泥质含量对砂岩力学性质及其破坏特征的影响规律研究

韩应伟，王国伟，马宏发

（1.济宁矿业集团 花园井田资源开发有限公司，山东 济宁 272200；2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

煤层顶板稳定性关系到井下开采方法及支护方式的选择，是矿井进行安全生产的重要影响因素之一[1-4]。煤层上部顶板大多为砂岩，但由于地质条件影响，通常夹杂其他岩性成分，因此不能简单的按照砂岩的力学性质对顶板强度进行评价分析。

多种岩性成分构成的岩石，其结构上就类似于1种“组合体”，郭东明[5]等研究了不同倾角组合煤岩体的强度与破坏机制；陈绍杰[6]等通过单轴压缩试验研究了不同高比的5组顶板砂岩-煤柱结构体力学特性及渐进破坏机制，结果表明组合体宏观破坏起裂应力、单轴抗压强度、弹性模量均随岩煤高比的增大呈递减趋势；付斌[7]等研究了不同组合条件下煤岩组合体的力学特性及破坏过程，发现单轴压缩时煤岩组合体的强度接近煤体的单轴破坏强度。以上主要研究的是针对煤-岩组合体形式的破坏特征，且其组合相对具有规律性，而对天然状态下无序不同岩性组合强度等相关研究较少。另外，含泥质的砂岩其内部必然存在微观裂隙及弱面，潘建武[8]对含有天然弱面的砂岩的声学特性、强度和变形特征等进行了分析研究，得出了弱面试样的破坏形式和破坏原因；刘运思[9]等通过对板岩进行巴西劈裂试验，发现岩石节理角度不同对其破坏强度及破坏形式具有重要的影响；尹乾[10]等对单轴压缩作用下含纵向裂隙砂岩的强度劣化特征进行了研究，随着裂隙偏移量的增大，其承载能力呈现先增大后减小再增大的趋势。徐婧[11]等运用PFC3D颗粒流模型对单颗粒杂质位置与圆盘试件单轴劈裂抗拉强度的相关性进行了研究，发现杂质颗粒在不同位置时对试件强度和破坏形态均有不同程度的影响。对自然多种岩性组合砂岩裂隙发育及强度、破坏特征研究较少。基于上述研究现状，对煤矿顶板3种含不同量泥质的砂岩进行单轴压缩试验及巴西劈裂试验，得出泥质含量对砂岩力学特性及其破坏特征的影响规律，研究结果对矿井进行区域性、针对性支护具有重要的工程意义，同时丰富了相应的岩石力学研究内容。

1 试验过程

1.1 试验条件

试验所需的砂岩试样取自济宁花园煤矿自然垮落的顶板，岩性为中粒砂岩，为了降低岩样离散性对试验的影响，每组试样均取自同一岩块。岩块经过切割、打磨，加工成尺寸为φ50 mm×100 mm的标准试件及φ50 mm×25 mm的巴西圆盘试样。试样两端面不平行度不大于0.01 mm，两端直径偏差不大于0.02 mm。

加载系统采用岛津AG-X250电子万能试验机，该试验机为交流电机伺服驱动，加载方式采用双丝杠结构，设备稳定性好、精度高，可实现常规的压缩、拉伸等力学试验，最大试验载荷可达250 kN[12-13]。

1.2 试验方案

通过对含不同量泥质的砂岩进行单轴压缩试验和巴西劈裂试验，研究得到泥质含量对砂岩力学性质及其破坏特征的影响规律。

2种试验均采用位移加载控制，加载速率设置为0.01 mm/s，加载直至试样发生破坏，试验机灵敏度设置为95%，即应力突降5%时试验机自动停止加载，避免煤样到达峰值强度后继续受压造成端面破坏剧烈。抗拉试验采用经典的巴西劈裂法进行[14]。

本试验岩样共分为3组，依据泥质含量的多少分为不含、少量、大量3组，对应A、B、C 3组，岩样分组如图1。

图1 岩样分组图

2 试验结果及分析

2.1 强度分析

对3组岩石进行单轴压缩试验及巴西劈裂试验，单轴压缩试验结果统计表见表1，巴西劈裂试验结果统计表见表2，岩石抗拉、抗压强度曲线分布如图2。

表1 单轴压缩试验结果统计表

由表1、表2、图2可知，不含泥质的砂岩强度最大，含大量泥质强度次之，最小的为含少量泥质的砂岩，抗压及抗拉强度试验数据均可体现这一规律。究其原因：不含泥质的砂岩完整性较好，其强度理应最大；当砂岩中含有杂质时，其内部在砂岩和泥质之间形成弱面，其间通常会产生微小间隙，即岩石内部存在缺陷，在实验过程中弱化了岩石的强度。

针对巴西劈裂抗拉试验所的到的3种岩石的抗拉试验数据分析可知，其强度规律与抗压强度试验规律基本相同，试件表现为受拉破坏，含泥质砂岩内部原生裂隙对抗拉强度影响较大，强度值较不含泥质砂岩大大减小。

表2 巴西劈裂试验结果统计表

图2 岩石抗拉、抗压强度曲线分布

另外发现，砂岩中存在泥质对于抗拉强度的影响要远远大于对抗压强度的影响，定义强度折减系数k，其计算式如下：

式中：σ为不含泥质砂岩强度值；σx为含泥质的砂岩强度值；k为强度折减系数。

强度折减统计见表3。由表中数据可知含少量泥质和大量泥质砂岩单轴抗压强度分别折减了22%和4%，相对应的抗拉强度分别折减了47%和45%，由此可以看出当砂岩内部存在泥质的情况下其强度必然会大幅度降低。

相对于抗拉强度试验，其强度折减程度更大，与泥质含量的多少并不成正比。这是由于在抗拉强度试验中，巴西圆盘试样中心线上承受轴向拉应力，而在加载中心线附近泥质与砂岩接触面存在裂隙，在直接拉应力的作用下，裂隙很快扩张发育，加速试件破坏，故抗拉强度折减量更大一些；对于泥质含量来说，砂岩本身抗拉强度较低，当局部裂隙受拉时会很快破坏，故在短时内试件破坏的抗拉强度折减程度并不与泥质含量的多少呈密切相关。

表3 强度折减统计

由表1和表2可知，3种岩石的密度，含泥质较少的砂岩相对于其他2种砂岩来说其密度最小，这也反映出其内部微观裂隙数量更多，即岩石缺陷更多。在缺陷附近由于其位置关系及与其他微观构造之间不确定联系导致其受力较为复杂。依据格里菲斯理论，裂隙在复杂应力作用下，在端部会产生拉应力集中，当拉应力过大时，即超过岩石材料的抗拉强度时，裂隙便开始拓展，进而多条裂隙相互交错贯通，加速岩石的破坏。

2.2 弹性模量变化

相对于弹性模量来说，不含泥质砂岩弹性模量最大，含大量泥质砂岩次之，含少量泥质砂岩弹性模量最小。根据以往实验经验来看，砂岩的弹性模量要大于泥岩的弹性模量，这是岩石材料本身的性质决定的。根据试样的单轴压缩曲线可以计算得到岩石的切线弹性模量Et和初始弹性模量Ei，其中Ei/Et值可以反应岩石裂隙发育程度[11]，定义为θ，当θ值越小时表示岩石内部裂隙发育程度较高，反之越大。故对3种岩石的θ进行计算比较，3种岩石的θ值分布如图3。

图3 3种岩石的θ值分布

由图3可知，含少量泥质的砂岩其θ最小，表明其内部裂隙发育较好，含大量泥质的砂岩θ值次之，不含泥质砂岩θ值最大，这与对3种岩石密度比较分析内部裂隙发育影响岩石抗压、抗拉强度的讨论结果一致，进一步证实了上述岩样的破坏规律是存在的。

3 破坏特征分析

对3种岩石破坏后特征形态进行拍照处理，选取每组岩样具有代表性破坏试件（图4），其中黑色部分为泥质，其余部分为砂岩。

图4 破坏岩样模式图

由图4可知，含泥质的砂岩在外表面及岩石内部都存在泥质颗粒，且多为泥质面或泥质包裹体，3种岩样的破坏形式有较大的差别，其中不含泥质的砂岩表现为贯穿整个岩样的剪切破坏，含泥质砂岩表现为纵向的劈裂破坏，而且含少量泥质的砂岩破裂面倾斜角度较含大量泥质的砂岩要小一些；同时含泥质砂岩破坏后破裂线多沿着砂岩与泥质的交界面扩张延伸。

砂岩含泥质意味着岩石中必然含有缺陷，缺陷处在内部复杂应力场中必然存在内部附加应力，更进一步说明，在岩体中存在指向侧面边界方向的拉应力[15-16]，这种拉应力会使原生缺陷受拉破坏，持续对岩石进行加载时，在侧向拉应力的作用下裂隙开始形成并在试样中发育，并最终在达到试样的最大承载力时发生纵向劈裂破坏。

岩样在受纵向压应力时，内部同时存在剪应力与拉应力的耦合作用。不含泥质砂岩表现为剪切破坏是由于岩石在剪应力作用下产生破坏，而含泥质砂岩由于内部存在原生缺陷，多在侧向拉张应力作用下破坏，且含少量泥质的砂岩在剪应力和拉张应力共同作用下表现强度更低以及破裂面倾角较小。

4 结论

1）通过对不同泥质含量砂岩的单轴压缩试验及巴西劈裂试验，发现无论是单轴抗压强度还是抗拉强度均表现为不含泥质的砂岩最大，含大量泥质的砂岩次之，最小的为含少量泥质的砂岩。

2）进一步对3种岩石的强度进行分析，发现含少量泥质及含大量泥质的砂岩强度较不含泥质砂岩单轴抗压强度分别折减了22%和4%，抗拉强度分别折减了47%和45%；抗压强度及抗拉强度折减范围并不同步，含泥质量较少的砂岩抗压强度折减最大；泥质存在大幅度弱化岩石的抗拉强度，但与泥质含量的多少相关性较小。

3）对3种岩石的初始弹性模量Ei及切线弹性模量Et的比值θ进行计算统计，发现含少量泥质、含大量泥质、不含泥质的砂岩θ值依次增大，表明岩石内部裂隙数量及发育程度依次减小，微观裂隙存在弱化了岩石的强度。

4）对3种岩石破坏模式进行分析，发现不含泥质的砂岩表现为贯穿整个岩样的剪切破坏，含泥质砂岩表现为纵向的劈裂破坏，而且含少量泥质的砂岩破坏面倾斜角度较含大量泥质砂岩要小。