不同含水率下砂岩的冲击倾向性试验研究

王鹏飞，李团结，华 军

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

采矿工程实践表明，作为煤岩体的固有属性，煤岩体的冲击倾向性与煤矿能否发生冲击矿压等动力灾害及巷道围岩的稳定性密切相关[1-3]。研究煤岩体的冲击倾向性，确立适用的冲击倾向性判别指标对预防煤岩动力灾害、合理制定预防措施意义重大。

诸多学者对煤的冲击倾向性进行了大量研究，并相应提出冲击倾向性鉴定指标。其中，煤的动态破坏时间DT、冲击能指数KE、弹性能指数WET及单轴抗压强度Rc已作为煤炭行业标准普遍执行，并得到了一致认可[4]。然而，针对煤矿井下顶板岩层的冲击倾向性评估，目前仅有齐庆新等[5]提出的顶板冲击倾向性鉴定方法作为推荐性国家标准使用。该标准基于煤矿开采的简支梁模型得出，主要考虑到单位宽度岩梁达到极限跨距时，顶板上覆岩层的载荷作用下顶板破断产生的能量。该模型基于煤矿开采建立了力学简化模型，而未考虑岩层赋存的实际条件，例如煤矿顶板岩层处于复杂的地下水环境之中，地下水对岩石力学特性的影响不可忽视。例如段天柱等[6]通过对不同含水率下砂岩的单轴压缩力学特性及损伤特性研究发现，砂岩的残余塑性与内部损伤随含水率增加而增加。张二峰等[7]通过不同含水状态的泥质粉砂岩三轴实验发现岩石强度与变形特性受水合作用影响巨大。李天斌等[8]研究含水率条件下砂岩的能量机制发现，岩石的储能和释能能力随含水率的增加而降低，且脆性特征减弱，塑性增强。

可见，在评价岩石的冲击倾向性强弱时水对岩石的软化和水楔作用等不容忽视。因此，文中后续将对不同含水率下岩石的力学特性进行研究，并据此建立含水率条件下顶板岩层冲击倾向性的判别模型。

1 实验研究方法

1.1 试验原理与试样制备

为探究不同含水率下砂岩的力学特性，共制备了4组不同含水率试样，然后针对4种不同含水率的试样(干燥试样、浸水7 d、浸水14 d、浸水21 d)进行单轴压缩与拉伸实验。

试验选取陕西省黄陵矿区某矿的煤层顶板砂岩作为研究对象。该砂岩强度较高且致密，样本间离散性较小，为实现良好的试验效果提供了基础。岩样均取自同一完整的岩体，根据国标GB/T 23561.7—2009要求，分别制成直径为50 mm，高度分别为100 mm和25 mm的标准圆柱体，试样两端面的最大不平行度不超过0.05 mm，上、下端面直接偏差不大于0.3 mm，试样高度偏差控制在0.05 mm以内，轴向偏差不超过0.25°。制备好的试样如图1所示，浸水后的试样效果如图2所示。

图1 制备好的岩石试样

图2 浸水后的岩石试样

1.2 试验仪器与试验方案

试验采用中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室的MTS-C64.106电液伺服材料试验机，可进行不同速率加载并进行相关数据采集，具有良好的系统刚度和稳定性，能够对试样加载与破坏过程中全应力-应变数据进行捕捉。试验机如图3所示。

图3 MTS-C64.106岩石力学实验系统

试验前将制备好的试样放置于试验平台上，预压固定试样。试验过程中，对试样进行轴向加载，加载方式及加载速率严格依据国标GB/T 25217.2—2010的相关要求，直至试样完全破坏，试验过程中主机自动采集轴向应力、应变数据并自动保存。

2 含水率对砂岩力学特性的影响

单轴抗压强度、动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数、劈裂抗拉强度和脆性系数等均可评价岩石强度及脆性特征[9]，然而作为冲击倾向性指标的适用性却不一而足。文中选取广泛使用的单轴抗压强度、动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数、劈裂抗拉强度等5个参数研究含水率对砂岩强度、变形的影响，并为后续顶板岩层冲击倾向性评估模型参数的选择提供依据。

不同浸水时长下试样的平均含水率及样本含水率方差变化情况，如图4所示。由图可知试样在浸水7 d、14 d及21 d时平均含水率分别为1.67%、1.99%及2.67%。由不同浸水时长的样本含水率方差变化情况可以发现浸水21 d后样本间含水率方差最低，且远低于浸水时长7 d与14 d，可认为砂岩浸水21 d时达到完全饱和状态。

图4 不同浸水时长试样含水率变化

2.1 脆性系数

脆性系数广泛用于岩石冲击倾向性的评价，其含义为岩石单轴抗压强度和抗拉强度的比值，计算公式为

(1)

式中，Rc—单轴抗压强度，MPa；Rt—抗拉强度，MPa；R—无量纲指数。

岩石的脆性系数冲击倾向性分类指标为：R<14.5为无冲击倾向性，R=14.5～26.7为弱冲击倾向性，R=26.7～40.0为中等冲击倾向性，R>40.0为强冲击倾向性。

表1及图5为不同浸水时长下的砂岩单轴抗压强度及脆性系数变化。由图可知，砂岩抗压、抗拉强度随浸水时长增加而明显下降，降幅于浸水14 d时达到最大，分别为39.4%和22.9%，浸水21 d时岩石强度变化不明显甚至有所增加，可能由于样本差异所致。塑性系数与浸水时长关系不密切，表明脆性系数不能较好的评价不同含水率条件下砂岩的冲击倾向性。

表1 不同浸水时长岩石脆性系数

图5 不同浸水时长脆性系数变化

2.2 动态破坏时间

动态破坏时间可以很好的衡量岩石的脆性特征，岩石脆性越强，则动态破坏时间越短，发生冲击时造成的破坏性也越大。不同浸水时长下砂岩的动态破坏时间变化情况如图6所示。由图可知随浸水时间增加，该砂岩的动态破坏时间显著增加，由自然状态下700 ms增加到浸水21 d时的1 836 ms，弱化效果明显。表明动态破坏时间可用于评价岩石脆性变化及强度弱化特征。

图6 不同浸水时长动态破坏时间变化

2.3 能量指数

含水率对岩石的弱化效果不光体现在强度与脆性上，随含水率增加，岩石变形过程中积蓄与释放能量的能力也大大削弱，文中特选取弹性能指数与冲击能指数分析不同含水率条件下砂岩变形过程中的储能能力[6]。

其中弹性能指数为试样加卸载条件下弹性能与塑性能的比值，可表示为

(2)

ΦSP=ΦC-ΦSE

(3)

式中，WET为弹性能指数；ΦSE为弹性变形能，值为卸载曲线与坐标轴围成的面积；ΦC为总变形能，值为加载曲线与坐标轴围成的面积；ΦSP为塑性变形能，值为总变形能与弹性变形能的差值。不同浸水时长下典型的加卸载曲线与弹性能指数变化情况，如图7、8所示。

图7 不同浸水时长典型加卸载曲线

由图可知，随着浸水时长增加，试样的弹性能明显下降，降幅最大可达73.1%，塑性能变化幅度相对弹性变化较小，但是塑性显著增强。然而弹性能指数与浸水时长的拟合程度较差，究其原因，样本差异及不同试验组中选择的加卸载临界值对其影响较大。

图8 不同浸水时长弹性能指数变化

冲击能指数KE为全应力应变曲线峰前变形能与峰后变形能的比值，可表示为

(4)

式中，AS—峰前积聚的变形能，值为峰前曲线与坐标轴围成的面积；AX—峰值后耗损的变形能，值为峰后曲线与坐标轴围成的面积；KE—冲击能量指数。不同浸水时长下典型的应力应变曲线与冲击能指数变形情况，如图9、10所示。

由图可知，随浸水时长增加，试样的峰前变形能显著下降，降幅最大可达61.7%，与弹性能指数类似的是，峰后变形能变化较小，且冲击能指数与浸水时长拟合程度较差。然而由图9可知，试样浸水时间越久，强度越低，且峰后变形阶段出现阶梯状，同时试验时观察到该阶段试样完全失稳前出现局部劈裂破坏，表明随浸水时长增加，即试样内部含水率增加，试样完整性受到破坏，积蓄与释放能量的能力减弱，冲击倾向性降低。

图9 不同浸水时长典型加载曲线

图10 不同浸水时长冲击能变化

上述分析可知，含水率条件下砂岩的弱化特征明显，具体体现在随含水率增加，砂岩的抗压、抗拉强度明显降低，动态破坏时间显著增加；然而脆性系数、弹性能及冲击能指数与浸水时长(即含水率)的拟合程度较差。由此可知可将抗压、抗拉强度与动态破坏时间作为含水率条件下岩石冲击倾向性鉴定指标之一，但是该指标仅能定性描述含水率与冲击倾向性强弱的关系，而无法定量评价，从而无法指导现场生产。

3 岩石冲击倾向性评估模型建立

已有学者根据关键层理论[10]，将顶板简化为简支岩梁，模型如图11所示。顶板上覆岩层重量假设为均布载荷q，并充分考虑上覆顶板的受力状态及垮落特征，建立了顶板岩层的冲击倾向性判别公式[3]

图11 简支梁力学模型

(5)

(6)

式中，UWQ—顶板弯曲能量指数，kJ；q—单位宽度上覆岩层载荷，MPa；Rt—抗拉强度，MPa；h—顶板厚度，m；E为弹性模量，MPa。

式(5)(6)中所有参数可从实验室中测得，计算所得结果具有一定的参考意义。但该模型过于简化，未考虑地下水环境对岩层冲击倾向性的影响。由前文分析可知，不同含水率条件下岩石的强度、脆性等发生极大改变，但仅依据常见的脆性指数、能量指数等很难衡量含水率条件下岩石冲击倾向性的变化。

从实验数据可发现弹性模量与含水率满足指数关系，拟合关系如式(7)，拟合关系图如图12所示，其与张二锋等[7]所得的结果一致。

图12 不同含水率弹性模量变化

E=10.93exp(-α/5.048)+0.418 8

(7)

将式(7)代入式(5)中可得含水率条件下顶板的冲击倾向性判别公式

(8)

由该式可知当含水率α增加时，弯曲能量指数随之降低，表明该式可较好的衡量含水率条件下岩石的冲击倾向性。

分析表明，动态破坏时间与改进的弯曲能量指数计算模型可很好地评估含水率条件下顶板岩石冲击倾向性，可为煤矿含水率条件下顶板岩石冲击倾向性评估提供参考。

4 结论

(1)通过对不同含水率条件下砂岩的损伤特征分析发现随含水率增加其峰值强度、储能能力下降明显，动态破坏时间显著增加，弹性模量降低，塑性增强。

(2)研究发现原有脆性指数、弹性能指数与冲击能指数与含水率的拟合程度较差，表明该指标不能较好地评估含水率条件下岩石的冲击倾向性。

(3)根据砂岩弹性模量与含水率间的统计关系，基于简支梁模型建立了改进的顶板弯曲能量指数用于评估顶板的冲击倾向性，研究发现动态破坏时间与改进的弯曲能量指数模型用于含水率条件下顶板岩层的冲击倾向性评估效果较好。