煤層上覆巖層力學性質隨賦存深度變化試驗

李鵬波，王金安1

（1.北京科技大學土木與環境工程學院，100083北京；2.煤炭資源與安全開采國家重點試驗室（中國礦業大學），221116江蘇徐州）

煤層上覆巖層力學性質隨賦存深度變化試驗

李鵬波1，2，王金安1

（1.北京科技大學土木與環境工程學院，100083北京；2.煤炭資源與安全開采國家重點試驗室（中國礦業大學），221116江蘇徐州）

為獲得煤層上覆巖層力學性質隨賦存深度變化的規律，鉆孔選取從地表到煤層的所有完整巖石，通過室內力學試驗獲取相應力學參數.試驗結果表明：試樣的天然密度、抗拉強度、單軸抗壓強度和彈性模量等隨著賦存深度增加而增大，吸水率、泊松比隨著賦存深度增加而減小；試樣力學性質除了與賦存深度有關外，還與巖性有直接關系；試驗數據的離散性隨著賦存深度增加而增大.造成試驗數據離散性的原因除構造應力、煤層采動及溫度影響外，主要是砂巖等沉積巖試樣內部顆粒隨著應力解除而重新耦合.

巖體力學參數；賦存深度；試驗研究；離散性；顆粒耦合

隨著人類活動向地下空間發展，地下工程災害也日益加劇［1－2］，謝和平［3］認為地下巖石力學性質（如彈性模量、泊松比、內聚力、內摩擦角等）和地表有很大不同，是造成工程災害的主要原因.

國內外學者對不同賦存深度下的巖石力學性質進行研究.Paterson［4］的試驗表明，單軸狀態下的脆性巖石在高圍壓條件下轉為延性破壞；姜晨光等［5］和景峰等［6］分別通過試驗發現花崗巖的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量等力學參數都隨巖體賦存深度增大而增大；仵彥卿［7］通過某油田地層巖樣室內三軸試驗，發現巖石孔隙率隨地層深度增加而減小；周宏偉等［8－9］通過室內力學試驗，揭示了玄武巖的力學性質隨賦存深度變化的規律；滿軻等［10］對不同賦存深度巖石的動態斷裂韌性與拉伸強度進行了實驗室研究.但是實驗室研究多是模擬理想狀態下的賦存條件，忽略了巖石結構和地層構造等因素的變化.進行不同實際賦存深度下巖石力學研究對于分析工程災害事故機理和保證礦山開采等生產活動具有重要現實意義.

本文通過勘探鉆孔選取從地表到煤層的所有完整巖石進行力學試驗，進而得到煤層上覆巖層在不同賦存深度上的力學性質.勘探鉆孔位于華亭煤田硯北煤礦，終孔靠近采空區，對鉆孔過程中取得的所有完整巖石都進行了書面記錄.

1 試 驗

鉆孔孔徑為50 mm，巖石取出后進行巖性分類并標注取樣深度等參數，密封后立即送至實驗室進行選擇和加工，以避免試樣含水率的變化.華亭煤田鉆孔共計取樣298件，試樣的巖性為：粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖、含礪粗粒砂巖、泥質粉砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖等，根據試樣的巖性和在地層中的深度，將其劃分為20組進行試驗，每組3～5個試樣.

采用LP3102型電子天平和游標卡尺等儀器測定試樣的天然密度和飽水密度；采用WEP－600液壓式屏顯萬能試驗機及相應的壓力傳感器與程序記錄儀測量巖石的單軸抗壓強度；采用巴西劈裂法測量巖石的抗拉強度；采用變角剪切儀器分組以38°、46°、54°、62°和70°來進行變角剪切試驗.

2 結果分析

試驗結果見表1.

表1 巖石力學試驗結果

從表1可看出，試驗數據具有一定的規律性：

1）力學性質隨賦存深度變化而變化.試樣的抗拉強度、單軸抗壓強度、彈性模量、內聚力等隨著賦存深度增加而增大；泊松比、吸水率隨賦存深度增大而減小，趨勢較明顯.

2）巖石力學性質與巖性緊密相關.

地下255 m處地層巖性為中粒砂巖，其相鄰地層為粗粒砂巖和含礫粗砂巖；475 m處為粗粒砂巖，其臨近地層皆為細粒砂巖.試樣在255m處和475m處，其抗拉強度、天然密度、吸水率等都有較大突變.這說明巖石的力學性質除了與賦存深度有關外，還與其巖性有直接關系.從表1還可看出，試樣的軟化系數、內摩擦角等與賦存深度并無直接關系，更多地與巖樣本身的巖性有關.

對表1數據進行擬合分析，利用origin軟件畫出散點圖見圖1.試樣的抗壓強度在150～300 m處曲線擬合的決定系數為0.747，300～500m處決定系數為0.479；抗拉強度在150～350 m處決定系數為0.680，350～500 m處決定系數為0.142；同樣的，彈性模量在200～350 m處決定系數為 0.870，350～500 m處決定系數為0.286.從數據擬合的決定系數可直觀看到數據離散性，試驗數據的離散性隨試樣賦存深度增加而增大，這種數據的離散性現象在以往的試驗和研究中極為少見.

3 數據離散性分析

造成試驗數據離散性隨賦存深度增加而增大的原因有以下幾種：

1）試樣含水率的變化.鉆孔現場未發現大的天然含水層，同時由于試樣運送較為及時，水的蒸發基本可忽略，因此認為試樣含水率未發生變化.

2）構造應力及煤層采動的影響.華亭煤田處于背斜處，無大的斷層，認為巖層構造應力對試驗結果影響較小；但隨著試樣位置靠近煤層（約500 m處），數據的離散性漸漸變大.這是因為取樣位置下方為硯北煤礦，煤層上覆巖層在開采過程中發生較大位移，不可避免地對取樣位置造成擾動，引起應力的重新分布，這是造成試驗數據離散性變大的原因之一.

圖1 試驗數據隨賦存深度變化的擬合曲線

3）溫度降低及應力解除的影響.試樣從地下取出后，溫度降低，彈性模量和抗壓強度等力學參數會隨溫度降低而增大.計算地層內溫度時采用陜甘寧盆地的地溫梯度2.75［11］，則

式中：H為地層深度，m；t為溫度，℃.則500 m處，t＝27.75℃.試樣從地下取出后，溫度降低，巖石的抗壓強度和彈性模量都會有一定程度的增加，類似于趙彥東等［12］的研究，變化公式為

式中：E1、σ1為溫度降低后巖石的彈性模量和抗壓強度，E0、σ0為地層中原始彈性模量和抗壓強度，k1、k2為溫度系數.

由于所取試樣為砂巖和泥巖類沉積巖，且其賦存深度在500m以上，未引起巖石塑性變化，所以可忽略巖石內部的壓結作用和重結晶作用，只考慮顆粒之間的相互作用.隨著應力的解除，巖石內部除彈性變化外，顆粒之間還會產生相對運動，顆粒重新耦合，造成了彈性模量和抗壓強度的減小，此時有

式中E2、σ2為巖石顆粒重新耦合造成的彈性模量和抗壓強度的減小量.

溫度降低和應力解除對試樣的影響見圖2.圖中?E2和?σ2為顆粒耦合影響的彈性模量和抗壓強度沿試樣半徑分布的減小量.

圖2 試樣內部影響因素

試樣因溫度降低和彈性膨脹而產生的變化內外基本一致；因顆粒重新耦合而產生的變化則是越靠近試樣表面變化越大，所以其造成的?E2和?σ2數值就越大，極限狀態為顆粒間耦合程度減小到與地表巖石相同，所以有圖3、4的曲線.

圖3 抗壓強度分析

圖3中σ0曲線為地層中原始抗壓強度，σ1曲線為溫度降低后的抗壓強度，σ2max和σ2min為巖石顆粒重新耦合造成的抗壓強度減小量的最大值和最小值.結合式（4）可看出，顆粒重新耦合造成了抗壓強度試驗數據呈現出類似扇形的離散性.

圖4 彈性模量分析

圖4中E0曲線為地層中原始彈性模量，E1曲線為溫度降低后的彈性模量，E2max和E2min為巖石顆粒重新耦合造成的彈性模量減小量的最大值和最小值.結合式（5）可看出，顆粒重新耦合造成了彈性模量試驗數據呈現出類似扇形的離散性.

顆粒重新耦合造成了試樣力學性質的差異性，體現在試驗數據上就是離散性的增加.需要指出的是，以碎屑、砂礫等顆粒為主要構成的砂巖才存在上述明顯的顆粒耦合重組現象，其他以結晶為主的花崗巖等巖漿巖，其顆粒耦合重組現象并不明顯；同時，圖3、4所示的曲線為定性分析，定量分析還需后續進一步研究.

4 結 論

1）從試驗結果看，試樣的天然密度、抗拉強度、單軸抗壓強度和彈性模量隨著賦存深度增加而增大；吸水率、泊松比則隨著賦存深度增加而減小；巖樣軟化系數、內摩擦角等與賦存深度并無直接關系，更多是與試樣的巖性有關.

2）在靠近煤層（約500 m）處，由于受采動影響，試樣所處地層的受力狀態非常復雜，這使同一地層試樣的試驗數據表現出較大的差異性.

3）試驗數據的離散性隨著賦存深度增加而增大.砂巖等顆粒沉積巖從地層中取出后，隨著應力解除，其內部顆粒會重新耦合，這是數據離散性隨賦存深度增加而增大的主要原因.

4）由于試樣選取深度為500 m以上的砂巖和泥巖，忽略了巖石內部的晶體結構以及砂巖的壓結作用和重結晶作用，這與花崗巖等巖漿巖會存在較大區別.

［1］錢七虎.非線性巖石力學的新進展—深部巖體力學的若干問題［C］／／第八次全國巖石力學與工程學術大會論文集.北京：科學出版社，2004：10－17.

［2］SELLERS E J，KLERCK P.Modeling of the effect of discontinutities on the extent of the fracture zone surrounding deep tunnels［J］.Tunneling and Underground Space Technology，2000，15（4）：463－469.

［3］謝和平.深部高應力下的資源開采—現狀、基礎科學問題與展望［C］／／香山科學會議.科學前沿與未來.北京：中國環境科學出版社，2002：179－191.

［4］PATERSON M S.Experimental deformation and faulting in Wombeyan marble［J］.Geological Society of America Bulletin.1958（69）：465－467.

［5］姜晨光，姜祖彬，劉華，等.花崗巖巖石力學參數與巖體賦存深度關系的研究［J］.石材，2004，22（7）：4－6.

［6］景鋒，盛謙，余美萬.地應力與巖石彈性模量隨埋深變化及相互影響［C］／／巖石力學與工程的創新和實踐：第十一次全國巖石力學與工程學術大會論文集.武漢：中國巖石力學與工程學會，2010：69－74.

［7］仵彥卿.巖石孔隙率隨地層深度變化規律研究［J］.西安理工大學學報，2000，16（4）：69－73.

［8］周宏偉，謝和平，左建平.深部高地應力下巖石力學行為研究進展［J］.力學進展，2005，35（1）：91－99.

［9］周宏偉，謝和平，左建平，等.賦存深度對巖石力學參數影響的試驗研究［J］.科學通報，2010，55（34）：3276－3284.

［10］滿軻，周宏偉.不同賦存深度巖石的動態斷裂韌性與拉伸強度研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，30（10）：1657－1663.

［11］付秀清，王正東.石油地質學［M］.北京：石油工業出版社，2009.

［12］趙彥東，趙文奎，柯尊乾，等.溫度對深井巖石力學性質的影響［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2014，12（4）：71－73.

（編輯趙麗瑩）

Experimental on mechanical properties of overlying strata rock changed w ith the occurrence depth

LIPengbo1，2，WANG Jin’an1

（1.Civil and Environmental Engineering School，University of Science and Technology Beijing，100083 Beijing，China；
2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining（China University of Mining and Technology），221116 Xuzhou，Jiangsu，China）

Mechanical parameterswere obtained bymechanical test to obtain themechanical properties of overlying strata in coal seam.Test results show that natural density，tensile strength，uniaxial compressive strength and the elastic modulus of the samples increase with the raise of the occurrence depth while water absorption rate and Poisson＇s ratio decrease with the increase of the occurrence depth，and themechanical properties of the specimen are directly related to the lithology.Discreteness of test data increaseswith the increase of the occurrence depth.In addition to tectonic stress，coalmining and temperature effects，themain reason for discreteness is that the internal particles of the sandstone and other sedimentary rocks recouple with the stress relief.

mechanical parameters；the occurrence depth；experimental study；discreteness；particle coupling

TU452

A

0367－6234（2015）12－0098－04

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.12.017

2015－01－23.

國家自然科學基金重點項目（U1361208）；煤炭資源開采與環境保護國家重點試驗室資助項目（11KF03）.

李鵬波（1982—），男，博士研究生；王金安（1958—），男，教授，博士生導師.

李鵬波，117854536＠qq.com.