羅 勇 孫興平 陳菊香 陳建本 侯俊友

(1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232001;2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司顧橋煤礦,安徽 淮南 232001;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;4.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,湖北 武漢 430071)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,煤炭資源逐漸枯竭,開采深 度越來越深。尤其是在中國,50%以上的煤炭資源存在于地下1 000 m 或更深處。到目前為止,我國有50多個(gè)煤礦的開采深度超過1 000 m,并以每年10～25 m 的速度增加。開采深度的增加導(dǎo)致重力應(yīng)力、溫度、水壓和變形的增加,對(duì)巷道的穩(wěn)定性有著顯著影響。因此,研究深部開采環(huán)境下巖石的強(qiáng)度特性具有重要意義。

自20世紀(jì)80年代初,就有國外學(xué)者對(duì)深部開采中的問題展開了研究[1]。1998年,為解決深部采煤安全問題,“deep mine”研究計(jì)劃啟動(dòng)[2]。同年,中國也開始接觸深部開采研究。進(jìn)入深部開采后,巖石力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,準(zhǔn)確地獲取圍巖強(qiáng)度參數(shù)特征對(duì)于巷道穩(wěn)定性控制至關(guān)重要。Xie等[3]指出,隨著開采深度的增加,巖石強(qiáng)度、巷道變形和重力應(yīng)力也隨之增加。因此,建立巖石強(qiáng)度與埋深之間的相關(guān)性,可用于淺層巖石試件的強(qiáng)度預(yù)測(cè),對(duì)工程實(shí)踐具有重要意義。

因此,國內(nèi)外針對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)與強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系開展了大量研究。Meng等[4]發(fā)現(xiàn)研究巖石力學(xué)性質(zhì)與沉積環(huán)境的相關(guān)關(guān)系,對(duì)更好掌握巖石變形及破壞機(jī)制十分有利。余露等[5]探討了工程實(shí)踐中淺部巖體賦存深度與力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性問題,分析研究表明,在巖體風(fēng)化因素類似的一定范圍內(nèi),單軸抗壓強(qiáng)度基本與賦存深度成正相關(guān)。

Panterson[6]提出淺部巖石強(qiáng)度理論一般采用摩爾庫倫準(zhǔn)則,深部巖石則采用Hoek-Brown準(zhǔn)則。Cleary M[7]等分別對(duì)淺部和深部巖石作了研究,試驗(yàn)表明,淺部巖石主要由巖石運(yùn)動(dòng)造成,受地質(zhì)構(gòu)造影響較大,巖石表現(xiàn)為脆性;而深部巖石受“三高一擾動(dòng)”作用,主要為延性。Singh J[8]基于巖石強(qiáng)度的脆—延轉(zhuǎn)化條件,通過試驗(yàn)了解到深度對(duì)巖石強(qiáng)度影響顯著,總體上巖石的強(qiáng)度隨著深度的增加而增加。謝和平等[9]提出不同深度巖石的單軸壓縮試驗(yàn)表明巖石力學(xué)參數(shù)隨深度呈現(xiàn)明顯的非線性變化。

Lanaro 等[10]討論了完整Toki花崗巖上UCS的深度變化,并揭示花崗巖UCS與深度之間關(guān)系非常密切。姜晨光等[11]探討了花崗巖的巖石物理力學(xué)參數(shù)隨深度變化的基本規(guī)律,提出花崗巖的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度都隨巖體賦存深度的增大而增大,并給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

周宏偉等[12]通過試驗(yàn)研究了不同深度玄武巖的物理力學(xué)性質(zhì),試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著賦存深度的增加,玄武巖的密度、彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)都線性增加,僅泊松比線性減小。推測(cè)原因是長期的地質(zhì)年代作用使得玄武巖致密程度增加,孔隙率減少,從而使強(qiáng)度等參數(shù)增大,而變形參數(shù)(如泊松比)則有所減小。

趙毅鑫等[13]探討了神東礦區(qū)不同賦存深度沉積巖抗拉及斷裂性能,結(jié)果表明,抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度隨賦存深度增大而增大,且二者均與賦存深度呈冪函數(shù)關(guān)系。王晶[14]對(duì)川東南龍馬溪組頁巖進(jìn)行研究,通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著埋深的加大,頁巖抵抗破壞的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變?cè)黾?頁巖脆性隨埋深的增加呈非線性遞減趨勢(shì)。林斌等[15]對(duì)煤系地層不同深度范圍內(nèi)泥巖與砂巖的力學(xué)參數(shù)作了研究,發(fā)現(xiàn)賦存深度在1 000 m 上下時(shí),兩種巖石的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角這5個(gè)力學(xué)參數(shù)顯著增大,而泊松比明顯減小,說明煤系地層在深度達(dá)到1 000 m 附近時(shí),巖石的力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)了較大變化。

從以上文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn),目前對(duì)于巖石強(qiáng)度與埋深關(guān)系的研究,大多數(shù)研究對(duì)象以巖漿巖為主,而對(duì)煤系地層中的沉積巖研究較少。基于前人的一些研究方法所提供的研究方向與思路,筆者對(duì)淮南礦區(qū)11煤同一頂板砂巖不同深部試樣開展了巴西劈裂、單軸壓縮和三軸壓縮試驗(yàn),研究了不同埋深試樣強(qiáng)度參數(shù)的演化規(guī)律,綜合分析了巖石強(qiáng)度特征與賦存深度之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

為研究同一巖層沉積巖不同沉積深度對(duì)強(qiáng)度參數(shù)影響規(guī)律,試驗(yàn)所需材料均采自淮南礦區(qū)深部巷道原狀圍巖。該礦區(qū)位于安徽省中北部,淮河北緣的江淮丘陵與黃淮平原交匯處,礦區(qū)東起禹城-兩江斷裂帶,西部為麻城-阜陽斷裂帶,東邊至西邊長度大約180 km,南邊至北邊大約15～25 km,探明儲(chǔ)量大約在500億t?；茨系V區(qū)地貌類型分為丘陵、河流淺平原、湖泊以及河谷平原等。礦區(qū)現(xiàn)包含21 個(gè)煤層,主要可采煤層為1煤、3煤、6煤、9煤和11煤,分布深度從大約300 m 到1 500 m。礦井西部位于陳橋背斜東翼與潘集背斜西部的銜接帶,總體構(gòu)造形態(tài)為走向南北,向東傾斜的單斜構(gòu)造,地層傾斜平緩,傾角5～15°,并發(fā)育不均的次級(jí)寬緩褶曲和斷層。

淮南礦區(qū)包含9對(duì)主要開采礦井,本文選取其中6對(duì)(謝橋礦、顧北礦、顧橋礦、潘三礦、丁集礦及朱集礦)獲取11煤頂板原位砂巖試樣。圖2為11煤頂?shù)装鍘r層柱狀圖和各礦井現(xiàn)場取樣深度。由圖1(a)可知,11 煤賦存厚度在0.2 m 到3.1 m之間,平均厚度為1.9 m。直接頂板由單一泥巖,砂質(zhì)泥巖或薄層粉砂巖及少量薄層細(xì)砂巖組成,厚度約2.3～8.4 m。老頂多為砂巖或少量砂質(zhì)泥巖,中厚層狀。直接底主要為砂質(zhì)泥巖,厚度3.6～6.5 m,平均厚度4.3 m。為確保試樣發(fā)育自同一巖層且保證制樣過程的成功率,所有試樣均采自11煤頂板中厚層狀砂巖。如圖1(b)所示,謝橋礦(XQ)、顧北礦(GB)、顧橋礦(GQ)、潘三礦(PS)、丁集礦(DJ)及朱集礦(ZJ)的采樣深度分別為465 m,591 m,640 m,802 m,840 m 和890 m。

圖1 取樣點(diǎn)位置

試樣采集和制作過程如圖2所示。對(duì)于其中任何一個(gè)礦井,現(xiàn)場采樣采用內(nèi)徑為90 mm 取芯鉆機(jī)獲取指定取樣深度巷道圍巖巖心(圖2(a)和(b))?，F(xiàn)場取得巖芯之后,經(jīng)保鮮膜包裹運(yùn)至室內(nèi),進(jìn)一步分別加工成直徑50 mm,高度100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件(圖2(c))和直徑25 mm,高度50 mm的巴西劈裂試件。為符合國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)關(guān)于巖石力學(xué)試驗(yàn)推薦標(biāo)準(zhǔn),所有試樣的加載面兩端均需打磨且高度偏差小于0.5 mm,直徑偏差小于0.3 mm。

1.2 試驗(yàn)方案

針對(duì)不同深度的砂巖試樣,通過開展單軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)及三軸壓縮試驗(yàn),獲取砂巖試樣的單軸壓縮強(qiáng)度、三軸壓縮強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、粘聚力及內(nèi)摩擦角等強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)共開展48組單軸壓縮,28組巴西劈裂和30組三軸壓縮試驗(yàn)。

試樣加載基本力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)均采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自行研制的RMT-150C數(shù)字控制式電液伺服試驗(yàn)機(jī)(圖2(d)),該設(shè)備為全數(shù)字計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制,可以廣泛地應(yīng)用于各類材料的單軸壓縮、間接拉伸、剪切和三軸壓縮等多種巖石力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)可采用位移、行程多種控制方式,可通過位移和載荷方式完成加載,試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)自動(dòng)采集,實(shí)時(shí)顯示,具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)功能。試驗(yàn)機(jī)的垂直最大出力為1 MN,水平最大出力為0.5 MN,最大圍壓50.0 MPa,機(jī)架剛度為5 MN/mm,試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)完全滿足試驗(yàn)加載要求。

圖2 試樣采集及制作過程

本次試驗(yàn)中,單軸壓縮試驗(yàn)采用軸向位移控制加載,恒定加載速率2×10-3mm/s;間接拉伸試驗(yàn)采用軸向應(yīng)力控制加載,加載速率0.20 k N/s。常規(guī)三軸試驗(yàn)具體試驗(yàn)步驟為:啟動(dòng)RMT-50C試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng),輸入試驗(yàn)控制參數(shù)后進(jìn)行預(yù)加載,使試驗(yàn)機(jī)壓頭垂直向下走完空程后與試樣上部接觸;以0.1 MPa/s的加載速率同步施加側(cè)向壓力及軸向壓力至預(yù)定的圍壓值,并保持圍壓在試驗(yàn)過程中不變;達(dá)到預(yù)定圍壓后,修改試驗(yàn)參數(shù),同單軸壓縮試驗(yàn)一樣,采用軸向位移控制方式,以恒定加載速率2×10-3mm/s軸向加載,直至試樣破壞為止。

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述室內(nèi)試驗(yàn),獲取了不同深度砂巖的密度、抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角和粘聚力。定量分析深度與上述參數(shù)的相關(guān)關(guān)系,借此來研究深部巖石強(qiáng)度參數(shù)隨深度的演化規(guī)律。

2.1 密度和抗拉強(qiáng)度

根據(jù)48組單軸壓縮標(biāo)準(zhǔn)試樣,通過稱重法計(jì)算得到所有試樣密度,繪制密度隨深度分布曲線,如圖3所示。

圖3 試樣密度與埋深關(guān)系

由圖3(a)可知,盡管同一埋深試樣密度存在一定的離散性,但總的來說,砂巖試樣密度隨著埋深的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。具體地,圖3(b)為平均密度與試樣深度關(guān)系曲線。由圖可知,密度與試樣埋深呈現(xiàn)較好的線性增加趨勢(shì)(相關(guān)系數(shù)為0.86)。當(dāng)試樣埋深為430 m 時(shí),砂巖平均密度為2.28 g/cm3,隨著試樣埋深增加到900 m,砂巖密度逐漸達(dá)到2.91 g/cm3,增幅達(dá)到27.6%。表明淮南礦區(qū)11煤頂板砂巖密度隨埋深呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。

共開展了28組不同深度砂巖試樣的巴西劈裂試驗(yàn)。抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖4所示,針對(duì)每一個(gè)礦井,各選取一條典型的做間接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖4(a)所示。

圖4 抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖4(a)可知,峰值抗拉強(qiáng)度隨著試樣埋深增加而逐漸增大。具體地,圖4(b)列出了上述6個(gè)試樣抗拉強(qiáng)度隨試樣埋深的變化關(guān)系曲線。當(dāng)謝橋礦試樣埋深在490 m 時(shí),砂巖抗拉強(qiáng)度為3.43 MPa,隨著試樣埋深增加到590 m,660 m,800 m,860 m 和900 m,抗拉強(qiáng)度逐漸分別增加到3.92 MPa,4.45 MPa,4.82 MPa,5.21 MPa,和5.72 MPa,增幅分別達(dá)到了14.3%,29.7%,40.5%,51.9%和66.8%。

類似地,圖5為28組試樣抗拉強(qiáng)度與埋深演化關(guān)系。由圖5可知,砂巖試樣抗拉強(qiáng)度隨著埋深的增加呈現(xiàn)非線性增加的趨勢(shì)。具體地,當(dāng)試樣埋深從460 m 增加到900 m 時(shí),平均抗拉強(qiáng)度由3.75 MPa非線性增加到5.90 MPa,增幅達(dá)到57.3%。采用指數(shù)函數(shù)對(duì)試樣埋深和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行非線性擬合,具體擬合關(guān)系式為:

圖5 試樣抗拉強(qiáng)度與埋深關(guān)系

式(1)中,σt為試樣抗拉強(qiáng)度,h為試樣埋深,R2為非線性相關(guān)系數(shù)。如式(1)所示,指數(shù)擬合非線性相關(guān)系數(shù)為0.94,表示該擬合模式具有較高的可信度。上述分析表明11煤頂板砂巖抗拉強(qiáng)度隨埋深呈現(xiàn)非線性增加的趨勢(shì)。

2.2 單軸抗壓強(qiáng)度

在6個(gè)礦區(qū)埋深430 m 到900 m 范圍內(nèi)共開展了48組單軸壓縮試驗(yàn),典型試樣單軸壓縮結(jié)果如圖6所示。圖6(a)為選取了各個(gè)礦區(qū)不同埋深典型試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖6(a)可知,上述砂巖試樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線能明顯的劃分為壓密、線性變形和峰后破壞3個(gè)階段。壓密段主要是由于加載初期試樣內(nèi)部微裂隙及孔洞在應(yīng)力作用下的閉合造成的,此階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為下凹形的非線性變形特征;隨著軸向荷載的逐漸增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入線彈性變形階段,此階段試樣呈現(xiàn)明顯的線性變形特征,曲線會(huì)持續(xù)出現(xiàn)小幅波動(dòng),其主要原因在于此時(shí)試樣內(nèi)部開始出現(xiàn)微小裂隙或顆?；?從而造成應(yīng)力的小幅釋放;在試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度之后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入峰后破壞階段,最終試樣失穩(wěn)破壞,在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為應(yīng)力跌落,部分試樣具有一定的殘余強(qiáng)度。

由圖6(a)也不難發(fā)現(xiàn),砂巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度隨著試樣埋深增加而增大。圖6(b)列出了上述6個(gè)試樣單軸抗壓強(qiáng)度隨試樣埋深的變化關(guān)系曲線。由圖6(b)可知,當(dāng)試樣埋深由謝橋礦490 m 增加到朱集礦900 m,砂巖單軸壓縮強(qiáng)度由76.5 MPa增加到105.2 MPa,增幅為37.5%。同時(shí),試樣彈性模量由18.6 GPa增加到31.2 GPa,增幅為67.7%。

圖6 典型試樣單軸壓縮結(jié)果

類似地,圖7為48組試樣抗壓強(qiáng)度及彈性模量與埋深演化關(guān)系。由圖7 可知,砂巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨著埋深的增加呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。具體地,當(dāng)試樣埋深從460 m增加到900 m 時(shí),平均單軸抗壓強(qiáng)度由76.6 MPa增加到110.7 MPa,平均彈性模量則由13.5 GPa增加到33.5 GPa。采用直線方程對(duì)試樣埋深和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合,具體擬合關(guān)系式為:

圖7 試樣強(qiáng)度參數(shù)與埋深關(guān)系

式(2)～(3)中,σc為試樣抗壓強(qiáng)度,R2為線性相關(guān)系數(shù),E為彈性模量。由式(2)和(3)可知,上述兩擬合線性相關(guān)系數(shù)分別為0.89 和0.88。上述分析也表明11煤頂板砂巖單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨埋深呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。

2.3 三軸壓縮強(qiáng)度

針對(duì)6個(gè)不同礦井的試驗(yàn)采集點(diǎn),每個(gè)礦各選取同一個(gè)埋深(包括490 m、590 m、660 m、800 m、860 m 和900 m)的試樣開展三軸壓縮試驗(yàn),圍壓等級(jí)設(shè)置為0 MPa、5 MPa、10 MPa、20 MPa和25 MPa總共五個(gè)級(jí)別,以獲取三軸壓縮強(qiáng)度以及內(nèi)摩擦角和粘聚力。

圖8為三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果。從圖8(a)可見,當(dāng)圍壓處于較低等級(jí)(5 MPa和10 MPa)時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征和單軸壓縮基本類似,可分為壓密、線彈性和峰后破壞三個(gè)階段。隨著圍壓的逐漸增加,試樣內(nèi)部的微裂隙及孔洞在靜水壓力的作用下逐漸閉合,使得壓密段逐漸縮短直至消失。此外,當(dāng)圍壓為0 MPa、5 MPa和10 MPa時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后表現(xiàn)出大幅度的跌落,即顯著的脆性特征;當(dāng)圍壓為20 MPa時(shí),曲線在峰后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小幅的應(yīng)力跌落,隨后會(huì)表現(xiàn)出延性破壞機(jī)制;而側(cè)壓為25 MPa時(shí),曲線基本不出現(xiàn)明顯的應(yīng)力跌落,而幾乎呈現(xiàn)塑性流動(dòng)的特征。

圖8 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

同樣地,相比于砂巖試樣單軸壓縮抗壓強(qiáng)度89.4 MPa,彈性模量20.3 GPa,側(cè)壓能夠提升顯著試樣的力學(xué)性能。如圖9(b)所示,當(dāng)圍壓為5 MPa和25 MPa時(shí),抗壓強(qiáng)度分別為100.1 MPa和209.4 MPa,彈性模量分別為24.5 GPa和46.4 GPa,顯然,彈性模量及抗壓強(qiáng)度均高于單軸壓縮情況,表明圍壓增強(qiáng)了試樣在軸向上承受更大壓縮變形的能力,且圍壓越大,承受軸向壓縮變形能力越明顯。

根據(jù)上述三軸壓縮結(jié)果,計(jì)算得到不同埋深情況下砂巖試樣粘聚力和內(nèi)摩擦角,如圖9所示。由圖9 可知,當(dāng)試樣深度分布為490 m,590 m,660 m,800 m,860 m 和900 m 時(shí),計(jì) 算得到粘聚力分別為15.2 MPa,16.98 MPa,18.37 MPa,19.31 MPa,20.72 MPa和21.35 MPa,內(nèi)摩擦角分別 為40.56°,41.2°,42.05°,42.95°,43.34°和44.3°。因此,試驗(yàn)結(jié)果表明,淮南礦區(qū)11煤頂板砂巖粘聚力和內(nèi)摩擦角隨試樣埋深增加而逐漸增大。

圖9 試樣粘聚力及內(nèi)摩擦角與埋深關(guān)系

3 結(jié) 論

本文通過現(xiàn)場采集淮南礦區(qū)11煤同一頂板砂巖不同深部試樣,對(duì)礦區(qū)6個(gè)主要礦井共計(jì)16種不同埋深砂巖試樣開展了巴西劈裂、單軸壓縮和三軸壓縮試驗(yàn),分析了不同埋深試樣的密度、抗拉強(qiáng)度、單軸壓縮強(qiáng)度及彈性模量的演化規(guī)律,并結(jié)合三軸壓縮試驗(yàn)獲取了試樣粘聚力及內(nèi)摩擦與埋深相關(guān)關(guān)系。通過上述研究,得到主要結(jié)論如下:

(1)隨著賦存深度的增加,砂巖試樣總體密度分布與平均密度均呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。其中,試樣埋深從430 m 增加到900 m 時(shí),砂巖平均密度由2.28 g/cm3逐漸增加到2.91 g/cm3,增幅達(dá)為27.6%。

(2)隨著賦存深度的增加,砂巖試樣總體抗拉分布與平均抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)非線性增加趨勢(shì)。其中,試樣埋深從430 m 增加到900 m 時(shí),砂巖平均抗拉強(qiáng)度由3.75 MPa 非線性增加到5.90 MPa,增幅達(dá)到57.3%。

(3)隨著賦存深度的增加,砂巖試樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可劃分為壓密、線性變形和峰后破壞3個(gè)階段,且砂巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著試樣埋深呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。

(4)三軸壓縮結(jié)果表明,隨著圍壓的增加,砂巖試樣逐漸由脆性向延性轉(zhuǎn)變,且抗壓強(qiáng)度和彈性模量也呈現(xiàn)顯著增加特征。隨著賦存深度的增加,砂巖試樣粘聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。