趙毅鑫，劉 斌，楊志良，宋桂軍，楊東輝

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083; 2.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 4.神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 神東煤炭技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

神東礦區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，煤層賦存穩(wěn)定、開采條件優(yōu)越。近年來(lái)，隨開采強(qiáng)度增大，開采深度和范圍也隨之增加，神東礦區(qū)逐漸出現(xiàn)了強(qiáng)礦壓、礦震、嚴(yán)重底臌等在深部開采中常出現(xiàn)的現(xiàn)象[1-3]。高強(qiáng)度開采同樣加快了地表裂縫的形成，導(dǎo)致對(duì)水資源和生態(tài)環(huán)境的破壞加劇[4]。因此，有必要研究神東礦區(qū)不同賦存深度沉積巖物理力學(xué)參數(shù)隨深度的變化特征，為分析神東礦區(qū)上覆巖層裂隙場(chǎng)形成機(jī)理和地下水庫(kù)選址等提供基礎(chǔ)參數(shù)。

不同賦存深度的巖石強(qiáng)度特性、破壞特征和孔隙度等均會(huì)存在差異。以往眾多學(xué)者就賦存深度對(duì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)開展過研究。如國(guó)外的HALLEY等[5]發(fā)現(xiàn)佛羅里達(dá)州南部高孔隙度新生代碳酸鹽巖的孔隙度隨賦存深度的增加而減小。BROWN[6]對(duì)密西西比系麥迪遜群碳酸鹽的孔隙度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)孔隙度是隨賦存深度變化的函數(shù)。EHRENBERG等[7-8]以不同地質(zhì)時(shí)期的油氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象，分析了賦存深度對(duì)油氣儲(chǔ)層孔隙度的影響，得出孔隙度隨賦存深度的增加而減少的變化規(guī)律。在國(guó)內(nèi)，周宏偉等[9]對(duì)大臺(tái)煤礦不同賦存深度下的玄武巖進(jìn)行單軸、三軸及巴西劈裂試驗(yàn)研究，得出了玄武巖基本物理力學(xué)參數(shù)及變形破壞特征隨賦存深度的變化規(guī)律。姜晨光等[10]通過力學(xué)試驗(yàn)得出了花崗巖的基本力學(xué)參數(shù)隨賦存深度加深而增大，并給出相關(guān)數(shù)學(xué)模型。滿軻等[11-13]對(duì)不同賦存深度玄武巖和花崗巖的拉伸特性及動(dòng)態(tài)拉伸特性展開研究，發(fā)現(xiàn)花崗巖樣品的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度并不隨著賦存深度單調(diào)增大。汪虎等[14]對(duì)不同深度頁(yè)巖儲(chǔ)層單軸壓縮下的力學(xué)參數(shù)展開分析，并研究了頁(yè)巖儲(chǔ)層力學(xué)參數(shù)的各向異性特征。李鵬波等[15]分析了煤層上覆巖層力學(xué)性質(zhì)與賦存深度之間的變化規(guī)律。林斌等[16]研究了淮南礦區(qū)煤系地層中賦存深度對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的影響。仵彥卿、謝向東等[17-18]分析了不同賦存深度巖石的孔隙率和彈性模量變化特征。李化敏、李回貴等[19-20]對(duì)神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦、大柳塔煤礦及布爾臺(tái)煤礦進(jìn)行單軸壓縮、三軸壓縮和巴西劈裂試驗(yàn)，分析了不同沉積時(shí)期巖石的物理力學(xué)參數(shù)變化特征。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同賦存深度“硬巖”(如花崗巖、玄武巖等)研究較多，但對(duì)賦存深度對(duì)煤系地層沉積巖的斷裂韌度和抗拉強(qiáng)度影響研究則鮮有報(bào)道。因此，筆者以神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦三盤區(qū)地質(zhì)鉆孔所鉆取的不同賦存深度沉積巖巖芯為研究對(duì)象，通過巴西劈裂試驗(yàn)，獲得了賦存深度對(duì)沉積巖抗拉強(qiáng)度及斷裂韌度影響規(guī)律;基于不同賦存深度巖芯巴西劈裂過程中聲發(fā)射數(shù)據(jù)，分析了試樣破壞過程損傷和參數(shù)RA值演化特征，辨識(shí)了破壞前兆，為神東礦區(qū)中深部開采的工程地質(zhì)力學(xué)特性分析提供了參考。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試樣制備

試驗(yàn)巖樣取自神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦三盤區(qū)的BK212地質(zhì)鉆孔，鉆孔深度達(dá)596.7 m。從鉆孔巖芯中依次選取埋深為9.1，16.1，95.4，114.6，222.0，469.0，509.7，553.5，587.5，596.7 m的10組巖芯;根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)推薦方法，將10組巖芯分別加工成標(biāo)準(zhǔn)巴西圓盤試樣(φ50 mm × 25 mm)，每組3～4個(gè)樣品，其中中粗砂巖因巖芯較短只有2個(gè)樣品。試樣兩端面垂直于圓盤軸向，最大偏差不超過0.25°;端面的不平整度不大于0.1 mm。巖樣的物理參數(shù)詳見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用WDW-100E萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和美國(guó)物理聲學(xué)公司的PCI-Express 8聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)備布置如圖1所示。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的最大載荷為100 kN，加載速率為0.005～500 mm/min。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)記錄并分析材料內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射波形及相關(guān)參數(shù)。

表1 巖樣的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock samples

圖1 試驗(yàn)設(shè)備布置Fig.1 Layout of the test equipment

1.3 試驗(yàn)方案

對(duì)已加工巖樣進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，采用位移控制進(jìn)行加載，加載速率為0.2 mm/min;并同步對(duì)試驗(yàn)加載過程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。經(jīng)過反復(fù)測(cè)定環(huán)境噪音，最終將信號(hào)門檻值設(shè)定為40 dB，采樣率為1 MHz。利用耦合劑和膠帶將傳感器按照設(shè)計(jì)位置(圖2)粘貼在巖樣表面，保證兩者充分接觸且不脫落;并在加載前進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，確保試驗(yàn)中能夠獲取大量有效的聲發(fā)射數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前，先對(duì)聲發(fā)射系統(tǒng)和試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)時(shí)同步，并同步開始記錄，確保2個(gè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)在時(shí)間上一致。然后開始對(duì)巖樣進(jìn)行加載，聲發(fā)射系統(tǒng)采集巖樣內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，直至巖樣發(fā)生破壞，停止加載和數(shù)據(jù)采集，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)儲(chǔ)存的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，匯總不同巖樣加載過程中4個(gè)通道的聲發(fā)射能量、上升時(shí)間及幅值等數(shù)據(jù)為后續(xù)分析提供準(zhǔn)備。

圖2 巴西劈裂加載示意及實(shí)物Fig.2 Splitting loading of Brazil test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同賦存深度巖樣巴西劈裂破壞特征

圖3中應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要存在2種不同形式，根據(jù)其曲線特征可將10種沉積巖樣品分為2大類:第1類主要為賦存深度-300 m以深的巖樣，包含砂質(zhì)泥巖021、粉砂巖413、粉砂巖516、細(xì)砂巖531、細(xì)砂巖545和砂質(zhì)泥巖551，該類巖樣表現(xiàn)出明顯的脆性特征，峰后應(yīng)力突降，破壞突然；第2類主要為賦存深度-300 m以淺的巖樣，包括粗砂巖012、中粗砂巖032、含礫粗砂巖111和粗砂巖212，這些巖樣在峰后階段未發(fā)生突然破壞失穩(wěn)，而是內(nèi)部裂紋繼續(xù)擴(kuò)展貫通，應(yīng)力隨變形量增加緩慢下降，巖樣逐漸失穩(wěn)破壞，表現(xiàn)出一定的“延性”特征。

圖3 不同賦存深度典型巖樣巴西劈裂應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of typical rock samples at different depths

圖4為不同賦存深度典型巖樣巴西劈裂破壞形態(tài)，可以看出巖樣基本沿著直徑方向劈裂成對(duì)稱的兩部分，部分巖樣裂縫未經(jīng)過圓盤中心，主要因巖樣內(nèi)部存在節(jié)理弱面。賦存-300 m以淺巖樣破裂面多呈弧狀，即破壞為張-剪混合型破壞，在達(dá)到峰值強(qiáng)度后破裂面兩側(cè)由于剪切摩擦產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng);而賦存-300 m以深巖樣破裂面較淺部巖樣更為平直，且達(dá)到峰值強(qiáng)度后立即發(fā)生破壞，破裂面兩側(cè)未出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)。

2.2 不同賦存深度巖樣抗拉強(qiáng)度分布

圖5為不同巖樣抗拉強(qiáng)度隨賦存深度的分布情況。賦存深度較淺的巖樣抗拉強(qiáng)度較低(除砂質(zhì)泥巖1外，其內(nèi)部以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，局部泥質(zhì)膠結(jié))，賦存深度-300 m以淺的巖樣抗拉強(qiáng)度基本在0.5 MPa以下。根據(jù)地質(zhì)資料可知，該組巖樣主要為泥質(zhì)膠結(jié)，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，厚層狀;成分以石英、長(zhǎng)石為主，云母次之，含暗色礦物;分選差、磨圓次棱角狀;內(nèi)部顆粒較大，存在空隙等微結(jié)構(gòu)較多，因此在應(yīng)力較小時(shí)易產(chǎn)生較大變形，且在峰后階段表現(xiàn)出一定的“延性”，即達(dá)到峰值強(qiáng)度后不會(huì)立即發(fā)生破壞失穩(wěn)，應(yīng)力緩慢下降，變形量繼續(xù)增加。賦存深度-300 m以深的巖樣抗拉強(qiáng)度基本在1 MPa以上，該組巖樣主要為泥質(zhì)膠結(jié)，部分夾薄層粉砂巖或中砂巖，含大量植物莖葉化石碎片，夾薄層煤線;顆粒直徑小，內(nèi)部空隙等微結(jié)構(gòu)少，因此抗拉強(qiáng)度相對(duì)較大。由圖3可知，該組巖樣峰后應(yīng)力迅速降低，變形量增幅較小。

圖4 不同賦存深度巖樣劈裂破壞形態(tài)Fig.4 Failure patterns of rock samples at different depths

圖5 不同賦存深度巖樣抗拉強(qiáng)度分布Fig.5 Distribution of tensile strength of rock samples at different depths

總體而言，所測(cè)試巖樣的抗拉強(qiáng)度隨賦存深度增加而增大;對(duì)本實(shí)驗(yàn)所采用的不同賦存深度巖樣(除砂質(zhì)泥巖1外)的抗拉強(qiáng)度均值進(jìn)行非線性擬合，可得抗拉強(qiáng)度σt與賦存深度H間呈冪函數(shù)關(guān)系，其表達(dá)式為:σt=a+b×|H-161.07|2.86，其中,a,b為擬合參數(shù)，分別等于0.18 MPa和1.15×10-8MPa/m2.86，擬合參數(shù)單位由量綱分析確定。

2.3 不同賦存深度巖樣斷裂韌度分布

圖6 不同賦存深度巖樣斷裂韌度分布規(guī)律Fig.6 Distribution of fracture toughness of rock samples at different depths

2.4 不同賦存深度巖樣抗拉強(qiáng)度與斷裂韌度關(guān)系特征

圖7為所測(cè)試巖樣抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度隨賦存深度變化圖?？傮w上，巖樣抗拉強(qiáng)度、斷裂韌度與賦存深度的關(guān)系可表示為

7KⅠC+8σt=55.9-8.3ln(H+659.38)

圖7 不同賦存深度巖樣抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度分布規(guī)律Fig.7 Distribution of fracture toughness and tensile strength of rock samples at different depths

WHITTAKER，ZHANG，WANG等[27-29]分別分析了巖石和黏土材料I型斷裂韌度與拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一定的線性關(guān)系。因此對(duì)不同賦存深度巖樣抗拉強(qiáng)度與I型斷裂韌度的比值(k)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果詳見表1。不難發(fā)現(xiàn):在-300 m以淺(除砂質(zhì)泥巖1外)，k值為2～3，-400 m左右?guī)r樣k值為3～6，相對(duì)較接近文獻(xiàn)[28]中比例系數(shù)6.88;-500 m以深巖樣(除砂質(zhì)泥巖2外)相對(duì)離散。

圖8為不同巖樣抗拉強(qiáng)度與I型斷裂韌度比值k隨賦存深度的變化規(guī)律。不難發(fā)現(xiàn):賦存深度-300 m以淺巖樣(除砂質(zhì)泥巖1外)k值小于3，賦存深度-300 m以深巖樣k值多大于3，對(duì)不同賦存深度巖樣k值均值進(jìn)行擬合，得到以下關(guān)系:k=13.04-1.72ln(H+597.00)，需要指出因砂質(zhì)泥巖2及粉砂巖2比值k的離散性造成了圖8中曲線的擬合度相對(duì)不高。

圖8 不同賦存深度巖樣抗拉強(qiáng)度與斷裂韌度比值k分布Fig.8 Distribution of the ratio k of tensile strength and fracture toughness of rock samples at different depths

2.5 不同賦存深度巖樣的聲發(fā)射RA值及損傷演化特征

巖石在破壞變形過程中的聲發(fā)射反映了其內(nèi)部裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通破壞的演化過程，許多學(xué)者用聲發(fā)射參數(shù)來(lái)定量描述巖石變形破壞過程中損傷變量的演化特征[30-32]。深入分析不同賦存深度巖樣破壞形式及前兆將有利于認(rèn)識(shí)樣品抗拉強(qiáng)度與I型斷裂韌度隨深度的變化規(guī)律。本文采用聲發(fā)射累積能量定義損傷變量D，即D=Ed/E0，其中,Ed為加載過程中某時(shí)刻聲發(fā)射累積能量;E0為樣品破壞停止采集時(shí)刻的聲發(fā)射累積能量。同時(shí)，采用聲發(fā)射RA值(上升時(shí)間/幅值)判定不同深度巖樣在變形破壞過程中的主要形式，以往監(jiān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn)RA值較低時(shí)對(duì)應(yīng)破壞形式為張拉破壞，RA值較高時(shí)對(duì)應(yīng)破壞形式為剪切破壞[33-34]。

根據(jù)RA值演化規(guī)律對(duì)不同巖樣劈裂破壞過程中的破壞特征及損傷演化特征分析結(jié)果詳見表2。10種巖樣的破壞形式均為張-剪混合型破壞，張拉破壞會(huì)貫穿整個(gè)破壞過程，而剪切破壞發(fā)生時(shí)間不同:賦存深度-300 m以淺巖樣剪切破壞和損傷陡升發(fā)生在峰后階段，而賦存深度-300 m以深巖樣則發(fā)生在峰前階段。

圖9為不同賦存深度巖樣的聲發(fā)射RA值、損傷、應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系圖。不難發(fā)現(xiàn):賦存深度-300 m以深巖樣峰后階段較短，達(dá)到峰值強(qiáng)度后立即破壞，應(yīng)力迅速下降;賦存深度-300 m以淺巖樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后并未完全失去承載力，隨著應(yīng)力緩慢下降變形繼續(xù)增加，直至巖樣完全破壞。結(jié)合巖石劈裂破壞過程中的損傷曲線，將峰值強(qiáng)度前損傷-時(shí)間曲線斜率最大處所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻確定為巖石破壞前兆點(diǎn)[35]。表2亦給出了測(cè)試巖樣劈裂破壞前兆點(diǎn)，如粗砂巖012的破壞前兆點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的89.5%，砂質(zhì)泥巖021為99.3%，中粗砂巖032為65.6%，含礫粗砂巖111為73.0%，粗砂巖212為72.3%，粉砂巖413為98.5%，粉砂巖516為97.7%，細(xì)砂巖531為97.0%，細(xì)砂巖545為99.3%，砂質(zhì)泥巖551為92.1%?？梢钥闯?，賦存深度-300 m以深巖樣破壞前兆點(diǎn)基本在峰值強(qiáng)度的92%以上;而賦存深度-300 m以淺巖樣(除中粗砂巖外)則為峰值強(qiáng)度的70%～90%。從賦存深度看，賦存深度越深的沉積巖預(yù)警時(shí)間越短，失穩(wěn)破壞越迅速劇烈。

需要指出，本文所獲得的結(jié)果均基于神東布爾臺(tái)煤礦BK212鉆孔巖芯實(shí)驗(yàn)，部分巖樣因內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性造成了部分結(jié)果的離散性，因此后期仍有必要通過更多巖芯測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)所得規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證。

圖9 不同賦存深度巖樣損傷、RA值、應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Relationship curves of time with damage,RA value and stress for rocks at different depths

表2 不同賦存深度巖樣破壞形式、損傷特征及破壞前兆點(diǎn)Table 2 Failure modes,damage characteristics and failure precursors of rock samples at different depths

3 結(jié) 論

(1)神東礦區(qū)不同賦存深度巖樣抗拉強(qiáng)度和I型斷裂韌度不同，-300 m以淺巖樣分別在0.5 MPa和0.15 MPa·m1/2以下，而-300 m以深巖樣則分別在1.0 MPa和0.15 MPa·m1/2以上;總體而言，巖樣的抗拉強(qiáng)度和I型斷裂韌度隨著賦存深度的增加而增大，且均與賦存深度呈冪函數(shù)關(guān)系。

(2)不同賦存深度巖樣抗拉強(qiáng)度與I型斷裂韌度的比值k不同，在-300 m以淺巖樣，k值為2～3，-400 m左右k值為3～6，-500 m以下相對(duì)離散;k值隨賦存深度的增加而增大，且與賦存深度呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

(3)不同賦存深度巖樣在峰值強(qiáng)度前均會(huì)出現(xiàn)破壞前兆點(diǎn)，由淺到深其破壞前兆點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度分別為峰值強(qiáng)度89.5%，99.3%，65.6%，73.0%，72.3%，98.5%，97.7%，97.0%，99.3%和92.1%;-300 m以淺巖樣(除中粗砂巖外)破壞前兆點(diǎn)基本在70%～90%峰值強(qiáng)度內(nèi)出現(xiàn)，而-300 m以深巖樣的破壞前兆點(diǎn)多在92%峰值強(qiáng)度以后出現(xiàn)。因此，神東礦區(qū)沉積巖樣隨賦存深度增加巖樣破壞預(yù)警時(shí)間減少。

致謝感謝國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)地質(zhì)勘查測(cè)量公司王爾林副總工程師等在現(xiàn)場(chǎng)巖芯獲取等方面所給予的指導(dǎo)和幫助。