煤系地層砂巖拋光面粗糙度和粒度分析

韓文梅，楊文博，李建軍，武晉文

(中北大學 理學院，太原 030051)

煤巖體斷裂面結構是煤巖體摩擦滑動穩(wěn)定性的影響因素。對煤巖體斷裂面結構進行分析，并進行定量描述，可以為煤巖體摩擦滑動穩(wěn)定性的工程應用提供理論依據(jù)[1-2]。

煤巖體常見巖性主要為砂巖、砂質泥巖和泥質砂巖等。翟英達等[3-5]對煤系地層砂巖斷裂面和面接觸煤巖塊體結構的力學性質進行了分析；趙黨偉等[6]、韓秀會等[7]、秦廣鵬等[8]對煤層頂板斷裂面的摩擦滑動機理進行了研究，指出煤巖體斷裂面對煤巖體摩擦滑動穩(wěn)定性影響較大。煤巖體工程實際中的摩擦滑動面均為自然斷裂面，基于該自然斷裂面對煤巖體的摩擦滑動穩(wěn)定性進行研究具有很大的不確定性。何昌榮團隊在對黑云母、花崗巖、斜長石和輝石的摩擦滑動性質進行研究時，以摩擦滑動面為鋸開面，采用掃描電鏡對其表面形貌進行了測試分析，指出表面形貌中存在著亞顆粒、重結晶顆粒和三角形狀孔隙，但沒有對其表面形貌進行參數(shù)分析[9-11]。何滿潮等[12-13]采用非接觸式激光表面儀對砂質泥巖的拋光面表面形貌進行了研究，表征參數(shù)為峰點密度和峰頂半徑；得出砂質泥巖拋光面的峰點密度為3.666×10-5～4.178×10-5mm-2，峰頂半徑為1.030 5～1.042 3 mm.陳瑜等[14]采用三維表面激光形貌儀對大理石、橄欖石和角閃石的拋光面表面形貌進行了研究，表面形貌數(shù)值定量分析參數(shù)為最大峰高、最大谷深、輪廓最大高度、算術平均偏差和輪廓均方根偏差等。KULATILAKE et al[15]、曹平等[16-17]采用激光形貌儀對巖石拋光面表面形貌進行了測試，并分別從分形幾何和統(tǒng)計學角度對其表面形貌進行了表征。基于上述分析可以得出：以煤系地層砂巖自然斷裂面和鋸開面作為研究對象，對砂巖表面形貌進行研究的不確定性較大；而以砂巖拋光面作為研究對象，對其表面形貌進行分析，對研究煤巖體的摩擦滑動穩(wěn)定性具有積極的作用。

本文以煤系地層常見的粗粒、中粒和細粒等3種砂巖作為研究對象，采用白光干涉法對這3種巖樣表面形貌進行了測試，并且基于中線制從統(tǒng)計學角度對其表面形貌粗糙度進行了分析。此外，還測試了試驗巖樣的礦物成分和孔隙結構。

1 試驗巖樣及測試方法

1.1 試驗巖樣

試驗巖樣為采自煤系地層的粗粒、中粒和細粒等3種砂巖。粗粒砂巖采自晉城煤業(yè)3105工作面運輸順槽700 m處頂板，中粒砂巖采自晉城煤業(yè)3102工作面運輸順槽250 m處頂板，細粒砂巖采自晉城煤業(yè)3204工作面開切眼50 m處。在實驗室將這3種砂巖巖樣進行加工，試驗巖樣的長度、寬度和高度均為50 mm.選一個面作為試驗面，使用500號拋光聚氨酯片對其進行拋光處理，拋光功率為760 W，轉速為4 000 r/min.

1.2 測試方法

對試驗巖樣表面形貌的測試方法為白光干涉法，采用三維共聚焦表面形貌儀(MicroXAM-3D)測試巖樣表面形貌。測試面積為857 μm×638 μm，空間采樣為1.1 μm×1.3 μm，放大倍數(shù)為10倍。采用Gwyddion軟件對試驗巖樣表面粗糙度進行分析，參數(shù)主要為輪廓算術平均偏差Ra、均方根偏差Rq、輪廓平均高度Rc、谷深度Rv和峰高度Rp.其中，Ra、Rq和Rc的計算公式如下[18]：

(1)

(2)

(3)

式中：x為沿中線方向上取樣點的位置；z為被評定輪廓偏離中線的距離；l為試驗巖樣表面形貌的取樣長度；k為試驗巖樣表面形貌的取樣個數(shù)；Rj為取樣輪廓單元的平均高度。

使用圖像分析軟件SPIP從粒度角度對試驗巖樣表面形貌進行分析，得到試驗巖樣表面粒度分布圖，以及試驗巖樣拋光面的顆粒粒徑和粒度平均高度等粒度參數(shù)。

從3種實驗巖樣上采集試樣并分別進行粉碎，研磨，過300目分樣篩，制成巖粉。采用X-衍射儀無定向粉末樣品制備方法，將巖粉直接壓入X-衍射儀的樣品板孔中，制成無定向片，進行XRD測試。測試儀器為SHIMADZU XRD-6000型X-射線粉末衍射儀。采用絕熱法進行物相含量的定量計算[19-21]，以便確定巖樣的礦物含量。

采用μCT225kVFCB型高精度顯微CT試驗系統(tǒng)進行試驗巖樣孔隙結構測試。

2 試驗結果與分析

2.1 巖樣拋光面粗糙度

圖1為測定的粗粒、中粒和細粒等3種砂巖巖樣拋光面表面形貌算術平均中線。

圖1 巖樣表面形貌算術平均中線 Fig.1 Centre arithmetical mean lines of the profile of the samples

從圖1中可以看出，3種試驗巖樣的表面形貌取樣長度l均為0.86 mm.表面拋光后，粗粒、中粒和細粒等3種巖樣拋光面的輪廓高度不相同，粗粒、中粒、細粒砂巖巖樣輪廓高度分別為-7.50～6.00 nm，-0.10～0.06 μm，-0.055～0.050 μm.根據(jù)圖1所示的中線來分析試驗巖樣表面形貌粗糙度，得到巖樣表面粗糙度參數(shù)，如表1所示。

2.2 巖樣表面粒度分布

使用圖像分析軟件SPIP對巖樣的表面形貌進行分析，得到其表面粒度分布，如圖2所示。

從圖2可以看出，三種巖樣表面形貌測試區(qū)域x范圍均為-429～+429 μm，y范圍均為-319～+319 μm.圖2(a)和圖2(b)的z范圍相差不大，分別為71.75 μm、70.52 μm；圖2(c)的z范圍較小，為49.66 μm.

表1 巖樣表面粗糙度參數(shù)Table 1 Roughness parameters of the surface topography of the samples

使用SPIP軟件分析得到：粗粒、中粒和細粒等3種巖樣表面的粒度平均高度相同，均為3.20 μm；但3種巖樣表面的顆粒粒徑不同，分別為61.77 μm，55.76 μm，41.17 μm.

圖2 巖樣表面形貌及粒度分布 Fig.2 Schematic diagram about surface topography and particle distribution of the samples

2.3 巖樣表面形貌分析

試驗巖樣表面粗糙度參數(shù)中，輪廓算術平均偏差Ra、均方根偏差Rq和輪廓平均高度Rc分別為0.52～8.35 μm、0.71～10.40 μm和1.40～12.90 μm，谷深度Rv和峰高度Rp分別為21.1～46.3 μm、11.1～29.4 μm.對試驗巖樣表面的拋光，導致了Ra，Rq和Rc這3個參數(shù)取值范圍基本一致。拋光對谷深度Rv和峰高度Rp這2個參數(shù)的影響較小。進一步研究表明，在拋光表面存在著微凸體(asperity)，表面形貌粒度分布是微凸體分布的一種表征方式。三種砂巖樣表面的粒度平均高度相同(均為3.20 μm)，說明拋光影響的是表面粒度平均高度。粗粒、中粒和細粒等3種巖樣表面的顆粒粒徑分別為61.77 μm、55.76 μm和41.17 μm，說明拋光對表面顆粒粒徑影響很小。

2.4 巖樣礦物成分和孔隙率分析

圖3為3種巖樣的XRD圖譜。

圖3 3種巖樣的XRD圖譜 Fig.3 XRD spectrum of the experimental specimens

由圖3可以得出：粗粒砂巖樣礦物組成(質量分數(shù))為，石英68%、高嶺石25%、綠泥石7%；中粒砂巖樣礦物組成(質量分數(shù))為，石英50%、長石24%、高嶺石10%、綠泥石9%、云母7%；細粒砂巖樣礦物組成(質量分數(shù))為，石英59%、長石16%、綠泥石9%、云母16%.粗粒、中粒、細粒等3種砂巖巖樣中，礦物質主要成分均為石英，石英質量分數(shù)分別為68%，50%，59%；均含有一定量的綠泥石，綠泥石質量分數(shù)分別為7%，9%，9%；3種巖樣填隙物的主要成分均為粘土礦物。

基于顯微CT掃描數(shù)字三維圖像，計算出粗粒砂巖、中粒砂巖和細粒砂巖樣孔隙率分別為14.95%，5.07%，4.90%.

同樣拋光條件下的巖石，其表面形貌是由巖石自身的礦物成分和孔隙結構等性質所決定。由于3種砂巖樣礦物組成成分基本相似，筆者基于孔隙結構對試驗巖樣拋光面表面粒度分布做了進一步分析，結果如下：粗粒砂巖巖樣孔隙率(14.95%)最大，其顆粒粒徑(61.77 μm)也最大；中粒砂巖巖樣孔隙率為5.07%，顆粒粒徑為55.76 μm；細粒砂巖樣孔隙率(4.90%)最小，顆粒粒徑(41.17 μm)也最小。這表明巖樣孔隙率與顆粒粒徑之間存在著正相關關系。

3 結論

本文以煤系地層常見的粗粒、中粒和細粒砂巖作為研究對象，對試樣表面進行拋光處理，采用白光干涉法測試了3種試驗巖樣的表面形貌，基于該表面形貌分析了其粗糙度和粒度，并進一步研究了孔隙結構與表面粒度之間的關系，得出如下結論：

1) 拋光對砂巖表面形貌粗糙度參數(shù)中的輪廓算術平均偏差Ra、均方根偏差Rq和輪廓平均高度Rc有一定影響，對谷深度Rv和峰高度Rp影響很小。

2) 拋光對表面形貌粒度平均高度有一定影響，對表面形貌顆粒粒徑影響很小；巖樣孔隙率與顆粒粒徑之間存在著正相關關系。