温度对煤系泥岩力学特征影响的试验研究

查文华，宋新龙，武腾飞，李 雪

（1.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001）

1 引 言

高温环境下的岩石工程问题，已成为岩石力学发展的新方向。国内外学者对此展开了大量的研究，并已取得相应的研究成果。张志镇等[1]对花岗岩高温加载和冷却再加载两种方式的力学特性的温度效应试验进行了研究；张连英等[2]对泥岩高温作用下的力学性能进行了试验研究，探讨了泥岩岩样在常温至 800℃范围内主要力学性能随温度的变化规律；秦本东等[3]利用自行研制的高温岩石膨胀特性试验装置对石灰岩和砂岩试件 300～700℃高温过程中的膨胀特性进行了试验研究；刘石等[4]对经历不同高温冷却后大理岩的冲击力学特性进行了试验研究，分析高温后大理岩的力学特性随温度的变化规律；李建林等[5]通过三轴卸荷试验对高温后砂岩的纵波波速和力学特性与温度的变化规律进行了研究；赵洪宝等[6]研究了粗砂岩试件在高温后的密度、纵波波速和抗拉强度的变化规律。

随着我国经济的发展和开采强度的增大，我国煤炭资源开采深度以每年8～12 m的速度增加[7]。目前，埋深在 600～1000 m 的占 20%，埋深在1000～1500 m的占25.1%，埋深在1500～2000 m的占28.1%。相当一部分煤矿已进入深部开采（600～800 m），少数矿井采深达到1000 m以下，沈阳采屯矿开采深度为1197 m，长广矿为1000 m，新汶孙村矿为1055 m，徐州张小楼矿为1100 m，开滦赵各庄矿为1159 m，北京门头沟为1008 m，孔庄煤矿达1030 m。可预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000～1500 m的深度。

随着开采深度的逐步增加，地温也随之升高，部分矿井已出现高温热害，南定煤矿的地温梯度高达5.6 ℃/100 m，在-300 m开采水平时的温度已经达到 29.4～43.3 ℃；丰城建新矿采深为650 m，岩温为42℃；三河尖煤矿21102工作面发生突水事故时水温高达50 ℃。在常温带下采深每增加100 m，温度增加3～5℃。研究表明，温度每变化1 ℃可以产生0.4～0.5 MPa的地应力变化[7]，温度升高所产生的地应力变化对岩体的力学性质将产生较大影响。

泥岩是含煤岩系中的主要岩层[8]，而目前关于煤系泥岩的试验研究，较多研究只涉及到泥岩遇水软化[9－10]等问题，而在深部矿井高温条件下的力学特性研究较少。

本文针对深井中与煤系地层共生的沉积性泥岩，在深部矿井温度范围内进行不同温度梯度状态下的单轴压缩破坏试验，研究不同温度作用下煤系泥岩的力学特性，为深井高温环境下巷道的围岩变形机制分析提供理论基础。

2 试验过程

2.1 试样的制备

岩石本身具有明显的各向异性，相同试验条件下同一岩性、不同岩样的的力学特性是不可能相同的。采用现场取样开展室内试验，虽能较真实地反映岩石本身的力学特性，但很难判别温度对岩石力学特性的影响，因此，本文采用室内制作试件开展温度对煤系泥岩力学特性影响的试验研究。以淮南矿业集团丁集矿1262(1)工作面为研究背景，该工作面11－2煤层顶板煤系泥岩在常温下单轴抗压强度平均为9.117 MPa，单轴试验曲线如图1所示。试件制备参考实测的煤系泥岩单轴抗压强度和淮南矿区煤系泥岩的矿物成分组成[8]：主要为黏土矿物，其次为石英和菱铁矿，其中黏土矿物约占 50%～90%，平均为69.30%，主要为高岭石，其次为伊利石和绿泥石，石英占10%～30%，平均为21.5%。

图1 丁集矿11－2煤层顶板煤系泥岩单轴压缩试验Fig.1 Uniaxial compression test of coal-serial mudstone of 11－2 coal roof in Dingji coal mine

试验用煤系泥岩岩样具体制备过程如下：

（1）确定配比 根据煤系泥岩矿物成分的组成，采用相似材料砂浆配比制得煤系泥岩试件，其所用材料为水泥、砂、土和水，通过多次配比试验及其两周后的单轴抗压强度，如表1和图2所示，并经测试得到试验试件的含水率为 2%。依据工程背景确定采用表 1中配比 5，即各材料质量比为1134:1520:185:488。

表1 水泥砂浆配合比(单位: kg)Table 1 Mixture ratio of cement mortar(unit: kg)

图2 不同配比对应的峰值应力和峰值应变曲线Fig.2 Curves of peak stress and peak strain for different mixture ratios

（2）制作岩板 根据实验室材料制备长´宽´高为100 cm´20 cm´10 cm的岩板金属模具，四周为金属槽钢和铁板利用螺栓连接加固，下面铺设表面比较平整的硬质木板。按照配合比称量沙子、水泥、水，搅拌适当后转移到模具内，滩涂均匀，再用振动棒振动排除砂浆内空隙，最后抹平样板表面，1 d后打开模具四周槽钢和铁板令岩板自然晾干，以后每天适当洒水养护，14 d后取芯打磨制备岩样。

（3）试件制备 针对制备的岩板利用岩石取芯机进行钻孔取样，保存试件的完整性，试件为直径50 mm、高100 mm左右的圆柱体，然后用岩石双端面磨平机将岩样两端磨平，两端面不平行度误差不大于0.05 mm，端面不平整度误差不大于0.02 mm。

（4）岩样编号。

（5）测量 在加温前用游标卡尺和电子称（精度为0.01 g）对所有的试件几何尺寸和质量进行测量并记录。

2.2 试验装置

试样加载设备采用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT－150B电液伺服试验机，该设备是测试煤岩、混凝土力学性质参数的专用设备，具有单轴压缩、三轴压缩、直接拉伸、直接剪切等多种功能，其最大轴向载荷为1000 kN，最大侧压为50 MPa，最大剪切载荷为500 kN。试验程序采用计算机控制，控制方式有位移控制、变形控制和载荷控制3种方式，变形速率在0.0001～1 mm/s、载荷速率在0.01～100 kN/s范围内可调，试验过程可任意调整。试验数据自动采样，可以获得不同约束条件下岩石的全程应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、变形模量等力学参数。

试验加热设备是根据RMT－150B的外形尺寸和结构特征研制的GD－65/150高低温环境箱，该加温设备可以自动控温，温控范围为-65～150℃，温度波动度≤±1 ℃。图3为GD－65/150高低温环境箱与RMT－150B试验系统。

2.3 试验方案及方法

试验分 25、30、35、40、45、50、55 ℃ 7 个温度水平进行，每个温度水平测试3个试件，试件编号见表 2。在不同温度下的单轴压缩试验之前，为保证试样加温均匀且与箱内温度一致，加热到预定温度后再保持恒温2 h。温度达到预定时间后在环境箱内进行单轴压缩试验，直至试件破坏为止。考虑到升温速度过快会影响岩石的力学特性，在试验准备阶段，以1 ℃/(2 min)的升温速率对试件进行加热。试验加载的过程如图4所示。

图3 环境箱与RMT－150B试验系统Fig.3 Environmental chamber and testing system RMT－150B

表2 岩样编号Table 2 Rock sample numbers

图4 岩样及试验加载设备Fig.4 Rock samples and test loading equipment

3 试验结果及分析

3.1 温度对泥岩应力-应变全程曲线的影响

图5为泥岩单轴压缩中的应力-应变全过程曲线（每个温度水平各取一个试件），泥岩试件单轴压缩全程曲线变化形式大致相同，曲线大体经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段。压密阶段的变形量占总体变形量的比例随温度的升高有减小的趋势，但变化不明显，因为泥岩试样本身的致密性较好，原生裂隙、空隙等较少，在曲线上就会表现为应力较小时应变也较小的特征，故温度对泥岩压密阶段的影响较小。弹性阶段曲线基本呈线性变化，随着温度的升高，曲线弹性阶段的前半段几乎一样，但后半段有右移的趋势，斜率随之减小，即平均弹性模量减小。屈服阶段是试样即将破坏前的阶段，随着温度的升高，试样整体上呈缓慢脆性破坏，并且破坏的极限强度逐渐降低。

图5 不同温度下泥岩全程应力-应变曲线Fig.5 Axial stress-strain curves of mudstone under different temperatures

表3列出了不同温度下泥岩试件单轴压缩时的峰值应力s、峰值应变e、弹性模量E、变形模量E0、泊松比m等试验数据。

表3 泥岩力学参数的主要试验结果Table 3 Experimental results of main mechanical characteristics of mudstone

3.2 温度对泥岩峰值应力的影响

图6为泥岩单轴压缩下的峰值应力与温度的关系曲线。从图可以得出，泥岩在试验温度范围内，峰值应力随温度升高而降低，曲线为开口向下的抛物线，规律变化较明显。其峰值应力值从25 ℃时的9.153 MPa下降到了55 ℃时的8.271 MPa，降幅为9.6%。峰值应力与温度关系曲线的拟合公式为y =-0.0002 x3+0.0188 x2-0.7357 x+18.235，相关系数为 R2=0.5563。温度升高过程中，泥岩内矿物不断分解，其孔隙率也在不断变化，微观结构也有较大变化，导致峰值应力随温度升高不断降低。

3.3 温度对泥岩峰值应变的影响

图7为泥岩单轴压缩下的峰值应变与温度的关系曲线。从图可以得出，泥岩在试验温度范围内，峰值应变随温度升高出现了波浪式减小，曲线大致为开口向上的抛物线，规律变化较明显。其峰值应变值从25 ℃时的11.002 ´ 10-3下降到了35、40、45、50、55 ℃时的 8.759 ´ 10-3、9.450 ´ 10-3、8.249 ´ 1 0-3、9.080 ´ 10-3、8.249 ´ 1 0-3，与55 ℃时相比降幅达25.0%。峰值应变与温度关系曲线的拟合公式为y = 0.0036x2+0.3822x+18.64，相关系数为R2=0.7379。

图6 泥岩峰值应力随温度的变化Fig.6 Changing of peak stress with temperature for mudstone

图7 泥岩峰值应变随温度的变化Fig.7 Changing of peak strain with temperature for mudstone

3.4 温度对泥岩弹性模量和变形模量的影响

图8(a)为泥岩的弹性模量与温度的关系曲线。弹性模量反映的是岩石抵抗变形的能力，从图中可以得出，随着温度的升高弹性模量有减小的趋势。从25 ℃时的1.843 GPa减小到55 ℃时的1.351 GPa，减小了26.2%。弹性模量与温度的关系整体拟合公式为y =-2´ 10-6x5+0.0005x4-0.0364x3+1.3895x2-26.055x+193.71，相关系数为 R2=0.6179。当温度很高时，泥岩将产生裂纹，裂纹扩展加宽后，岩石变形增大，导致弹性模量逐渐减小。

图8(b)为泥岩的变形模量与温度的关系曲线，变形模量反映岩石整体变形，从图中可以得出，随着温度的升高，变形模量逐渐增大，说明随着温度的升高，泥岩的整体变形在增大。变形模量从25 ℃的0.666 GPa增加到55 ℃时的1.811 GPa，增加了171.9%。变形模量与温度的关系整体呈抛物线关系，其拟合公式为 y =-0.0011x2+1 206 x-1.551，相关系数为 R2=0.724。

图8 泥岩弹性模量和变形模量随温度的变化Fig.8 Changing of elastic modulus and deformation modulus with temperature for mudstone

3.5 温度对泥岩泊松比的影响

图9为泥岩单轴压缩下的泊松比与温度的关系曲线。从图可以得出，泥岩在试验温度范围内，泊松比随温度升高逐渐减小，规律变化明显。其泊松比从25 ℃时的0.371减小到了55 ℃时的0.098，减小幅度达 73.6%。泊松比与温度关系曲线的拟合公式为 y = 0.0003 x2-0.0326 x+1.0134，相关系数为R2=0.6036。泊松比随温度变化趋势与泥岩内部微观结构和组成有直接的关系。

图9 泥岩泊松比随温度的变化Fig.9 Changing of Poisson's ratio with temperature for mudstone

4 结 论

（1）随着温度的升高，泥岩的峰值应力、峰值应变出现了不同程度的降低。其峰值应力值从25 ℃时的9.153 MPa下降到了55 ℃时的8.271 MPa，降幅为9.6%；峰值应变值从25 ℃时的11.002 ´ 10-3下降到55℃时的8.249 ´ 1 0-3，降幅达25.0%。

（2）泥岩的弹性模量随着温度的升高有减小的趋势，变化明显。从25 ℃时的1.843 GPa减小到55 ℃时的1.351 GPa，减小了26.2%；变形模量随着温度的升高逐渐增大，说明随着温度的升高其整体变形在增大，变形模量从25 ℃的0.666 GPa增加到55 ℃时的1.811 GPa，增加了171.9%。

（3）泥岩在试验温度范围内泊松比随温度升高逐渐减小，规律变化明显。其泊松比从25℃时的0.371减小到了55℃时的0.098，减小幅度达73.6%。

（4）含水率对泥岩强度、变形等影响是很大，含水率的增加，会大大降低泥岩的弹性模量和单轴抗压强度，本文研究试件是在含水率为2%情况下，对深部矿井温度环境下煤系泥岩力学特性开展了初步研究，研究结果对今后深部高温巷道围岩稳定性分析提供了理论基础。但要更充分地揭示深部矿井环境条件下煤系泥岩的力学特性，需进一步开展煤系泥岩在温度和含水率等多种因素影响下的力学特性，并从微观结构分析力学特性变化机制，从而为深部巷道围岩控制提供更为坚实的理论依据。

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