煤系地层砂岩抛光面粗糙度和粒度分析

韩文梅，杨文博，李建军，武晋文

(中北大学 理学院，太原 030051)

煤岩体断裂面结构是煤岩体摩擦滑动稳定性的影响因素。对煤岩体断裂面结构进行分析，并进行定量描述，可以为煤岩体摩擦滑动稳定性的工程应用提供理论依据[1-2]。

煤岩体常见岩性主要为砂岩、砂质泥岩和泥质砂岩等。翟英达等[3-5]对煤系地层砂岩断裂面和面接触煤岩块体结构的力学性质进行了分析；赵党伟等[6]、韩秀会等[7]、秦广鹏等[8]对煤层顶板断裂面的摩擦滑动机理进行了研究，指出煤岩体断裂面对煤岩体摩擦滑动稳定性影响较大。煤岩体工程实际中的摩擦滑动面均为自然断裂面，基于该自然断裂面对煤岩体的摩擦滑动稳定性进行研究具有很大的不确定性。何昌荣团队在对黑云母、花岗岩、斜长石和辉石的摩擦滑动性质进行研究时，以摩擦滑动面为锯开面，采用扫描电镜对其表面形貌进行了测试分析，指出表面形貌中存在着亚颗粒、重结晶颗粒和三角形状孔隙，但没有对其表面形貌进行参数分析[9-11]。何满潮等[12-13]采用非接触式激光表面仪对砂质泥岩的抛光面表面形貌进行了研究，表征参数为峰点密度和峰顶半径；得出砂质泥岩抛光面的峰点密度为3.666×10-5～4.178×10-5mm-2，峰顶半径为1.030 5～1.042 3 mm.陈瑜等[14]采用三维表面激光形貌仪对大理石、橄榄石和角闪石的抛光面表面形貌进行了研究，表面形貌数值定量分析参数为最大峰高、最大谷深、轮廓最大高度、算术平均偏差和轮廓均方根偏差等。KULATILAKE et al[15]、曹平等[16-17]采用激光形貌仪对岩石抛光面表面形貌进行了测试，并分别从分形几何和统计学角度对其表面形貌进行了表征。基于上述分析可以得出：以煤系地层砂岩自然断裂面和锯开面作为研究对象，对砂岩表面形貌进行研究的不确定性较大；而以砂岩抛光面作为研究对象，对其表面形貌进行分析，对研究煤岩体的摩擦滑动稳定性具有积极的作用。

本文以煤系地层常见的粗粒、中粒和细粒等3种砂岩作为研究对象，采用白光干涉法对这3种岩样表面形貌进行了测试，并且基于中线制从统计学角度对其表面形貌粗糙度进行了分析。此外，还测试了试验岩样的矿物成分和孔隙结构。

1 试验岩样及测试方法

1.1 试验岩样

试验岩样为采自煤系地层的粗粒、中粒和细粒等3种砂岩。粗粒砂岩采自晋城煤业3105工作面运输顺槽700 m处顶板，中粒砂岩采自晋城煤业3102工作面运输顺槽250 m处顶板，细粒砂岩采自晋城煤业3204工作面开切眼50 m处。在实验室将这3种砂岩岩样进行加工，试验岩样的长度、宽度和高度均为50 mm.选一个面作为试验面，使用500号抛光聚氨酯片对其进行抛光处理，抛光功率为760 W，转速为4 000 r/min.

1.2 测试方法

对试验岩样表面形貌的测试方法为白光干涉法，采用三维共聚焦表面形貌仪(MicroXAM-3D)测试岩样表面形貌。测试面积为857 μm×638 μm，空间采样为1.1 μm×1.3 μm，放大倍数为10倍。采用Gwyddion软件对试验岩样表面粗糙度进行分析，参数主要为轮廓算术平均偏差Ra、均方根偏差Rq、轮廓平均高度Rc、谷深度Rv和峰高度Rp.其中，Ra、Rq和Rc的计算公式如下[18]：

(1)

(2)

(3)

式中：x为沿中线方向上取样点的位置；z为被评定轮廓偏离中线的距离；l为试验岩样表面形貌的取样长度；k为试验岩样表面形貌的取样个数；Rj为取样轮廓单元的平均高度。

使用图像分析软件SPIP从粒度角度对试验岩样表面形貌进行分析，得到试验岩样表面粒度分布图，以及试验岩样抛光面的颗粒粒径和粒度平均高度等粒度参数。

从3种实验岩样上采集试样并分别进行粉碎，研磨，过300目分样筛，制成岩粉。采用X-衍射仪无定向粉末样品制备方法，将岩粉直接压入X-衍射仪的样品板孔中，制成无定向片，进行XRD测试。测试仪器为SHIMADZU XRD-6000型X-射线粉末衍射仪。采用绝热法进行物相含量的定量计算[19-21]，以便确定岩样的矿物含量。

采用μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统进行试验岩样孔隙结构测试。

2 试验结果与分析

2.1 岩样抛光面粗糙度

图1为测定的粗粒、中粒和细粒等3种砂岩岩样抛光面表面形貌算术平均中线。

图1 岩样表面形貌算术平均中线 Fig.1 Centre arithmetical mean lines of the profile of the samples

从图1中可以看出，3种试验岩样的表面形貌取样长度l均为0.86 mm.表面抛光后，粗粒、中粒和细粒等3种岩样抛光面的轮廓高度不相同，粗粒、中粒、细粒砂岩岩样轮廓高度分别为-7.50～6.00 nm，-0.10～0.06 μm，-0.055～0.050 μm.根据图1所示的中线来分析试验岩样表面形貌粗糙度，得到岩样表面粗糙度参数，如表1所示。

2.2 岩样表面粒度分布

使用图像分析软件SPIP对岩样的表面形貌进行分析，得到其表面粒度分布，如图2所示。

从图2可以看出，三种岩样表面形貌测试区域x范围均为-429～+429 μm，y范围均为-319～+319 μm.图2(a)和图2(b)的z范围相差不大，分别为71.75 μm、70.52 μm；图2(c)的z范围较小，为49.66 μm.

表1 岩样表面粗糙度参数Table 1 Roughness parameters of the surface topography of the samples

使用SPIP软件分析得到：粗粒、中粒和细粒等3种岩样表面的粒度平均高度相同，均为3.20 μm；但3种岩样表面的颗粒粒径不同，分别为61.77 μm，55.76 μm，41.17 μm.

图2 岩样表面形貌及粒度分布 Fig.2 Schematic diagram about surface topography and particle distribution of the samples

2.3 岩样表面形貌分析

试验岩样表面粗糙度参数中，轮廓算术平均偏差Ra、均方根偏差Rq和轮廓平均高度Rc分别为0.52～8.35 μm、0.71～10.40 μm和1.40～12.90 μm，谷深度Rv和峰高度Rp分别为21.1～46.3 μm、11.1～29.4 μm.对试验岩样表面的抛光，导致了Ra，Rq和Rc这3个参数取值范围基本一致。抛光对谷深度Rv和峰高度Rp这2个参数的影响较小。进一步研究表明，在抛光表面存在着微凸体(asperity)，表面形貌粒度分布是微凸体分布的一种表征方式。三种砂岩样表面的粒度平均高度相同(均为3.20 μm)，说明抛光影响的是表面粒度平均高度。粗粒、中粒和细粒等3种岩样表面的颗粒粒径分别为61.77 μm、55.76 μm和41.17 μm，说明抛光对表面颗粒粒径影响很小。

2.4 岩样矿物成分和孔隙率分析

图3为3种岩样的XRD图谱。

图3 3种岩样的XRD图谱 Fig.3 XRD spectrum of the experimental specimens

由图3可以得出：粗粒砂岩样矿物组成(质量分数)为，石英68%、高岭石25%、绿泥石7%；中粒砂岩样矿物组成(质量分数)为，石英50%、长石24%、高岭石10%、绿泥石9%、云母7%；细粒砂岩样矿物组成(质量分数)为，石英59%、长石16%、绿泥石9%、云母16%.粗粒、中粒、细粒等3种砂岩岩样中，矿物质主要成分均为石英，石英质量分数分别为68%，50%，59%；均含有一定量的绿泥石，绿泥石质量分数分别为7%，9%，9%；3种岩样填隙物的主要成分均为粘土矿物。

基于显微CT扫描数字三维图像，计算出粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩样孔隙率分别为14.95%，5.07%，4.90%.

同样抛光条件下的岩石，其表面形貌是由岩石自身的矿物成分和孔隙结构等性质所决定。由于3种砂岩样矿物组成成分基本相似，笔者基于孔隙结构对试验岩样抛光面表面粒度分布做了进一步分析，结果如下：粗粒砂岩岩样孔隙率(14.95%)最大，其颗粒粒径(61.77 μm)也最大；中粒砂岩岩样孔隙率为5.07%，颗粒粒径为55.76 μm；细粒砂岩样孔隙率(4.90%)最小，颗粒粒径(41.17 μm)也最小。这表明岩样孔隙率与颗粒粒径之间存在着正相关关系。

3 结论

本文以煤系地层常见的粗粒、中粒和细粒砂岩作为研究对象，对试样表面进行抛光处理，采用白光干涉法测试了3种试验岩样的表面形貌，基于该表面形貌分析了其粗糙度和粒度，并进一步研究了孔隙结构与表面粒度之间的关系，得出如下结论：

1) 抛光对砂岩表面形貌粗糙度参数中的轮廓算术平均偏差Ra、均方根偏差Rq和轮廓平均高度Rc有一定影响，对谷深度Rv和峰高度Rp影响很小。

2) 抛光对表面形貌粒度平均高度有一定影响，对表面形貌颗粒粒径影响很小；岩样孔隙率与颗粒粒径之间存在着正相关关系。