徐 靜，周 毅，吳 燕

（1.陜西煤田地質化驗測試有限公司，陜西 西安 710054；2.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043；3.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點試驗室，陜西 西安 710054）

0 引言

煤炭一直是國民經濟發(fā)展中不可或缺的資源，煤層頂?shù)装鍘r體的物理力學性質是勘探工作的重要關注參數(shù)，是后期井田開采、巷道支護設計依據(jù)。巖體單軸抗壓強度在壓力作用下達到破壞時的極限應力值［1］，是一項常規(guī)的力學指標，壓裂是巖石鉆進、爆破時主要的破壞形式，所以抗壓強度是一項值得研究的參數(shù)。一直以來地下水賦存條件是影響巷道圍巖穩(wěn)定的重大問題，水巖作用是一個復雜的理化過程［2］。

煤系地層以砂巖、粉砂巖、泥巖等沉積巖為主，具有一定的層理性，個別巖心存在卸荷崩解、遇水膨脹、崩解等特性。在勘探生產工作中，往往存在取心困難、運輸、切割加工過程易破碎等情況，加之煤層頂、底板力學檢測對樣品尺寸有嚴格的規(guī)定，使得試驗檢測常受到巖心加工數(shù)量的限制。煤田地質勘探服務的試驗室利用現(xiàn)有的室內試驗手段，將基礎試驗深入分析，從生產實踐工作中獲取的一手試驗數(shù)據(jù)并加以分析、總結，可以為廣大煤田建設工作提供參考與借鑒。通過對煤系地層巖石樣品進行抽真空強制飽水、自然浸泡飽水，變化浸泡時長［3］，測得不同浸水條件下巖樣單軸抗壓強度，以期直觀地反映地下水作用下煤系地層巖體的抗壓強度變化規(guī)律。

1 試樣制備與試驗方法

試驗樣品選自秦皇島市柳江盆地山羊寨—秋子峪一帶的秦能一礦。開采標高+124～+1 020 m。本區(qū)巖體相對完整，取心率較高，在完成常規(guī)物理、力學性質檢測后，參考國標《煤和巖石物理力學性質測定方法第7部分：煤和巖石單軸抗壓強度測定及軟化系數(shù)計算方法GB/T 23561.7—2009》《工程巖體試驗方法標準GB/T 50266—99》《水利水電工程巖石試驗規(guī)程SL264—2001》［4-6］，由于野外取心直徑62～63 mm較細，若室內二次鉆取50 mm的巖心易產生樣品損毀，故將取得巖心帶水切割為高度100 mm的圓柱體，切割樣品端面平滑并用砂紙打磨。試樣兩端面不平行度小于0.05 mm。

設計浸泡條件為自然浸泡時間0 h（自然含水狀態(tài)）、抽真空浸泡6 h（國標中強制飽水）、無壓浸泡30 d、60 d、90 d、120 d［7］。室溫20±5℃，清水浸泡。浸泡時，按照樣品高度分4次注水，每次注水淹沒樣品的1/4高度，每次注水間隔20 min。每組平行檢測樣品1～3塊，結果取平均值，對于同一地層同一巖性的多組數(shù)據(jù)，本試驗主要儀器為WAW-100型微機控制式電液伺服萬能壓力機，壓力機精度為0.1級，加載速率1 MPa/s。

2 試驗結果分析

2.1 單軸抗壓強度及軟化系數(shù)分析

首先按照巖性，將試驗數(shù)據(jù)劃分為3類：泥巖類、粉砂巖、細粒砂巖，繪制雷達圖總結天然抗壓強度及軟化系數(shù)的分布情況。抗壓強度及軟化系數(shù)普遍規(guī)律為：細粒砂巖＞粉砂巖＞泥巖；且細粒砂巖強度及軟化系數(shù)數(shù)據(jù)偏差相對泥巖、粉砂巖離散性小，泥巖數(shù)據(jù)離散性最大，如圖1、圖2所示。

圖2 軟化系數(shù)分布圖

參照相關標準中的數(shù)理統(tǒng)計方法分析試驗結果［8-9］。本次試驗，同一地層巖性滿足統(tǒng)計的數(shù)據(jù)為山西組細粒砂巖、山西組粉砂巖各9組。山西組細粒砂巖、粉砂巖的單軸抗壓強度及軟化系數(shù)統(tǒng)計值，詳見表1。

表1 單軸抗壓強度及軟化系數(shù)統(tǒng)計值

2.2 變化浸泡條件數(shù)據(jù)分析

變化浸泡條件后試驗數(shù)據(jù)分析：無壓狀態(tài)浸泡30 d時，泥巖、粉砂巖、細粒砂巖的浸水后抗壓強度占天然抗壓強度的百分比分別為64.75%、76.76%、95.82%；無壓浸泡60 d時，泥巖、粉砂巖、細粒砂巖的浸水后抗壓強度占天然抗壓強度的百分比分別為：53.90%、66.65%、83.01%；無壓浸泡90 d時，泥巖、粉砂巖、細粒砂巖的浸水后抗壓強度占天然抗壓強度的百分比分別為：46.48%、52.92%、66.03%；無壓浸泡120 d時，泥巖、粉砂巖、細粒砂巖的浸水后抗壓強度占天然抗壓強度的百分比分別為：45.17%、48.01%、61.59%。分析可知：泥巖在120 d內變化幅度最大，且在30 d內變化速率最快，在90 d、120 d測試強度變化基本穩(wěn)定。粉砂巖在浸泡120 d內變化幅度較大，其變化速率在30 d內最快，在60 d、90 d仍未達到穩(wěn)定，降低幅度10.11%、13.73%，在120 d時減少幅度降低為4.91%；細粒砂巖浸泡120 d強度整體變化幅度最低，這與其軟化系數(shù)較大相關，前30 d，細粒砂巖的強度降低幅度僅為5.18%，在60 d、90 d降低幅度達到12.81%、16.98%，在120 d時降低幅度達到4.44%，如圖3所示。

圖3 軟化特征

強度與浸泡時間擬合曲線：通過計算泥巖、粉砂巖、細粒砂巖不同浸泡條件下的平均單軸抗壓強度，建立與浸泡時間相關的擬合曲線，得到多項式關系曲線，且擬合度較高，如圖4所示。浸泡抗壓強度y與浸泡天數(shù)x關系曲線分別為細粒砂巖：y=-0.388 4x+105.48，R2=0.957 9；粉砂巖：y=-0.223x+60.095，R2=0.976 2；泥巖：y=-0.120 4x+40.935，R2=0.872 9。將按巖性分組求得的平均值56.29、39.49，泥巖類的均值28.41帶入上式，反算浸泡天數(shù)為：126 d，92 d，104 d，與實際試驗情況相符，可知山西組等煤系地層在無壓浸泡條件下要浸泡90 d以上對樣品的軟化作用與試驗標準中抽真空6 h浸泡條件下軟化作用相仿。室內飽和抗壓強度試驗抽真空強制飽和是十分必要的，可見在深埋井下，高壓環(huán)境下，水巖作用會更為強烈，水對巖體的軟化作用增大。

圖4 強度與浸泡時間關系曲線

2.3 問題與改進

泥巖類樣品地層巖性不同，未能進行數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析時將鋁質泥巖、粉砂質泥巖等合并為一組，可能存在數(shù)據(jù)偏差。細粒砂巖、粉砂巖浸泡120 d時強度減弱趨勢未達到完全穩(wěn)定，本試驗浸泡時長受樣品量所限制，無法獲取更多浸泡更長時間的數(shù)據(jù)。在分析浸泡條件變化下的單軸抗壓強度時，按泥巖類、細粒砂巖、粉砂巖分組，由于下花園組和太原組樣品少，未對不同地層的樣品進行分離單獨分析，但考慮試驗數(shù)據(jù)的寶貴性，也沒有剔除。本次試驗樣品高徑比不是2∶1，采用分析數(shù)據(jù)是按《工程巖體試驗方法標準GB/T 50266—99》進行高徑比換算后的結果分析。

3 結論

（1）經18組樣品分別進行數(shù)理統(tǒng)計得出，山西組細粒砂巖天然工況單軸抗壓強度標準值為81.58 MPa，飽和抗壓強度標準值為46.17 MPa，軟化系數(shù)標準值0.66；山西組粉砂巖天然工況單軸抗壓強度標準值為44.46 MPa，飽和抗壓強度標準值為27.29 MPa，軟化系數(shù)標準值0.54。

（2）煤系地層山西組、太原組、下花園組中泥巖類樣品天然單軸抗壓強度相對小、遇水軟化作用明顯且軟化系數(shù)波動大。細粒砂巖天然單軸抗壓強度大、遇水軟化作用最小且各試驗指標離散性小。粉砂巖參數(shù)介于泥巖和細粒砂巖之間。

（3）無壓浸泡前30 d對細粒砂巖作用不明顯，對泥巖軟化作用明顯，室內飽和抗壓強度試驗抽真空條件能明顯縮短飽水過程，快速飽和；但延長浸泡時間90 d、120d泥巖和粉砂巖的抗壓強度軟化程度比室內抽真空條件下的軟化程度大。