壞時載荷值。

計算公式：

式中：St—巖石抗張強度，MPa；

D—試樣直徑，cm；

L—試樣厚度，cm。

表3 某礦砂巖巖石抗張測試結果

1.3 巖石三軸壓縮試驗

1.3.1 測試原理

巖石三軸試驗的目的在于了解巖石在復雜應力狀態下的變形特性和巖石的強度特性。通過試驗可求得巖石不同壓力條件下的力學參數和摩爾圓包絡線。通過測定規則形狀的巖石試件在不同圍壓作用下縱向和橫向的變形量，從而求得巖石的彈性模量、泊松比以及巖石三軸抗壓強度[3-5]。

1.3.2 測試步驟以及結果

打開計算機，運行試驗軟件。連接軸徑向變形傳感器，調整軸向變形傳感器初始值為-2 mm，調整徑向變形傳感器初始值為2 mm。圍壓加載到目標值后，在試樣破壞強度的30%之前采取軸向應變控制，后轉為徑向應變控制直到試樣破壞，控制程序自動采集應力、應變等數值。

根據三軸壓縮試驗結果可以確定不同圍壓條件下的巖石彈性模量和泊松比。

計算軸向破壞應力σ（MPa）：

式中：σ1—軸壓（MPa）

σ3—圍壓（MPa）

計算彈性模量E，泊松比μ。

式中：(σ1-σ3)()為最大主應力差值，MPa。

εh—σ1軸向壓縮應變

εd—σ1徑向壓縮應變

K由軸向破壞應力與圍壓關系擬合曲線所求得；

表5 砂巖三軸壓縮試驗結果表

圖2 砂巖強度包絡線圖

圖3 含礫砂巖強度包絡線圖

表6 砂巖三軸壓縮試驗結果表

1.4 巖石剪切強度試驗

因巖石的低抗拉特性導致拉張破壞現象。爆破過程中，炸藥沖擊力打破了原有地應力狀態，使巖體局部受拉應力作用。當巖體的拉應力水平載超過抗拉強度時，就會發生拉張破壞，產生破裂面，破裂面之間形成裂隙，隨著注入壓力的增加而不斷擴展。

1.4.1 試驗原理

巖石抵抗剪切破壞的最大能力稱為抗剪強度。測定巖石抗剪強度,對試樣，施加不同的法向荷載,用平推法施加水平剪切力，直至試樣被剪壞，計算抗剪強度。根據莫爾理論，求得抗剪強度參數:內摩擦角（φ）和內聚力（C）。

1.4.2 測試步驟以及結果

（1）制備樣品，試樣用巖石鉆機鉆成?25×50 mm的圓柱型。

（2）打開計算機，運行試驗軟件。

（3）采用位移控制，加載法向荷載目標值。

（4）同樣采用位移控制，加載水平剪切力，直至試樣被剪壞?？刂瞥绦蜃詣硬杉奢d、應力、位移等數值。

（5）巖石的直剪強度試驗的法向應力σn和剪切應力τ按下式計算：

式中：N—法向力，kN；

Q—剪切力，kN；

A—沿試樣剪切方向的有效剪切面積，cm2。

表7 巖石剪切強度試驗結果表

2 利用巖石力學參數模擬巖石變化的應用

使用ANASYS模擬計算分析過程中，固定砂巖基本的物理、力學參數，分別研究最大和最小水平應力差、彈性模量、泊松比等參數變化對巖石起裂的影響。

建立的物理模型如圖4，模擬單位厚度的半無限大水平巖層，井眼半徑0.1 m，左側邊界為滑移邊界（約束x向的位移），另外三側邊界為固定位移邊界（對應模擬無限遠處地層）。

圖4 巖石開裂模型示意圖

模型網格劃分見圖5，采用三角形網格，且采用漸變網格對井眼及模型中間線進行局部加密，井眼網格尺寸為0.01 m，模型中間線網格尺寸為0.2 m，模型外邊界網格尺寸為5 m，模型內部網格尺寸為5 m。模擬計算所需基本參數如下：井深600 m，最大水平地應力12 MPa，最小水平地應力10 MPa，孔隙壓力6 MPa，煤巖抗拉強度0.5 MPa，彈性模量4 000 MPa，泊松比0.35。

圖5 有限元網格剖分圖

固定煤層和砂巖的基本物理、力學參數，同時固定地層的垂向地應力和煤層的最小水平地應力，改變砂巖的最小水平地應力，研究砂巖與煤層水平地應力差Δσ分別為2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa時巖石壓裂裂縫擴展情況，結果見圖6至圖9。

圖6 Δσ為2MPa時裂縫擴展整體變形圖

圖7 Δσ為2MPa時第一主應力分布云圖

圖8 Δσ為8MPa時裂縫擴展整體變形圖

圖9 Δσ為8MPa時第一主應力分布云圖

記錄不同砂巖與煤層地應力差時，巖石破裂裂縫向下縱向位移，結果見表8。

表8 不同Δσ時煤層與砂巖層交界面中點的縱向位移

3 結論

(1)儲層巖石中因石英、長石含量高，巖石密度較大。但巖石膠結類型多為孔隙-壓嵌型，膠結物主要為泥質，且膠結疏松。所以巖石抗張強度、抗壓強度低，彈性模量小，泊松比小，即巖石彈性變形小。礫砂巖抗張強度、抗壓強度、剪切強度都低于砂巖。

(2)裂縫整體變形圖可以看出，隨著砂巖與煤層水平地應力差Δσ的增加，裂縫擴展穿過砂巖的距離減小，當Δσ為6 MPa時，裂縫剛好穿過砂巖，當Δσ進一步增加至8 MPa時，裂縫已經不能再穿過砂巖，可以預見裂縫將會在砂巖與煤層交界處橫向擴展，由于砂巖與煤層交界面膠結程度差，最終會形成T形縫。