神東礦區不同賦存深度沉積巖抗拉強度與斷裂韌度研究

趙毅鑫，劉 斌，楊志良，宋桂軍，楊東輝

(1.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083; 2.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 100011; 3.中國礦業大學(北京) 共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083; 4.神東煤炭集團有限責任公司 神東煤炭技術研究院，陜西 神木 719315)

神東礦區煤炭儲量豐富，煤層賦存穩定、開采條件優越。近年來，隨開采強度增大，開采深度和范圍也隨之增加，神東礦區逐漸出現了強礦壓、礦震、嚴重底臌等在深部開采中常出現的現象[1-3]。高強度開采同樣加快了地表裂縫的形成，導致對水資源和生態環境的破壞加劇[4]。因此，有必要研究神東礦區不同賦存深度沉積巖物理力學參數隨深度的變化特征，為分析神東礦區上覆巖層裂隙場形成機理和地下水庫選址等提供基礎參數。

不同賦存深度的巖石強度特性、破壞特征和孔隙度等均會存在差異。以往眾多學者就賦存深度對巖石的物理力學性質開展過研究。如國外的HALLEY等[5]發現佛羅里達州南部高孔隙度新生代碳酸鹽巖的孔隙度隨賦存深度的增加而減小。BROWN[6]對密西西比系麥迪遜群碳酸鹽的孔隙度進行研究，發現孔隙度是隨賦存深度變化的函數。EHRENBERG等[7-8]以不同地質時期的油氣儲層為研究對象，分析了賦存深度對油氣儲層孔隙度的影響，得出孔隙度隨賦存深度的增加而減少的變化規律。在國內，周宏偉等[9]對大臺煤礦不同賦存深度下的玄武巖進行單軸、三軸及巴西劈裂試驗研究，得出了玄武巖基本物理力學參數及變形破壞特征隨賦存深度的變化規律。姜晨光等[10]通過力學試驗得出了花崗巖的基本力學參數隨賦存深度加深而增大，并給出相關數學模型。滿軻等[11-13]對不同賦存深度玄武巖和花崗巖的拉伸特性及動態拉伸特性展開研究，發現花崗巖樣品的動態拉伸強度并不隨著賦存深度單調增大。汪虎等[14]對不同深度頁巖儲層單軸壓縮下的力學參數展開分析，并研究了頁巖儲層力學參數的各向異性特征。李鵬波等[15]分析了煤層上覆巖層力學性質與賦存深度之間的變化規律。林斌等[16]研究了淮南礦區煤系地層中賦存深度對巖石力學參數的影響。仵彥卿、謝向東等[17-18]分析了不同賦存深度巖石的孔隙率和彈性模量變化特征。李化敏、李回貴等[19-20]對神東礦區補連塔煤礦、大柳塔煤礦及布爾臺煤礦進行單軸壓縮、三軸壓縮和巴西劈裂試驗，分析了不同沉積時期巖石的物理力學參數變化特征。

綜上所述，國內外學者對不同賦存深度“硬巖”(如花崗巖、玄武巖等)研究較多，但對賦存深度對煤系地層沉積巖的斷裂韌度和抗拉強度影響研究則鮮有報道。因此，筆者以神東礦區布爾臺煤礦三盤區地質鉆孔所鉆取的不同賦存深度沉積巖巖芯為研究對象，通過巴西劈裂試驗，獲得了賦存深度對沉積巖抗拉強度及斷裂韌度影響規律;基于不同賦存深度巖芯巴西劈裂過程中聲發射數據，分析了試樣破壞過程損傷和參數RA值演化特征，辨識了破壞前兆，為神東礦區中深部開采的工程地質力學特性分析提供了參考。

1 試驗概述

1.1 試樣制備

試驗巖樣取自神東礦區布爾臺煤礦三盤區的BK212地質鉆孔，鉆孔深度達596.7 m。從鉆孔巖芯中依次選取埋深為9.1，16.1，95.4，114.6，222.0，469.0，509.7，553.5，587.5，596.7 m的10組巖芯;根據國際巖石力學學會(ISRM)推薦方法，將10組巖芯分別加工成標準巴西圓盤試樣(φ50 mm × 25 mm)，每組3～4個樣品，其中中粗砂巖因巖芯較短只有2個樣品。試樣兩端面垂直于圓盤軸向，最大偏差不超過0.25°;端面的不平整度不大于0.1 mm。巖樣的物理參數詳見表1。

1.2 試驗設備

試驗采用WDW-100E萬能試驗機和美國物理聲學公司的PCI-Express 8聲發射監測系統，設備布置如圖1所示。萬能試驗機的最大載荷為100 kN，加載速率為0.005～500 mm/min。聲發射監測系統能實時記錄并分析材料內部產生的聲發射波形及相關參數。

表1 巖樣的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock samples

圖1 試驗設備布置Fig.1 Layout of the test equipment

1.3 試驗方案

對已加工巖樣進行劈裂試驗，采用位移控制進行加載，加載速率為0.2 mm/min;并同步對試驗加載過程中的聲發射信號進行采集和存儲。經過反復測定環境噪音，最終將信號門檻值設定為40 dB，采樣率為1 MHz。利用耦合劑和膠帶將傳感器按照設計位置(圖2)粘貼在巖樣表面，保證兩者充分接觸且不脫落;并在加載前進行斷鉛試驗，確保試驗中能夠獲取大量有效的聲發射數據。試驗前，先對聲發射系統和試驗機系統進行計時同步，并同步開始記錄，確保2個系統采集數據在時間上一致。然后開始對巖樣進行加載，聲發射系統采集巖樣內部產生的聲發射信號，直至巖樣發生破壞，停止加載和數據采集，并對相關數據進行存儲。試驗結束后對儲存的聲發射信號數據進行處理，匯總不同巖樣加載過程中4個通道的聲發射能量、上升時間及幅值等數據為后續分析提供準備。

圖2 巴西劈裂加載示意及實物Fig.2 Splitting loading of Brazil test

2 試驗結果與分析

2.1 不同賦存深度巖樣巴西劈裂破壞特征

圖3中應力-應變曲線主要存在2種不同形式，根據其曲線特征可將10種沉積巖樣品分為2大類:第1類主要為賦存深度-300 m以深的巖樣，包含砂質泥巖021、粉砂巖413、粉砂巖516、細砂巖531、細砂巖545和砂質泥巖551，該類巖樣表現出明顯的脆性特征，峰后應力突降，破壞突然；第2類主要為賦存深度-300 m以淺的巖樣，包括粗砂巖012、中粗砂巖032、含礫粗砂巖111和粗砂巖212，這些巖樣在峰后階段未發生突然破壞失穩，而是內部裂紋繼續擴展貫通，應力隨變形量增加緩慢下降，巖樣逐漸失穩破壞，表現出一定的“延性”特征。

圖3 不同賦存深度典型巖樣巴西劈裂應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of typical rock samples at different depths

圖4為不同賦存深度典型巖樣巴西劈裂破壞形態，可以看出巖樣基本沿著直徑方向劈裂成對稱的兩部分，部分巖樣裂縫未經過圓盤中心，主要因巖樣內部存在節理弱面。賦存-300 m以淺巖樣破裂面多呈弧狀，即破壞為張-剪混合型破壞，在達到峰值強度后破裂面兩側由于剪切摩擦產生相對滑動;而賦存-300 m以深巖樣破裂面較淺部巖樣更為平直，且達到峰值強度后立即發生破壞，破裂面兩側未出現相對滑動。

2.2 不同賦存深度巖樣抗拉強度分布

圖5為不同巖樣抗拉強度隨賦存深度的分布情況。賦存深度較淺的巖樣抗拉強度較低(除砂質泥巖1外，其內部以鈣質膠結為主，局部泥質膠結)，賦存深度-300 m以淺的巖樣抗拉強度基本在0.5 MPa以下。根據地質資料可知，該組巖樣主要為泥質膠結，局部鈣質膠結，厚層狀;成分以石英、長石為主，云母次之，含暗色礦物;分選差、磨圓次棱角狀;內部顆粒較大，存在空隙等微結構較多，因此在應力較小時易產生較大變形，且在峰后階段表現出一定的“延性”，即達到峰值強度后不會立即發生破壞失穩，應力緩慢下降，變形量繼續增加。賦存深度-300 m以深的巖樣抗拉強度基本在1 MPa以上，該組巖樣主要為泥質膠結，部分夾薄層粉砂巖或中砂巖，含大量植物莖葉化石碎片，夾薄層煤線;顆粒直徑小，內部空隙等微結構少，因此抗拉強度相對較大。由圖3可知，該組巖樣峰后應力迅速降低，變形量增幅較小。

圖4 不同賦存深度巖樣劈裂破壞形態Fig.4 Failure patterns of rock samples at different depths

圖5 不同賦存深度巖樣抗拉強度分布Fig.5 Distribution of tensile strength of rock samples at different depths

總體而言，所測試巖樣的抗拉強度隨賦存深度增加而增大;對本實驗所采用的不同賦存深度巖樣(除砂質泥巖1外)的抗拉強度均值進行非線性擬合，可得抗拉強度σt與賦存深度H間呈冪函數關系，其表達式為:σt=a+b×|H-161.07|2.86，其中,a,b為擬合參數，分別等于0.18 MPa和1.15×10-8MPa/m2.86，擬合參數單位由量綱分析確定。

2.3 不同賦存深度巖樣斷裂韌度分布

圖6 不同賦存深度巖樣斷裂韌度分布規律Fig.6 Distribution of fracture toughness of rock samples at different depths

2.4 不同賦存深度巖樣抗拉強度與斷裂韌度關系特征

圖7為所測試巖樣抗拉強度和斷裂韌度隨賦存深度變化圖。總體上，巖樣抗拉強度、斷裂韌度與賦存深度的關系可表示為

7KⅠC+8σt=55.9-8.3ln(H+659.38)

圖7 不同賦存深度巖樣抗拉強度和斷裂韌度分布規律Fig.7 Distribution of fracture toughness and tensile strength of rock samples at different depths

WHITTAKER，ZHANG，WANG等[27-29]分別分析了巖石和黏土材料I型斷裂韌度與拉伸強度之間的關系，發現兩者之間存在一定的線性關系。因此對不同賦存深度巖樣抗拉強度與I型斷裂韌度的比值(k)進行計算，結果詳見表1。不難發現:在-300 m以淺(除砂質泥巖1外)，k值為2～3，-400 m左右巖樣k值為3～6，相對較接近文獻[28]中比例系數6.88;-500 m以深巖樣(除砂質泥巖2外)相對離散。

圖8為不同巖樣抗拉強度與I型斷裂韌度比值k隨賦存深度的變化規律。不難發現:賦存深度-300 m以淺巖樣(除砂質泥巖1外)k值小于3，賦存深度-300 m以深巖樣k值多大于3，對不同賦存深度巖樣k值均值進行擬合，得到以下關系:k=13.04-1.72ln(H+597.00)，需要指出因砂質泥巖2及粉砂巖2比值k的離散性造成了圖8中曲線的擬合度相對不高。

圖8 不同賦存深度巖樣抗拉強度與斷裂韌度比值k分布Fig.8 Distribution of the ratio k of tensile strength and fracture toughness of rock samples at different depths

2.5 不同賦存深度巖樣的聲發射RA值及損傷演化特征

巖石在破壞變形過程中的聲發射反映了其內部裂紋萌生、擴展和貫通破壞的演化過程，許多學者用聲發射參數來定量描述巖石變形破壞過程中損傷變量的演化特征[30-32]。深入分析不同賦存深度巖樣破壞形式及前兆將有利于認識樣品抗拉強度與I型斷裂韌度隨深度的變化規律。本文采用聲發射累積能量定義損傷變量D，即D=Ed/E0，其中,Ed為加載過程中某時刻聲發射累積能量;E0為樣品破壞停止采集時刻的聲發射累積能量。同時，采用聲發射RA值(上升時間/幅值)判定不同深度巖樣在變形破壞過程中的主要形式，以往監測研究發現RA值較低時對應破壞形式為張拉破壞，RA值較高時對應破壞形式為剪切破壞[33-34]。

根據RA值演化規律對不同巖樣劈裂破壞過程中的破壞特征及損傷演化特征分析結果詳見表2。10種巖樣的破壞形式均為張-剪混合型破壞，張拉破壞會貫穿整個破壞過程，而剪切破壞發生時間不同:賦存深度-300 m以淺巖樣剪切破壞和損傷陡升發生在峰后階段，而賦存深度-300 m以深巖樣則發生在峰前階段。

圖9為不同賦存深度巖樣的聲發射RA值、損傷、應力與時間關系圖。不難發現:賦存深度-300 m以深巖樣峰后階段較短，達到峰值強度后立即破壞，應力迅速下降;賦存深度-300 m以淺巖樣達到峰值強度后并未完全失去承載力，隨著應力緩慢下降變形繼續增加，直至巖樣完全破壞。結合巖石劈裂破壞過程中的損傷曲線，將峰值強度前損傷-時間曲線斜率最大處所對應的時刻確定為巖石破壞前兆點[35]。表2亦給出了測試巖樣劈裂破壞前兆點，如粗砂巖012的破壞前兆點對應的應力強度為峰值強度的89.5%，砂質泥巖021為99.3%，中粗砂巖032為65.6%，含礫粗砂巖111為73.0%，粗砂巖212為72.3%，粉砂巖413為98.5%，粉砂巖516為97.7%，細砂巖531為97.0%，細砂巖545為99.3%，砂質泥巖551為92.1%。可以看出，賦存深度-300 m以深巖樣破壞前兆點基本在峰值強度的92%以上;而賦存深度-300 m以淺巖樣(除中粗砂巖外)則為峰值強度的70%～90%。從賦存深度看，賦存深度越深的沉積巖預警時間越短，失穩破壞越迅速劇烈。

需要指出，本文所獲得的結果均基于神東布爾臺煤礦BK212鉆孔巖芯實驗，部分巖樣因內部結構的復雜性造成了部分結果的離散性，因此后期仍有必要通過更多巖芯測試數據對所得規律進行驗證。

圖9 不同賦存深度巖樣損傷、RA值、應力與時間的關系Fig.9 Relationship curves of time with damage,RA value and stress for rocks at different depths

表2 不同賦存深度巖樣破壞形式、損傷特征及破壞前兆點Table 2 Failure modes,damage characteristics and failure precursors of rock samples at different depths

3 結 論

(1)神東礦區不同賦存深度巖樣抗拉強度和I型斷裂韌度不同，-300 m以淺巖樣分別在0.5 MPa和0.15 MPa·m1/2以下，而-300 m以深巖樣則分別在1.0 MPa和0.15 MPa·m1/2以上;總體而言，巖樣的抗拉強度和I型斷裂韌度隨著賦存深度的增加而增大，且均與賦存深度呈冪函數關系。

(2)不同賦存深度巖樣抗拉強度與I型斷裂韌度的比值k不同，在-300 m以淺巖樣，k值為2～3，-400 m左右k值為3～6，-500 m以下相對離散;k值隨賦存深度的增加而增大，且與賦存深度呈對數函數關系。

(3)不同賦存深度巖樣在峰值強度前均會出現破壞前兆點，由淺到深其破壞前兆點對應的應力強度分別為峰值強度89.5%，99.3%，65.6%，73.0%，72.3%，98.5%，97.7%，97.0%，99.3%和92.1%;-300 m以淺巖樣(除中粗砂巖外)破壞前兆點基本在70%～90%峰值強度內出現，而-300 m以深巖樣的破壞前兆點多在92%峰值強度以后出現。因此，神東礦區沉積巖樣隨賦存深度增加巖樣破壞預警時間減少。

致謝感謝國家能源集團神東煤炭集團地質勘查測量公司王爾林副總工程師等在現場巖芯獲取等方面所給予的指導和幫助。