泥質(zhì)含量對(duì)砂巖力學(xué)性質(zhì)及其破壞特征的影響規(guī)律研究

韓應(yīng)偉，王國偉，馬宏發(fā)

（1.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán) 花園井田資源開發(fā)有限公司，山東 濟(jì)寧 272200；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590）

煤層頂板穩(wěn)定性關(guān)系到井下開采方法及支護(hù)方式的選擇，是礦井進(jìn)行安全生產(chǎn)的重要影響因素之一[1-4]。煤層上部頂板大多為砂巖，但由于地質(zhì)條件影響，通常夾雜其他巖性成分，因此不能簡單的按照砂巖的力學(xué)性質(zhì)對(duì)頂板強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

多種巖性成分構(gòu)成的巖石，其結(jié)構(gòu)上就類似于1種“組合體”，郭東明[5]等研究了不同傾角組合煤巖體的強(qiáng)度與破壞機(jī)制；陳紹杰[6]等通過單軸壓縮試驗(yàn)研究了不同高比的5組頂板砂巖-煤柱結(jié)構(gòu)體力學(xué)特性及漸進(jìn)破壞機(jī)制，結(jié)果表明組合體宏觀破壞起裂應(yīng)力、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量均隨巖煤高比的增大呈遞減趨勢(shì)；付斌[7]等研究了不同組合條件下煤巖組合體的力學(xué)特性及破壞過程，發(fā)現(xiàn)單軸壓縮時(shí)煤巖組合體的強(qiáng)度接近煤體的單軸破壞強(qiáng)度。以上主要研究的是針對(duì)煤-巖組合體形式的破壞特征，且其組合相對(duì)具有規(guī)律性，而對(duì)天然狀態(tài)下無序不同巖性組合強(qiáng)度等相關(guān)研究較少。另外，含泥質(zhì)的砂巖其內(nèi)部必然存在微觀裂隙及弱面，潘建武[8]對(duì)含有天然弱面的砂巖的聲學(xué)特性、強(qiáng)度和變形特征等進(jìn)行了分析研究，得出了弱面試樣的破壞形式和破壞原因；劉運(yùn)思[9]等通過對(duì)板巖進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石節(jié)理角度不同對(duì)其破壞強(qiáng)度及破壞形式具有重要的影響；尹乾[10]等對(duì)單軸壓縮作用下含縱向裂隙砂巖的強(qiáng)度劣化特征進(jìn)行了研究，隨著裂隙偏移量的增大，其承載能力呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)。徐婧[11]等運(yùn)用PFC3D顆粒流模型對(duì)單顆粒雜質(zhì)位置與圓盤試件單軸劈裂抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)顆粒在不同位置時(shí)對(duì)試件強(qiáng)度和破壞形態(tài)均有不同程度的影響。對(duì)自然多種巖性組合砂巖裂隙發(fā)育及強(qiáng)度、破壞特征研究較少?；谏鲜鲅芯楷F(xiàn)狀，對(duì)煤礦頂板3種含不同量泥質(zhì)的砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)及巴西劈裂試驗(yàn)，得出泥質(zhì)含量對(duì)砂巖力學(xué)特性及其破壞特征的影響規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)礦井進(jìn)行區(qū)域性、針對(duì)性支護(hù)具有重要的工程意義，同時(shí)豐富了相應(yīng)的巖石力學(xué)研究內(nèi)容。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所需的砂巖試樣取自濟(jì)寧花園煤礦自然垮落的頂板，巖性為中粒砂巖，為了降低巖樣離散性對(duì)試驗(yàn)的影響，每組試樣均取自同一巖塊。巖塊經(jīng)過切割、打磨，加工成尺寸為φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件及φ50 mm×25 mm的巴西圓盤試樣。試樣兩端面不平行度不大于0.01 mm，兩端直徑偏差不大于0.02 mm。

加載系統(tǒng)采用島津AG-X250電子萬能試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)為交流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)，加載方式采用雙絲杠結(jié)構(gòu)，設(shè)備穩(wěn)定性好、精度高，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的壓縮、拉伸等力學(xué)試驗(yàn)，最大試驗(yàn)載荷可達(dá)250 kN[12-13]。

1.2 試驗(yàn)方案

通過對(duì)含不同量泥質(zhì)的砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，研究得到泥質(zhì)含量對(duì)砂巖力學(xué)性質(zhì)及其破壞特征的影響規(guī)律。

2種試驗(yàn)均采用位移加載控制，加載速率設(shè)置為0.01 mm/s，加載直至試樣發(fā)生破壞，試驗(yàn)機(jī)靈敏度設(shè)置為95%，即應(yīng)力突降5%時(shí)試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止加載，避免煤樣到達(dá)峰值強(qiáng)度后繼續(xù)受壓造成端面破壞劇烈?？估囼?yàn)采用經(jīng)典的巴西劈裂法進(jìn)行[14]。

本試驗(yàn)巖樣共分為3組，依據(jù)泥質(zhì)含量的多少分為不含、少量、大量3組，對(duì)應(yīng)A、B、C 3組，巖樣分組如圖1。

圖1 巖樣分組圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 強(qiáng)度分析

對(duì)3組巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)及巴西劈裂試驗(yàn)，單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見表1，巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見表2，巖石抗拉、抗壓強(qiáng)度曲線分布如圖2。

表1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表1、表2、圖2可知，不含泥質(zhì)的砂巖強(qiáng)度最大，含大量泥質(zhì)強(qiáng)度次之，最小的為含少量泥質(zhì)的砂巖，抗壓及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)均可體現(xiàn)這一規(guī)律。究其原因：不含泥質(zhì)的砂巖完整性較好，其強(qiáng)度理應(yīng)最大；當(dāng)砂巖中含有雜質(zhì)時(shí)，其內(nèi)部在砂巖和泥質(zhì)之間形成弱面，其間通常會(huì)產(chǎn)生微小間隙，即巖石內(nèi)部存在缺陷，在實(shí)驗(yàn)過程中弱化了巖石的強(qiáng)度。

針對(duì)巴西劈裂抗拉試驗(yàn)所的到的3種巖石的抗拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，其強(qiáng)度規(guī)律與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)律基本相同，試件表現(xiàn)為受拉破壞，含泥質(zhì)砂巖內(nèi)部原生裂隙對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較大，強(qiáng)度值較不含泥質(zhì)砂巖大大減小。

表2 巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖2 巖石抗拉、抗壓強(qiáng)度曲線分布

另外發(fā)現(xiàn)，砂巖中存在泥質(zhì)對(duì)于抗拉強(qiáng)度的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，定義強(qiáng)度折減系數(shù)k，其計(jì)算式如下：

式中：σ為不含泥質(zhì)砂巖強(qiáng)度值；σx為含泥質(zhì)的砂巖強(qiáng)度值；k為強(qiáng)度折減系數(shù)。

強(qiáng)度折減統(tǒng)計(jì)見表3。由表中數(shù)據(jù)可知含少量泥質(zhì)和大量泥質(zhì)砂巖單軸抗壓強(qiáng)度分別折減了22%和4%，相對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度分別折減了47%和45%，由此可以看出當(dāng)砂巖內(nèi)部存在泥質(zhì)的情況下其強(qiáng)度必然會(huì)大幅度降低。

相對(duì)于抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，其強(qiáng)度折減程度更大，與泥質(zhì)含量的多少并不成正比。這是由于在抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，巴西圓盤試樣中心線上承受軸向拉應(yīng)力，而在加載中心線附近泥質(zhì)與砂巖接觸面存在裂隙，在直接拉應(yīng)力的作用下，裂隙很快擴(kuò)張發(fā)育，加速試件破壞，故抗拉強(qiáng)度折減量更大一些；對(duì)于泥質(zhì)含量來說，砂巖本身抗拉強(qiáng)度較低，當(dāng)局部裂隙受拉時(shí)會(huì)很快破壞，故在短時(shí)內(nèi)試件破壞的抗拉強(qiáng)度折減程度并不與泥質(zhì)含量的多少呈密切相關(guān)。

表3 強(qiáng)度折減統(tǒng)計(jì)

由表1和表2可知，3種巖石的密度，含泥質(zhì)較少的砂巖相對(duì)于其他2種砂巖來說其密度最小，這也反映出其內(nèi)部微觀裂隙數(shù)量更多，即巖石缺陷更多。在缺陷附近由于其位置關(guān)系及與其他微觀構(gòu)造之間不確定聯(lián)系導(dǎo)致其受力較為復(fù)雜。依據(jù)格里菲斯理論，裂隙在復(fù)雜應(yīng)力作用下，在端部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，當(dāng)拉應(yīng)力過大時(shí)，即超過巖石材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙便開始拓展，進(jìn)而多條裂隙相互交錯(cuò)貫通，加速巖石的破壞。

2.2 彈性模量變化

相對(duì)于彈性模量來說，不含泥質(zhì)砂巖彈性模量最大，含大量泥質(zhì)砂巖次之，含少量泥質(zhì)砂巖彈性模量最小。根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來看，砂巖的彈性模量要大于泥巖的彈性模量，這是巖石材料本身的性質(zhì)決定的。根據(jù)試樣的單軸壓縮曲線可以計(jì)算得到巖石的切線彈性模量Et和初始彈性模量Ei，其中Ei/Et值可以反應(yīng)巖石裂隙發(fā)育程度[11]，定義為θ，當(dāng)θ值越小時(shí)表示巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育程度較高，反之越大。故對(duì)3種巖石的θ進(jìn)行計(jì)算比較，3種巖石的θ值分布如圖3。

圖3 3種巖石的θ值分布

由圖3可知，含少量泥質(zhì)的砂巖其θ最小，表明其內(nèi)部裂隙發(fā)育較好，含大量泥質(zhì)的砂巖θ值次之，不含泥質(zhì)砂巖θ值最大，這與對(duì)3種巖石密度比較分析內(nèi)部裂隙發(fā)育影響巖石抗壓、抗拉強(qiáng)度的討論結(jié)果一致，進(jìn)一步證實(shí)了上述巖樣的破壞規(guī)律是存在的。

3 破壞特征分析

對(duì)3種巖石破壞后特征形態(tài)進(jìn)行拍照處理，選取每組巖樣具有代表性破壞試件（圖4），其中黑色部分為泥質(zhì)，其余部分為砂巖。

圖4 破壞巖樣模式圖

由圖4可知，含泥質(zhì)的砂巖在外表面及巖石內(nèi)部都存在泥質(zhì)顆粒，且多為泥質(zhì)面或泥質(zhì)包裹體，3種巖樣的破壞形式有較大的差別，其中不含泥質(zhì)的砂巖表現(xiàn)為貫穿整個(gè)巖樣的剪切破壞，含泥質(zhì)砂巖表現(xiàn)為縱向的劈裂破壞，而且含少量泥質(zhì)的砂巖破裂面傾斜角度較含大量泥質(zhì)的砂巖要小一些；同時(shí)含泥質(zhì)砂巖破壞后破裂線多沿著砂巖與泥質(zhì)的交界面擴(kuò)張延伸。

砂巖含泥質(zhì)意味著巖石中必然含有缺陷，缺陷處在內(nèi)部復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)中必然存在內(nèi)部附加應(yīng)力，更進(jìn)一步說明，在巖體中存在指向側(cè)面邊界方向的拉應(yīng)力[15-16]，這種拉應(yīng)力會(huì)使原生缺陷受拉破壞，持續(xù)對(duì)巖石進(jìn)行加載時(shí)，在側(cè)向拉應(yīng)力的作用下裂隙開始形成并在試樣中發(fā)育，并最終在達(dá)到試樣的最大承載力時(shí)發(fā)生縱向劈裂破壞。

巖樣在受縱向壓應(yīng)力時(shí)，內(nèi)部同時(shí)存在剪應(yīng)力與拉應(yīng)力的耦合作用。不含泥質(zhì)砂巖表現(xiàn)為剪切破壞是由于巖石在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生破壞，而含泥質(zhì)砂巖由于內(nèi)部存在原生缺陷，多在側(cè)向拉張應(yīng)力作用下破壞，且含少量泥質(zhì)的砂巖在剪應(yīng)力和拉張應(yīng)力共同作用下表現(xiàn)強(qiáng)度更低以及破裂面傾角較小。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)不同泥質(zhì)含量砂巖的單軸壓縮試驗(yàn)及巴西劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無論是單軸抗壓強(qiáng)度還是抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)為不含泥質(zhì)的砂巖最大，含大量泥質(zhì)的砂巖次之，最小的為含少量泥質(zhì)的砂巖。

2）進(jìn)一步對(duì)3種巖石的強(qiáng)度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)含少量泥質(zhì)及含大量泥質(zhì)的砂巖強(qiáng)度較不含泥質(zhì)砂巖單軸抗壓強(qiáng)度分別折減了22%和4%，抗拉強(qiáng)度分別折減了47%和45%；抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度折減范圍并不同步，含泥質(zhì)量較少的砂巖抗壓強(qiáng)度折減最大；泥質(zhì)存在大幅度弱化巖石的抗拉強(qiáng)度，但與泥質(zhì)含量的多少相關(guān)性較小。

3）對(duì)3種巖石的初始彈性模量Ei及切線彈性模量Et的比值θ進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)含少量泥質(zhì)、含大量泥質(zhì)、不含泥質(zhì)的砂巖θ值依次增大，表明巖石內(nèi)部裂隙數(shù)量及發(fā)育程度依次減小，微觀裂隙存在弱化了巖石的強(qiáng)度。

4）對(duì)3種巖石破壞模式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不含泥質(zhì)的砂巖表現(xiàn)為貫穿整個(gè)巖樣的剪切破壞，含泥質(zhì)砂巖表現(xiàn)為縱向的劈裂破壞，而且含少量泥質(zhì)的砂巖破壞面傾斜角度較含大量泥質(zhì)砂巖要小。