李夢(mèng)楠

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 包頭 014000；2.河南油田石油工程技術(shù)研究院 河南 南陽(yáng) 473132）

0 引言

目前對(duì)露天煤礦進(jìn)行深孔爆破，同一區(qū)域的開采臺(tái)階由上部到下部可能包括砂巖、泥巖、含礫砂巖、煤巖等不同巖體組成。由于不同巖石力學(xué)參數(shù)的性質(zhì)不同，采用傳統(tǒng)的爆破方式會(huì)產(chǎn)生爆破后巖層高度相對(duì)高，爆炸后巖塊均勻性差，炸藥消耗大的問題[1]。爆破效果受多種因素影響，主要包括巖石力學(xué)性質(zhì)、藥量、微差時(shí)間、孔徑等。在這些因素中，巖石的力學(xué)性質(zhì)與爆破結(jié)果關(guān)聯(lián)性最大。因此，有必要在實(shí)施爆破前，對(duì)該礦區(qū)巖體的力學(xué)性質(zhì)開展測(cè)試，為后續(xù)輸入力學(xué)參數(shù)利用軟件指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)采用X礦區(qū)，由于巖石較為堅(jiān)固，縱向上巖石成分變化大，軟巖，硬巖交錯(cuò)沉積，過去炸藥下入深度深，造成了爆炸后平臺(tái)出現(xiàn)根底，需要后期機(jī)械鉆孔，降低了工廠的生產(chǎn)效率。為了降低炸藥消耗，和提高巖石開采效率，因此有必要對(duì)礦區(qū)內(nèi)巖石的力學(xué)性質(zhì)做測(cè)試研究。為后期科學(xué)的布孔，下入炸藥提供施工依據(jù)。

本次鉆孔取樣的砂巖和含礫砂巖，對(duì)巖層的樣品分析后，巖石成分以細(xì)砂巖、含礫細(xì)砂巖為主，巖石中碎屑成分主要為石英（平均31%～44%）、長(zhǎng)石（平均18%～20%）、巖屑（平均21%～22%），以及少量花崗巖、硅質(zhì)巖、云母。砂巖巖石中因石英、長(zhǎng)石含量高。但巖石膠結(jié)類型多為孔隙-壓嵌型，其中膠結(jié)物主要為泥質(zhì)，且膠結(jié)疏松。

1.1 巖石密度測(cè)試

測(cè)量試樣尺寸并計(jì)算體積。將試樣置于105°C~110°C溫度下連續(xù)烘干1~2天，然后放到干燥器中冷卻至室溫，稱干試樣質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.01 g。

表1 某礦砂巖巖石密度測(cè)定結(jié)果

表2 某礦含礫砂巖巖石密度測(cè)定結(jié)果

1.2 巖石抗張強(qiáng)度測(cè)試

1.2.1 測(cè)試原理

本次試驗(yàn)采用劈裂法測(cè)定巖石的抗張強(qiáng)度。劈裂法是沿加工成規(guī)則圓柱體試件直徑方向施加相對(duì)線性載荷，使試件內(nèi)部沿徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力而破壞的試驗(yàn)方法[2]。

1.2.2 測(cè)試步驟及結(jié)果

測(cè)量試樣尺寸。將試樣置于105°C~110°C溫度下連續(xù)烘干1~2天，然后放到干燥器中冷卻至室溫。將試樣準(zhǔn)確放在試樣架內(nèi)，試驗(yàn)機(jī)加載至試樣破壞，記錄試樣破壞時(shí)載荷值。

計(jì)算公式：

式中：St—巖石抗張強(qiáng)度，MPa；

D—試樣直徑，cm；

L—試樣厚度，cm。

表3 某礦砂巖巖石抗張測(cè)試結(jié)果

1.3 巖石三軸壓縮試驗(yàn)

1.3.1 測(cè)試原理

巖石三軸試驗(yàn)的目的在于了解巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形特性和巖石的強(qiáng)度特性。通過試驗(yàn)可求得巖石不同壓力條件下的力學(xué)參數(shù)和摩爾圓包絡(luò)線。通過測(cè)定規(guī)則形狀的巖石試件在不同圍壓作用下縱向和橫向的變形量，從而求得巖石的彈性模量、泊松比以及巖石三軸抗壓強(qiáng)度[3-5]。

1.3.2 測(cè)試步驟以及結(jié)果

打開計(jì)算機(jī)，運(yùn)行試驗(yàn)軟件。連接軸徑向變形傳感器，調(diào)整軸向變形傳感器初始值為-2 mm，調(diào)整徑向變形傳感器初始值為2 mm。圍壓加載到目標(biāo)值后，在試樣破壞強(qiáng)度的30%之前采取軸向應(yīng)變控制，后轉(zhuǎn)為徑向應(yīng)變控制直到試樣破壞，控制程序自動(dòng)采集應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)值。

根據(jù)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果可以確定不同圍壓條件下的巖石彈性模量和泊松比。

計(jì)算軸向破壞應(yīng)力σ（MPa）：

式中：σ1—軸壓（MPa）

σ3—圍壓（MPa）

計(jì)算彈性模量E，泊松比μ。

式中：(σ1-σ3)()為最大主應(yīng)力差值，MPa。

εh—σ1軸向壓縮應(yīng)變

εd—σ1徑向壓縮應(yīng)變

K由軸向破壞應(yīng)力與圍壓關(guān)系擬合曲線所求得；

表5 砂巖三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表

圖2 砂巖強(qiáng)度包絡(luò)線圖

圖3 含礫砂巖強(qiáng)度包絡(luò)線圖

表6 砂巖三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表

1.4 巖石剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

因巖石的低抗拉特性導(dǎo)致拉張破壞現(xiàn)象。爆破過程中，炸藥沖擊力打破了原有地應(yīng)力狀態(tài)，使巖體局部受拉應(yīng)力作用。當(dāng)巖體的拉應(yīng)力水平載超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生拉張破壞，產(chǎn)生破裂面，破裂面之間形成裂隙，隨著注入壓力的增加而不斷擴(kuò)展。

1.4.1 試驗(yàn)原理

巖石抵抗剪切破壞的最大能力稱為抗剪強(qiáng)度。測(cè)定巖石抗剪強(qiáng)度,對(duì)試樣，施加不同的法向荷載,用平推法施加水平剪切力，直至試樣被剪壞，計(jì)算抗剪強(qiáng)度。根據(jù)莫爾理論，求得抗剪強(qiáng)度參數(shù):內(nèi)摩擦角（φ）和內(nèi)聚力（C）。

1.4.2 測(cè)試步驟以及結(jié)果

（1）制備樣品，試樣用巖石鉆機(jī)鉆成?25×50 mm的圓柱型。

（2）打開計(jì)算機(jī)，運(yùn)行試驗(yàn)軟件。

（3）采用位移控制，加載法向荷載目標(biāo)值。

（4）同樣采用位移控制，加載水平剪切力，直至試樣被剪壞?？刂瞥绦蜃詣?dòng)采集荷載、應(yīng)力、位移等數(shù)值。

（5）巖石的直剪強(qiáng)度試驗(yàn)的法向應(yīng)力σn和剪切應(yīng)力τ按下式計(jì)算：

式中：N—法向力，kN；

Q—剪切力，kN；

A—沿試樣剪切方向的有效剪切面積，cm2。

表7 巖石剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

2 利用巖石力學(xué)參數(shù)模擬巖石變化的應(yīng)用

使用ANASYS模擬計(jì)算分析過程中，固定砂巖基本的物理、力學(xué)參數(shù)，分別研究最大和最小水平應(yīng)力差、彈性模量、泊松比等參數(shù)變化對(duì)巖石起裂的影響。

建立的物理模型如圖4，模擬單位厚度的半無(wú)限大水平巖層，井眼半徑0.1 m，左側(cè)邊界為滑移邊界（約束x向的位移），另外三側(cè)邊界為固定位移邊界（對(duì)應(yīng)模擬無(wú)限遠(yuǎn)處地層）。

圖4 巖石開裂模型示意圖

模型網(wǎng)格劃分見圖5，采用三角形網(wǎng)格，且采用漸變網(wǎng)格對(duì)井眼及模型中間線進(jìn)行局部加密，井眼網(wǎng)格尺寸為0.01 m，模型中間線網(wǎng)格尺寸為0.2 m，模型外邊界網(wǎng)格尺寸為5 m，模型內(nèi)部網(wǎng)格尺寸為5 m。模擬計(jì)算所需基本參數(shù)如下：井深600 m，最大水平地應(yīng)力12 MPa，最小水平地應(yīng)力10 MPa，孔隙壓力6 MPa，煤巖抗拉強(qiáng)度0.5 MPa，彈性模量4 000 MPa，泊松比0.35。

圖5 有限元網(wǎng)格剖分圖

固定煤層和砂巖的基本物理、力學(xué)參數(shù)，同時(shí)固定地層的垂向地應(yīng)力和煤層的最小水平地應(yīng)力，改變砂巖的最小水平地應(yīng)力，研究砂巖與煤層水平地應(yīng)力差Δσ分別為2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa時(shí)巖石壓裂裂縫擴(kuò)展情況，結(jié)果見圖6至圖9。

圖6 Δσ為2MPa時(shí)裂縫擴(kuò)展整體變形圖

圖7 Δσ為2MPa時(shí)第一主應(yīng)力分布云圖

圖8 Δσ為8MPa時(shí)裂縫擴(kuò)展整體變形圖

圖9 Δσ為8MPa時(shí)第一主應(yīng)力分布云圖

記錄不同砂巖與煤層地應(yīng)力差時(shí)，巖石破裂裂縫向下縱向位移，結(jié)果見表8。

表8 不同Δσ時(shí)煤層與砂巖層交界面中點(diǎn)的縱向位移

3 結(jié)論

(1)儲(chǔ)層巖石中因石英、長(zhǎng)石含量高，巖石密度較大。但巖石膠結(jié)類型多為孔隙-壓嵌型，膠結(jié)物主要為泥質(zhì)，且膠結(jié)疏松。所以巖石抗張強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度低，彈性模量小，泊松比小，即巖石彈性變形小。礫砂巖抗張強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度都低于砂巖。

(2)裂縫整體變形圖可以看出，隨著砂巖與煤層水平地應(yīng)力差Δσ的增加，裂縫擴(kuò)展穿過砂巖的距離減小，當(dāng)Δσ為6 MPa時(shí)，裂縫剛好穿過砂巖，當(dāng)Δσ進(jìn)一步增加至8 MPa時(shí)，裂縫已經(jīng)不能再穿過砂巖，可以預(yù)見裂縫將會(huì)在砂巖與煤層交界處橫向擴(kuò)展，由于砂巖與煤層交界面膠結(jié)程度差，最終會(huì)形成T形縫。