永川煤矿须六段砂岩力学性质与冲击倾向性实验研究

郭臣业，鲜学福，万亮亮，张昌勇，王培，汪小华

(1.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400030;

2.重庆永荣矿业有限公司永川煤矿，重庆 402194;3.重庆永荣矿业有限公司曾家山煤矿，重庆 402465;4.四川省攀枝花市仁和区煤炭管理局，四川攀枝花 617081)

永川煤矿须六段砂岩力学性质与冲击倾向性实验研究

郭臣业1，鲜学福1，万亮亮2，张昌勇2，王培3，汪小华4

(1.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400030;

2.重庆永荣矿业有限公司永川煤矿，重庆 402194;3.重庆永荣矿业有限公司曾家山煤矿，重庆 402465;4.四川省攀枝花市仁和区煤炭管理局，四川攀枝花 617081)

为了认识永川煤矿三叠纪上统须家河六段(T3xj6)地层砂岩的力学性质和冲击倾向性，以美国MTS815岩石力学测试系统作为动力设备，对砂岩力学性质和冲击倾向性进行了测试，并利用Origin7.5中的面积工具箱对冲击倾向性指标进行了计算，避免了曲线下面积计算不准确的缺点。实验研究结果表明:永川煤矿T3xj6砂岩具有杨氏模量较低、强度不高、变形曲线上的塑性变形表现不明显的力学特性;T3xj6砂岩具有冲击倾向性，但是冲击倾向性整体上较弱，局部有强烈冲击倾向性。研究结论为永川煤矿延深工程过三叠纪上统须家河六段(T3xj6)砂岩体发生动力灾害的治理工作提供了理论基础。

延深工程;砂岩;岩石力学;冲击倾向性

0 前言

在我国一些深部煤矿矿井，冲击地压、岩爆等问题已成为制约深部开采的关键难题［1－2］。重庆永荣矿业有限公司永川煤矿属于大采深、高地应力、高瓦斯矿井，核定生产能力42wt/a，该矿－600m水平延深工程系重庆市能源投资集团的重点建设项目，延深区域沿倾斜方向在－500～－700m之间，采用暗斜井开拓方式。永川煤矿延深工程(两掘进工作面)过三叠纪上统须家河组六段(T3xj6)砂岩体时发生了岩爆、地鼓、片帮等现象，给延深工作带来巨大影响和潜在威胁。治理永川煤矿穿过T3xj6砂岩体岩巷掘进时遇到的动力灾害，需要了解砂岩力学性质与围岩冲击倾向性，本文以永川煤矿T3xj6的砂岩为研究对象，通过室内试验研究了砂岩的力学性质和冲击倾向性。

1 砂岩力学性质试验研究

1.1 砂岩的取样、试件加工及实验

2009年7月进行了井下取样，试样取自永川煤矿－600m延深工程遇到T3xj6的砂岩层，采样地点为－600m延深绞车房(A)、－600m延深工程主井(B)、－600m延深工程副井(C)。为尽可能降低因天然岩石试样个体差异造成的实验结果的离散性，在比较完整无节理的砂岩块体上采取密钻提取岩芯，且以自然位置最为临近的试样进行分组。采用湿式法将所采集岩样加工成Φ50 mm×100 mm(单轴抗压、三轴强度、抗冲击倾向性用)、Φ50 mm×25 mm(劈裂试验用)的圆柱体试件和50 mm×50 mm×100 mm(声发射特性实验用)的立方体试件，其加工精度满足国际岩石力学学会建议的试验规范要求，加工成型后保持自然干燥状态。

砂岩力学性质和冲击倾向性试验以美国MTS815岩石力学测试系统(图1)作为动力设备，该试验机具有轴向刚度大、测试精度高、性能稳定可靠的特点，可实现岩石材料的在单轴、三轴、循环、蠕变等条件下的力学试验。试验过程中用到的其它设备还有声发射测试分析系统等。

1.2 实验结果及分析

1.2.1 砂岩物理力学性质

本文所研究的砂岩力学性质包括坚固性系数f、抗压强度σc、抗拉强度σt、弹模E、泊松比μ、内聚力C、内摩擦角φ和σc/σt。按照原煤炭工业部颁布的“煤和岩石物理力学性质试验规程”(MT38～50－80)的要求在MTS815岩石力学试验系统上进行测试［3］。实验数据取A、B、C三处岩样实验结果平均值，结果见表1。

图1 美国MTS815岩石力学试验系统Fig.1 US-made MTS815 rock testing machine

表1 T3xj6砂岩物理力学性质Table 1 Physical mechanical properties of T3xj6sandstone

1.2.2 T3xj6砂岩的变形特性与声发射的特征

对砂岩进行单轴实验时，在岩石试件上粘贴声发射探头可以测得砂岩单轴破坏过程中声发射特征参数(振铃数及累计振铃数、声发射强度和能量)。

图2中显示砂岩在单轴荷载条件下，应力－应变曲线近似线弹性体受载的变形曲线，没有明显的孔隙压密阶段和屈服阶段，达到峰值强度后砂岩承载力急剧下降。结合表1可以得出如下结论:永川砂岩的杨氏模量、强度一般不高，且具脆性性质，没有明显的屈服点，塑性变形不明显。图3的实验结果表明砂岩破坏时AE振铃数增幅最大，第一个峰值表示砂岩破坏的Kaiser点，第二个峰值出现在岩石最大强度时，此时声发射数目最多。按照WANG H T应用声发射测试地应力的理论［4］，可以计算出地应力沿岩样轴向方向上的值为38.81MPa，这说明地层环境中的地应力是非常高的。

图2 砂岩单轴压缩应力-应变全过程曲线Fig.2 Stress-strain full process curve of sandstone under uniaxial compressure

图3 砂岩单轴压缩破坏过程声发射撞击数-轴向力－时间曲线Fig.3 Hits-stress-time curves of sandstone under uniaxial compressure

这种性质的砂岩在单轴荷载条件下没有明显的屈服阶段，能够积聚更多的能量，当不能缓慢释放能量时易发生岩爆等岩石动力现象。在复杂应力条件下，当侧向应力很高时，由上述性质砂岩组成的深部巷道围岩易发生脆性－延性转化［5］。这种转化进行到一定程度时就会出现局部或区域失稳现象，为岩爆、岩石突出等动力灾害发生提供条件。

2 砂岩冲击倾向性研究

2.1 煤岩冲击倾向性理论

描述煤岩体冲击现象的理论模型较多［6－7］，随着研究的深入和现代非线性科学的发展，一些学者尝试由单因素理论转向用综合因素理论、非线性理论解释冲击地压机理，并取得了一些成果［8］。在实际工程应用中，多采用冲击倾向性指标来判断煤岩冲击倾向性的强弱。衡量矿岩冲击倾向性的指标很多，可分为能量指标(如弹性能量指数WET、冲击能量指标KE)、时间指标(如动态破坏时间DT)、形变指标(如弹性变形指标DE)以及刚度指标(如刚性比指标KB)。这些指标的特点是易于在实验室内测得，其缺点是数据离散度较大，且易受试验条件影响，采用两种或以上指标评价岩体倾向性可以避免预测的不准确性。其中，WET和KE指标是国内外较为流行的一种冲击倾向性指标，且我国已经将该指标列为行业标准，本研究因此选用WET和KE指标来衡量永川煤矿T3xj6的砂岩冲击倾向性。

2.2 T3xj6砂岩冲击倾向性试验机结果分析

分别对A、B、C三处的岩样进行冲击倾向性试验，试验按照MT/T174－2000标准［9］建议的方法在MTS815岩石力学试验系统上进行。

在计算WET和KE指标时，采用Origin7.0中的面积工具箱，计算方法:将应力应变数据导入Origin7.0中，生成应力应变曲线，然后点击Anslysis＞Calculus ＞Integrate，即可得到曲线与X轴围成的面积。利用Origin7.0的面积工具箱计算面积，其基本思想是将计算数据曲线对x轴积分，能够有效避免曲线下面积计算不准确的现象。

(1)WET指标计算

WET用公式(1)计算，计算示意图如图4所示。

WET——弹性能量指数;

S1——弹性应变能，其值为卸载曲线下面积(cm2);

S2——塑形应变能，其值为加载曲线和卸载曲线所包括的面积(cm2)。

WET计算结果见表2:

按MT/T174－2000的规定，WET＜2时无冲击倾向性，2≤WET＜5具有弱冲击倾向性，WET≥5具有强烈冲击倾向性，由表2中数据可知，永川煤矿T3xj6的砂岩总体上具有弱冲击倾向性，局部有强冲击倾向性(WET≥5)。

(2)KE指标计算

KE用公式(2)计算，计算示意图如图5所示。

KE——冲击能量指数;

AS——峰值前积聚的变形能;

AX——峰值后损耗变形能。

AS的值等于OC曲线下的面积，AX的值等于CD曲线下的面积。

表2 WET指数表Table 2 Table of Index WET

图4 WET指数计算示意图Fig.4 Computation schematic diagram for index WET

图5 KE指数计算示意图Fig.5 Computation schematic diagram of KE

KE计算结果见表3:

按照冲击倾向性分类标准KE＜1.5时具有弱冲击倾向性，1.5≤KET＜5具有弱冲击倾向性，KET≥5具有强烈冲击倾向性，由表3中数据可知，永川煤矿T3xj6的砂岩总体上具有弱冲击倾向性，局部接近强冲击倾向性。

表3 KE指数表Table 3 Table of Index KE

从以上两个指标的试验值可以看出，WET指标和KE指标具有一致性，这也说明了取样地点的砂岩冲击倾向性分布较均匀。试验数据反映了永川煤矿T3xj6的砂岩总体上为弱冲击倾向性，局部有较强的冲击倾向性。冲击倾向性是矿岩产生冲击地压的固有属性，决定了其产生冲击破坏的能力，是发生冲击破坏的内因。

3 结论与建议

(1)永川煤矿T3xj6的砂岩具有杨氏模量较低、强度不好、变形曲线上的塑性变形表现不明显的力学特性;

(2)永川煤矿T3xj6的砂岩具有冲击倾向性，但是冲击倾向性整体上较弱，局部有强烈冲击倾向性;

(3)岩巷掘进经过T3xj6的砂岩体时，应按照《煤矿安全规程》的要求做好预防冲击地压、岩爆等动力灾害的准备工作，并加强预测预报。

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［9］MT/T174－2000，煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法(S).

Abstract:In order to understand the mechanical characteristics and burst－prone nature of Upper Triassic Xujiahe (T3xj6)sandstone in Yongchuan coal mine，experiments were conducted using MTS815 rock testing system made in US.Indexes of burst－prone were analyzed using the area tool in Origin7.5，which avoided the shortcomings of low precision in area calculation under peak.Results of the experiments indicated that the T3xj6sandstone has low mechanical characteristics，showing a low Young’s modulus，medium strength and plastic deformation.T3xj6sandstone was burst－prone，but normally fair and locally intensive.The research provided a theoretical basis for hazard treatment of T3xj6sandstone in Yongchuan coal mine.

Key words:deep expansion project;sandstone;failure mechanics;burst－prone

Mechanical characteristics and burst-prone experiments of T3xj6sandstone in Yougchuan coal mine

GUO Chen－ye1，XIAN Xue－fu1，WAN Liang－liang2，ZHANG Chang－yong2，WANG Pei3，WANG Xiao－hua4
(1.College of Resources and Environmental Sciences，Chongqing University，Chongqing400044，China; 2.Yongchuan coal mine，Yongrong mining industry Co.Ltd.，Chongqing，Yongchuan402194，china; 3.Zengjiashan coal mine，Yongrong mining industry Co.Ltd.，YChongqing，Yongchuan402465，china; 4.Coal administmtion of Renhe of Panzhihua，Sichuan，Panzhihua617081，china)

1003－8035(2010)01－0094－04

TD713+.2;P642.3

A

2009－08－31;

2009－10－08

郭臣业(1980—)，男，博士，主要从事矿山岩石力学、矿山安全技术及工程方面的研究。

E－mail:gcyer@yahoo.com.cn/guocy@cqu.edu.cn