辛聰聰，吳燦燦，朱方華，夏倫娣，劉嘉敏，高　詠（宿州學(xué)院　資源與土木工程學(xué)院，安徽　宿州　234000）

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宿州市祁南煤礦區(qū)含煤巖系巖石力學(xué)性質(zhì)探討

辛聰聰，吳燦燦，朱方華，夏倫娣，劉嘉敏，高詠
（宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州234000）

摘要：本文對宿州區(qū)域內(nèi)祁南煤礦區(qū)內(nèi)巖層進(jìn)行采樣分析.所采樣品主要是細(xì)砂巖、粉砂巖以及泥巖，著重從巖石的巖性特征以及含水情況兩方面進(jìn)行分析研究.在對巖石的物理性質(zhì)進(jìn)行分析，得出單軸抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、含水率、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角等物理性質(zhì)指標(biāo).在對巖性對巖石的強(qiáng)度分析中得出細(xì)砂巖的強(qiáng)度最大，所采樣品屬于軟質(zhì)巖類；對含水量與強(qiáng)度的分析中得到，含水率越大，巖石的強(qiáng)度越小的性質(zhì).

關(guān)鍵詞:巖石力學(xué)性質(zhì)；含煤巖系；影響因素

隨著礦業(yè)開發(fā)力度的進(jìn)一步加大,礦井的開采深度不斷地加深,這一加深將伴隨著圍巖的自身重力、溫度、水壓、地下水等相應(yīng)的增大,巖石的力學(xué)性能發(fā)生了顯著的變化,巖石出現(xiàn)了軟化等現(xiàn)象[1].影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素很多，其中，主要受巖性(相)和賦存環(huán)境，如水和地應(yīng)力環(huán)境等因素影響[2-3]，對巖石力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識，只有認(rèn)真地考慮這些因素，才能作出正確的評價[4].采礦工程中，當(dāng)在軟弱巖體中開挖巷道以后，由于應(yīng)力重新分布，圍巖將產(chǎn)生顯著的塑性變形，巷道變形量可達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千毫米以上，支護(hù)結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重的破壞，這給巷道支護(hù)設(shè)計、施工工藝帶來了一系列棘手的問題[5].由于巖石軟化對礦區(qū)生產(chǎn)的影響，受到專家們的廣泛關(guān)注，孟召平等[6-7]基于含煤巖系主要幾種巖石的單軸和三軸壓縮試驗，分析了水對煤系巖石力學(xué)性質(zhì)及沖擊傾向性的影響.由此，進(jìn)一步深化對軟弱巖石物理力學(xué)特性的認(rèn)識，掌握巖石受力變形、破壞機(jī)制和規(guī)律，進(jìn)而選擇正確的開挖方案、施工方法和支護(hù)方案，對于保證煤礦巷道圍巖的安全和穩(wěn)定具有十分重要的意義[4].

1　研究背景

祁南煤礦位于安徽省宿州市埇橋區(qū)祁縣鎮(zhèn)境內(nèi)，北距宿州市約23km，南距蚌埠市約70km，采樣范圍礦區(qū)面積54.5822km2，開采深度由-315m至-800m標(biāo)高；本礦區(qū)屬淮河流域，在區(qū)內(nèi)有淮河支流澮河和澥澮新河從礦區(qū)流過，流量不穩(wěn)定，隨季節(jié)影響變化大.澮河自西北向東南注入淮河和洪澤湖.歷年本區(qū)最高洪水位+23.5m，對礦坑及礦區(qū)建設(shè)影響不大，礦井內(nèi)農(nóng)用灌溉溝渠縱橫，村莊星羅棋布.地表下潛水較豐富，一般居民生活用水及部分工業(yè)用水皆取于此，本礦水文地質(zhì)條件是以裂隙充水為主的，水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型.其巖性主要巖性由淺海相石灰?guī)r及過渡相的灰色砂巖、深灰色粉砂巖、泥巖和薄煤層組成.在采樣深度范圍內(nèi)巖性主要是砂巖、粉砂巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖和煤層組成.

2　巖性對巖石力學(xué)性質(zhì)影響

巖性不同反映不同的力學(xué)性質(zhì).由實驗研究表明（表1），所采巖樣在自然狀態(tài)下力學(xué)性質(zhì)的變化范圍都很大.細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度為：33.27-18.14MPa；中細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度為：32.48-27.02MPa；粉砂巖抗壓強(qiáng)度為：17.99-12.84MPa；泥巖抗壓強(qiáng)度為：16.58-11.57MPa.這四種巖石屬于同一類型的沉積巖，根據(jù)各個巖石的抗壓強(qiáng)度的比較，可以看出巖石力學(xué)性質(zhì)的變化范圍有交叉.但是，變化范圍的不同反映出相同類型的巖石的力學(xué)性質(zhì)具有較大的差異，說明影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素除巖相外還有其他因素，例如：溫度、圍壓、應(yīng)變率以及巖石的結(jié)構(gòu)格架.

不同巖性巖石的力學(xué)性質(zhì)的不同，不僅從抗壓強(qiáng)度變化范圍中體現(xiàn)，也可從其抗壓強(qiáng)度及其抗拉強(qiáng)度的平均值反映.細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度拉強(qiáng)度的平均值為28.71MPa、3.45MPa；中細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度拉強(qiáng)度的平均值為27.75MPa、2.93MPa；粉砂巖抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度的平均值為15.42MPa、2.88MPa；泥巖抗壓強(qiáng)度拉強(qiáng)度的平均值為14.08MPa、1.50MPa?？梢钥闯鲎畲蟮氖羌?xì)砂巖，最小的是泥巖.

表1　含煤巖系巖石力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

根據(jù)巖石的抗壓強(qiáng)度的范圍不同，對巖石的軟弱性進(jìn)行分類.

表2　巖石力學(xué)強(qiáng)度類型

由表2，以上巖石的抗壓強(qiáng)度的數(shù)值小于30MPa，分類歸位軟質(zhì)巖類.在單軸壓縮條件下為剪張破壞，一定側(cè)壓條件下為弱面剪切破壞和塑性破壞，并且隨著側(cè)壓的增大，巖石應(yīng)力一應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化性態(tài)向近似應(yīng)變硬化性態(tài)過渡，并伴有體積膨脹現(xiàn)象[6].

3　水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

巖石軟化性是巖石浸水后力學(xué)強(qiáng)度降低的特性.它主要取決于巖石的礦物成分和孔隙性.其定量指標(biāo)是軟化系數(shù)，軟化系數(shù)愈小，軟化性愈強(qiáng)，軟弱巖石通常具有密度小，孔隙裂隙度高，軟化系數(shù)大，巖石強(qiáng)度低，塑性變形大等特征[7-9].

巖石遇水作用后,會引起某些物理、化學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)的改變.水對巖石的這種作用特性稱為巖石的水理性.不同巖性的巖石因其組成成分,構(gòu)造和結(jié)構(gòu)特征不同,水對巖石的變形特征影響的程度不同.巖石內(nèi)部存在著許多隨機(jī)分布的孔隙和裂縫,在自然含水狀態(tài)和飽和含水狀態(tài)下,這些孔隙和裂隙中必須有水存在.當(dāng)在巖石上施加載荷時,巖石的內(nèi)部孔隙和裂縫的體積被壓縮,孔隙水壓力增大,導(dǎo)致巖石的變形特性發(fā)生改變[10].

水對巖石的軟化作用，表現(xiàn)為巖石承載能力和抗變形能力明顯降低.不同巖石由于其巖性的不同導(dǎo)致其孔隙率、含水率、吸水率的不同，實驗數(shù)據(jù)表明從細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖孔隙率越來越小，含水率逐漸增大，吸水率越來越大，巖石強(qiáng)度越低，如表3.

表3　巖石孔隙率、含水率、吸水率與巖石強(qiáng)度的關(guān)系

水對各試樣的強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù)均有不同的影響.吸水率較高的粉砂巖和泥巖飽水后，抗壓強(qiáng)度降低較多，而相對較為致密、吸水率較低的細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖，抗壓強(qiáng)度降低相對較少.強(qiáng)度較高、彈性模量較大的砂巖的礦物成分中高強(qiáng)度材料相對較多，而水對高強(qiáng)度材料的軟化作用較弱，對其變形的影響也較小.泥巖含有低強(qiáng)度材料成分相對較多，水對這部分材料的軟化作用較大，所以含水率的大小對泥巖的變形特性影響較大[11].

根據(jù)巖石在不同含水率的情況下測其強(qiáng)度得到如下數(shù)據(jù).

表4　泥巖含水率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖1　不同含水率下泥巖的強(qiáng)度

表5　砂巖含水率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖2　不同含水率下泥巖的強(qiáng)度

由以上泥巖及砂巖在不同含水率情況下其強(qiáng)度變化可知，巖石的抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而降低.在變化過程中，雖然其變化的程度不同，這可能與實驗時的操作以及試樣變化有關(guān).從總的趨勢來看，是隨著含水率的升高而降低的，即巖石的抗剪強(qiáng)度與含水率呈負(fù)相關(guān).

4　結(jié)論

影響巖石強(qiáng)度因素有的巖性和巖石的含水性等因素，由以上的分析可得以下的結(jié)論：

（1）在沉積巖中，由砂巖和泥巖可知，巖石力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為，隨著碎屑顆粒粒度由粗到細(xì)，即由砂巖到泥巖變化，碎屑巖的強(qiáng)度與剛度均迅速衰減.

(2)水對巖石力學(xué)性質(zhì)亦產(chǎn)生重要影響，在干燥或較少含水量情況下，巖石單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量值均急劇降低；含水率越大巖石的抗剪強(qiáng)度越低.

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基金項目：宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心開放課題（2014SZXTQP02）

收稿日期：2015年10月19日

中圖分類號：TD315

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0151-03