賦存深度對煤系砂巖力學性質影響的試驗研究

靳 拓,沈書豪,翟曉榮

（安徽理工大學地球與環境學院,安徽 淮南 232001）

煤炭資源是國家能源安全與社會經濟發展的基礎，為滿足我國工業化進程中對能源的長期需求提供了有力保障[1]。經過長期大規模開發，淺部煤炭資源日漸枯竭，煤炭開采進入深部開采階段[2-3]。由于深部更加復雜的地質條件以及煤系地層的沉積特點，同一煤層頂板、相同巖性的巖石，其賦存深度可能存在較大差異，物理力學性質也大不相同[4-5]，這就為巷道設計支護及布置帶來巨大的不便。而煤系地層巖石主要以砂巖、泥巖為主，砂巖的力學性質差異較為顯著，因此，對不同賦存深度煤系砂巖的力學性質進行試驗研究有一定的實際意義。

現有研究賦存深度對巖石物理力學性質影響多集中在花崗巖、玄武巖等較為均質的巖石，如姜晨光[6]等通過室內試驗得到花崗巖的彈性模量、抗壓強度、抗拉強度都隨巖體賦存深度的增大而增大；李鵬波[7]等通過對地表到煤層的所有巖石進行室內力學試驗，得出巖石的力學性質隨賦存深度的變化規律；周宏偉[8]等通過對同一層不同賦存深度的玄武巖進行室內試驗，分析得到玄武巖的密度、彈性模量、單軸抗拉強度、單軸抗壓強度、黏聚力和內摩擦角隨賦存深度的增大而線性增加，僅泊松比隨深度增加而線性減小。針對煤系沉積巖物理力學性質隨賦存深度影響的研究成果還比較少。文章以潘集礦區深部13-1煤頂板砂巖為研究對象，對同為13-1煤層頂板巖性結構相同而賦存深度差異較大的砂巖進行了物理力學試驗研究。

1 試驗內容及方法

潘集礦區煤田主體構造形態呈北西西向展布的大型復式向斜，造成同一煤層在不同區域的埋深差異較大。以礦區13-1煤層為例，22-4號勘查鉆孔測得的13-1煤層埋深在860m，而18-4號勘查鉆孔測得其埋深為1429m。

本次試驗取樣層位為潘集礦區深部勘查區的13-1煤層頂板砂巖，選擇深部勘查鉆孔巖芯賦存深度分別為870、970、1070、1170、1270、1370m，每個深度位置取樣3個。對所取樣品經過二次加工，制備成為直徑φ=50mm，高徑比為2.0的標準巖石試件。此次制備標準試件共18個，在制樣成功后使用WSD-3聲波參數測定儀和100K-P40F激發、接收探頭進行巖石標準樣的縱波波速測試。在實驗室內采用RMT-150B電液伺服試驗機對這18個砂巖試件按照深度不同分組進行單軸壓縮試驗，并在試驗前安裝軸向位移計和橫向位移計，用以記錄軸向和橫向的變形值。制樣后的巖石樣品和室內RMT單軸壓縮試驗機如圖1所示。

圖1 制樣后巖石試件及RMT力學試驗機

2 試驗結果與分析

通過對砂巖試件進行縱波波速測試及單軸壓縮試驗，得到各個砂巖試件的縱波波速和單軸抗壓強度，并通過所記錄數據計算得到彈性模量和泊松比等力學參數。其中，彈性模量是軸向應力除以軸向應變得到，泊松比是橫向應變與軸向應變的絕對值的比值，具體數據整理統計結果見表1。

表1 試驗結果統計

為了更加直觀的對數據進行分析，觀察煤系砂巖的力學性質隨賦存深度增加的變化規律，將表1中單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比三個力學性質參數分別繪制了散點圖，統計計算同一賦存深度試驗組中三件樣本的數據均值，并擬合了各力學參數隨深度的變化趨勢，如圖2所示。

圖2 力學參數隨賦存深度變化散點圖

圖2中藍色圓點為各組試驗數據，黑色標記為各組力學參數的均值，結合表1和圖2可以看出，煤系砂巖的抗壓強度和彈性模量隨著砂巖賦存深度的增加呈線性增大的趨勢，而泊松比隨著砂巖賦存深度的增加逐漸減小。而通過各組參數散點圖不難發現，同組參數之間也存在差異性，部分巖石試件的力學參數偏離趨勢線，數據的離散性較大。

深部地層的煤系砂巖在脫離原位地質環境時，受到高應力解除等外力因素影響，內部顆粒發生重新耦合，會造成巖石的物理力學性質發生變化。在試驗前已經測量了各組試樣的縱波速度值，將各深度組試驗測試的縱波波速繪制了散點圖，同樣以均值擬合了趨勢線，如圖3所示。

圖3 縱波波速隨賦存深度變化散點圖

由縱波波速的數據及散點圖不難發現，同組砂巖之間的縱波波速也可能存在較大差異；煤系砂巖的縱波波速隨著賦存深度的增加而增大，這與其單軸抗壓強度、彈性模量之間存在一定的正相關關系。由于縱波波速受到巖石成分、微觀結構和孔隙度的影響較大，而巖石成分一般不會發生改變，因此，波速數據的離散性較大主要是由于巖石微觀結構和孔隙度的變化不均造成的，這也是其相同賦存深度巖石的力學參數離散性較大的主要原因。

3 結論

（1）通過對六個不同賦存深度水平的潘集礦區13-1煤層頂板砂巖進行試驗研究，得出煤系砂巖的抗壓強度和彈性模量均隨著賦存深度的增加而增大，而泊松比隨著賦存深度的增加而線性減小。

（2）結合縱波波速的數據及散點圖，分析得出各組參數離散性較大的原因是由于巖石隨著外部環境改變，內部顆粒發生重新耦合，其微觀結構和孔隙度發生了不均勻的變化。

[1]謝克昌.中國煤炭清潔高效可持續開發利用戰略研究[M].科學出版社,2014.

[2]何滿潮,謝和平,彭蘇萍等.深部開采巖體力學及工程災害控制研究[J].煤礦支護,2007(03):1-14.

[3]何滿潮,謝和平,彭蘇萍等.深部開采巖體力學研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(16):2803-2813.