淮南矿区11煤顶板砂岩强度参数分布特征研究

罗 勇 孙兴平 陈菊香 陈建本 侯俊友

(1.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司,安徽 淮南 232001;2.淮南矿业(集团)有限责任公司顾桥煤矿,安徽 淮南 232001;3.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074;4.中国科学院武汉岩土力学研究所,湖北 武汉 430071)

随着经济的发展,煤炭资源逐渐枯竭,开采深 度越来越深。尤其是在中国,50%以上的煤炭资源存在于地下1 000 m 或更深处。到目前为止,我国有50多个煤矿的开采深度超过1 000 m,并以每年10～25 m 的速度增加。开采深度的增加导致重力应力、温度、水压和变形的增加,对巷道的稳定性有着显著影响。因此,研究深部开采环境下岩石的强度特性具有重要意义。

自20世纪80年代初,就有国外学者对深部开采中的问题展开了研究[1]。1998年,为解决深部采煤安全问题,“deep mine”研究计划启动[2]。同年,中国也开始接触深部开采研究。进入深部开采后,岩石力学性质会发生变化,准确地获取围岩强度参数特征对于巷道稳定性控制至关重要。Xie等[3]指出,随着开采深度的增加,岩石强度、巷道变形和重力应力也随之增加。因此,建立岩石强度与埋深之间的相关性,可用于浅层岩石试件的强度预测,对工程实践具有重要意义。

因此,国内外针对岩石力学性质与强度相关关系开展了大量研究。Meng等[4]发现研究岩石力学性质与沉积环境的相关关系,对更好掌握岩石变形及破坏机制十分有利。余露等[5]探讨了工程实践中浅部岩体赋存深度与力学参数之间的相关性问题,分析研究表明,在岩体风化因素类似的一定范围内,单轴抗压强度基本与赋存深度成正相关。

Panterson[6]提出浅部岩石强度理论一般采用摩尔库伦准则,深部岩石则采用Hoek-Brown准则。Cleary M[7]等分别对浅部和深部岩石作了研究,试验表明,浅部岩石主要由岩石运动造成,受地质构造影响较大,岩石表现为脆性;而深部岩石受“三高一扰动”作用,主要为延性。Singh J[8]基于岩石强度的脆—延转化条件,通过试验了解到深度对岩石强度影响显著,总体上岩石的强度随着深度的增加而增加。谢和平等[9]提出不同深度岩石的单轴压缩试验表明岩石力学参数随深度呈现明显的非线性变化。

Lanaro 等[10]讨论了完整Toki花岗岩上UCS的深度变化,并揭示花岗岩UCS与深度之间关系非常密切。姜晨光等[11]探讨了花岗岩的岩石物理力学参数随深度变化的基本规律,提出花岗岩的弹性模量、抗拉强度、抗压强度都随岩体赋存深度的增大而增大,并给出了相应的数学模型。

周宏伟等[12]通过试验研究了不同深度玄武岩的物理力学性质,试验结果表明,随着赋存深度的增加,玄武岩的密度、弹性模量、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数都线性增加,仅泊松比线性减小。推测原因是长期的地质年代作用使得玄武岩致密程度增加,孔隙率减少,从而使强度等参数增大,而变形参数(如泊松比)则有所减小。

赵毅鑫等[13]探讨了神东矿区不同赋存深度沉积岩抗拉及断裂性能,结果表明,抗拉强度和断裂韧度随赋存深度增大而增大,且二者均与赋存深度呈幂函数关系。王晶[14]对川东南龙马溪组页岩进行研究,通过试验发现,随着埋深的加大,页岩抵抗破坏的峰值强度和峰值应变增加,页岩脆性随埋深的增加呈非线性递减趋势。林斌等[15]对煤系地层不同深度范围内泥岩与砂岩的力学参数作了研究,发现赋存深度在1 000 m 上下时,两种岩石的弹性模量、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、黏聚力和内摩擦角这5个力学参数显著增大,而泊松比明显减小,说明煤系地层在深度达到1 000 m 附近时,岩石的力学性质出现了较大变化。

从以上文献中可以发现,目前对于岩石强度与埋深关系的研究,大多数研究对象以岩浆岩为主,而对煤系地层中的沉积岩研究较少。基于前人的一些研究方法所提供的研究方向与思路,笔者对淮南矿区11煤同一顶板砂岩不同深部试样开展了巴西劈裂、单轴压缩和三轴压缩试验,研究了不同埋深试样强度参数的演化规律,综合分析了岩石强度特征与赋存深度之间的关系。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

为研究同一岩层沉积岩不同沉积深度对强度参数影响规律,试验所需材料均采自淮南矿区深部巷道原状围岩。该矿区位于安徽省中北部,淮河北缘的江淮丘陵与黄淮平原交汇处,矿区东起禹城-两江断裂带,西部为麻城-阜阳断裂带,东边至西边长度大约180 km,南边至北边大约15～25 km,探明储量大约在500亿t。淮南矿区地貌类型分为丘陵、河流浅平原、湖泊以及河谷平原等。矿区现包含21 个煤层,主要可采煤层为1煤、3煤、6煤、9煤和11煤,分布深度从大约300 m 到1 500 m。矿井西部位于陈桥背斜东翼与潘集背斜西部的衔接带,总体构造形态为走向南北,向东倾斜的单斜构造,地层倾斜平缓,倾角5～15°,并发育不均的次级宽缓褶曲和断层。

淮南矿区包含9对主要开采矿井,本文选取其中6对(谢桥矿、顾北矿、顾桥矿、潘三矿、丁集矿及朱集矿)获取11煤顶板原位砂岩试样。图2为11煤顶底板岩层柱状图和各矿井现场取样深度。由图1(a)可知,11 煤赋存厚度在0.2 m 到3.1 m之间,平均厚度为1.9 m。直接顶板由单一泥岩,砂质泥岩或薄层粉砂岩及少量薄层细砂岩组成,厚度约2.3～8.4 m。老顶多为砂岩或少量砂质泥岩,中厚层状。直接底主要为砂质泥岩,厚度3.6～6.5 m,平均厚度4.3 m。为确保试样发育自同一岩层且保证制样过程的成功率,所有试样均采自11煤顶板中厚层状砂岩。如图1(b)所示,谢桥矿(XQ)、顾北矿(GB)、顾桥矿(GQ)、潘三矿(PS)、丁集矿(DJ)及朱集矿(ZJ)的采样深度分别为465 m,591 m,640 m,802 m,840 m 和890 m。

图1 取样点位置

试样采集和制作过程如图2所示。对于其中任何一个矿井,现场采样采用内径为90 mm 取芯钻机获取指定取样深度巷道围岩岩心(图2(a)和(b))。现场取得岩芯之后,经保鲜膜包裹运至室内,进一步分别加工成直径50 mm,高度100 mm 的标准试件(图2(c))和直径25 mm,高度50 mm的巴西劈裂试件。为符合国际岩石力学学会关于岩石力学试验推荐标准,所有试样的加载面两端均需打磨且高度偏差小于0.5 mm,直径偏差小于0.3 mm。

1.2 试验方案

针对不同深度的砂岩试样,通过开展单轴压缩试验、巴西劈裂试验及三轴压缩试验,获取砂岩试样的单轴压缩强度、三轴压缩强度、抗拉强度、弹性模量、粘聚力及内摩擦角等强度力学参数。试验共开展48组单轴压缩,28组巴西劈裂和30组三轴压缩试验。

试样加载基本力学参数试验均采用中国科学院武汉岩土力学研究所自行研制的RMT-150C数字控制式电液伺服试验机(图2(d)),该设备为全数字计算机自动控制,可以广泛地应用于各类材料的单轴压缩、间接拉伸、剪切和三轴压缩等多种岩石力学试验。试验可采用位移、行程多种控制方式,可通过位移和载荷方式完成加载,试验过程数据自动采集,实时显示,具有很好的动态响应功能。试验机的垂直最大出力为1 MN,水平最大出力为0.5 MN,最大围压50.0 MPa,机架刚度为5 MN/mm,试验机的参数完全满足试验加载要求。

图2 试样采集及制作过程

本次试验中,单轴压缩试验采用轴向位移控制加载,恒定加载速率2×10-3mm/s;间接拉伸试验采用轴向应力控制加载,加载速率0.20 k N/s。常规三轴试验具体试验步骤为:启动RMT-50C试验机控制系统,输入试验控制参数后进行预加载,使试验机压头垂直向下走完空程后与试样上部接触;以0.1 MPa/s的加载速率同步施加侧向压力及轴向压力至预定的围压值,并保持围压在试验过程中不变;达到预定围压后,修改试验参数,同单轴压缩试验一样,采用轴向位移控制方式,以恒定加载速率2×10-3mm/s轴向加载,直至试样破坏为止。

2 试验结果

根据上述室内试验,获取了不同深度砂岩的密度、抗拉强度、单轴抗压强度、三轴抗压强度及内摩擦角和粘聚力。定量分析深度与上述参数的相关关系,借此来研究深部岩石强度参数随深度的演化规律。

2.1 密度和抗拉强度

根据48组单轴压缩标准试样,通过称重法计算得到所有试样密度,绘制密度随深度分布曲线,如图3所示。

图3 试样密度与埋深关系

由图3(a)可知,尽管同一埋深试样密度存在一定的离散性,但总的来说,砂岩试样密度随着埋深的增加呈现逐渐增大的趋势。具体地,图3(b)为平均密度与试样深度关系曲线。由图可知,密度与试样埋深呈现较好的线性增加趋势(相关系数为0.86)。当试样埋深为430 m 时,砂岩平均密度为2.28 g/cm3,随着试样埋深增加到900 m,砂岩密度逐渐达到2.91 g/cm3,增幅达到27.6%。表明淮南矿区11煤顶板砂岩密度随埋深呈现线性增加趋势。

共开展了28组不同深度砂岩试样的巴西劈裂试验。抗拉强度关系曲线如图4所示,针对每一个矿井,各选取一条典型的做间接拉伸应力-应变曲线,如图4(a)所示。

图4 抗拉强度关系曲线

由图4(a)可知,峰值抗拉强度随着试样埋深增加而逐渐增大。具体地,图4(b)列出了上述6个试样抗拉强度随试样埋深的变化关系曲线。当谢桥矿试样埋深在490 m 时,砂岩抗拉强度为3.43 MPa,随着试样埋深增加到590 m,660 m,800 m,860 m 和900 m,抗拉强度逐渐分别增加到3.92 MPa,4.45 MPa,4.82 MPa,5.21 MPa,和5.72 MPa,增幅分别达到了14.3%,29.7%,40.5%,51.9%和66.8%。

类似地,图5为28组试样抗拉强度与埋深演化关系。由图5可知,砂岩试样抗拉强度随着埋深的增加呈现非线性增加的趋势。具体地,当试样埋深从460 m 增加到900 m 时,平均抗拉强度由3.75 MPa非线性增加到5.90 MPa,增幅达到57.3%。采用指数函数对试样埋深和抗拉强度进行非线性拟合,具体拟合关系式为:

图5 试样抗拉强度与埋深关系

式(1)中,σt为试样抗拉强度,h为试样埋深,R2为非线性相关系数。如式(1)所示,指数拟合非线性相关系数为0.94,表示该拟合模式具有较高的可信度。上述分析表明11煤顶板砂岩抗拉强度随埋深呈现非线性增加的趋势。

2.2 单轴抗压强度

在6个矿区埋深430 m 到900 m 范围内共开展了48组单轴压缩试验,典型试样单轴压缩结果如图6所示。图6(a)为选取了各个矿区不同埋深典型试样的应力-应变曲线。由图6(a)可知,上述砂岩试样单轴压缩应力-应变曲线能明显的划分为压密、线性变形和峰后破坏3个阶段。压密段主要是由于加载初期试样内部微裂隙及孔洞在应力作用下的闭合造成的,此阶段应力-应变曲线表现为下凹形的非线性变形特征;随着轴向荷载的逐渐增加,应力-应变曲线进入线弹性变形阶段,此阶段试样呈现明显的线性变形特征,曲线会持续出现小幅波动,其主要原因在于此时试样内部开始出现微小裂隙或颗粒滑移,从而造成应力的小幅释放;在试样达到峰值强度之后,应力-应变曲线进入峰后破坏阶段,最终试样失稳破坏,在应力-应变曲线上表现为应力跌落,部分试样具有一定的残余强度。

由图6(a)也不难发现,砂岩试样单轴抗压强度随着试样埋深增加而增大。图6(b)列出了上述6个试样单轴抗压强度随试样埋深的变化关系曲线。由图6(b)可知,当试样埋深由谢桥矿490 m 增加到朱集矿900 m,砂岩单轴压缩强度由76.5 MPa增加到105.2 MPa,增幅为37.5%。同时,试样弹性模量由18.6 GPa增加到31.2 GPa,增幅为67.7%。

图6 典型试样单轴压缩结果

类似地,图7为48组试样抗压强度及弹性模量与埋深演化关系。由图7 可知,砂岩试样单轴抗压强度及弹性模量随着埋深的增加呈现线性增加趋势。具体地,当试样埋深从460 m增加到900 m 时,平均单轴抗压强度由76.6 MPa增加到110.7 MPa,平均弹性模量则由13.5 GPa增加到33.5 GPa。采用直线方程对试样埋深和抗压强度进行线性拟合,具体拟合关系式为:

图7 试样强度参数与埋深关系

式(2)～(3)中,σc为试样抗压强度,R2为线性相关系数,E为弹性模量。由式(2)和(3)可知,上述两拟合线性相关系数分别为0.89 和0.88。上述分析也表明11煤顶板砂岩单轴抗压强度及弹性模量随埋深呈现线性增加趋势。

2.3 三轴压缩强度

针对6个不同矿井的试验采集点,每个矿各选取同一个埋深(包括490 m、590 m、660 m、800 m、860 m 和900 m)的试样开展三轴压缩试验,围压等级设置为0 MPa、5 MPa、10 MPa、20 MPa和25 MPa总共五个级别,以获取三轴压缩强度以及内摩擦角和粘聚力。

图8为三轴压缩试验结果。从图8(a)可见,当围压处于较低等级(5 MPa和10 MPa)时,应力-应变曲线特征和单轴压缩基本类似,可分为压密、线弹性和峰后破坏三个阶段。随着围压的逐渐增加,试样内部的微裂隙及孔洞在静水压力的作用下逐渐闭合,使得压密段逐渐缩短直至消失。此外,当围压为0 MPa、5 MPa和10 MPa时,应力-应变曲线峰后表现出大幅度的跌落,即显著的脆性特征;当围压为20 MPa时,曲线在峰后会出现一个小幅的应力跌落,随后会表现出延性破坏机制;而侧压为25 MPa时,曲线基本不出现明显的应力跌落,而几乎呈现塑性流动的特征。

图8 三轴压缩试验结果

同样地,相比于砂岩试样单轴压缩抗压强度89.4 MPa,弹性模量20.3 GPa,侧压能够提升显著试样的力学性能。如图9(b)所示,当围压为5 MPa和25 MPa时,抗压强度分别为100.1 MPa和209.4 MPa,弹性模量分别为24.5 GPa和46.4 GPa,显然,弹性模量及抗压强度均高于单轴压缩情况,表明围压增强了试样在轴向上承受更大压缩变形的能力,且围压越大,承受轴向压缩变形能力越明显。

根据上述三轴压缩结果,计算得到不同埋深情况下砂岩试样粘聚力和内摩擦角,如图9所示。由图9 可知,当试样深度分布为490 m,590 m,660 m,800 m,860 m 和900 m 时,计 算得到粘聚力分别为15.2 MPa,16.98 MPa,18.37 MPa,19.31 MPa,20.72 MPa和21.35 MPa,内摩擦角分别 为40.56°,41.2°,42.05°,42.95°,43.34°和44.3°。因此,试验结果表明,淮南矿区11煤顶板砂岩粘聚力和内摩擦角随试样埋深增加而逐渐增大。

图9 试样粘聚力及内摩擦角与埋深关系

3 结 论

本文通过现场采集淮南矿区11煤同一顶板砂岩不同深部试样,对矿区6个主要矿井共计16种不同埋深砂岩试样开展了巴西劈裂、单轴压缩和三轴压缩试验,分析了不同埋深试样的密度、抗拉强度、单轴压缩强度及弹性模量的演化规律,并结合三轴压缩试验获取了试样粘聚力及内摩擦与埋深相关关系。通过上述研究,得到主要结论如下:

(1)随着赋存深度的增加,砂岩试样总体密度分布与平均密度均呈现线性增加趋势。其中,试样埋深从430 m 增加到900 m 时,砂岩平均密度由2.28 g/cm3逐渐增加到2.91 g/cm3,增幅达为27.6%。

(2)随着赋存深度的增加,砂岩试样总体抗拉分布与平均抗拉强度均呈现非线性增加趋势。其中,试样埋深从430 m 增加到900 m 时,砂岩平均抗拉强度由3.75 MPa 非线性增加到5.90 MPa,增幅达到57.3%。

(3)随着赋存深度的增加,砂岩试样单轴压缩应力-应变曲线均可划分为压密、线性变形和峰后破坏3个阶段,且砂岩单轴抗压强度和弹性模量均随着试样埋深呈现线性增加趋势。

(4)三轴压缩结果表明,随着围压的增加,砂岩试样逐渐由脆性向延性转变,且抗压强度和弹性模量也呈现显著增加特征。随着赋存深度的增加,砂岩试样粘聚力和内摩擦角均呈现增加趋势。