赋存深度对煤系砂岩力学性质影响的试验研究

靳 拓,沈书豪,翟晓荣

（安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 232001）

煤炭资源是国家能源安全与社会经济发展的基础，为满足我国工业化进程中对能源的长期需求提供了有力保障[1]。经过长期大规模开发，浅部煤炭资源日渐枯竭，煤炭开采进入深部开采阶段[2-3]。由于深部更加复杂的地质条件以及煤系地层的沉积特点，同一煤层顶板、相同岩性的岩石，其赋存深度可能存在较大差异，物理力学性质也大不相同[4-5]，这就为巷道设计支护及布置带来巨大的不便。而煤系地层岩石主要以砂岩、泥岩为主，砂岩的力学性质差异较为显著，因此，对不同赋存深度煤系砂岩的力学性质进行试验研究有一定的实际意义。

现有研究赋存深度对岩石物理力学性质影响多集中在花岗岩、玄武岩等较为均质的岩石，如姜晨光[6]等通过室内试验得到花岗岩的弹性模量、抗压强度、抗拉强度都随岩体赋存深度的增大而增大；李鹏波[7]等通过对地表到煤层的所有岩石进行室内力学试验，得出岩石的力学性质随赋存深度的变化规律；周宏伟[8]等通过对同一层不同赋存深度的玄武岩进行室内试验，分析得到玄武岩的密度、弹性模量、单轴抗拉强度、单轴抗压强度、黏聚力和内摩擦角随赋存深度的增大而线性增加，仅泊松比随深度增加而线性减小。针对煤系沉积岩物理力学性质随赋存深度影响的研究成果还比较少。文章以潘集矿区深部13-1煤顶板砂岩为研究对象，对同为13-1煤层顶板岩性结构相同而赋存深度差异较大的砂岩进行了物理力学试验研究。

1 试验内容及方法

潘集矿区煤田主体构造形态呈北西西向展布的大型复式向斜，造成同一煤层在不同区域的埋深差异较大。以矿区13-1煤层为例，22-4号勘查钻孔测得的13-1煤层埋深在860m，而18-4号勘查钻孔测得其埋深为1429m。

本次试验取样层位为潘集矿区深部勘查区的13-1煤层顶板砂岩，选择深部勘查钻孔岩芯赋存深度分别为870、970、1070、1170、1270、1370m，每个深度位置取样3个。对所取样品经过二次加工，制备成为直径φ=50mm，高径比为2.0的标准岩石试件。此次制备标准试件共18个，在制样成功后使用WSD-3声波参数测定仪和100K-P40F激发、接收探头进行岩石标准样的纵波波速测试。在实验室内采用RMT-150B电液伺服试验机对这18个砂岩试件按照深度不同分组进行单轴压缩试验，并在试验前安装轴向位移计和横向位移计，用以记录轴向和横向的变形值。制样后的岩石样品和室内RMT单轴压缩试验机如图1所示。

图1 制样后岩石试件及RMT力学试验机

2 试验结果与分析

通过对砂岩试件进行纵波波速测试及单轴压缩试验，得到各个砂岩试件的纵波波速和单轴抗压强度，并通过所记录数据计算得到弹性模量和泊松比等力学参数。其中，弹性模量是轴向应力除以轴向应变得到，泊松比是横向应变与轴向应变的绝对值的比值，具体数据整理统计结果见表1。

表1 试验结果统计

为了更加直观的对数据进行分析，观察煤系砂岩的力学性质随赋存深度增加的变化规律，将表1中单轴抗压强度、弹性模量和泊松比三个力学性质参数分别绘制了散点图，统计计算同一赋存深度试验组中三件样本的数据均值，并拟合了各力学参数随深度的变化趋势，如图2所示。

图2 力学参数随赋存深度变化散点图

图2中蓝色圆点为各组试验数据，黑色标记为各组力学参数的均值，结合表1和图2可以看出，煤系砂岩的抗压强度和弹性模量随着砂岩赋存深度的增加呈线性增大的趋势，而泊松比随着砂岩赋存深度的增加逐渐减小。而通过各组参数散点图不难发现，同组参数之间也存在差异性，部分岩石试件的力学参数偏离趋势线，数据的离散性较大。

深部地层的煤系砂岩在脱离原位地质环境时，受到高应力解除等外力因素影响，内部颗粒发生重新耦合，会造成岩石的物理力学性质发生变化。在试验前已经测量了各组试样的纵波速度值，将各深度组试验测试的纵波波速绘制了散点图，同样以均值拟合了趋势线，如图3所示。

图3 纵波波速随赋存深度变化散点图

由纵波波速的数据及散点图不难发现，同组砂岩之间的纵波波速也可能存在较大差异；煤系砂岩的纵波波速随着赋存深度的增加而增大，这与其单轴抗压强度、弹性模量之间存在一定的正相关关系。由于纵波波速受到岩石成分、微观结构和孔隙度的影响较大，而岩石成分一般不会发生改变，因此，波速数据的离散性较大主要是由于岩石微观结构和孔隙度的变化不均造成的，这也是其相同赋存深度岩石的力学参数离散性较大的主要原因。

3 结论

（1）通过对六个不同赋存深度水平的潘集矿区13-1煤层顶板砂岩进行试验研究，得出煤系砂岩的抗压强度和弹性模量均随着赋存深度的增加而增大，而泊松比随着赋存深度的增加而线性减小。

（2）结合纵波波速的数据及散点图，分析得出各组参数离散性较大的原因是由于岩石随着外部环境改变，内部颗粒发生重新耦合，其微观结构和孔隙度发生了不均匀的变化。

[1]谢克昌.中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究[M].科学出版社,2014.

[2]何满潮,谢和平,彭苏萍等.深部开采岩体力学及工程灾害控制研究[J].煤矿支护,2007(03):1-14.

[3]何满潮,谢和平,彭苏萍等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2803-2813.