西部典型礦區弱膠結地層巖石的物理力學性能特征

孫利輝，紀洪廣，楊本生

(1.河北工程大學 礦業與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038; 2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083; 3.河北省煤炭資源綜合開發與利用協同創新中心，河北 邯鄲 056038)

近年來，隨著我國西部大開發和煤炭行業上一輪“黃金十年”的快速發展，在我國西部陸續建成并投產了一批開采侏羅系和白堊系煤層的礦井，而侏羅系和白堊系地層巖石物理力學性能與我國中東部石炭二疊系地層具有一定的差別，主要表現為強度低、易崩解、遇水泥化、膠結性差等特點，被稱之為弱膠結地層。巖層的賦存條件、巖石物理力學性能是礦區規劃、礦井設計、礦壓活動規律及其礦壓控制等礦山開采活動研究中必須掌握的基礎數據，如果認識不清，則容易造成開采布局不合理、工作面異常來壓、潰水潰沙、地下水流失等問題[1-3]。同時，國家“十三五”期間將有序推進陜北、黃隴、新疆煤炭基地建設，壓縮東部、中部及東北礦區產能。故開展煤系弱膠結地層巖石的物理力學性能研究，對進一步認識我國西部弱膠結地層礦井異于中東部礦井礦壓活動規律具有重要意義。

通過網絡檢索發現關于研究礦業工程領域“弱膠結巖石”主題的文獻高達1 890余條，且在2015年研究達到最熱，說明國內外學者在弱膠結巖石領域開展了卓有成效的研究，并取得了大批研究成果。如李化敏等[4-5]針對神東礦區3個典型礦井研究了不同沉積環境下巖石的物理力學性質。紀洪廣等[6]研究了紅慶河煤礦白堊系砂巖力學性質及聲發射特征。汪泓[7]、趙永川等[8]研究了榆橫礦區及小紀汗煤礦巖石物理力學性質及其本構關系。宋朝陽[9]、紀洪廣等[10]研究了弱膠結巖石受力破壞后的微觀結構特征。孫利輝等[11-12]建立了弱膠結地層采場垮落帶內巖石的冒落、充填、壓實、固結模型，揭示了垮落帶的動態變化特征。王渭明[13-14]、ZHAO Zenghui等[15]研究了弱膠結軟巖巷道彈塑性損傷機理，以及煤巖組合條件下圍巖變形規律，成果應用于立井井壁支護。孟慶彬[16-18]，喬衛國[19]等研究了內蒙東部極弱膠結巖石變形破壞特征，提出了工字鋼、鋼筋網+混凝土襯砌的聯合支護技術。李廷春等[20]研究認為拱形斷面更加適合弱膠結地層巷道。綜上所述，前人研究成果主要焦點是弱膠結巖石在不同應力路徑下發生的變形規律、本構關系、工程穩定以及微觀結構形態的研究，但對弱膠結巖石的物理力學特性總體認識尚不全面。

因此，筆者通過調研分析我國弱膠結地層分布規律，對典型礦區弱膠結地層巖石物理力學實驗數據進行分析，揭示弱膠結巖石物理力學特征，以期為保水開采[21]、礦井設計、試驗模擬等提供全面的基礎力學參數。

1 煤系弱膠結地層地域分布規律

通過調研和查閱文獻可知[22]，我國煤礦弱膠結地層主要為成巖時間較短的侏羅系和白堊系地層，目前在我國的西部和西北礦區、蒙東和東北部分礦區開采該類地層中煤炭資源。成煤期較短的新生代和中生代煤炭資源主要分布在我國的新疆、神東、晉北、寧東、陜北、黃隴、蒙東、云貴幾個主要煤炭基地，其中西部和西北礦區所占比重最大，新疆正處于開發前期階段，其余處于開采階段。

通過我國14個大型煤炭基地內所轄礦區及保有儲量情況來看，賦存弱膠結地層的基地主要有神東基地、陜北基地、黃隴基地、寧東基地、蒙東基地、新疆基地，均分布在我國的西部和西北部，僅蒙東基地分布在內蒙古東北部;我國14個煤炭基地保有儲量占全國煤炭保有儲量的50.4%，開采弱膠結地層煤炭資源基地煤炭保有儲量約占14個基地保有儲量的54.09%，說明約有一半的煤炭資源賦存在弱膠結地層中。

2 典型礦區弱膠結巖石物理力學參數特征

筆者選取鄂爾多斯盆地的大海則煤礦、營盤壕煤礦、陶忽圖煤礦、高頭窯煤礦和新疆準東礦區大井南一井和葦子溝煤礦等6對典型礦井巖石物理力學參數進行分析。

2.1 典型礦區弱膠結巖石物理參數特征

圖1為巖石密度與埋深的相關性，由圖1可知，總體上巖石密度隨著埋深的增加而增大，近似呈線性遞增;大海則煤礦、葦子溝煤礦及高頭窯煤礦巖石密度隨埋深變化幅度較其他3個礦井小;巖石密度的最小值為1.86 g/cm3，為陶忽圖煤礦的細砂巖，巖石埋深為28.3 m;巖石密度的最大值為2.76 g/cm3，為葦子溝煤礦的中砂巖，巖石埋深為527.3 m;巖石密度大部分分布在2.0～2.6 g/cm3，當埋深超過600 m，巖石密度均分布在2.3～2.6 g/cm3。實驗數據表明受埋深增加，原巖應力增大，巖石內部孔隙受壓減小使得巖石密度增加;同時巖石埋藏深度增大巖石的成巖時間相應增加，使巖石的密度也隨之增大，因此巖石密度的變化規律是受力學作用和成巖時間等綜合作用的結果。

圖1 巖石密度與埋深的相關性Fig.1 Relationship between density of the rock and depth

圖2為巖石孔隙率與埋深的相關性，不難看出，巖石孔隙率隨埋深增加呈線性遞減，巖石孔隙率隨埋深增加的變化率基本相等;對比3個礦井孔隙率大小發現，葦子溝煤礦巖石孔隙率較小，在1.45%～7.91%;巖石的最大孔隙率為26.12%，為大海則煤礦埋深為388 m的中粒砂巖，其次為高頭窯煤礦埋深為243 m的粗砂巖，其孔隙率為25.99%;大海則煤礦巖石孔隙率在0～10%的占26.32%，孔隙率在10%～20%的占55.26%，孔隙率在20%～30%的占18.42%;高頭窯煤礦巖石孔隙率在0～10%的占14.63%，孔隙率在10%～20%的占63.41%，孔隙率在20%～30%的占21.96%;葦子溝煤礦巖石孔隙率均小于10%。總體上看，泥巖、粉砂巖及砂質泥巖的孔隙率相對較小，粗砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖的孔隙率較大。巖石孔隙率隨深度的變化關系也進一步證明了巖石密度與深度的相關性。

圖2 巖石孔隙率與埋深的相關性Fig.2 Relationship between porosity of the rock and depth

圖3為巖石含水率與埋深的關系，由圖3可知，巖石含水率在0.33%～11.55%，大部分巖石的含水率在2%～8%;隨著巖石埋深的增加含水率隨之降低，并具有線性遞減關系，在一定程度上與巖石的孔隙率具有類似的趨勢，即巖石內部孔隙減小則含水空間相應減小;砂巖含水率基本上大于泥巖、粉砂巖的含水率。

圖3 巖石含水率與埋深的關系Fig.3 Relationship between moisture content of the rock and depth

不同礦井同類巖石的物理參數隨埋深變化情況，以粉砂巖的密度參數為例說明。圖4為粉砂巖密度與埋深的相關性，由圖4可知，總體上粉砂巖密度隨著埋深的增加而增大，近似呈線性遞增;大井南和營盤壕2個礦井粉砂巖密度隨采深變化幅度較其它礦井大，且大井南礦粉砂巖密度分布較分散，葦子溝礦粉砂巖密度值較集中。不同的礦區其它同類型巖石密度也表現出了同樣的特征。

圖4 粉砂巖密度與埋深的相關性Fig.4 Relationship between density of the siltstone and depth

另外，不同礦井同類型巖石在含水率、孔隙率也同樣表現出了隨埋深增加而減小的負相關特征，這里不再敖述。

2.2 典型礦區弱膠結巖石力學參數特征

圖5為巖石抗壓強度隨埋藏深度的變化關系，由圖5可知，巖石抗壓強度隨埋深的增加而增大，具有一定的線性關系;巖石抗壓強度在0～20 MPa的占43.7%，巖石抗壓強度在20～40 MPa的占44.8%，巖石抗壓強度在40～60 MPa的占9.5%，巖石抗壓強度在60～100 MPa的僅占2%，巖石抗壓強度大于40 MPa的僅占總數的11.5%，說明巖石抗壓強度普遍較低，我國中東部中硬巖石強度大多在40～60 MPa，對比可知西部絕大部分弱膠結巖石抗壓強度較中東部巖石抗壓強度小。

圖5 巖石抗壓強度隨深度變化關系Fig.5 Relationship between compressive strength of the rock and depth

圖6為巖石抗拉強度隨埋藏深度的變化關系，大井南煤礦、大海則煤礦和葦子溝煤礦的巖石抗拉強度隨埋深的增加呈現線性遞增特征，而高頭窯煤礦巖石抗拉強度隨埋深的增加呈現線性遞減;巖石抗拉強度在0～2 MPa的占94.8%，巖石抗拉強度在2～4 MPa的僅占5.2%，巖石抗拉強度普遍較低;砂巖抗拉強度較泥巖和粉砂巖抗拉強度高;巖石最大抗拉強度為高頭窯煤礦的粗粒砂巖，強度為3.86 MPa，巖石最小抗拉強度為大井南煤礦的泥質粉砂巖，強度為0.06 MPa，最大抗拉強度是最小抗拉強度的63.3倍。

圖6 巖石抗拉強度隨深度變化關系Fig.6 Relationship between tensile strength of the rock and depth

圖7為巖石彈性模量隨埋藏深度的變化關系，總體上巖石彈性模量隨著埋深的增加而增大;巖石彈性模量在0～10 GPa的占94.8%，其余彈性模量在10～45 GPa的僅占5.2%，進一步說明巖石的強度較低，而且發現高頭窯巖石的彈性模量較其他4對礦井巖石的彈性模量大;大井南煤礦巖石的彈性模量總體上最小;高頭窯煤礦淺部粗砂巖彈性模量較其它巖石大，中深部砂質泥巖彈性模量較其它巖石大;而營盤壕煤礦中粒砂巖和細粒砂巖彈性模量較大，陶忽圖煤礦巖石彈性模量較大的則為細粒砂巖和粉砂巖，大井南和大海則煤礦巖石彈性模量均較小。

圖7 巖石彈性模量隨深度變化關系Fig.7 Relationship between elastic modulus of the rock and depth

圖8為巖石黏聚力隨埋藏深度的變化關系，巖石的黏聚力也表現為隨著埋深的增加而增大的現象，特別是陶忽圖和營盤壕煤礦巖石這種現象比較明顯;巖石黏聚力在0～4 MPa的占總數的52.5%，巖石黏聚力在4～8 MPa的占總數的29.6%，巖石黏聚力在8～10 MPa的占總數的7.2%，黏聚力大于10 MPa的占總數的10.7%，可以看出巖石的黏聚力普遍較低，其中巖石的黏聚力大于8 MPa主要集中在埋深超過500 m的陶忽圖和營盤壕煤礦，特別是新疆礦區的大井南、葦子溝煤礦以及處于鄂爾多斯盆地毛烏素沙漠腹地的大海則煤礦黏聚力均小于8 MPa。

圖8 巖石黏聚力隨深度變化關系Fig.8 Relationship between cohesion of the rock and depth

圖9為巖石內摩擦角隨埋藏深度的變化關系，6對礦井巖石內摩擦角與埋深未表現出明顯的相關性;但礦井之間內摩擦角具有一定的差異，大海則煤礦巖石內摩擦角均大于40°，普遍大于其他5對礦井巖石內摩擦角;大井南煤礦巖石內摩擦角大多集中在30°～40°，營盤壕煤礦巖石內摩擦角分布在20°～30°，高頭窯煤礦巖石內摩擦角分布在25°～40°，葦子溝煤礦巖石內摩擦角分布在30°～40°，而陶忽圖煤礦巖石內摩擦角分布相對較分散在0°～30°。

圖9 巖石內摩擦角隨深度變化關系Fig.9 Relationship between internal friction angle of the rock and depth

圖10為巖石泊松比隨埋藏深度的變化情況，不難看出，6對礦井巖石泊松比與埋深未表現出明顯的相關性;巖石泊松比分布在0.1～0.4，其中高頭窯煤礦、陶忽圖煤礦及營盤壕煤礦巖石泊松比分布比較分散，而大井南和大海則煤礦巖石泊松比分布則相對比較集中，在0.15～0.25。

圖10 巖石泊松比隨深度變化關系Fig.10 Relationship between Poisson ratio of the rock and depth

不同礦井同一名稱巖石的彈性模量、抗壓強度、抗拉強度、黏聚力隨埋深增加也具有一定的線性遞增關系，限于文章篇幅，僅以粉砂巖的單軸抗壓強度為例說明，如圖11所示。粉砂巖抗壓強度在0～20 MPa的占總數的12%，抗壓強度在20～40 MPa的占總數的73%，抗壓強度在40～60 MPa的占總數的6%，抗壓強度在60～100 MPa的僅占總數的1%，抗壓強度大于40 MPa的僅占總數的7%。總體上看，新疆礦區的大井南和葦子溝2個礦井的粉砂巖單軸抗壓強度離散性較大，而鄂爾多斯礦區的4個礦井的單軸抗壓數據相對比較集中，并具有隨深度增加呈明顯的線性遞增特點。

圖11 粉砂巖單軸抗壓強度隨深度變化關系Fig.11 Relationship between compressive strength of the siltstone and depth

3 典型弱膠結砂質泥巖崩解特征

以紅慶河煤礦采集的3號煤頂板弱膠結砂質泥巖的崩解為例，在實驗室應用燒杯進行了4個循環的浸水崩解實驗。浸泡前完整巖塊質量為275 g。每循環巖石浸泡時間均為24 h，巖石利用自然風干，風干時間約為28 h。

第1次崩解循環:巖塊浸泡初始階段其表面的碎塊立即發生剝離、脫落，浸泡15 h后，發現燒杯底部出現了部分巖石碎片，經過觀察發現碎片是沿巖石裂隙碎脹后散落在燒杯下部，初步估算散落塊體體積占原體積約1/4，同時觀察到燒杯溶液有些許渾濁，判斷為部分溶解的黏土礦物和有機物。浸泡24 h后，巖石全部發生破碎，破碎尺度不盡相同，塊度較大居多。自然風干后，可將破碎后的巖石分為4個粒徑等級，粒徑<1.5，1.5～2.0，2.0～3.5以及>3.5 cm的碎塊質量占原質量分別為10%，26%，18%，45%;另外，自然風干損失質量占原質量的1%。如圖12(a)所示。

圖12 不同循環階段弱膠結巖石遇水崩解粒徑分級Fig.12 Particle size classification of weakly consolidated rock disintegrating under water in different cycle stages

第2次崩解循環:浸泡初期水溶液渾濁，并在溶液液面漂浮巖石中的有機質。24 h后，實施自然風干處理，巖石分為4個粒徑等級，粒徑<1.5，1.5～2.0，2.0～2.5以及2.5～3.0 cm的碎塊質量分別占原質量的19%，32%，20%，26%;另外，自然風干損失質量占原質量的3%。如圖12(b)所示。

第3次崩解循環:浸泡初期水溶液渾濁明顯，并在溶液液面漂浮巖石中的有機物。24 h后，風干處理后，可將破碎后的巖石分為2個粒徑等級，粒徑<1.0，1.0～1.5 cm的碎塊質量分別占原質量的59%和36%;另外，自然風干損失質量占原質量的5%。該階段巖石破碎程度大幅度提高，粒徑大于1.5 cm的巖塊已經不存在，說明水對巖石的弱化作用十分強烈。如圖12(c)所示。

第4次崩解循環:最后1輪崩解實驗，破碎巖石自然風干后，破碎后的巖石粒徑進一步減小，粒徑分別在<0.5和0.5～1.0 cm。2個區間粒徑的碎塊質量分別為原質量的78%和15%;另外，自然風干損失質量占原試塊質量的7%。如圖12(d)所示。

實驗表明，弱膠結砂質泥巖隨著崩解循環次數的增加，巖石破碎的粒徑逐漸減小，巖石受水的作用崩解程度越大，與文獻[11]的實驗結果類似，進一步佐證了弱膠結巖石的易崩解特性。如果進一步實施崩解循環實驗，若干次循環后巖石顆粒可均化到很小的粒徑，弱膠結巖石的碎脹系數將會很小，由此可導致弱膠結地層采場垮落帶、裂隙帶高度均會大于中東部相同開采條件的采場。導水裂隙帶高度的增大，將增加對地下水的破壞，該類地層的特殊物理力學性質增大了保水開采的難度[23]。

4 弱膠結巖石與中東部巖石的物理力學性能對比分析

近年來，礦井建設、開采實踐表明，我國西部煤礦區巖層大多為成巖地質年代較晚的侏羅系、白堊系泥巖、砂巖巖層，其中侏羅系地層形成距今約1.9億a，成巖環境為內陸湖泊相，巖石膠結物多為泥質，含炭多，且普遍覆蓋物較薄，受物理化學作用強度小，因此，具有強度低、孔隙度大、膠結性差、受構造面切割及風化影響顯著或含大量膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱層等特征。上述分析的西部礦區典型弱膠結巖石物理力學參數進一步證明該類巖石的松、散、弱等特性。

而我國東部及中部礦區主要開采石炭二疊系煤炭資源，該類煤系地層巖石成巖時間較長，距今約2.5～2.99億a，較侏羅系長0.6～2.09億a，沉積環境為陸相，成巖期間發生了復雜的物理化學反應，故較西部礦區巖石成巖充分。如前述弱膠結巖石的孔隙率總體上隨著埋深增加而減小，說明巖石在上覆巖層重力的作用下內部孔隙被壓縮，那么隨著沉積時間的增加，巖石內部結構將會越來越均勻。圖13為中部陶二煤礦中砂巖和西部鄂爾多斯紅慶河煤礦中砂巖電鏡下微觀形態，微觀條件下可見東部礦區巖石更加致密，而西部同類巖石顆粒大小分布不均、巖石顆粒間孔隙較多。

限于篇幅以砂巖為例，本文僅6對礦井實驗數據與煤礦常見砂巖力學參數進行對比，見表1。并結合前述結果，可以發現，西部弱膠結砂巖的彈性模量、抗壓強度、抗拉強度、黏聚力等力學參數大部分數值小于常見砂巖強度的下限，只有極少數弱膠結砂巖的力

圖13 中部礦區與西部礦區巖石微觀形態對比分析Fig.13 Comparative analysis of microscopic morphology of rock between Middle mining area and Western mining area

學參數數值較大，接近相應參數的上限，如高頭窯煤礦砂巖的彈模上限為33.3 GPa。弱膠結砂巖的泊松比總體上看大于常見砂巖的泊松比，進一步說明了弱膠結巖石徑向變形能力更強;弱膠結砂巖內摩擦角的分布規律性不強，比較分散，而常見砂巖內摩擦角分布相對比較集中;弱膠結巖石的密度總體上略低于常見砂巖的密度，極個別砂巖密度大于常見砂巖密度;孔隙率在正常分布范圍內，與常見砂巖區別不大。由此可進行西部礦區與中東部老礦區巖石間半定量化的綜合比較。具體評價方法見文獻[12]。

巖石的物理力學性能是由巖石組成成分、成巖環境、成巖時間等綜合作用形成的，而表征巖石物理力學特征的參數包括物理參數、力學參數、沉積作用(成巖時間)組成，由此可建立表征巖石物理力學性能的函數集合:

U=f(ρ,n,E,σt,σc,C,T，……)

(1)

式中,U為函數集合;ρ為巖石密度，g/cm3;n為巖石孔隙率，%;E為巖石彈性模量，GPa;σt為巖石抗拉強度，MPa;σc為巖石抗壓強度，MPa;C為巖石黏聚力，MPa;T為成巖時間。

表1 常見砂巖與西部典型礦井砂巖物理力學參數對比Table 1 Comparison of parameters of physical and mechanical of sandstone between Middle mining area and Western mining area

5 結 論

(1)根據西部礦區勘探、建設、開采資料表明，西部礦區煤層普遍賦存于白堊系和侏羅系地層中，該類煤系地層大多由砂巖、泥巖組成，越接近煤層巖石含泥質成分越高，巖石具有強度低、膠結性差、易崩解等松、散、弱特性。

(2)西部6對典型礦井弱膠結巖石密度總體上隨著埋深的增加呈線性遞增，而巖石孔隙率和含水率則隨著埋深的增加呈線性遞減;砂巖的孔隙率和含水率較泥巖大;不同礦井同類巖石也具有上述特性。

(3)弱膠結巖石的彈性模量、抗壓強度、抗拉強度、黏聚力總體上隨著埋深的增加呈線性增大，其中僅高頭窯煤礦巖石的抗拉強度有所不同，不同礦井同類巖石也具有上述特性;而弱膠結巖石的泊松比和內摩擦角未表現出與埋深明顯的相關性。

(4)弱膠結砂質泥巖遇水極易崩解，隨著崩解循環的增加，巖石破碎粒徑逐漸減小，多次循環后巖石顆粒可均化到很小的粒徑，導致巖石碎脹系數小，由此可導致弱膠結地層采場垮落帶、裂隙帶高度均會大于中東部相同開采條件的采場，增大了保水開采的難度。

(5)對比中西部礦區砂巖實驗數據，西部弱膠結巖石力學參數大多小于中東部同類巖石參數的下限，僅有極少數西部巖石力學參數接近東部礦區巖石強度的上限。建立巖石物理力學性能函數集合可進一步評價中西部巖石性質間的差別。