不同含水率下砂巖的沖擊傾向性試驗研究

王鵬飛，李團結，華 軍

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

采礦工程實踐表明，作為煤巖體的固有屬性，煤巖體的沖擊傾向性與煤礦能否發生沖擊礦壓等動力災害及巷道圍巖的穩定性密切相關[1-3]。研究煤巖體的沖擊傾向性，確立適用的沖擊傾向性判別指標對預防煤巖動力災害、合理制定預防措施意義重大。

諸多學者對煤的沖擊傾向性進行了大量研究，并相應提出沖擊傾向性鑒定指標。其中，煤的動態破壞時間DT、沖擊能指數KE、彈性能指數WET及單軸抗壓強度Rc已作為煤炭行業標準普遍執行，并得到了一致認可[4]。然而，針對煤礦井下頂板巖層的沖擊傾向性評估，目前僅有齊慶新等[5]提出的頂板沖擊傾向性鑒定方法作為推薦性國家標準使用。該標準基于煤礦開采的簡支梁模型得出，主要考慮到單位寬度巖梁達到極限跨距時，頂板上覆巖層的載荷作用下頂板破斷產生的能量。該模型基于煤礦開采建立了力學簡化模型，而未考慮巖層賦存的實際條件，例如煤礦頂板巖層處于復雜的地下水環境之中，地下水對巖石力學特性的影響不可忽視。例如段天柱等[6]通過對不同含水率下砂巖的單軸壓縮力學特性及損傷特性研究發現，砂巖的殘余塑性與內部損傷隨含水率增加而增加。張二峰等[7]通過不同含水狀態的泥質粉砂巖三軸實驗發現巖石強度與變形特性受水合作用影響巨大。李天斌等[8]研究含水率條件下砂巖的能量機制發現，巖石的儲能和釋能能力隨含水率的增加而降低，且脆性特征減弱，塑性增強。

可見，在評價巖石的沖擊傾向性強弱時水對巖石的軟化和水楔作用等不容忽視。因此，文中后續將對不同含水率下巖石的力學特性進行研究，并據此建立含水率條件下頂板巖層沖擊傾向性的判別模型。

1 實驗研究方法

1.1 試驗原理與試樣制備

為探究不同含水率下砂巖的力學特性，共制備了4組不同含水率試樣，然后針對4種不同含水率的試樣(干燥試樣、浸水7 d、浸水14 d、浸水21 d)進行單軸壓縮與拉伸實驗。

試驗選取陜西省黃陵礦區某礦的煤層頂板砂巖作為研究對象。該砂巖強度較高且致密，樣本間離散性較小，為實現良好的試驗效果提供了基礎。巖樣均取自同一完整的巖體，根據國標GB/T 23561.7—2009要求，分別制成直徑為50 mm，高度分別為100 mm和25 mm的標準圓柱體，試樣兩端面的最大不平行度不超過0.05 mm，上、下端面直接偏差不大于0.3 mm，試樣高度偏差控制在0.05 mm以內，軸向偏差不超過0.25°。制備好的試樣如圖1所示，浸水后的試樣效果如圖2所示。

圖1 制備好的巖石試樣

圖2 浸水后的巖石試樣

1.2 試驗儀器與試驗方案

試驗采用中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的MTS-C64.106電液伺服材料試驗機，可進行不同速率加載并進行相關數據采集，具有良好的系統剛度和穩定性，能夠對試樣加載與破壞過程中全應力-應變數據進行捕捉。試驗機如圖3所示。

圖3 MTS-C64.106巖石力學實驗系統

試驗前將制備好的試樣放置于試驗平臺上，預壓固定試樣。試驗過程中，對試樣進行軸向加載，加載方式及加載速率嚴格依據國標GB/T 25217.2—2010的相關要求，直至試樣完全破壞，試驗過程中主機自動采集軸向應力、應變數據并自動保存。

2 含水率對砂巖力學特性的影響

單軸抗壓強度、動態破壞時間、彈性能量指數、沖擊能量指數、劈裂抗拉強度和脆性系數等均可評價巖石強度及脆性特征[9]，然而作為沖擊傾向性指標的適用性卻不一而足。文中選取廣泛使用的單軸抗壓強度、動態破壞時間、彈性能量指數、沖擊能量指數、劈裂抗拉強度等5個參數研究含水率對砂巖強度、變形的影響，并為后續頂板巖層沖擊傾向性評估模型參數的選擇提供依據。

不同浸水時長下試樣的平均含水率及樣本含水率方差變化情況，如圖4所示。由圖可知試樣在浸水7 d、14 d及21 d時平均含水率分別為1.67%、1.99%及2.67%。由不同浸水時長的樣本含水率方差變化情況可以發現浸水21 d后樣本間含水率方差最低，且遠低于浸水時長7 d與14 d，可認為砂巖浸水21 d時達到完全飽和狀態。

圖4 不同浸水時長試樣含水率變化

2.1 脆性系數

脆性系數廣泛用于巖石沖擊傾向性的評價，其含義為巖石單軸抗壓強度和抗拉強度的比值，計算公式為

(1)

式中，Rc—單軸抗壓強度，MPa；Rt—抗拉強度，MPa；R—無量綱指數。

巖石的脆性系數沖擊傾向性分類指標為：R<14.5為無沖擊傾向性，R=14.5～26.7為弱沖擊傾向性，R=26.7～40.0為中等沖擊傾向性，R>40.0為強沖擊傾向性。

表1及圖5為不同浸水時長下的砂巖單軸抗壓強度及脆性系數變化。由圖可知，砂巖抗壓、抗拉強度隨浸水時長增加而明顯下降，降幅于浸水14 d時達到最大，分別為39.4%和22.9%，浸水21 d時巖石強度變化不明顯甚至有所增加，可能由于樣本差異所致。塑性系數與浸水時長關系不密切，表明脆性系數不能較好的評價不同含水率條件下砂巖的沖擊傾向性。

表1 不同浸水時長巖石脆性系數

圖5 不同浸水時長脆性系數變化

2.2 動態破壞時間

動態破壞時間可以很好的衡量巖石的脆性特征，巖石脆性越強，則動態破壞時間越短，發生沖擊時造成的破壞性也越大。不同浸水時長下砂巖的動態破壞時間變化情況如圖6所示。由圖可知隨浸水時間增加，該砂巖的動態破壞時間顯著增加，由自然狀態下700 ms增加到浸水21 d時的1 836 ms，弱化效果明顯。表明動態破壞時間可用于評價巖石脆性變化及強度弱化特征。

圖6 不同浸水時長動態破壞時間變化

2.3 能量指數

含水率對巖石的弱化效果不光體現在強度與脆性上，隨含水率增加，巖石變形過程中積蓄與釋放能量的能力也大大削弱，文中特選取彈性能指數與沖擊能指數分析不同含水率條件下砂巖變形過程中的儲能能力[6]。

其中彈性能指數為試樣加卸載條件下彈性能與塑性能的比值，可表示為

(2)

ΦSP=ΦC-ΦSE

(3)

式中，WET為彈性能指數；ΦSE為彈性變形能，值為卸載曲線與坐標軸圍成的面積；ΦC為總變形能，值為加載曲線與坐標軸圍成的面積；ΦSP為塑性變形能，值為總變形能與彈性變形能的差值。不同浸水時長下典型的加卸載曲線與彈性能指數變化情況，如圖7、8所示。

圖7 不同浸水時長典型加卸載曲線

由圖可知，隨著浸水時長增加，試樣的彈性能明顯下降，降幅最大可達73.1%，塑性能變化幅度相對彈性變化較小，但是塑性顯著增強。然而彈性能指數與浸水時長的擬合程度較差，究其原因，樣本差異及不同試驗組中選擇的加卸載臨界值對其影響較大。

圖8 不同浸水時長彈性能指數變化

沖擊能指數KE為全應力應變曲線峰前變形能與峰后變形能的比值，可表示為

(4)

式中，AS—峰前積聚的變形能，值為峰前曲線與坐標軸圍成的面積；AX—峰值后耗損的變形能，值為峰后曲線與坐標軸圍成的面積；KE—沖擊能量指數。不同浸水時長下典型的應力應變曲線與沖擊能指數變形情況，如圖9、10所示。

由圖可知，隨浸水時長增加，試樣的峰前變形能顯著下降，降幅最大可達61.7%，與彈性能指數類似的是，峰后變形能變化較小，且沖擊能指數與浸水時長擬合程度較差。然而由圖9可知，試樣浸水時間越久，強度越低，且峰后變形階段出現階梯狀，同時試驗時觀察到該階段試樣完全失穩前出現局部劈裂破壞，表明隨浸水時長增加，即試樣內部含水率增加，試樣完整性受到破壞，積蓄與釋放能量的能力減弱，沖擊傾向性降低。

圖9 不同浸水時長典型加載曲線

圖10 不同浸水時長沖擊能變化

上述分析可知，含水率條件下砂巖的弱化特征明顯，具體體現在隨含水率增加，砂巖的抗壓、抗拉強度明顯降低，動態破壞時間顯著增加；然而脆性系數、彈性能及沖擊能指數與浸水時長(即含水率)的擬合程度較差。由此可知可將抗壓、抗拉強度與動態破壞時間作為含水率條件下巖石沖擊傾向性鑒定指標之一，但是該指標僅能定性描述含水率與沖擊傾向性強弱的關系，而無法定量評價，從而無法指導現場生產。

3 巖石沖擊傾向性評估模型建立

已有學者根據關鍵層理論[10]，將頂板簡化為簡支巖梁，模型如圖11所示。頂板上覆巖層重量假設為均布載荷q，并充分考慮上覆頂板的受力狀態及垮落特征，建立了頂板巖層的沖擊傾向性判別公式[3]

圖11 簡支梁力學模型

(5)

(6)

式中，UWQ—頂板彎曲能量指數，kJ；q—單位寬度上覆巖層載荷，MPa；Rt—抗拉強度，MPa；h—頂板厚度，m；E為彈性模量，MPa。

式(5)(6)中所有參數可從實驗室中測得，計算所得結果具有一定的參考意義。但該模型過于簡化，未考慮地下水環境對巖層沖擊傾向性的影響。由前文分析可知，不同含水率條件下巖石的強度、脆性等發生極大改變，但僅依據常見的脆性指數、能量指數等很難衡量含水率條件下巖石沖擊傾向性的變化。

從實驗數據可發現彈性模量與含水率滿足指數關系，擬合關系如式(7)，擬合關系圖如圖12所示，其與張二鋒等[7]所得的結果一致。

圖12 不同含水率彈性模量變化

E=10.93exp(-α/5.048)+0.418 8

(7)

將式(7)代入式(5)中可得含水率條件下頂板的沖擊傾向性判別公式

(8)

由該式可知當含水率α增加時，彎曲能量指數隨之降低，表明該式可較好的衡量含水率條件下巖石的沖擊傾向性。

分析表明，動態破壞時間與改進的彎曲能量指數計算模型可很好地評估含水率條件下頂板巖石沖擊傾向性，可為煤礦含水率條件下頂板巖石沖擊傾向性評估提供參考。

4 結論

(1)通過對不同含水率條件下砂巖的損傷特征分析發現隨含水率增加其峰值強度、儲能能力下降明顯，動態破壞時間顯著增加，彈性模量降低，塑性增強。

(2)研究發現原有脆性指數、彈性能指數與沖擊能指數與含水率的擬合程度較差，表明該指標不能較好地評估含水率條件下巖石的沖擊傾向性。

(3)根據砂巖彈性模量與含水率間的統計關系，基于簡支梁模型建立了改進的頂板彎曲能量指數用于評估頂板的沖擊傾向性，研究發現動態破壞時間與改進的彎曲能量指數模型用于含水率條件下頂板巖層的沖擊傾向性評估效果較好。