林斌 徐冬

摘 要：為了研究煤系地層中賦存深度的變化對深部巖石力學(xué)參數(shù)的影響，以50m為一個(gè)巖層深度范圍，通過對淮南礦區(qū)潘集背斜上某礦賦存深度在800～1 300m深度范圍的同一層泥巖和砂巖樣本的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度等巖石基本物理力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)研究，采用SPSS19.0對試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，泥巖和砂巖的泊松比均隨深度的增加而減小，而這兩種巖石其余5個(gè)力學(xué)參數(shù)則隨賦存深度而增加，且深度的變化對砂巖力學(xué)參數(shù)變化影響更大；深度在1 000m附近時(shí)，泥巖和砂巖的力學(xué)參數(shù)都會(huì)出現(xiàn)顯著變化。

關(guān)鍵詞：煤系地層；泥巖與砂巖；試驗(yàn)研究；巖石力學(xué)參數(shù)；賦存深度；變化規(guī)律

中圖分類號(hào)： TU45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2017）06-0052-08

Abstract：In order to study on the effect of change in depth on mechanical parameters of deep rock in coal bearing strata， using 50m as a layer depth in this work， Mudstone and sandstone samples were taken from 9 different depths ranging from 800m to 1300m at Zhu Ji mine in Huainan mining area. According to the national standard， some physical and mechanical parameters of rock were obtained， including uniaxial compressive strength， elastic modulus， Poissons ratio， cohesion， friction angle， uniaxial tensile strength， by uniaxial compression tests， variable angle shear tests and Brazilian tests for two kinds of rock respectively after processing. Analyzing all these data respectively with statistics software SPSS19.0， it could be found that the Posissons ration of mudstone and sandstone both got smaller with the increase in depth， while the other five mechanical parameters all got bigger with depth， moreover， the change in depth exerted greater effect on sandstone mechnical parameters， and the mechanical properties of mudstone and sandstone both had significant changes in the depth of around 1 000m.

Key words：coal bearing strata； mudstone and sandstone； experimental study； mechanical parameters of rock； overburden depth；law of changes

隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，各行各業(yè)對礦產(chǎn)資源的需求也越來越大，煤礦等礦產(chǎn)資源的開采深度也隨之不斷增加，伴隨而來的工程技術(shù)問題和災(zāi)害也日益增多，使得深部巖石力學(xué)問題受到中外學(xué)者的廣泛關(guān)注。深部巖石與淺部巖石在賦存環(huán)境上存在很大差異，即通常所講的“高應(yīng)力、高地溫、高滲壓”，從而造成了深部巖石的力學(xué)行為較之淺部巖石更加復(fù)雜多變，一些基本力學(xué)性能與物理力學(xué)參數(shù)，如流變特性、強(qiáng)度特性、彈性模量等也隨著地層深度的增加而發(fā)生很大變化。由此可見，開展深部環(huán)境下的巖石力學(xué)性質(zhì)研究很有必要，其中，巖石基本物理力學(xué)參數(shù)隨賦存深度的變化規(guī)律，更是意義重大。

在研究深部環(huán)境下賦存深度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響方面，許多學(xué)者都做出了重要貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[1-2]通過對不同賦存深度下玄武巖的試驗(yàn)研究，得出了玄武巖基本物理力學(xué)參數(shù)隨賦存深度的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[3]通過試驗(yàn)也得出了花崗巖的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨賦存深度加深而增大的觀點(diǎn)，并給出了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[4]研究發(fā)現(xiàn)巖石孔隙率具有隨著地層深度增加而減小的規(guī)律。文獻(xiàn)[5-6]試驗(yàn)研究結(jié)果表明巖石在較低圍壓下表現(xiàn)為脆性，但在高圍壓下可以轉(zhuǎn)化為延性。深部巖石與淺部巖石所采用的巖石強(qiáng)度理論也不相同，淺部巖石主要采用線性破壞準(zhǔn)則，如摩爾-庫倫準(zhǔn)則，而深部巖石采用非線性準(zhǔn)則更加適合，如Hoek-Brown準(zhǔn)則[7]。文獻(xiàn)[8]也提出一種新的適用于深部巖體的強(qiáng)度準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則考慮了深部巖體的拉伸破壞，同時(shí)也考慮深部巖體的剪脹和剪縮破壞。文獻(xiàn)[9-10]對不同賦存深度的玄武巖巖樣進(jìn)行了動(dòng)態(tài)斷裂韌性測試和單軸拉伸強(qiáng)度測試，得到了動(dòng)態(tài)斷裂韌性與拉伸強(qiáng)度之間可能存在一定的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)斷裂韌性隨著賦存深度的增大而增大的規(guī)律。但上述研究主要以火成巖為研究對象，而對于煤系地層的研究涉及不多，本文主要針對這800m以下的煤系地層中典型的砂巖和泥巖地力學(xué)特性變化趨勢進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)樣品取自淮南礦區(qū)某煤礦詳勘鉆孔，試驗(yàn)按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50266-99），取樣巖層的賦存深度范圍為800m～1 200m，以50m為一個(gè)巖層深度，將取樣巖層劃分為9個(gè)深度范圍，分別以800、850、900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200m為界。分別針對不同賦存深度下同一砂巖、泥巖兩種巖石，在相同的試驗(yàn)條件測定其單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角、凝聚力及泊松比，采用SPSS19.0軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以獲得上述兩種巖石的基本力學(xué)參數(shù)隨賦存深度的變化規(guī)律，并對分析結(jié)果的顯著性差異進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)采用兩種方法，一是：當(dāng)檢驗(yàn)量通過方差齊性檢驗(yàn)，即檢驗(yàn)量的顯著性大于顯著性水平0.05，則符合方差檢驗(yàn)的前提條件要求，對該檢驗(yàn)量進(jìn)行單因素方差分析，比較方法采用Student-Newman-Keuls（S-N-K）檢驗(yàn)法；二是：當(dāng)檢驗(yàn)量不能通過方差齊性檢驗(yàn)，即檢驗(yàn)量的顯著性不大于顯著性水平0.05，則不符合方差檢驗(yàn)的前提條件要求，采用多個(gè)獨(dú)立樣本檢驗(yàn)中的Kruskal-Wallis.H檢驗(yàn)法進(jìn)行分析，檢驗(yàn)的步驟為：

1）提出零假設(shè)與備擇假設(shè)H1。

H0：不同賦存深度的巖石，其所檢驗(yàn)的基本力學(xué)參數(shù)的總體分布是相同的；

H1：不同賦存深度的巖石，其所檢驗(yàn)的基本力學(xué)參數(shù)的總體分布是不同的。

2）SPSS將自動(dòng)計(jì)算各組樣本（不同賦存深度的巖石參數(shù)）的平均秩和H統(tǒng)計(jì)量。

如果各組樣本的平均秩大致相等，則認(rèn)為不同賦存深度，其檢驗(yàn)量的分布沒有顯著差異，如果各組樣本的平均秩相差很大，則不能認(rèn)為不同賦存深度，其檢驗(yàn)量的分布無顯著差異。SPSS會(huì)根據(jù)H檢驗(yàn)臨界值表給出H統(tǒng)計(jì)量對應(yīng)的顯著性取值，如果顯著性取值不大于顯著性水平0.05，則拒絕零假設(shè)H0，認(rèn)為不同賦存深度的巖石，其所檢驗(yàn)的力學(xué)參數(shù)的總體分布有顯著差異；如果顯著性取值大于顯著性水平0.05，則接受零假設(shè)H0，即認(rèn)為不同賦存深度的巖石，其所檢驗(yàn)的物理力學(xué)參數(shù)的總體分布無顯著差異。

1.1 單軸壓縮試驗(yàn)

單軸壓縮試驗(yàn)共得到90組泥巖樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)和120組砂巖樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以獲得兩種巖石各自的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比與賦存深度的關(guān)系曲線，如圖1所示。從圖中可以地看出，隨著賦存深度越來越大，泥巖與砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量有逐漸增大趨勢，而泊松比具有逐漸減小趨勢。

首先對9個(gè)不同賦存深度下砂巖和泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比三個(gè)量做方差齊性檢驗(yàn)，SPSS19.0檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1中Rc為單軸抗壓強(qiáng)度，E為彈性模量，μ為泊松比，Levene統(tǒng)計(jì)量是指方差齊性檢驗(yàn)（又稱Levene檢驗(yàn)）中的統(tǒng)計(jì)量；df1表示分子自由度；df2表示分母自由度；顯著性水平是指：估計(jì)總體參數(shù)落在某一區(qū)間內(nèi)，可能犯錯(cuò)誤的概率，用α表示。如果根據(jù)命題的原假設(shè)所計(jì)算出來的概率小于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，就拒絕原假設(shè)；大于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)則不能拒絕原假設(shè)（下表中相同符號(hào)代表同一意思）。

從表1中可發(fā)現(xiàn)，在顯著性水平α=0.05的條件下，砂巖和泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度Rc的顯著性取值，均小于顯著性水平0.05，不符合方差檢驗(yàn)的前提條件要求，所以對這兩組數(shù)據(jù)采用Kruskal-Wallis.H方法進(jìn)行檢驗(yàn)，分析結(jié)果如表2～表3所示。而彈性模量E和泊松比μ的顯著性取值均大于顯著性水平0.05，符合方差齊性檢驗(yàn)的要求，分析結(jié)果如表4～表5所示。

表2表明，兩種巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc的秩均值都隨著賦存深度的增加而增大，其中，泥巖各組樣本的秩均值相差較大，在賦存深度超過1 050m時(shí)顯著增大；砂巖除了800m與850m兩個(gè)深度的樣本秩均值相近外，其余秩均值同樣相差較大，在深度超過1 050m時(shí)顯著增大。表3中兩種巖石檢驗(yàn)（卡方檢驗(yàn)）統(tǒng)計(jì)量Rc的漸近顯著性取值均為0，所以拒絕零假設(shè)，認(rèn)為不同賦存深度的巖石，其單軸抗壓強(qiáng)度的總體分布有顯著差異，即賦存深度的增加對砂巖單軸抗壓強(qiáng)度的影響較大。

表4顯示，泥巖與砂巖樣本的彈性模量均值都隨著賦存深度的增加而不斷增大，其中，泥巖樣本在賦存深度超過1 050m時(shí)，彈性模量均值發(fā)生了顯著增大，而砂巖樣本在賦存深度超過950m時(shí)，彈性模量均值發(fā)生顯著增大。表5中，賦存深度在800～1 050m的范圍內(nèi)，泥巖樣本的泊松比均值基本呈現(xiàn)減小趨勢，在1 050m深度處，泊松比均值出現(xiàn)顯著減小，超過此深度后泊松比均值隨賦存深度增加而減小的趨勢變緩，第1亞組的顯著性為0.406，遠(yuǎn)大于0.05，這也反映出深度超過1 050m時(shí)泊松比均值減小并不是很顯著。砂巖的泊松比均值隨著賦存深度的增加也具有類似的減小趨勢，但深度在800以上及1 000m以下時(shí)，泊松比均值隨深度增加顯著減小。

1.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)

抗剪強(qiáng)度指標(biāo)由變角度剪切試驗(yàn)獲得。試驗(yàn)結(jié)果得到76組泥巖樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)和78組砂巖樣本各自的黏聚力、內(nèi)摩擦角與賦存深度的關(guān)系曲線，如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，泥巖和砂巖的黏聚力c、內(nèi)摩擦角均具有著賦存深度的增加而增大的趨勢。

兩種巖石的黏聚力、內(nèi)摩擦角的方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

其中泥巖的黏聚力c的顯著性取值，小于顯著性水平0.05，不符合方差檢驗(yàn)的前提條件要求，故對這組數(shù)據(jù)采用Kruskal-Wallis.H方法進(jìn)行分析，結(jié)果見表7、表8所示。泥巖和砂巖的內(nèi)摩擦角以及砂巖的黏聚力c的顯著性取值，均大于顯著性水平0.05，符合方差檢驗(yàn)的前提條件要求，分析結(jié)果如表9～表10所示。

從表7中可以看出，在賦存深度超過1 050m時(shí)，泥巖樣本黏聚力c秩均值顯著增大。表8中泥巖檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量c的漸近顯著性取值遠(yuǎn)小于0.05，所以拒絕零假設(shè)，即認(rèn)為不同賦存深度的泥巖，其黏聚力的總體分布有顯著差異。表9中，砂巖樣本的黏聚力均值在深度超過1 000m時(shí)顯著增大。

表10中，隨著賦存深度的增加，泥巖與砂巖樣本的內(nèi)摩擦角均值都在不斷增大。其中，泥巖樣本的增長趨勢相對比較均勻，而砂巖樣本在賦存深度超過950m時(shí)，內(nèi)摩擦角均值發(fā)生顯著增大。

1.3 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

抗拉試驗(yàn)采用巴西法測定巖石樣本的抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果得到144組泥巖樣本和200組砂巖樣本的抗拉強(qiáng)度與賦存深度的關(guān)系曲線，如圖3所示。結(jié)果顯示，隨著賦存深度的增加，泥巖與砂巖的抗拉強(qiáng)度也在逐漸增大。

9個(gè)不同賦存深度下兩種巖石的抗拉強(qiáng)度Rt的方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

其中砂巖和泥巖的單軸抗拉強(qiáng)度Rt的顯著性取值，均小于顯著性水平0.05，不符合方差檢驗(yàn)的前提條件要求，所以對這兩組數(shù)據(jù)采用Kruskal-Wallis.H方法進(jìn)行的結(jié)果如表12～表13所示。

表12顯示，隨著賦存深度的增加，兩種巖石單軸抗拉強(qiáng)度Rt的秩均值均在增大，且各組樣本的秩均值相差都較大。在賦存深度超過950m時(shí)，泥巖樣本單軸抗拉強(qiáng)度Rt的秩均值顯著增大。砂巖樣本在賦存深度超過1 050m，單軸抗拉強(qiáng)度Rt的秩均值發(fā)生了顯著增大。表13中兩種巖石檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Rt的漸近顯著性取值均遠(yuǎn)小于0.05，所以拒絕零假設(shè)，接受備擇假設(shè)，即認(rèn)為不同賦存深度的巖石，其單軸抗拉強(qiáng)度的總體分布有顯著差異。

3 結(jié)論

通過對煤系地層800～1 200m不同深度范圍內(nèi)泥巖與砂巖的力學(xué)參數(shù)分析，獲得如下的結(jié)論：

1）在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上煤系地層中砂巖和泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、單軸抗拉強(qiáng)度等基本物理力學(xué)參數(shù)均隨著賦存深度的增加而增大；而泊松比則表現(xiàn)出隨著賦存深度的增加而減小。

2）深度變化對砂巖力學(xué)參數(shù)的影響要大于對泥巖力學(xué)參數(shù)的影響大，其中對內(nèi)摩擦角表現(xiàn)的最為明顯。

3）在賦存深度為1 000m上下時(shí)，兩種巖石的6個(gè)力學(xué)參數(shù)都會(huì)有一個(gè)顯著變化，其中單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、單軸抗拉強(qiáng)度這5個(gè)參數(shù)表現(xiàn)為出現(xiàn)顯著增大，而泊松比則出現(xiàn)明顯減小。這表明煤系地層在深度達(dá)到1 000m附近時(shí)，巖石的力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)了較大變化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周宏偉，謝和平，左建平. 深部高地應(yīng)力下巖石力學(xué)行為研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展， 2005， 35： 91-99.

[2] 周宏偉，謝和平，左建平，等. 賦存深度對巖石力學(xué)參數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 科學(xué)通報(bào)， 2010， 55： 3 276-3 284.

[3] 姜晨光，姜祖彬，劉華，等. 花崗巖巖石力學(xué)參數(shù)與巖體賦存深度關(guān)系的研究[J]. 石材，2004，7： 4-6.

[4] 仵彥卿. 巖石孔隙率隨地層深度變化規(guī)律研究[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2000， 16： 69-73.

[5] PATERSON M S.Experimental deformation and faulting in Wombeyan marble[J]. Bull Geol Soc Am， 1958， 69： 465-467.

[6] PATERSON M S， WONG T F.Experimental Rock Deformation： The Brittle Field[J].2nd ed. New York： Springer-Verlag， 2005：2-200.

[7] HOEK E，BROWN E.Empirical strength criterion for rock mass[J].J Geotech Eng ASCE， 1980， 106：1 013-1 035.

[8] 周小平，錢七虎，楊海清. 深部巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2008， 27： 119-123.

[9] 滿軻. 賦存深度對巖石動(dòng)態(tài)斷裂韌性的影響[J].金屬礦山， 2011， 417： 19-21.

（責(zé)任編輯：李 麗，范 君）