含水率对弱胶结砂岩力学特征的影响规律

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 )

神华集团神东矿区由于其特殊的沉积环境，造成该地区砂岩的胶结程度差、易风化、塑性变形大、孔隙率大、孔隙连通高，煤矿开采过程中容易形成溃水溃沙现象[1-5]。弱胶结砂岩由于其孔隙率大、胶结性差，水对其物理力学性质存在很大的影响，尤其是在短时间内就能对物理力学性质产生一定影响，在自然状态下进行饱水处理，几分钟之内含水率就能达到10%左右，这与目前学者们进行的研究存在显著差别[6-8]。

关于水对岩石的物理力学性质的影响规律，国内外学者开展了大量的研究。VASARHELYI B[9]运用统计学方法研究了含水量与石灰岩强度的关系；YILMAZ I[10]研究了含水量对石膏强度和变形的影响；TENG Teng[11]等对不同应变速率下干燥和饱和砂岩的力学特征进行了研究；LU Yinlong[12]等以泥岩和砂岩为研究对象，分析了水和温度对其应力-应变曲线、破坏模式、峰值强度及弹性模量等参数的影响规律；FAN Lifeng[13]等对不同干湿循环次数的干燥和饱和砂岩进行了静态和动态力学测试，分析了其静态应力应变关系、单轴抗压强度、弹性模量、动态应力应变关系、动态强度的变化规律；FENG Wenlin[14]等以某煤矿砂岩为研究对象，分析了饱和砂岩在峰后循环加卸载作用下的力学特性；NIU Shuangjian[15]等分析了饱和砂岩峰后加卸载作用下的力学特征和能量演化机制，认为水对砂岩峰后的强度和弹性模量有明显的弱化作用；李业学[16]等对孔隙砂岩开展了SHPB试验和低场核磁共振试验，认为饱水砂岩比干燥砂岩能耗小；段天柱[17]等对不同含水率砂岩开展了力学试验声波测试，含水率对峰值强度、弹性模量有显著变化；闻名[18]等对不同含水率红砂岩开展了SHPB试验和SEM试验，分析了红砂岩的劈拉强度与含水率的关系；邓华锋[19]等分析了干燥、自然和饱水3种状态下红砂岩的物理力学特征，认为水对抗压强度、抗拉强度及微观结构特征都有显著的影响。

综上所述，国内外学者进行了大量的研究，尤其是关于水对砂岩物理力学特征的影响研究报 道较多，然而关于含水率对弱胶结砂岩的物理力学特征的影响规律研究较少。因此，笔者以神东矿区大柳塔煤矿岩层的砂岩为研究对象，对其进行XRD，SEM，NMR和单轴压缩试验，分析弱胶结砂岩的成分、微观结构和孔隙率特征，同时分析单轴抗压强度、弹性模量、峰值应变等参数与含水率的关系。

1 试样采集、加工及试验方案

1.1 试样采集与加工

弱胶结砂岩试样采集于神东矿区大柳塔煤矿，经过防震膜包装之后，装入岩心盒打包运送至学校实验室，根据规范[20]要求，结合自行的加工装置( 一种标准试样加工过程中的抱紧装置，发明授权 )和加工设备，对采集的岩芯进行取芯、切割、磨平后制成φ50 mm×100 mm的标准试样。试样加工过程中采用干钻，风力降温的方式，钻进过程中降低钻头的转速以及向下推进的速度，提高取芯率。试样共分为4组，A组为干燥试样，试样编号为A1～A3；B( B1～B3 )组、C( C1～C3 )组和D( D1～D3 )组进行 浸泡处理，含水率分别为2%，4%和6%。由于弱 胶结砂岩饱水速度与常规砂岩有很大区别，因此，在进行饱水试验之前选择一个非标准的弱胶结 试样进行测试，最后确定每隔20 s将浸泡试样取出并进行称量，计算其含水率，确保含水率满足试验要求。试样基本参数见表1。A，B，C，D组试样的含水率平均值分别为0，2.13%，4.11%，6.12%；饱水前密度平均值分别为1 964，1 995，2 017，2 008 kg/m3，饱水后密度平均值分别为1 984，2 037，2 101，2 131 kg/ m3。

表1 弱胶结砂岩的基本参数 Table 1 Basic parameters of weakly cemented sandstone

1.2 试验方案

XRD试验将试样加工成粉末状，运用德国Bruker X射线衍射仪进行试验分析；SEM试验采用FEI-SEM扫描电镜进行试验；NMR试验采用苏州纽曼生产的低场核磁共振设备进行试验；力学试验是采用中国武汉岩土力学所生产的RMT-150C力学试验系统，本试验采用的是位移控制的加载方式，试验过程中的加载速率是0.002 mm/s，每组试样重复进行3次试验。

2 弱胶结砂岩的微观结构及孔隙特征

为了分析弱胶结砂岩的孔隙率及微观结构特征，对弱胶结砂岩进行了XRD、扫描电镜试验和低场核磁共振试验。XRD试验结果表明，弱胶结砂岩的成分主要包括石英( 16% )、长石( 36% )、高岭石( 18% )和绿泥石( 30% )。图1为扫描电镜试验结果，从图1中可以发现，弱胶结砂岩的骨架颗粒周围存在一定量的胶结物，但是胶结物与骨架颗粒的胶结程度较低，表面存在较多的孔隙和裂隙，骨架颗粒周围以黏土矿物为主，从图1( b )中可以发现存在大量的高岭石和绿泥石。图2为低场核磁共振试验结果。3个试样被测试，孔隙率分别为20.22%，20.01%，20.64%，平均值为20.29%。从图2中可以发现，弱胶结砂岩的T2谱都呈现出2个波峰，且第1个波形的面积要小于第2个波形；第1个波形的T2区间为0.1～2.5 ms，第2个波形T2区间为2.5～800 ms。根据文献[21-22]的结论，第1个波形主要是微小孔，第2个波形主要是中大孔，并且以中大孔为主，说明弱胶结砂岩中大孔隙发育；微小孔与中大孔波峰连续，说明弱胶结砂岩的这2类孔隙连通性较好。

图1 弱胶结砂岩微观结构 Fig. 1 Microstructure of weakly cemented sandstone

图2 弱胶结砂岩T2谱特征 Fig. 2 T2 spectrum characteristics of weakly cemented sandstone

3 含水率对弱胶结砂岩应力-应变曲线特征的影响规律

为了研究含水率对弱胶结砂岩应力-应变曲线的影响规律，采用RMT-150C力学试验机分别对含水率为0，2%，4%和6%的试样进行了单轴压缩试验，图3( a )～( d )为不同含水率弱胶结砂岩的应力-应变关系曲线。从图3中可以发现，弱胶结砂岩的应力-应变曲线都存在明显的压密、弹性、屈服和峰后4个阶段。随着含水率的逐渐增大，初始压密期明显增长；弹性阶段的曲线长度逐渐减小，斜率也逐渐减小，说明随着含水率的增加，弱胶结砂岩的弹性模量有所减小；屈服阶段，随着含水率的逐渐增大，曲线变得更加平滑，说明随着含水率的逐渐增加弱胶结砂岩的塑性逐渐增强；峰后破坏阶段，随着含水率的增加，峰后破坏阶段的变形发生量明显增大。综上所述，随着含水率的逐渐增大，弱胶结砂岩更容易出现大变形，这对于西部地区巷道支 护会造成更大的困难。

图3 不同含水率弱胶结砂岩的应力-应变曲线 Fig. 3 Stress strain curves of weakly cemented sandstone with different water content

4 含水率对弱胶结砂岩力学特征的影响规律

4.1 含水率对弱胶结砂岩强度的影响规律

表2为单轴压缩下不同含水率弱胶结砂岩试样的力学参数，图4为弱胶结砂岩的峰值抗压强度与含水率的关系。

表2 单轴压缩下不同含水率弱胶结砂岩的力学参数 Table 2 Mechanical parameters of weakly cemented sandstone with different water content under uniaxial compression

图4 含水率与弱胶结砂岩峰值强度的关系 Fig. 4 Relationship between water content and peak strength of weakly cemented sandstone

结合表2和图4可以发现，含水率对弱胶结砂岩的峰值抗压强度有显著的影响，含水率为0，2%，4%和6%时，弱胶结砂岩的峰值抗压强度分别为14.16～15.90，11.68～12.45，9.15～9.95，7.15～8.12 MPa，平 均 值 分 别为15.22，12.06，9.46，7.76 MPa；与干燥弱胶结砂岩相比，含水率为2%，4%和6%时，峰值强度分别下降了20.76%，37.84%，49.01%。以上数据说明随着含水率的逐渐增大，峰值抗压强度逐渐减小，这与文献[23-25]研究水对砂岩、煤和泥质粉砂岩的影响规律是一致的。弱胶结砂岩虽然孔隙率大( 20.29% )，孔隙连通性好，达到2%，4%和6%的含水状态只需要1～2 min，内部黏土矿物产生的软化和崩解作用还很微弱，但是由于水的润滑作用，会使其摩擦阻力降低，以及产生的溶蚀裂隙和孔隙会降低岩石的强度。通过以上分析采用线性拟合，其拟合方程如式( 1 )所示，相关性系数R为0.99，说明相关性较好。

式中，σc为峰值抗压强度，MPa；x为含水率，%。

4.2 含水率对弱胶结砂岩弹性模量的影响规律

为了分析含水率对弱胶结砂岩弹性模量的影响规律，对含水率与弱胶结砂岩弹性模量的关系进行了分析，含水率与弱胶结砂岩弹性模量的关系如图5所示。从表2和图5中可以发现，含水率0，2%，4%和6%时，弹性模量的变化范围分别为1.83～2.36，1.84～2.13，1.27～1.77，0.97～1.05 GPa；平均弹性模量分别为2.08，1.95，1.58，1.01 GPa。结合上述数据和图5可以得出，含水率与弱胶结砂岩弹性模量呈负相关关系；与含水率为0相比，弱胶结砂岩含水率为2%，4%和6%时的弹性模量分别降低了0.13，0.50，1.01 GPa，降低幅度分别为6.25%，31.65%，51.44%。通过以上分析采用线性拟合，其拟合方程如式( 2 )所示，相关性系数R为0.96。

图5 含水率与弱胶结砂岩弹性模量的关系 Fig. 5 Relationship between water content and elastic modulus of weakly cemented sandstone

式中，E为弹性模量，GPa；x为含水率，%。

4.3 含水率对弱胶结砂岩峰值应变的影响规律

图6为含水率为0，2%，4%和6%时弱胶结砂岩的峰值应变特征。从图6和表2中可以发现，含水率为0，2%，4%和6%时，弱胶结砂岩的峰值应变平均值分别为8.55×10-3，9.29×10-3，8.15×10-3，11.05×10-3，含水率对弱胶结砂岩的峰值应变存在一定的影响，但是相关性较低，采用线性拟合时，相关性系数R为0.64，拟合方程如式( 3 )所示。

图6 含水率与弱胶结砂岩峰值应变的关系 Fig. 6 Relationship between water content and peak strain of weakly cemented sandstone

式中，εc为峰值应变，10-3；x为含水率，%。

5 不同含水率试样宏观破裂结构特征分析

图7为不同含水率状态下弱胶结砂岩破坏形态，由图7可知，含水率对弱胶结砂岩的破坏形态存在一定影响。含水率为0和2%时，试样以剪切破坏为主，呈现出“Y”字型和单一剪切断面型；含水率为4%和6%时，试样以纵向劈裂破坏为主，呈现出“I”字型。

图7 不同含水率弱胶结砂岩破坏形态 Fig. 7 Failure modes of weakly cemented sandstone with different water content

6 结 论

( 1 ) 弱胶结砂岩的骨架颗粒为石英，黏土矿物主要有高岭石和绿泥石；骨架颗粒周围存在一定量的胶结物( 高岭石和绿泥石 )，但是胶结物与其胶结程度较低；孔隙率大，平均孔隙率为20.29%，孔隙以中大孔为主，并且微小孔和中大孔的连通性较好。

( 2 ) 含水率对弱胶结砂岩的峰值抗压强度和弹性模量有显著影响，均呈负相关关系，饱水0，2%，4%和6%试样的峰值抗压强度平均值为15.22，12.06，9.46，7.76 MPa，弹性模量平均值分别为2.08，1.95，1.58，1.01 GPa；与干燥试样相比，峰值抗压强度分别降低了20.76%，37.84%，49.01%，弹性模量分别降低了6.25%，31.65%，51.44%。

( 3 ) 含水率与弱胶结砂岩的峰值应变的相关性低，相关性系数为0.64，无显著的影响规律。