神东矿区含天然弱面砂岩的力学特征研究

2020-12-02李回贵李化敏许国胜

河南理工大学学报(自然科学版) 2020年5期

李回贵，李化敏，许国胜

(1.贵州工程应用技术学院矿业工程学院，贵州毕节 551700；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000)

0 引言

以神东矿区为代表的西部地区是我国煤矿开采技术发展最活跃的地区，也是国内外采矿界高度关注的地区[1-3]。该地区煤层埋藏浅、上覆基岩薄，上覆岩层含有大量的弱面，尤其是砂岩。根据对补连塔煤矿岩芯的统计，发现在2-2煤层基本顶砂岩中含有大量的天然弱面[4-7]，这种弱面的存在会对岩层的力学特征、超声波传播速度、断裂形式、裂纹扩展方向等产生一定的影响。

目前，国内外学者对含弱面岩石的力学性质进行了相关研究。在理论方面，张广清等[8-9]基于自锁概念对岩体弱面的破坏模型及规律进行了研究，结果表明，主应力、弱面力等参数与弱面破坏角度关系密切；姚再兴等[10]基于单弱面理论研究结构面倾角等参数对岩石力学性质的影响，认为弱面的倾角对其力学参数性质影响较大。在试验方面，赵永红等[11]通过室内试验和数值模拟等研究方法，对含软弱夹层岩石材料的损伤破坏过程进行研究，通过对室内试验结果与现场观测结果比较，发现室内试验结果可以很好地反映现场的情况；HUANG F等[12]采用相似模拟和数值模拟的研究方法，研究了弱面对巷道周围岩体破坏模式的影响；王乐华等[13]以水平和垂直层理砂岩为研究对象，对其进行了加载和卸载试验，认为垂直层理砂岩的岩体强度要大于水平层理的；宋彦琦等[14]以含软弱夹层大理岩为研究对象，在单轴和三轴压缩下对含不同倾角夹层大理岩进行试验，认为弱夹层对大理岩的力学性质具有弱化作用；孟召平等[15]运用理论分析和室内试验的研究方法，研究了沉积弱面对岩体力学性质的影响，认为沉积弱面对岩体的波速、弹性模量、抗拉强度、抗压强度、黏聚力等都有一定的影响；尤明庆等[16]以一组含沉积弱面细砂岩为研究对象，分析了完整岩石和含弱面岩石的剪切拉伸破坏及强度；苏承东等[17]以40个完整和含天然弱面石灰岩为研究对象，在单轴和三轴压缩下对其波速、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角以及破坏模式进行了分析。数值模拟方面，ZHAO W H等[18]运用PFC2D颗粒流数值模拟软件和SJM模型对含不同数量和不同间距节理岩石的变形和破坏特征进行了研究；徐肖峰等[19]基于PFC2D数值模拟软件对完整岩石和含倾角为0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°的弱面岩石进行了双轴试验，认为结构面倾角及围压对试样的峰值抗压强度、弹性模量及峰值应变都有显著的影响；明华军等[20]以含非贯通节理岩石为研究对象，采用数值模拟研究方法对含不同节理长度和倾角的岩石进行了研究。

上述文献从理论分析、室内试验和数值模拟等方面研究了含弱面岩石的物理力学性质，然而针对神东矿区覆岩中天然弱面对其岩体力学性质的研究还鲜有报道，鉴于此，本文以神东矿区补连塔煤矿2-2煤层基本顶中粒砂岩为研究对象，首先对其进行直接拉伸、直接剪切和单轴压缩试验，然后采用扫描电镜和X射线衍射仪对弱面的微观结构和成分特征进行研究。

1 试样采集与制备

本文试样采集于神东矿区补连塔煤矿2-2煤层顶板砂岩，采用地面钻孔取芯的方法采集。试样采集之后对其进行包装处理，运回实验室。由于现有实验室的加工设备只能夹持直径75 mm以上的岩芯，但是采集的岩芯直径都是62.5 mm，因此，室内试验采用自行研制的标准试样加工抱紧装置(专利号205310566U)。试样加工按照规程要求，将试样加工成端面平行度偏差小于0.05 mm，两端的尺寸偏差不大于0.2 mm的标准试样。为了研究抗拉强度、抗剪强度、抗压强度和弹性模量等参数，一共加工了9个完整试样和9个含天然弱面(层理)试样。试样的参数如表1所示，加工的部分试样如图1所示。表1中H为试样的高度，D为试样的直径。

表1 试样参数

图1 两种砂岩试样照片

2 纵波波速特征分析

为了提高测试结果的可靠性，试验过程中测试了6个完整岩石的波速和6个含天然弱面砂岩的波速，表2为完整中粒砂岩和含天然弱面砂岩的纵波波速测试结果。表2中vp为试样的纵波波速，va为平均波速。从表2可知，完整中粒砂岩的波速为2 259～2 484 m/s，平均2 366 m/s，含天然弱面中粒砂岩的波速为2 206～2 462 m/s，平均2 356 m/s，含天然弱面砂岩与完整中粒砂岩相比，纵波波速只降低了0.4%。从以上分析可知，这种天然弱面的存在对岩石的纵波波速基本上没有影响。

表2 两种砂岩纵波波速测试结果

3 天然弱面对砂岩力学特征的影响

3.1 天然弱面对砂岩直接拉伸力学参数的影响

拉伸力学试验采用的是CMT5000 大门式微机控制电子万能试验机。表3为直接拉伸下完整中粒砂岩、含天然弱面中粒砂岩的力学参数统计结果。表3中σt为试样的抗拉强度，εc为试样的拉伸峰值应变。图2为这两种中粒砂岩在直接拉伸下的应力-应变曲线。从表3和图2可知，完整中粒砂岩的抗拉强度为0.835～0.914 MPa，平均0.884 MPa；其峰值应变为(1.02～1.64)×10-3，平均1.27×10-3。含天然弱面中粒砂岩的抗拉强度为0.109～0.176 MPa，平均0.149 MPa；其峰值应变为(0.19～0.24)×10-3，平均0.22×10-3。含天然弱面中粒砂岩与完整中粒砂岩相比，抗拉强度降低了83.1%，峰值应变降低了82.7%。

从图2可以发现，完整中粒砂岩在直接拉伸破坏过程中，试样在断裂前损伤是逐渐累积，但是达到其抗拉强度时会突然断裂；含天然弱面中粒砂岩在直接拉伸过程中，当达到其抗拉强度时，不会出现突然断裂现象，不会立即失去其承载能力，而是出现了应变软化现象。

表3 直接拉伸下两种砂岩的力学参数

图2 直接拉伸下两种砂岩的应力-应变曲线

3.2 天然弱面对砂岩直接剪切力学参数的影响

剪切力学试验采用美国GCTS公司生产的RDS-200XL全自动伺服控制岩石直剪/残剪仪。图3为两种砂岩的剪切应力与应变关系曲线，剪应力与弱面的夹角为0°。从图3可以发现，直接剪切下含天然弱面中粒砂岩和完整中粒砂岩的剪应力-剪应变曲线具有相似性，即在低剪应力条件下，曲线斜率比较小，剪应力增加相对较缓慢；当剪应变达到10×10-3左右时，曲线的斜率开始增大，剪应力增大速度有明显提高；当剪应变继续增大，达到峰值剪应变时，剪应力也相应增大到最大值，但是在峰值剪应变过后，剪应力迅速降低；当剪应变继续增加时，剪应力慢慢趋于平缓，保持相对稳定。

图3 直接剪切下两种砂岩的应力-应变曲线

表4为直接剪切下含天然弱面砂岩和完整砂岩的剪切力学参数。表4中τc为剪切强度，εc为峰值应变，τ残为残余剪切强度。从表4可知，完整中粒砂岩的剪切强度为4.38～4.91 MPa，平均4.67 MPa；含天然弱面中粒砂岩的剪切强度为3.81～4.45 MPa，平均4.08 MPa；含天然弱面中粒砂岩与完整中粒砂岩相比,剪切强度降低了12.6%。完整中粒砂岩的残余剪切强度为2.04～2.19 MPa，平均2.11 MPa，与其峰值剪切强度相比，降低了54.8%；含天然弱面中粒砂岩的残余剪切强度为1.93～2.02 MPa，平均1.99 MPa，与其峰值剪切强度相比降低了51.6%；含天然弱面中粒砂岩与完整中粒砂岩的残余强度降低幅度相差很小，两者相差仅3.2%。从以上分析可以发现，天然弱面的存在会降低砂岩的峰值剪切强度，但是对残余剪切强度基本上没有影响。

表4 直接剪切下两种砂岩的力学参数

3.3 天然弱面对砂岩单轴压缩力学参数的影响

图4为单轴压缩下两种砂岩的应力-应变关系曲线。从图4可以看出，中粒砂岩中的弱面对其应力-应变曲线基本没有影响。两种砂岩的应力-应变曲线都可以分为4个阶段，即初始压密阶段、线弹性阶段、塑性变形破坏阶段、峰后破裂后阶段。中粒砂岩在初始压密阶段曲线较为平缓，曲线斜率较小。在线弹性阶段，两种中粒砂岩的应力-应变曲线都近似于直线。在塑性变形破坏阶段，中粒砂岩曲线相对较平缓，曲线斜率有明显减小现象。在峰后破坏阶段，中粒砂岩随着应变的增加依然存在一定的承载能力，当应变增大到一定的程度之后，承载能力下降很快。

图4 单轴压缩下两种砂岩的应力-应变曲线

表5为单轴压缩下两种砂岩的力学参数统计结果。表5中σc为单轴抗压强度，εc为峰值应变，E为弹性模量。由表5可以得知，完整中粒砂岩的单轴抗压强度为37.31～46.44 MPa，平均41.85 MPa；含天然弱面砂岩的单轴抗压强度为39.97～43.46 MPa，平均41.27 MPa。与完整中粒砂岩相比，抗压强度仅仅降低了1.4%。从以上数据分析可知，天然弱面倾角较小时，弱面的存在对其单轴抗压强度基本上没有影响。

峰值应变是指在达到峰值抗压强度时对应的应变。完整中粒砂岩的峰值应变为4.92×10-3～5.45×10-3，平均5.20×10-3；含天然弱面中粒砂岩的峰值应变为5.09×10-3～5.95×10-3，平均5.61×10-3。与完整中粒砂岩相比，峰值应变增大了7.9%。从以上分析可以看出，天然弱面的存在虽然对砂岩的抗压强度基本没有影响，但是对峰值应变有一定的影响。峰值应变增大的原因是由于弱面的存在，其在界面的孔隙相对较大，并且界面接触没有岩石的好，其在压缩过程中可压缩的量相对较大。

表5 单轴压缩下两种砂岩的力学参数表

完整中粒砂岩的弹性模量范围为9.44～11.48 GPa，平均10.31 GPa；含天然弱面中粒砂岩的弹性模量为8.82～10.67 GPa，平均9.56 GPa，与完整中粒砂岩相比，其弹性模量减小了7.3%。从以上分析可以看出，弱面对砂岩的弹性模量有一定的影响，但是影响程度较小。材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律)，其比例系数称为弹性模量。从以上分析可知，弱面对其应力基本上没有影响，但是其应变增大，根据胡克定律可知，其比例系数即弹性模量会减小。

4 天然弱面的宏细观特征分析

4.1 天然弱面的宏观特征分析

为了研究补连塔煤矿基本顶砂岩中天然弱面的宏观结构特征，相机采集天然弱面的照片如图5所示。从图5可以发现，该天然弱面相对较粗糙，说明该类型结构面砂岩具有一定的抗剪和抗压强度，但其抗拉强度相对较小。

图5 天然弱面的宏观特征

4.2 天然弱面的微观结构分析

为了分析天然弱面的微观结构特征，采用FE-SEM环境扫描电镜对其微观结构进行了分析，测试过程中样品分别放大了100倍、200倍、500倍、1 000倍、2 000倍和5 000倍。图6是弱面放大500倍和2 000倍的微观结构。从图6可以发现，弱面的颗粒感不明显，颗粒边界也不是特别清晰，并且表面相对较粗糙、不光滑；能够观察到少量的裂隙，但是裂隙的宽度和长度都比较小；能够观察到一定量的孔隙，但是孔隙的直径特别小。采用SEM图片专业处理软件SmileView测量其孔隙、裂隙的大小。砂岩中弱面孔隙的平均直径3.8 μm，裂隙平均长13.8 μm。

图6 天然弱面微观结构特征分析

4.3 天然弱面的成分及元素特征

为了分析天然弱面的成分特征，从直接拉伸试验后的试样上采集了3个样品，然后运用X射线衍射仪对其成分进行分析。表6为3个样品的成分分析结果，图7砂岩中天然弱面的X射线衍射图谱。结合表6和图7可以发现，补连塔煤矿2-2煤层基本顶中粒砂岩中天然弱面的主要成分有石英、长石、高岭石、沸石、碳、绿泥石、斜绿泥石、金红石和云母，其中占比较大的成分有石英、长石和云母，并且以石英为主，其含量为28.5%～30.6%；天然弱面的胶结物主要有沸石类矿物和黏土矿物，并且以黏土矿物为主，其含量为17.8%～30.8%。表7为天然弱面的元素质量和原子半定量分析统计表，图8为天然弱面的元素特征图谱。从表7和图8可以发现，该类弱面主要的元素有C，O，Si，Al，K和Ti，其中C，O，Si和Al比例较大，O元素的质量分数和原子分数最大，分别为39.36%和47.84%，并且该类结构面中C和Ti元素的质量分数和原子分数也有一定的含量，质量分数分别为12.40%和4.87，原子分数分别为20.08%和1.98%，这说明该类弱面中含有一定量的石英、C和金红石。