含水率對弱膠結(jié)砂巖力學(xué)特征的影響規(guī)律

李回貴，李化敏，許國勝

( 1. 貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700；2. 河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000 )

神華集團(tuán)神東礦區(qū)由于其特殊的沉積環(huán)境，造成該地區(qū)砂巖的膠結(jié)程度差、易風(fēng)化、塑性變形大、孔隙率大、孔隙連通高，煤礦開采過程中容易形成潰水潰沙現(xiàn)象[1-5]。弱膠結(jié)砂巖由于其孔隙率大、膠結(jié)性差，水對其物理力學(xué)性質(zhì)存在很大的影響，尤其是在短時(shí)間內(nèi)就能對物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，在自然狀態(tài)下進(jìn)行飽水處理，幾分鐘之內(nèi)含水率就能達(dá)到10%左右，這與目前學(xué)者們進(jìn)行的研究存在顯著差別[6-8]。

關(guān)于水對巖石的物理力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究。VASARHELYI B[9]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了含水量與石灰?guī)r強(qiáng)度的關(guān)系；YILMAZ I[10]研究了含水量對石膏強(qiáng)度和變形的影響；TENG Teng[11]等對不同應(yīng)變速率下干燥和飽和砂巖的力學(xué)特征進(jìn)行了研究；LU Yinlong[12]等以泥巖和砂巖為研究對象，分析了水和溫度對其應(yīng)力-應(yīng)變曲線、破壞模式、峰值強(qiáng)度及彈性模量等參數(shù)的影響規(guī)律；FAN Lifeng[13]等對不同干濕循環(huán)次數(shù)的干燥和飽和砂巖進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)測試，分析了其靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的變化規(guī)律；FENG Wenlin[14]等以某煤礦砂巖為研究對象，分析了飽和砂巖在峰后循環(huán)加卸載作用下的力學(xué)特性；NIU Shuangjian[15]等分析了飽和砂巖峰后加卸載作用下的力學(xué)特征和能量演化機(jī)制，認(rèn)為水對砂巖峰后的強(qiáng)度和彈性模量有明顯的弱化作用；李業(yè)學(xué)[16]等對孔隙砂巖開展了SHPB試驗(yàn)和低場核磁共振試驗(yàn)，認(rèn)為飽水砂巖比干燥砂巖能耗小；段天柱[17]等對不同含水率砂巖開展了力學(xué)試驗(yàn)聲波測試，含水率對峰值強(qiáng)度、彈性模量有顯著變化；聞名[18]等對不同含水率紅砂巖開展了SHPB試驗(yàn)和SEM試驗(yàn)，分析了紅砂巖的劈拉強(qiáng)度與含水率的關(guān)系；鄧華鋒[19]等分析了干燥、自然和飽水3種狀態(tài)下紅砂巖的物理力學(xué)特征，認(rèn)為水對抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)特征都有顯著的影響。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，尤其是關(guān)于水對砂巖物理力學(xué)特征的影響研究報(bào) 道較多，然而關(guān)于含水率對弱膠結(jié)砂巖的物理力學(xué)特征的影響規(guī)律研究較少。因此，筆者以神東礦區(qū)大柳塔煤礦巖層的砂巖為研究對象，對其進(jìn)行XRD，SEM，NMR和單軸壓縮試驗(yàn)，分析弱膠結(jié)砂巖的成分、微觀結(jié)構(gòu)和孔隙率特征，同時(shí)分析單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變等參數(shù)與含水率的關(guān)系。

1 試樣采集、加工及試驗(yàn)方案

1.1 試樣采集與加工

弱膠結(jié)砂巖試樣采集于神東礦區(qū)大柳塔煤礦，經(jīng)過防震膜包裝之后，裝入巖心盒打包運(yùn)送至學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)規(guī)范[20]要求，結(jié)合自行的加工裝置( 一種標(biāo)準(zhǔn)試樣加工過程中的抱緊裝置，發(fā)明授權(quán) )和加工設(shè)備，對采集的巖芯進(jìn)行取芯、切割、磨平后制成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。試樣加工過程中采用干鉆，風(fēng)力降溫的方式，鉆進(jìn)過程中降低鉆頭的轉(zhuǎn)速以及向下推進(jìn)的速度，提高取芯率。試樣共分為4組，A組為干燥試樣，試樣編號為A1～A3；B( B1～B3 )組、C( C1～C3 )組和D( D1～D3 )組進(jìn)行 浸泡處理，含水率分別為2%，4%和6%。由于弱 膠結(jié)砂巖飽水速度與常規(guī)砂巖有很大區(qū)別，因此，在進(jìn)行飽水試驗(yàn)之前選擇一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的弱膠結(jié) 試樣進(jìn)行測試，最后確定每隔20 s將浸泡試樣取出并進(jìn)行稱量，計(jì)算其含水率，確保含水率滿足試驗(yàn)要求。試樣基本參數(shù)見表1。A，B，C，D組試樣的含水率平均值分別為0，2.13%，4.11%，6.12%；飽水前密度平均值分別為1 964，1 995，2 017，2 008 kg/m3，飽水后密度平均值分別為1 984，2 037，2 101，2 131 kg/ m3。

表1 弱膠結(jié)砂巖的基本參數(shù) Table 1 Basic parameters of weakly cemented sandstone

1.2 試驗(yàn)方案

XRD試驗(yàn)將試樣加工成粉末狀，運(yùn)用德國Bruker X射線衍射儀進(jìn)行試驗(yàn)分析；SEM試驗(yàn)采用FEI-SEM掃描電鏡進(jìn)行試驗(yàn)；NMR試驗(yàn)采用蘇州紐曼生產(chǎn)的低場核磁共振設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)；力學(xué)試驗(yàn)是采用中國武漢巖土力學(xué)所生產(chǎn)的RMT-150C力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，本試驗(yàn)采用的是位移控制的加載方式，試驗(yàn)過程中的加載速率是0.002 mm/s，每組試樣重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)。

2 弱膠結(jié)砂巖的微觀結(jié)構(gòu)及孔隙特征

為了分析弱膠結(jié)砂巖的孔隙率及微觀結(jié)構(gòu)特征，對弱膠結(jié)砂巖進(jìn)行了XRD、掃描電鏡試驗(yàn)和低場核磁共振試驗(yàn)。XRD試驗(yàn)結(jié)果表明，弱膠結(jié)砂巖的成分主要包括石英( 16% )、長石( 36% )、高嶺石( 18% )和綠泥石( 30% )。圖1為掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果，從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，弱膠結(jié)砂巖的骨架顆粒周圍存在一定量的膠結(jié)物，但是膠結(jié)物與骨架顆粒的膠結(jié)程度較低，表面存在較多的孔隙和裂隙，骨架顆粒周圍以黏土礦物為主，從圖1( b )中可以發(fā)現(xiàn)存在大量的高嶺石和綠泥石。圖2為低場核磁共振試驗(yàn)結(jié)果。3個(gè)試樣被測試，孔隙率分別為20.22%，20.01%，20.64%，平均值為20.29%。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，弱膠結(jié)砂巖的T2譜都呈現(xiàn)出2個(gè)波峰，且第1個(gè)波形的面積要小于第2個(gè)波形；第1個(gè)波形的T2區(qū)間為0.1～2.5 ms，第2個(gè)波形T2區(qū)間為2.5～800 ms。根據(jù)文獻(xiàn)[21-22]的結(jié)論，第1個(gè)波形主要是微小孔，第2個(gè)波形主要是中大孔，并且以中大孔為主，說明弱膠結(jié)砂巖中大孔隙發(fā)育；微小孔與中大孔波峰連續(xù)，說明弱膠結(jié)砂巖的這2類孔隙連通性較好。

圖1 弱膠結(jié)砂巖微觀結(jié)構(gòu) Fig. 1 Microstructure of weakly cemented sandstone

圖2 弱膠結(jié)砂巖T2譜特征 Fig. 2 T2 spectrum characteristics of weakly cemented sandstone

3 含水率對弱膠結(jié)砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征的影響規(guī)律

為了研究含水率對弱膠結(jié)砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律，采用RMT-150C力學(xué)試驗(yàn)機(jī)分別對含水率為0，2%，4%和6%的試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，圖3( a )～( d )為不同含水率弱膠結(jié)砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，弱膠結(jié)砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都存在明顯的壓密、彈性、屈服和峰后4個(gè)階段。隨著含水率的逐漸增大，初始壓密期明顯增長；彈性階段的曲線長度逐漸減小，斜率也逐漸減小，說明隨著含水率的增加，弱膠結(jié)砂巖的彈性模量有所減小；屈服階段，隨著含水率的逐漸增大，曲線變得更加平滑，說明隨著含水率的逐漸增加弱膠結(jié)砂巖的塑性逐漸增強(qiáng)；峰后破壞階段，隨著含水率的增加，峰后破壞階段的變形發(fā)生量明顯增大。綜上所述，隨著含水率的逐漸增大，弱膠結(jié)砂巖更容易出現(xiàn)大變形，這對于西部地區(qū)巷道支 護(hù)會(huì)造成更大的困難。

圖3 不同含水率弱膠結(jié)砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 Fig. 3 Stress strain curves of weakly cemented sandstone with different water content

4 含水率對弱膠結(jié)砂巖力學(xué)特征的影響規(guī)律

4.1 含水率對弱膠結(jié)砂巖強(qiáng)度的影響規(guī)律

表2為單軸壓縮下不同含水率弱膠結(jié)砂巖試樣的力學(xué)參數(shù)，圖4為弱膠結(jié)砂巖的峰值抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系。

表2 單軸壓縮下不同含水率弱膠結(jié)砂巖的力學(xué)參數(shù) Table 2 Mechanical parameters of weakly cemented sandstone with different water content under uniaxial compression

圖4 含水率與弱膠結(jié)砂巖峰值強(qiáng)度的關(guān)系 Fig. 4 Relationship between water content and peak strength of weakly cemented sandstone

結(jié)合表2和圖4可以發(fā)現(xiàn)，含水率對弱膠結(jié)砂巖的峰值抗壓強(qiáng)度有顯著的影響，含水率為0，2%，4%和6%時(shí)，弱膠結(jié)砂巖的峰值抗壓強(qiáng)度分別為14.16～15.90，11.68～12.45，9.15～9.95，7.15～8.12 MPa，平 均 值 分 別為15.22，12.06，9.46，7.76 MPa；與干燥弱膠結(jié)砂巖相比，含水率為2%，4%和6%時(shí)，峰值強(qiáng)度分別下降了20.76%，37.84%，49.01%。以上數(shù)據(jù)說明隨著含水率的逐漸增大，峰值抗壓強(qiáng)度逐漸減小，這與文獻(xiàn)[23-25]研究水對砂巖、煤和泥質(zhì)粉砂巖的影響規(guī)律是一致的。弱膠結(jié)砂巖雖然孔隙率大( 20.29% )，孔隙連通性好，達(dá)到2%，4%和6%的含水狀態(tài)只需要1～2 min，內(nèi)部黏土礦物產(chǎn)生的軟化和崩解作用還很微弱，但是由于水的潤滑作用，會(huì)使其摩擦阻力降低，以及產(chǎn)生的溶蝕裂隙和孔隙會(huì)降低巖石的強(qiáng)度。通過以上分析采用線性擬合，其擬合方程如式( 1 )所示，相關(guān)性系數(shù)R為0.99，說明相關(guān)性較好。

式中，σc為峰值抗壓強(qiáng)度，MPa；x為含水率，%。

4.2 含水率對弱膠結(jié)砂巖彈性模量的影響規(guī)律

為了分析含水率對弱膠結(jié)砂巖彈性模量的影響規(guī)律，對含水率與弱膠結(jié)砂巖彈性模量的關(guān)系進(jìn)行了分析，含水率與弱膠結(jié)砂巖彈性模量的關(guān)系如圖5所示。從表2和圖5中可以發(fā)現(xiàn)，含水率0，2%，4%和6%時(shí)，彈性模量的變化范圍分別為1.83～2.36，1.84～2.13，1.27～1.77，0.97～1.05 GPa；平均彈性模量分別為2.08，1.95，1.58，1.01 GPa。結(jié)合上述數(shù)據(jù)和圖5可以得出，含水率與弱膠結(jié)砂巖彈性模量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；與含水率為0相比，弱膠結(jié)砂巖含水率為2%，4%和6%時(shí)的彈性模量分別降低了0.13，0.50，1.01 GPa，降低幅度分別為6.25%，31.65%，51.44%。通過以上分析采用線性擬合，其擬合方程如式( 2 )所示，相關(guān)性系數(shù)R為0.96。

圖5 含水率與弱膠結(jié)砂巖彈性模量的關(guān)系 Fig. 5 Relationship between water content and elastic modulus of weakly cemented sandstone

式中，E為彈性模量，GPa；x為含水率，%。

4.3 含水率對弱膠結(jié)砂巖峰值應(yīng)變的影響規(guī)律

圖6為含水率為0，2%，4%和6%時(shí)弱膠結(jié)砂巖的峰值應(yīng)變特征。從圖6和表2中可以發(fā)現(xiàn)，含水率為0，2%，4%和6%時(shí)，弱膠結(jié)砂巖的峰值應(yīng)變平均值分別為8.55×10-3，9.29×10-3，8.15×10-3，11.05×10-3，含水率對弱膠結(jié)砂巖的峰值應(yīng)變存在一定的影響，但是相關(guān)性較低，采用線性擬合時(shí)，相關(guān)性系數(shù)R為0.64，擬合方程如式( 3 )所示。

圖6 含水率與弱膠結(jié)砂巖峰值應(yīng)變的關(guān)系 Fig. 6 Relationship between water content and peak strain of weakly cemented sandstone

式中，εc為峰值應(yīng)變，10-3；x為含水率，%。

5 不同含水率試樣宏觀破裂結(jié)構(gòu)特征分析

圖7為不同含水率狀態(tài)下弱膠結(jié)砂巖破壞形態(tài)，由圖7可知，含水率對弱膠結(jié)砂巖的破壞形態(tài)存在一定影響。含水率為0和2%時(shí)，試樣以剪切破壞為主，呈現(xiàn)出“Y”字型和單一剪切斷面型；含水率為4%和6%時(shí)，試樣以縱向劈裂破壞為主，呈現(xiàn)出“I”字型。

圖7 不同含水率弱膠結(jié)砂巖破壞形態(tài) Fig. 7 Failure modes of weakly cemented sandstone with different water content

6 結(jié) 論

( 1 ) 弱膠結(jié)砂巖的骨架顆粒為石英，黏土礦物主要有高嶺石和綠泥石；骨架顆粒周圍存在一定量的膠結(jié)物( 高嶺石和綠泥石 )，但是膠結(jié)物與其膠結(jié)程度較低；孔隙率大，平均孔隙率為20.29%，孔隙以中大孔為主，并且微小孔和中大孔的連通性較好。

( 2 ) 含水率對弱膠結(jié)砂巖的峰值抗壓強(qiáng)度和彈性模量有顯著影響，均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，飽水0，2%，4%和6%試樣的峰值抗壓強(qiáng)度平均值為15.22，12.06，9.46，7.76 MPa，彈性模量平均值分別為2.08，1.95，1.58，1.01 GPa；與干燥試樣相比，峰值抗壓強(qiáng)度分別降低了20.76%，37.84%，49.01%，彈性模量分別降低了6.25%，31.65%，51.44%。

( 3 ) 含水率與弱膠結(jié)砂巖的峰值應(yīng)變的相關(guān)性低，相關(guān)性系數(shù)為0.64，無顯著的影響規(guī)律。