不同分层数量的煤系地层岩石单轴压缩试验分析

2023-11-13乔卫民贺丽峰

煤 2023年11期

李凯,乔卫民,贺丽峰

(山西蒲县煤业集团富家凹煤业有限公司,山西临汾 041000)

灰岩、泥岩和砂岩是煤系地层中常见的岩石类型,煤矿中大部分井巷工程都位于这些岩层中[1]。分层厚度对于这些岩石的力学性质有着显著影响[2],对巷道围岩的稳定、支护方式的选择以及参数的确定都具有决定性的影响[3]。因此,研究具有层间粘结力的层状岩石的力学问题对于地下工程具有重要意义[4-7]。以往的研究多将层状岩石处理成横观各向同性介质或三维弹塑性介质进行分析。本研究以灰岩、泥岩和砂岩为对象,进行了单轴压缩试验[8-10],并对单层、双层和三层岩石进行了力学性质的研究,旨在为加固和设计层状岩石的工程提供理论指导。

1 分层试样的制备

本文试验中的岩石均取自孔庄煤矿-1015 m水平井底车场,岩石取芯直径为127 mm,垂直岩芯加工成直径为50 mm、高度为100 mm的标准试件,再根据分层厚度进行切割。试块按岩性分为泥岩、砂岩和灰岩3种。同一种岩性又按分层数量分为单层、双层和三层,各分层厚度分别为90 mm、45 mm和33 mm.单层、双层和三层的试验组数分别为12个、9个和6个,制作的模型图如图1所示(L为灰岩,M为泥岩,S为砂岩)。

试验中的岩石均由煤矿现场同一层位的岩层顺层取芯,进行了XRD衍射分析、X射线荧光光谱分析。针对3种不同岩性的围岩,对于双层和三层的岩石试块之间采用环氧树脂胶及其相对应的环氧树脂固化剂进行层与层之间的胶结,经过72 h粘结固化,凝胶达到最高强度,环氧树脂的技术标准:环氧值为(当量/100 g)0.41～0.47,软化点为12 ℃～20 ℃,无机氯(当量/100 g)≦0.001,有机氯(当量/100 g)≦0.02,环氧树脂固化剂的技术标准:外观为浅黄色-浅棕色透明粘稠液体,胺值为200±20,分子量为600～1 000.环氧树脂和固化剂混合胶,在6 h内表干,72 h达到最高强度;按重量比为固化剂∶环氧树脂=(0.8～1)∶1 进行配比,其固化温度与时间参考数据如表1所示。

图1 分层岩石试验模型

表1 固化温度与时间

2 分层厚度对岩石力学性质的影响

2.1 岩石的特征常数随层数的变化趋势

本试验研究同种岩性条件下岩石的力学性质,同一地点同种岩性的弹性模量近似相等,由前述可知,其力学性质不受胶结层面的影响,岩石的破坏沿着强度最小的岩石依次发生破坏。三种岩石的抗压强度、泊松比及弹性模量随着层数的变化趋势如图2所示。

图2 3种岩石的力学性质与层数的关系

图2(a)是抗压强度的随着层数的变化趋势,从图中可以看出,三种岩石的强度值随着层数的增加呈升高趋势,结合表3中抗压强度值,灰岩试块双层比单层的抗压强度值升高3.57%,三层比单层升高9.77%,泥岩的强度值双层单层升高23.63%,三层比单层升高39.82%,砂岩的强度值双层比单层升高15.61%,三层比单层升高17.17%.图2(b)是岩石的泊松比值随层数的变化趋势图,图中显示灰岩和泥岩的泊松比随着层数的增加呈现平稳趋势,无较大波动。图2(c)为岩石的弹性模量随岩石的层数变化趋势图,结果显示三种岩石单层到双层的弹性模量值下降趋势较为明显,灰岩、泥岩、砂岩下降幅度分别为16.68%、26.18%、18.26%,然而双层到三层的下降趋势趋于平缓,三层相对双层的下降幅度分别为5.35%、1.61%、-3.71%,说明三层砂岩的弹性模量高于双层的弹性模量值。

2.2 岩石的横向应变与纵向应变的关系

为研究各层状岩石的纵横应变情况,在岩石表面粘结纵横应变片,在万能材料试验机上进行加载,用静态电阻应变仪及其所配置的压力釜采集应变片的应变值及压力值所对应的应变值,将压力釜采集的应变值换算成对应的应力值,作出如图3所示的3种岩石的纵横应变随应力变化的趋势图。

表2 3种岩石的力学参数

观察3组岩石的横向应变与纵向应变,在压密阶段岩石的横向应变值较小,而岩石的轴向应变有明显的增量,增量趋势随着层数的增加呈现下降趋势,从整体趋势来看,无论是轴向应变还是横向应变,随着应力的变化趋势都是随着层数的增加而趋于缓和,且其应变量趋于减小。对各曲线进行线性拟合,从斜率的变化来看,灰岩轴向应变随应力的变化情况为:双层比单层的减缓32.4%,三层比单层减缓达到90.66%,其轴向的应变值几乎降低6倍;灰岩的横向应变随应力的变化情况为:双层比单层减缓37.98%,三层比单层减缓80.04%;泥岩的轴向应变随应力变化趋势为双层比单层减缓75.25%,三层比单层减缓64.23%,而三层比双层升高31.2%;泥岩的横向应变随应力的变化趋势为:双层比三层减缓83.31%,三层比单层减缓88.81%;砂岩的轴向应变随应力的变化趋势为:双层比单层减缓45.45%,三层比单层减缓59.73%,砂岩的横向应变随应力的变化趋势为:双层比单层减缓17.17%,三层比单层减缓53.70%.结合图形与分析数据来看,灰岩的分层条件下的横向应变在单层和双层间图形出现相交点,但从拟合趋势线分析其变化趋势仍为单层较大,且在应力增高后期更加明显。泥岩的轴向应变三层和双层的变化曲线出现相交点,交点之前的应力条件下双层的轴向应变量大于三层,交点之后则相反,从线性拟合的趋势来看,三层试块的变形总趋势大于双层试块。

2.3 岩石的σ-ε曲线特征

图4是采用万能材料试验机得到的3种岩石的σ-ε曲线特征,从特征曲线看出,岩石在峰值强度后应力应变曲线未得到,但就峰值强度前的应力应变曲线来看,主要有以下特征:

图3 3种岩石的纵横应变与应力的关系

特征Ⅰ(压密阶段的变化趋势):图4(a)为灰岩的σ-ε曲线特征。从图中可以看出,灰岩在压密阶段的特征为到达弹性阶段的变形量双层大于三层,三层大于单层;图4(b)泥岩在压密阶段的特征显示单层和双层的压密阶段变形量基本相同,而三层泥岩的压密阶段变形量明显大于单层和双层的变形量;图4(c)砂岩的压密阶段特征显示双层和三层的变形量大致相同,而单层岩石压密阶段的变形量小于双层和三层。为进一步确定压密阶段变形量的变化幅度,对各岩石曲线进行线性拟合,得出拟合曲线方程如下:

1L:y=3 345.6x-9.767 7,2L:y=2 428.8x-11.901,3L:y=2 579.1x-11.19,1M:y=2 373.8x-6.034 8,2M:y=2 376.4x-6.422,3M:y=2 059.5x-9.863 8,1S:y=2 737.2x-7.587 8,2S:y=2 334.8x-10.235,3S:y=2 295.9x-10.403一元一次方程Y=AX+B与X轴的交点坐标为(-B/A,0),计算得出各线性拟合曲线与坐标轴的截距值如表3所示。

图4 3种岩石的σ-ε曲线

表3 岩石的σ-ε曲线的拟合直线与X轴的截距

拟合的直线与X轴的截距可近似取代岩石在压密阶段过程中的应变值,反映岩石在压密阶段的变形量。由表中数据得出,灰岩的压密阶段双层的变形量大于三层,三层大于单层,双层比单层的变形量幅度提高67.81%,三层比单层的变形幅度提高48.63%,泥岩和砂岩的压密阶段变形量随着层数的增加呈现升高趋势,然而泥岩和砂岩不同之处在于,泥岩从单层到双层的变形幅度小于砂岩单层到双层的变形幅度,其值分别为6.30%和58.12%,而泥岩从双层到三层的变形幅度要大于砂岩,其值分别为77.41%和3.42%.

特征Ⅱ(观察应力-应变曲线的弹性阶段):同样应力条件下,灰岩试块的应变量从大到小依次是三层、双层、单层,而且在峰值强度前的曲线基本呈线性。泥岩试块的弹性阶段,单层和双层的应变量几乎相等,略大于三层,这说明泥岩的应变量变化在单层和双层之间较小,但随着层数的增加,变化逐渐增大。此外,在峰值强度前的曲线中,双层和三层试块呈现出明显的突变性,即在接近峰值强度处,应力下降并且应变量突然增加,然后应力继续上升。这表明在泥岩的渐次破坏过程中,强度较低的试块失去承载能力,导致整体应力突然下降,但强度较高的试块并未破坏,应力继续增加。砂岩试块的弹性阶段中,单层的应变量明显小于双层和三层,双层和三层试块的应变量近似相等。这说明砂岩的单层到双层的应变量变化趋势明显,但随着层数增加,应变量的增量较小。

3 同种岩性条件下不同分层厚度的层状岩石力学特性分析

试验结果表明,同种岩性条件下不同分层厚度的层状岩石的力学参数,即抗压强度、泊松比、弹性模量呈现不同的变化规律,下面从理论上对抗压强度进行探讨和分析。

因为层状岩石不同于整块岩石的逐次破坏状,故而,分层的多少同样影响岩石的各项基本性质。以双层岩石为例,双层同种性质的岩石A和B具有相同的厚度和直径,当试块A和试块B粘结后,试块A的顶部和底部在单轴压缩状态下受到σ的作用,当层间不起约束作用时,等同于试块A和试块B受分别的力的作用,由力的平衡原理可知σA=σB=σ,此时岩石虽不受层间约束力的影响,但岩石的高径比则成为影响岩石的因素之一。郭中华[14]在研究岩石单轴压缩性质时得出岩石的抗压强度与高径比呈线性关系:

(1)