断层带附近岩石空间方向力学性能试验研究

彭 瑞，朱建明，赵启峰，郑 赟

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

岩石力学试验的参数对巷道断面优化设计，井巷稳定性研究和石油工程原位应力方向的确定非常重要[1-2]。岩石力学试验一般是直接使用原位岩石，这种结果更接近现场工程。针对岩石力学试验的影响因素研究，主要分为两个研究方向[3-6]：一种是岩石本身的性质，如岩石组成类型，密度和风化程度以及各向异性等。另一种是试验和环境条件，如侵蚀，温度和加载速率等。但是关于岩样空间力学研究，如研究埋藏方位影响并不多，主要是因为在现有的岩芯钻探基础上，很难在不同方向上获得同一块岩芯，继而无法通过控制方向单因素方法来分析对岩石空间力学性质的影响。

试验基于上述原因有必要展开如下研究：基于岩芯水平校准装置标定岩芯的水平方向，接着在试验室中使用岩样二次固定装置，取出空间六个不同方向的岩样(x，y，z，xy45°，xz45°，yz45°方向)。使用RMT-150B试验系统和声发射仪开展单轴加载试验，结合RFPA进行模拟分析，研究逆断层在附近岩体在埋藏方位角影响下体现出的强度参数、破坏到达时间、破裂形态。

1 工程地质条件

本文选定研究对象为淮南潘三煤矿的逆断层，该逆断层附近围岩破碎严重，给采区系统、巷道稳定性造成一定影响。西三C组工作面紧邻逆断层，上限相对标高为-700 m，下限相对标高为-750 m，平均厚度3.6 m，倾角9°，属稳定煤层，采区构造复杂，大中型断层发育，且多为逆断层。

采区构造复杂，大中型断层发育，且多为逆断层。地应力测试点选择在西三C组煤中部采区的矸石胶带机上山，位于逆断层上、下盘中，在断层上盘布置两个取芯点，I-1和I-2测点，断层下盘布置II-1和II-2两个取芯点，如下图1中。

图1 逆断层附近取芯点示意图

2 岩石力学试验设计

2.1 井下定向取芯试验

(1) 首先，在试验现场安装两个钻孔，每个钻孔的钻取深度超过2 m；

(2) 接着，使用孔芯水平定向系统，校准显示岩石的水平方向，建立三维坐标，x轴方向为轴向钻孔，y方向为径向钻孔，沿岩芯水平面的径向作为垂直方向 z方向；

(3) 最后，使用取芯钻机现场钻取预先校准水平空间坐标的岩芯。

其中，水平定向取芯原理如下图2所示。

图2 断层附近定方向钻取岩芯

2.2 室内岩石二次定角度取样

针对井下取出的空间坐标系内水平岩芯，在试验室使用二次定角度取样装置，取出空间六个方向岩样，如图3为试验室二次定角度取样装置。

圆柱岩样轴向假定为Y方向，通过改变岩芯在装置中的位置，进而钻出不同方向岩石试样，岩石横截面为Oxz平面。

图3 室内钻取xy45°、xz45°、yz45°方向岩样

图3是自主设计的室内二次定角度装置示意图，获得专利授权(专利号：ZL201320718709.6)。 该装置[7-8]包括样品套筒6，槽9，支撑架7，基座10，岩样固定装置8。描述在岩样固定装置焊接在支撑架7中，将支架7和装置底座10通过焊接在一起形成45°，将岩样12放置在套筒内部的槽9中，以使钻头接触岩样放置套筒，所述岩样支架可以通过螺母5拧紧在夹具8的一侧，并通过铰链销4和样品12放置在套筒内。

基于室内二次定角度取样装置的结构特点，可以用来钻取xy45°，xz45°，yz45°三个特定方向的岩芯，通过RMT-150B试验机，可以获得对应的特定方向岩样的应力，结合传统钻孔x，y，z三个方向，从而获得不同的空间方位角对应的岩石力学性能。

在现场2个取芯点共取出12块岩石，在室内取出的标准岩样尺寸和方向，如下表1所示。

表1 室内钻取出各方向岩样

2.3 试验室单轴压缩试验

由室内二次定角度取出的空间坐标系中6个方向岩样，结合试验室RMT-150B加载装置和8通道DS-2声发射测试仪，对不同方向岩样进行力学性质测试，如下图4所示。

该试验系统主要包括声发射探头的黏贴，RMT-150B应力加载方式设置，试验结果数据处理方法等。

2.3.1 单轴加载岩石峰值强度分析

使用RMT-150B压机进行单轴压缩试验，获得的岩石声发射应力-应变图，由于数据较多，此处仅列出断层上盘不同方向岩样的测试数据，如下表2所示。在图2中关于岩石力学试验结果，是针对断层上盘测试点原位岩石进行的。断层下盘岩样的试验测试方法和数据处理与上盘一致。

图4 室内岩石力学声发射测试装置

岩石埋藏方位岩石抗剪强度参数断层岩石受力方向弹性模量/GPa变形模量/GPa抗压强度/MPa泊松比上盘砂质泥岩x方向18 4014 2043 600 53y方向17 2511 2042 000 52z方向16 7010 6040 500 53x45°y方向13 309 5022 300 63x45°z方向13 6010 1028 100 60y45°z方向14 3010 7029 200 59断层下盘泥岩x方向12 507 6335 200 34y方向10 906 8032 000 30z方向9 005 2028 500 30x45°y方向8 104 8022 300 08x45°z方向8 604 9019 100 09y45°z方向9 805 2024 200 12

从表2可知：断层上盘每个方向岩样的应力-应变结果为，岩样沿着x，y，z，yz，xz，xy方向的力学强度逐渐减小；断层下盘每个方向岩样的应力-应变结果为，岩样沿着x，y，z，yz，xy，xz方向的力学强度逐渐减小；即表现为环向埋藏方向的岩石软化性能越来越明显，软岩特征更为明显。

2.3.2 断层附近岩石断裂形态

对断层上、下盘岩样进行单轴压缩试验，将部分破坏岩样列在下图5、图6中，主要反映岩样宏观破坏特征和细观AE事件数。其中，图5为断层上盘部分破坏的砂质泥岩，图6为断层下盘部分破坏的泥岩。

图5 单轴加载下断层上盘破裂岩样

图6 单轴加载下断层下盘破裂岩样

由图5可知，断层上盘砂质泥岩宏观破坏呈压裂，累计AE事件数较多，抗压能力较强；但压裂后的砂质泥岩呈现粒度较小，遇水后易发生崩解；同时，正向方位岩样压裂完整度高于环向方位岩样。

由图6可知，断层下盘泥岩宏观破坏呈脆性断裂，AE事件数较少，抗压能力较弱；压裂后的泥岩呈现粒度较大，同样正向岩样压裂后完整度较好。

3 结论

通过使用井下水平方向标定装置和室内二次定角度装置。将复杂埋藏条件的岩石按照固定的空间坐标系取出来，结合声发射测试装置，在试验室中的单轴压缩试验，分析了同一截面上不同方向岩体力学性能受空间埋藏方向影响。研究表明，通过岩石抗剪强度等数据分类，可知空间方向对岩体力学性能的影响较大，除了考虑岩性，尺寸等影响因素外，试验埋藏方向对岩体力学性质有一定影响。断层上盘砂质泥岩宏观破坏呈压裂，累计声发射事件数较多，抗压能力较强；断层下盘泥岩宏观破坏呈脆性断裂，声发射事件数较少。总之，岩体空间方向的力学试验对于掌握地下巷道强度损伤，瓦斯突出等重大危害，具有重要的试验意义，同时，需要综合考虑数据分类方法、岩石赋存条件等试验因素对巷道布设方式的影响，如巷道轴向可按岩石空间方向中强度较小方向布设，而强度较大方向可为巷道的帮部和顶底板等易发生失稳处。

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