盈盛煤業9號煤層頂板巖石力學性能實驗研究

王 飛，牛軍平，杜敬彬

(1.焦作煤業(集團)有限責任公司瓦斯治理工程公司，河南 焦作 454000；2.山西晉煤集團澤州天安盈盛煤業有限公司，山西 晉城 048019)

盈盛煤業91303工作面直接頂為泥巖、砂質泥巖，常相變為粉砂質泥巖，巖體經過沉積或變質作用形成了層狀結構，同時內部蘊含了大量非連續性的微缺陷。隨著層狀巖體受荷狀態的變化，損傷不斷發展，往往表現出物理和力學的各向異性特征。在回采過程中，煤層頂板垮落步距較長，且一旦發生垮落，容易形成較強的沖擊載荷，釋放瓦斯災害，給礦井的安全生產帶來安全隱患[1-4]。因此，對盈盛煤業91303工作面進行巖石力學試驗研究，探索其力學特征和破壞特征，具有重要的理論價值和工程指導意義。

目前，國內外對煤層堅硬頂板以及層狀巖石的力學性能和破壞特征的試驗分析已經取得不少成果。RAMAMURTHY[5]較早地開展關于層理對巖石的物理和力學性能方面的研究，探索了強度和變形的各向異性規律。胡千庭等[6]分析并建立了堅硬頂板在不同損傷程度下的強度與圍壓的函數關系式，提出了計算表征巖體非線性破壞準則即Hoek-Brown準則參數m、s的方法，為分析堅硬頂板賦存條件下的煤巖復合動力災害誘發及致災提供新途徑。張婧等[7]研究了圍壓對巖石變形和彈性模量的影響。李清[8]分析了圍巖巖樣的抗拉強度和單軸、三軸抗壓強度以及彈性模量和泊松比平均值與圍壓之間的關系。平琦等[9-10]等結合巖石內部的微裂紋的細觀力學研究分析，對巖石單軸循環加卸載的應力—應變曲線特征、峰值強度及斷裂損傷力學特性等進行了研究。對礦巖的力學性質進行測試分析，能夠為礦山采場結構參數的優化奠定基礎，同時也是為了保障礦井下相關工程的設計順利以及巷道支護的安全[11-13]。

本文針對盈盛煤業堅硬頂板賦存下重復開采條件，對7號和8號煤層分別開采時上覆堅硬砂巖的巖石力學性能進行試驗研究，目的是討論該工作面是否適合水力壓裂技術，并且根據頂板巖層地應力場及巖層強度計算裂縫起裂壓力。該測試能夠對盈盛煤業控制采空區堅硬頂板、工作面頂板管理水平提供理論和技術支持。

1 工程地質條件

山西晉煤集團澤州天安盈盛煤業有限公司(以下簡稱“盈盛煤業”)井田位于澤州縣川底鄉西南上小河一帶，目前回采9號煤層91303工作面，上部為3號煤層已采空，存有大量的積水，下部15號煤層為實體煤層。91303工作面位于太原組三段底部，煤層厚度約1.69 m，煤層傾角2°～6°，平均4°，煤層結構簡單。

91303工作面局部存在偽頂，為炭質泥巖，厚度0.1～0.2 m，灰黑色，含植物化石，一般隨采隨落。直接頂為泥巖、砂質泥巖，常相變為粉砂質泥巖，厚度為2.50～3.25 m，其抗壓強度為26.8～32.0 MPa，平均29.2 MPa，堅固性系數0.63，普氏硬度系數2.9，抗拉強度為0.6～0.7 MPa，內摩擦角31°39′；局部頂板為石灰巖，石灰巖厚度一般0.2～1.5 m；基本頂為中厚層的細粒、中粗粒砂巖，厚6.74 m，以石英為主，長石次之。工作面直接底為深灰色狀厚0.7～1.2 m，有斜節理，含方解細脈、生物碎屑。基本底為粉砂巖，厚約3.4 m，含黃鐵礦檢核，其下部為厚9.2 m的K2灰巖，距15號煤層約25 m。

巖層分布以砂巖和泥巖互層分布為主，為典型的復合型頂板。目前91303工作面正在回采，在進行堅硬頂板水力壓裂時只能進行91205巷和91206巷中工作面頂板的水力壓裂鉆孔設計。

2 試驗研究

2.1 設備及方法

此次巖石力學試驗使用RMT-150B型電液伺服試驗機(圖1)，該試驗機是煤巖力學性質參數試驗研究的專用設備，具有單軸壓縮、三軸壓縮、直接拉伸、直接剪切等多種功能。試驗數據自動采樣、實時顯示，試驗結束后可輸出試驗條件、各種載荷變形曲線以及相關分析處理結果。利用該試驗機的取樣要求為：①利用取芯鉆頭和取芯管鉆取巖芯，取芯直徑不低于72 mm，取芯完整段長度大于100 mm為有效段；②將長度大于100 mm的巖芯用保鮮膜密封嚴實，并依次編號，注明巖樣名稱、距鉆孔口位置；③將包裝好的巖芯依次裝入木箱子，并用棉紗等柔軟物填塞，防止運輸途中損壞；④取芯角度垂直頂板，取芯深度25.0 m。

圖1 RMT-150B電液伺服試驗機Fig.1 RMT-150B electro hydraulic servo testing machine

2.2 試件取樣及實驗方案

根據項目研究需要，91303工作面取樣地點為91206巷頂板，傾角45°，鉆孔深度30 m。取芯直徑為72 mm，所取巖芯相對完整并且均大于100 mm為有效段。

此次試驗選擇所取巖芯中比較突出的煤巖樣，分為4類：砂巖、砂質泥巖、煤和石灰巖。其中煤為7號煤(M42-1)和8號(M28-1、M29-1)煤取出的煤芯，石灰巖位于7號煤上方。每類煤巖樣選用 3 個試件進行平行試驗，試驗采用位移控制方法。為了保證數據采集的穩定性，加載速率設置為0.005 mm/s，記錄試件應力—應變曲線。并且對不同巖性巖樣分別做單軸壓縮實驗，來研究不同煤巖樣試件的力學性質的差異及其破壞特征。

3 實驗結果分析

3.1 巖石力學試驗結果分析

巖石的力學性質主要包括巖石的強度和巖石的破壞特征等，對完整巖石試件進行單軸壓縮試驗，試驗曲線如圖2所示。

圖2 巖石應力應變曲線Fig.2 Stress strain curve of rock

從圖2可以看出，試樣壓縮過程約可分3個階段：

(1)應力變化階段。在壓縮初期，隨著應力不斷增大，應變也隨之增大，應力應變曲線展現為上凹特征，曲線的斜率隨應力的增大而增大。

(2)線性、彈性變化階段。隨著載荷的增加，應力應變曲線呈線性變化，應力大于應變增幅，此階段主要是彈性變形。

(3)峰后階段。曲線到達峰值后，方向直轉向下，巖石發生脆性破壞，直接破碎。

由圖2和表1可知，不同試樣的抗壓強度差別很大。9號煤層與煤線段主要以泥巖和砂質泥巖為主，其中砂巖平均單軸抗壓強度為97.8 MPa，離散性大，最高達到118.8 MPa；黑色的砂質泥巖平均單軸抗壓強度為69.1 MPa；K2灰巖平均單軸抗壓強度為195 MPa，強度特別大；7號煤層、8號煤層的單軸礦壓強度相差不大，單軸抗壓強度平均為5.0 MPa。8號煤層與7號層煤之間的巖層強度較低，以泥巖、砂質泥巖為主，巖層比較破碎。7號煤層頂板巖層以強度較高的灰巖分布為主，故7號煤層頂底板巖層強度較高。

表1 巖石單軸壓縮實驗強度Tab.1 Experimental strength of rock under uniaxial compression

3.2 巖石力學破壞特征分析

裂紋的萌生以及裂隙的擴展均需要能量，加之不同的煤巖樣結構不同、受力方向不同，導致不同煤巖樣之間的儲能和釋能的能力差別較大，因此，試樣的破壞特征也存在差別。通過在壓縮過程中對試樣的觀察發現，煤樣和石灰巖在載荷達到抗壓強度時，試件完全破碎，呈碎片狀。砂巖和砂質泥巖則是由于瞬間出現了貫穿整個試件的軸向裂紋而發生破壞。試樣破壞后破壞特征如圖3所示。這些破壞形式表明該巖石的破壞類型為脆性破壞。從力學角度分析，當巖石承受來自外界壓力時，內部微裂紋成核、擴展，隨著應力的增加，裂紋逐漸匯合、貫通，導致強度降低，經過應力場不斷調整，沿某些方位形成宏觀大裂紋，最終導致巖石的整體破壞。

圖3 巖石變形破壞特征Fig.3 Characteristics of rock deformation and failure

從圖3可以看出，砂巖和砂質泥巖多為微裂紋，整體破壞程度比煤和石灰巖更輕，其中煤的破碎程度最強，砂巖的破碎程度最弱。

4 結論

(1)砂巖離散性較大，最低單軸抗壓強度為67.6 MPa，最高達到118.8 MPa；黑色的砂質泥巖平均單軸抗壓強度為69.1 MPa；K2灰巖平均單軸抗壓強度最高，為195 MPa；7號、8號煤層的單軸礦壓強度相差不大，單軸抗壓強度平均為5.0 MPa。

(2)巖石試樣破壞類型為脆性破壞，砂巖和砂質泥巖內部有大量微裂紋，在單軸壓縮條件下以劈裂破壞為主，破壞面位于巖樣的中部；煤和石灰巖雖然抗壓強度差別巨大，但是破壞特征非常相似，均為內部微裂紋成核、擴展，最終導致破碎。