宿州市祁南煤矿区含煤岩系岩石力学性质探讨

辛聪聪，吴灿灿，朱方华，夏伦娣，刘嘉敏，高　咏（宿州学院　资源与土木工程学院，安徽　宿州　234000）



宿州市祁南煤矿区含煤岩系岩石力学性质探讨

辛聪聪，吴灿灿，朱方华，夏伦娣，刘嘉敏，高咏
（宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州234000）

摘要：本文对宿州区域内祁南煤矿区内岩层进行采样分析.所采样品主要是细砂岩、粉砂岩以及泥岩，着重从岩石的岩性特征以及含水情况两方面进行分析研究.在对岩石的物理性质进行分析，得出单轴抗压强度、抗压强度、含水率、泊松比、粘聚力、内摩擦角等物理性质指标.在对岩性对岩石的强度分析中得出细砂岩的强度最大，所采样品属于软质岩类；对含水量与强度的分析中得到，含水率越大，岩石的强度越小的性质.

关键词:岩石力学性质；含煤岩系；影响因素

随着矿业开发力度的进一步加大,矿井的开采深度不断地加深,这一加深将伴随着围岩的自身重力、温度、水压、地下水等相应的增大,岩石的力学性能发生了显著的变化,岩石出现了软化等现象[1].影响岩石力学性质的因素很多，其中，主要受岩性(相)和赋存环境，如水和地应力环境等因素影响[2-3]，对岩石力学性质的认识，只有认真地考虑这些因素，才能作出正确的评价[4].采矿工程中，当在软弱岩体中开挖巷道以后，由于应力重新分布，围岩将产生显著的塑性变形，巷道变形量可达数百甚至数千毫米以上，支护结构遭到严重的破坏，这给巷道支护设计、施工工艺带来了一系列棘手的问题[5].由于岩石软化对矿区生产的影响，受到专家们的广泛关注，孟召平等[6-7]基于含煤岩系主要几种岩石的单轴和三轴压缩试验，分析了水对煤系岩石力学性质及冲击倾向性的影响.由此，进一步深化对软弱岩石物理力学特性的认识，掌握岩石受力变形、破坏机制和规律，进而选择正确的开挖方案、施工方法和支护方案，对于保证煤矿巷道围岩的安全和稳定具有十分重要的意义[4].

1　研究背景

祁南煤矿位于安徽省宿州市埇桥区祁县镇境内，北距宿州市约23km，南距蚌埠市约70km，采样范围矿区面积54.5822km2，开采深度由-315m至-800m标高；本矿区属淮河流域，在区内有淮河支流浍河和澥浍新河从矿区流过，流量不稳定，随季节影响变化大.浍河自西北向东南注入淮河和洪泽湖.历年本区最高洪水位+23.5m，对矿坑及矿区建设影响不大，矿井内农用灌溉沟渠纵横，村庄星罗棋布.地表下潜水较丰富，一般居民生活用水及部分工业用水皆取于此，本矿水文地质条件是以裂隙充水为主的，水文地质类型为复杂型.其岩性主要岩性由浅海相石灰岩及过渡相的灰色砂岩、深灰色粉砂岩、泥岩和薄煤层组成.在采样深度范围内岩性主要是砂岩、粉砂岩、泥岩、铝质泥岩和煤层组成.

2　岩性对岩石力学性质影响

岩性不同反映不同的力学性质.由实验研究表明（表1），所采岩样在自然状态下力学性质的变化范围都很大.细砂岩抗压强度为：33.27-18.14MPa；中细砂岩抗压强度为：32.48-27.02MPa；粉砂岩抗压强度为：17.99-12.84MPa；泥岩抗压强度为：16.58-11.57MPa.这四种岩石属于同一类型的沉积岩，根据各个岩石的抗压强度的比较，可以看出岩石力学性质的变化范围有交叉.但是，变化范围的不同反映出相同类型的岩石的力学性质具有较大的差异，说明影响岩石力学性质的因素除岩相外还有其他因素，例如：温度、围压、应变率以及岩石的结构格架.

不同岩性岩石的力学性质的不同，不仅从抗压强度变化范围中体现，也可从其抗压强度及其抗拉强度的平均值反映.细砂岩抗压强度拉强度的平均值为28.71MPa、3.45MPa；中细砂岩抗压强度拉强度的平均值为27.75MPa、2.93MPa；粉砂岩抗压强度抗拉强度的平均值为15.42MPa、2.88MPa；泥岩抗压强度拉强度的平均值为14.08MPa、1.50MPa。可以看出最大的是细砂岩，最小的是泥岩.

表1　含煤岩系岩石力学性质测试结果

根据岩石的抗压强度的范围不同，对岩石的软弱性进行分类.

表2　岩石力学强度类型

由表2，以上岩石的抗压强度的数值小于30MPa，分类归位软质岩类.在单轴压缩条件下为剪张破坏，一定侧压条件下为弱面剪切破坏和塑性破坏，并且随着侧压的增大，岩石应力一应变曲线由应变软化性态向近似应变硬化性态过渡，并伴有体积膨胀现象[6].

3　水对岩石力学性质的影响

岩石软化性是岩石浸水后力学强度降低的特性.它主要取决于岩石的矿物成分和孔隙性.其定量指标是软化系数，软化系数愈小，软化性愈强，软弱岩石通常具有密度小，孔隙裂隙度高，软化系数大，岩石强度低，塑性变形大等特征[7-9].

岩石遇水作用后,会引起某些物理、化学和力学等性质的改变.水对岩石的这种作用特性称为岩石的水理性.不同岩性的岩石因其组成成分,构造和结构特征不同,水对岩石的变形特征影响的程度不同.岩石内部存在着许多随机分布的孔隙和裂缝,在自然含水状态和饱和含水状态下,这些孔隙和裂隙中必须有水存在.当在岩石上施加载荷时,岩石的内部孔隙和裂缝的体积被压缩,孔隙水压力增大,导致岩石的变形特性发生改变[10].

水对岩石的软化作用，表现为岩石承载能力和抗变形能力明显降低.不同岩石由于其岩性的不同导致其孔隙率、含水率、吸水率的不同，实验数据表明从细砂岩、中细砂岩、粉砂岩、泥岩孔隙率越来越小，含水率逐渐增大，吸水率越来越大，岩石强度越低，如表3.

表3　岩石孔隙率、含水率、吸水率与岩石强度的关系

水对各试样的强度参数和变形参数均有不同的影响.吸水率较高的粉砂岩和泥岩饱水后，抗压强度降低较多，而相对较为致密、吸水率较低的细砂岩、中细砂岩，抗压强度降低相对较少.强度较高、弹性模量较大的砂岩的矿物成分中高强度材料相对较多，而水对高强度材料的软化作用较弱，对其变形的影响也较小.泥岩含有低强度材料成分相对较多，水对这部分材料的软化作用较大，所以含水率的大小对泥岩的变形特性影响较大[11].

根据岩石在不同含水率的情况下测其强度得到如下数据.

表4　泥岩含水率与抗压强度关系

图1　不同含水率下泥岩的强度

表5　砂岩含水率与抗压强度关系

图2　不同含水率下泥岩的强度

由以上泥岩及砂岩在不同含水率情况下其强度变化可知，岩石的抗压强度随含水率的增加而降低.在变化过程中，虽然其变化的程度不同，这可能与实验时的操作以及试样变化有关.从总的趋势来看，是随着含水率的升高而降低的，即岩石的抗剪强度与含水率呈负相关.

4　结论

影响岩石强度因素有的岩性和岩石的含水性等因素，由以上的分析可得以下的结论：

（1）在沉积岩中，由砂岩和泥岩可知，岩石力学性质主要表现为，随着碎屑颗粒粒度由粗到细，即由砂岩到泥岩变化，碎屑岩的强度与刚度均迅速衰减.

(2)水对岩石力学性质亦产生重要影响，在干燥或较少含水量情况下，岩石单轴抗压强度和弹性模量值均急剧降低；含水率越大岩石的抗剪强度越低.

参考文献：

〔1〕徐建金.矿井中围岩应力计算及分布[J].矿业天地，2008（10）：300-301.

〔2〕孟召平，彭苏萍.不同侧压下沉积岩石变形与强度特征[J]煤炭学报，2000,25（1）：15-18.

〔3〕肖树芳，杨淑碧.岩体力学[M].北京：地质出版社，1987.1-6.

〔4〕陆银龙，王连国，杨峰，李玉杰，陈海敏.软弱岩石峰后应变软化力学特性研究[J].岩石力学与工程学报，2000（3）：640-648.

〔5〕孟召平，潘结南，刘亮亮，等.含水量对沉积岩力学性质及其冲击倾向性的影响[J].岩石力学与工程学报，2009,28(增1):2637-2643.

〔6〕孟召平，彭苏萍，傅继彤.含煤岩系岩石力学性质控制因素探讨[J].石力学与工程学2002,21(1): 102-106.

〔7〕杨新安，黄宏伟，张禹.软弱岩体分类及其变形规律的研究[J].上海铁道大学学报(自然科学版)，1997，18(4)：113-118.

〔8〕陈成宗，王石春，陈光中.软弱岩体中铁路隧道围岩稳定性及其控制[J].岩石力学与工程学报，1982，1(1)：57–66.

〔9〕林崇德，牛锡倬.软弱岩体中巷道围岩的特性及其支护特点[J].煤炭学报，1988(1)：23–31.

〔10〕刘新荣,姜德义，海龙.水对岩石力学特性影响的研究[J].化工矿物与加工，2000(5):17-20.

〔11〕熊德国，赵忠明，苏承东，王耕耀.煤系地层岩石力学性质影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011（5）:998-1006.

基金项目：宿州区域发展协同创新中心开放课题（2014SZXTQP02）

收稿日期：2015年10月19日

中图分类号：TD315

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）01-0151-03