彭 瑞，朱建明，趙啟峰，鄭 赟

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

巖石力學(xué)試驗(yàn)的參數(shù)對(duì)巷道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)，井巷穩(wěn)定性研究和石油工程原位應(yīng)力方向的確定非常重要[1-2]。巖石力學(xué)試驗(yàn)一般是直接使用原位巖石，這種結(jié)果更接近現(xiàn)場工程。針對(duì)巖石力學(xué)試驗(yàn)的影響因素研究，主要分為兩個(gè)研究方向[3-6]：一種是巖石本身的性質(zhì)，如巖石組成類型，密度和風(fēng)化程度以及各向異性等。另一種是試驗(yàn)和環(huán)境條件，如侵蝕，溫度和加載速率等。但是關(guān)于巖樣空間力學(xué)研究，如研究埋藏方位影響并不多，主要是因?yàn)樵诂F(xiàn)有的巖芯鉆探基礎(chǔ)上，很難在不同方向上獲得同一塊巖芯，繼而無法通過控制方向單因素方法來分析對(duì)巖石空間力學(xué)性質(zhì)的影響。

試驗(yàn)基于上述原因有必要展開如下研究：基于巖芯水平校準(zhǔn)裝置標(biāo)定巖芯的水平方向，接著在試驗(yàn)室中使用巖樣二次固定裝置，取出空間六個(gè)不同方向的巖樣(x，y，z，xy45°，xz45°，yz45°方向)。使用RMT-150B試驗(yàn)系統(tǒng)和聲發(fā)射儀開展單軸加載試驗(yàn)，結(jié)合RFPA進(jìn)行模擬分析，研究逆斷層在附近巖體在埋藏方位角影響下體現(xiàn)出的強(qiáng)度參數(shù)、破壞到達(dá)時(shí)間、破裂形態(tài)。

1 工程地質(zhì)條件

本文選定研究對(duì)象為淮南潘三煤礦的逆斷層，該逆斷層附近圍巖破碎嚴(yán)重，給采區(qū)系統(tǒng)、巷道穩(wěn)定性造成一定影響。西三C組工作面緊鄰逆斷層，上限相對(duì)標(biāo)高為-700 m，下限相對(duì)標(biāo)高為-750 m，平均厚度3.6 m，傾角9°，屬穩(wěn)定煤層，采區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，大中型斷層發(fā)育，且多為逆斷層。

采區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，大中型斷層發(fā)育，且多為逆斷層。地應(yīng)力測試點(diǎn)選擇在西三C組煤中部采區(qū)的矸石膠帶機(jī)上山，位于逆斷層上、下盤中，在斷層上盤布置兩個(gè)取芯點(diǎn)，I-1和I-2測點(diǎn)，斷層下盤布置II-1和II-2兩個(gè)取芯點(diǎn)，如下圖1中。

圖1 逆斷層附近取芯點(diǎn)示意圖

2 巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 井下定向取芯試驗(yàn)

(1) 首先，在試驗(yàn)現(xiàn)場安裝兩個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔的鉆取深度超過2 m；

(2) 接著，使用孔芯水平定向系統(tǒng)，校準(zhǔn)顯示巖石的水平方向，建立三維坐標(biāo)，x軸方向?yàn)檩S向鉆孔，y方向?yàn)閺较蜚@孔，沿巖芯水平面的徑向作為垂直方向 z方向；

(3) 最后，使用取芯鉆機(jī)現(xiàn)場鉆取預(yù)先校準(zhǔn)水平空間坐標(biāo)的巖芯。

其中，水平定向取芯原理如下圖2所示。

圖2 斷層附近定方向鉆取巖芯

2.2 室內(nèi)巖石二次定角度取樣

針對(duì)井下取出的空間坐標(biāo)系內(nèi)水平巖芯，在試驗(yàn)室使用二次定角度取樣裝置，取出空間六個(gè)方向巖樣，如圖3為試驗(yàn)室二次定角度取樣裝置。

圓柱巖樣軸向假定為Y方向，通過改變巖芯在裝置中的位置，進(jìn)而鉆出不同方向巖石試樣，巖石橫截面為Oxz平面。

圖3 室內(nèi)鉆取xy45°、xz45°、yz45°方向巖樣

圖3是自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)二次定角度裝置示意圖，獲得專利授權(quán)(專利號(hào)：ZL201320718709.6)。 該裝置[7-8]包括樣品套筒6，槽9，支撐架7，基座10，巖樣固定裝置8。描述在巖樣固定裝置焊接在支撐架7中，將支架7和裝置底座10通過焊接在一起形成45°，將巖樣12放置在套筒內(nèi)部的槽9中，以使鉆頭接觸巖樣放置套筒，所述巖樣支架可以通過螺母5擰緊在夾具8的一側(cè)，并通過鉸鏈銷4和樣品12放置在套筒內(nèi)。

基于室內(nèi)二次定角度取樣裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以用來鉆取xy45°，xz45°，yz45°三個(gè)特定方向的巖芯，通過RMT-150B試驗(yàn)機(jī)，可以獲得對(duì)應(yīng)的特定方向巖樣的應(yīng)力，結(jié)合傳統(tǒng)鉆孔x，y，z三個(gè)方向，從而獲得不同的空間方位角對(duì)應(yīng)的巖石力學(xué)性能。

在現(xiàn)場2個(gè)取芯點(diǎn)共取出12塊巖石，在室內(nèi)取出的標(biāo)準(zhǔn)巖樣尺寸和方向，如下表1所示。

表1 室內(nèi)鉆取出各方向巖樣

2.3 試驗(yàn)室單軸壓縮試驗(yàn)

由室內(nèi)二次定角度取出的空間坐標(biāo)系中6個(gè)方向巖樣，結(jié)合試驗(yàn)室RMT-150B加載裝置和8通道DS-2聲發(fā)射測試儀，對(duì)不同方向巖樣進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測試，如下圖4所示。

該試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括聲發(fā)射探頭的黏貼，RMT-150B應(yīng)力加載方式設(shè)置，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理方法等。

2.3.1 單軸加載巖石峰值強(qiáng)度分析

使用RMT-150B壓機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，獲得的巖石聲發(fā)射應(yīng)力-應(yīng)變圖，由于數(shù)據(jù)較多，此處僅列出斷層上盤不同方向巖樣的測試數(shù)據(jù)，如下表2所示。在圖2中關(guān)于巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，是針對(duì)斷層上盤測試點(diǎn)原位巖石進(jìn)行的。斷層下盤巖樣的試驗(yàn)測試方法和數(shù)據(jù)處理與上盤一致。

圖4 室內(nèi)巖石力學(xué)聲發(fā)射測試裝置

巖石埋藏方位巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)斷層巖石受力方向彈性模量/GPa變形模量/GPa抗壓強(qiáng)度/MPa泊松比上盤砂質(zhì)泥巖x方向18 4014 2043 600 53y方向17 2511 2042 000 52z方向16 7010 6040 500 53x45°y方向13 309 5022 300 63x45°z方向13 6010 1028 100 60y45°z方向14 3010 7029 200 59斷層下盤泥巖x方向12 507 6335 200 34y方向10 906 8032 000 30z方向9 005 2028 500 30x45°y方向8 104 8022 300 08x45°z方向8 604 9019 100 09y45°z方向9 805 2024 200 12

從表2可知：斷層上盤每個(gè)方向巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果為，巖樣沿著x，y，z，yz，xz，xy方向的力學(xué)強(qiáng)度逐漸減小；斷層下盤每個(gè)方向巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果為，巖樣沿著x，y，z，yz，xy，xz方向的力學(xué)強(qiáng)度逐漸減?。患幢憩F(xiàn)為環(huán)向埋藏方向的巖石軟化性能越來越明顯，軟巖特征更為明顯。

2.3.2 斷層附近巖石斷裂形態(tài)

對(duì)斷層上、下盤巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，將部分破壞巖樣列在下圖5、圖6中，主要反映巖樣宏觀破壞特征和細(xì)觀AE事件數(shù)。其中，圖5為斷層上盤部分破壞的砂質(zhì)泥巖，圖6為斷層下盤部分破壞的泥巖。

圖5 單軸加載下斷層上盤破裂巖樣

圖6 單軸加載下斷層下盤破裂巖樣

由圖5可知，斷層上盤砂質(zhì)泥巖宏觀破壞呈壓裂，累計(jì)AE事件數(shù)較多，抗壓能力較強(qiáng)；但壓裂后的砂質(zhì)泥巖呈現(xiàn)粒度較小，遇水后易發(fā)生崩解；同時(shí)，正向方位巖樣壓裂完整度高于環(huán)向方位巖樣。

由圖6可知，斷層下盤泥巖宏觀破壞呈脆性斷裂，AE事件數(shù)較少，抗壓能力較弱；壓裂后的泥巖呈現(xiàn)粒度較大，同樣正向巖樣壓裂后完整度較好。

3 結(jié)論

通過使用井下水平方向標(biāo)定裝置和室內(nèi)二次定角度裝置。將復(fù)雜埋藏條件的巖石按照固定的空間坐標(biāo)系取出來，結(jié)合聲發(fā)射測試裝置，在試驗(yàn)室中的單軸壓縮試驗(yàn)，分析了同一截面上不同方向巖體力學(xué)性能受空間埋藏方向影響。研究表明，通過巖石抗剪強(qiáng)度等數(shù)據(jù)分類，可知空間方向?qū)r體力學(xué)性能的影響較大，除了考慮巖性，尺寸等影響因素外，試驗(yàn)埋藏方向?qū)r體力學(xué)性質(zhì)有一定影響。斷層上盤砂質(zhì)泥巖宏觀破壞呈壓裂，累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)較多，抗壓能力較強(qiáng)；斷層下盤泥巖宏觀破壞呈脆性斷裂，聲發(fā)射事件數(shù)較少?？傊?，巖體空間方向的力學(xué)試驗(yàn)對(duì)于掌握地下巷道強(qiáng)度損傷，瓦斯突出等重大危害，具有重要的試驗(yàn)意義，同時(shí)，需要綜合考慮數(shù)據(jù)分類方法、巖石賦存條件等試驗(yàn)因素對(duì)巷道布設(shè)方式的影響，如巷道軸向可按巖石空間方向中強(qiáng)度較小方向布設(shè)，而強(qiáng)度較大方向可為巷道的幫部和頂?shù)装宓纫装l(fā)生失穩(wěn)處。

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