煤系岩石力学性质差异的岩性效应

杨文丰 田开飞 黄丹 祝立亮 徐宏杰

摘 要：以淮南矿区煤层顶底板岩石力学测试取得的大量数据资料为基础，研究了煤层顶底板力学性质的岩性效应差异。结果表明：以细砂岩至粉砂岩、泥质粉砂岩至砂质泥岩为大致过渡界限，煤层顶底板不同岩性的力学参数存在阶梯状突变，抗压强度、抗拉强度、凝聚力与弹性模量随颗粒减小而减小，泊松比随颗粒变小而增大，内摩擦角随颗粒大小变化的趋势不明显，研究结果与前人所获规律具有一致性。矿物成分变化、碎屑颗粒大小、接触与支撑、胶结作用与类型是控制煤层顶底板力学性质的岩性差异的主要内因。

关键词：力学性质；岩性效应；煤层顶底板；控制机制

煤系地层沉积岩主要由砂岩、泥岩、灰岩等岩石构成。不同岩性的的颗粒大小、矿物的成分以及岩石组成结构等都有所不同，从而对岩石力学性质有一定的影响。有关岩石力学特性研究早已受到国内外学者的重视且取得了许多研究成果[1-5]，主要是从岩石所处受力条件、赋存环境、含水性等影响因素方面开展研究[6-9]，并对深部地层岩石力学性质进行了研究[10-12]，而对岩石力学性质差异起着决定作用的是岩石本身固有的岩性差异方面却研究的较少[13-15]。为此，本文以淮南矿区含煤岩系不同岩性岩石的基本测试力学参数为依据，分析了不同岩性的力学性质差异规律，探讨了影响煤系沉积岩力学性质差异的内在影响因素，以期对煤矿井下支护和地面瓦斯抽采钻孔破坏的层位与岩性效应研究提供一定理论依据。

1 煤层顶底板力学性质岩性差异

1.1 样品采集与参数测试

实验所用岩石样品采自淮南矿区丁集矿、顾北矿、顾桥矿、潘三矿、潘一矿以及张集矿煤系地层的粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、石英砂岩、以及泥岩等。为便于力学参数的统计对比分析，根据矿物颗粒大小，进一步将岩石划分为粗、中、中细、细砂岩，粉砂、粉细砂和泥质粉砂岩，砂质泥岩和泥岩。

研究的岩石力学参数中，岩石变形参数泊松比v和弹性模量G是相互独立的，可以通过三轴加载实验获取得到。其他的岩石力学参数的机械强度参数，如抗压强度、内摩擦角和

凝聚力可以通过上述的两个独立参数推导出来 。抗拉强度参数数据则需要另外进行抗拉强度试验测得。本文数据来自于两次独立试验和多次数据计算。

1.2 岩石力学性质的岩性效应

试验结果表明（表1），砂岩的抗压强度为27.0～150.525MPa，平均54.435MPa，抗拉强度1.02～4.22MPa，弹性模量8.412～43.93GPa，泊松比0.119～0.253，凝聚力5～21MPa，内摩擦角29～42.0°；粉砂岩的抗压强度为10.05～138.76MPa，平均38.610MPa，抗拉强度0.4～3.9MPa，弹性模量2.663～30.7GPa，泊松比0.078～0.325，凝聚力1.5～17MPa，内摩擦角30～48°；泥岩的抗压强度为9.4～122.412MPa，平均26.491MPa，抗拉强度0.16～3.64MPa，弹性模量2.038～48.21GPa，泊松比0.12～0.31，凝聚力1.2～15.5MPa，内摩擦角25～45°。

不同岩性的岩石力学性质差异较大，抗压强度和抗拉强度等指标以砂岩为最大，平均值分别是54.435MPa和2.207MPa，泥岩最小，平均值为26.491MPa和0.895MPa。内摩擦角各类岩性变化不明显。但需要指出的是，不同岩性的同类力学参数存在重复与交叉，砂岩的单轴抗压强度为27.04～150.525MPa，粉砂岩为10.05～138.76MPa，泥岩为9.4～122.412MPa。这些现象表明不同岩性的力学与岩性颗粒大小并非呈简单的线性关系，岩性颗粒不是影响岩性力学性质差异的唯一因素，岩石成分、结构、胶结成分，胶结类型和支撑类型等内在因素和赋存环境、受力条件等外在因素同样对岩石力学性质存在影响。

1.2.1 岩石的机械强度参数对比

岩石抵抗外力破坏的能力称为岩石的机械强度，包括抗压强度、抗拉强度和抗剪切强度，不同岩性的力学性质有很大的不同。

从以上的试验成果可以看出（图1、图2；其中，①：粉砂、中砂、细砂岩，②：粉、粉细砂、泥质粉砂岩，③：砂质泥岩、泥岩；下同），岩性颗粒由粗变细，抗压强度存在变小趋势；特别是在较粗粒砂岩与泥岩比较变化明显；抗拉强度反应同样趋势，但部分砂泥岩互层抗压强度低于砂质泥岩。岩石的抗拉强度远小于抗压强度，之所以出现这种现象，是因为在压缩条件下，裂缝扩展受阻止的机会比在拉伸条件下要多得多，决定抗拉强度的因素不只是岩石颗粒间的黏聚力，还有摩擦力。在拉伸条件下，试件中裂隙扩展速率比压缩时快，因为在拉应力场中，储存能释放速率随裂隙尺寸微量增加而迅速增大，决定抗拉强度的因素主要是岩石颗粒的黏聚力。凝聚力与内摩擦角是抗剪强度指标，其随岩性的变化趋势如图3和图4所示。数据表明，凝聚力的变化比较明显，随颗粒由[16]大变小凝聚力减小，砂岩的凝聚力明显大于泥岩，石英砂岩的凝聚力较大。各种岩性内摩擦角的变化不明显，反应各类岩性颗粒之间相互摩擦需要克服颗粒表面粗糙不平而引起的滑动摩擦和颗粒之间的嵌入与咬合产生的咬合摩擦程度相差不大，影响抗剪强度差异的主要是不同岩性的凝聚力不同，即影响抗剪强度的主要因素为颗粒间距离、粒径大小、胶结程度。

1.2.2 岩石的变形参数的对比

在一定的应力范围内，物体受外力作用产生全部变形，而除去外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质称为弹性。岩石的弹性模量（E）和泊松比（μ）是描述岩石弹性变形、衡量岩石抵抗变形能力和程度的主要参数。通过对已有的岩石样品实验数据（图5）表明：不同岩性的弹性模量变化范围很大，随颗粒由大变小而降低，变化趋势与抗压强度、抗拉强度和凝聚力变化趋势一致；砂岩的弹性模量大于泥岩，其中砂质泥岩和泥质粉砂岩的弹性模量也较小。不同岩性泊松比变化范围较小，与前述岩石力学参数变化趋势相反，随颗粒减小呈阶梯状增大趋势，但变化范围较小（图6）。

2 岩性对岩石力学性质的控制机制

影响岩石力学性质的因素除与受力条件和赋存环境等外在因素有关外，岩石的沉积环境和沉积特征（物质成分和结构构造）等内在因素起决定性的作用[17]。岩性对岩石力学性质的控制实质是岩石的成分和结构对岩石力学性质的控制，主要与岩石矿物成分（主要为石英与粘土矿物相对含量）、颗粒大小、形态与结构、胶结特性等因素有关。随石英含量增高，岩石强度变大；随颗粒减小，强度增高；抗压强度随孔隙率增加而减少[18，19]。抗压强度、抗拉强度、凝聚力、弹性模与泊松比随碎屑颗粒变化呈现两次明显的阶梯跃变，分别在碎屑颗粒由大到小分别至细砂岩向粉砂岩过渡、泥质粉砂岩向砂质泥岩过渡阶段迅速减小，表现为“粒径软化”特性[20]。岩性力学性质的规律性变化，实质受颗粒碎屑成分与结构控制。对于砂岩来说，颗粒组分主要为石英，而长石、岩屑等含量较小，而石英是一种高强度刚性矿物；同时碎屑颗粒的减少意味着杂基物质含量的增加，颗粒成分不再构成岩石的骨干，颗粒接触逐渐向凸凹接触、线接触和点接触过渡，支撑结构由颗粒支撑向杂基支撑结构转变，胶结类型由镶嵌式胶结、接触式胶结、孔隙式胶结向基底式胶结过渡，使得颗粒间承受接触力并在其内部相互传递的能力减弱。随着粒度进一步变细，粘土矿物含量与云母含量增多，颗粒之间基本由杂基支撑，变形主要表现为粘性、塑性和粘弹塑性，则岩石的力学强度和刚度降低。

3 结论

（1）以细砂岩至粉砂岩、泥质粉砂岩至砂质泥岩为大致过渡界限，煤层顶底板不同岩性的力学参数存在阶梯状突变，抗压强度、抗拉强度、凝聚力与弹性模量随颗粒减小而减小，泊松比随颗粒变小而增大，内摩擦角随颗粒大小变化的趋势不明显。

（2）随煤层顶底板岩性变化，岩石力学性质的阶段式跃变呈现“粒径软化”，主要受控于岩石的矿物成分和结构。石英和粘土矿物含量、颗粒大小、颗粒接触与支撑结构、胶结作用与类型是控制煤层顶底板力学性质岩性差异的主要内因。

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基金项目：国家自然科学基金项目（41402140），安徽省自然科学基金（1408085QE88），安徽理工大学大学生科研项目（ZY1404），安徽理工大学省级大学生创新创业训练计划项目联合资助。

作者简介：杨文丰（1993—），男，本科，安徽理工大学地球与环境学院地质工程专业大四学生。