盈盛煤业9号煤层顶板岩石力学性能实验研究

2021-04-08牛军平杜敬彬

能源与环保 2021年3期

王飞，牛军平，杜敬彬

(1.焦作煤业(集团)有限责任公司瓦斯治理工程公司，河南焦作 454000；2.山西晋煤集团泽州天安盈盛煤业有限公司，山西晋城 048019)

盈盛煤业91303工作面直接顶为泥岩、砂质泥岩，常相变为粉砂质泥岩，岩体经过沉积或变质作用形成了层状结构，同时内部蕴含了大量非连续性的微缺陷。随着层状岩体受荷状态的变化，损伤不断发展，往往表现出物理和力学的各向异性特征。在回采过程中，煤层顶板垮落步距较长，且一旦发生垮落，容易形成较强的冲击载荷，释放瓦斯灾害，给矿井的安全生产带来安全隐患[1-4]。因此，对盈盛煤业91303工作面进行岩石力学试验研究，探索其力学特征和破坏特征，具有重要的理论价值和工程指导意义。

目前，国内外对煤层坚硬顶板以及层状岩石的力学性能和破坏特征的试验分析已经取得不少成果。RAMAMURTHY[5]较早地开展关于层理对岩石的物理和力学性能方面的研究，探索了强度和变形的各向异性规律。胡千庭等[6]分析并建立了坚硬顶板在不同损伤程度下的强度与围压的函数关系式，提出了计算表征岩体非线性破坏准则即Hoek-Brown准则参数m、s的方法，为分析坚硬顶板赋存条件下的煤岩复合动力灾害诱发及致灾提供新途径。张婧等[7]研究了围压对岩石变形和弹性模量的影响。李清[8]分析了围岩岩样的抗拉强度和单轴、三轴抗压强度以及弹性模量和泊松比平均值与围压之间的关系。平琦等[9-10]等结合岩石内部的微裂纹的细观力学研究分析，对岩石单轴循环加卸载的应力—应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行了研究。对矿岩的力学性质进行测试分析，能够为矿山采场结构参数的优化奠定基础，同时也是为了保障矿井下相关工程的设计顺利以及巷道支护的安全[11-13]。

本文针对盈盛煤业坚硬顶板赋存下重复开采条件，对7号和8号煤层分别开采时上覆坚硬砂岩的岩石力学性能进行试验研究，目的是讨论该工作面是否适合水力压裂技术，并且根据顶板岩层地应力场及岩层强度计算裂缝起裂压力。该测试能够对盈盛煤业控制采空区坚硬顶板、工作面顶板管理水平提供理论和技术支持。

1 工程地质条件

山西晋煤集团泽州天安盈盛煤业有限公司(以下简称“盈盛煤业”)井田位于泽州县川底乡西南上小河一带，目前回采9号煤层91303工作面，上部为3号煤层已采空，存有大量的积水，下部15号煤层为实体煤层。91303工作面位于太原组三段底部，煤层厚度约1.69 m，煤层倾角2°～6°，平均4°，煤层结构简单。

91303工作面局部存在伪顶，为炭质泥岩，厚度0.1～0.2 m，灰黑色，含植物化石，一般随采随落。直接顶为泥岩、砂质泥岩，常相变为粉砂质泥岩，厚度为2.50～3.25 m，其抗压强度为26.8～32.0 MPa，平均29.2 MPa，坚固性系数0.63，普氏硬度系数2.9，抗拉强度为0.6～0.7 MPa，内摩擦角31°39′；局部顶板为石灰岩，石灰岩厚度一般0.2～1.5 m；基本顶为中厚层的细粒、中粗粒砂岩，厚6.74 m，以石英为主，长石次之。工作面直接底为深灰色状厚0.7～1.2 m，有斜节理，含方解细脉、生物碎屑。基本底为粉砂岩，厚约3.4 m，含黄铁矿检核，其下部为厚9.2 m的K2灰岩，距15号煤层约25 m。

岩层分布以砂岩和泥岩互层分布为主，为典型的复合型顶板。目前91303工作面正在回采，在进行坚硬顶板水力压裂时只能进行91205巷和91206巷中工作面顶板的水力压裂钻孔设计。

2 试验研究

2.1 设备及方法

此次岩石力学试验使用RMT-150B型电液伺服试验机(图1)，该试验机是煤岩力学性质参数试验研究的专用设备，具有单轴压缩、三轴压缩、直接拉伸、直接剪切等多种功能。试验数据自动采样、实时显示，试验结束后可输出试验条件、各种载荷变形曲线以及相关分析处理结果。利用该试验机的取样要求为：①利用取芯钻头和取芯管钻取岩芯，取芯直径不低于72 mm，取芯完整段长度大于100 mm为有效段；②将长度大于100 mm的岩芯用保鲜膜密封严实，并依次编号，注明岩样名称、距钻孔口位置；③将包装好的岩芯依次装入木箱子，并用棉纱等柔软物填塞，防止运输途中损坏；④取芯角度垂直顶板，取芯深度25.0 m。

图1 RMT-150B电液伺服试验机Fig.1 RMT-150B electro hydraulic servo testing machine

2.2 试件取样及实验方案

根据项目研究需要，91303工作面取样地点为91206巷顶板，倾角45°，钻孔深度30 m。取芯直径为72 mm，所取岩芯相对完整并且均大于100 mm为有效段。

此次试验选择所取岩芯中比较突出的煤岩样，分为4类：砂岩、砂质泥岩、煤和石灰岩。其中煤为7号煤(M42-1)和8号(M28-1、M29-1)煤取出的煤芯，石灰岩位于7号煤上方。每类煤岩样选用 3 个试件进行平行试验，试验采用位移控制方法。为了保证数据采集的稳定性，加载速率设置为0.005 mm/s，记录试件应力—应变曲线。并且对不同岩性岩样分别做单轴压缩实验，来研究不同煤岩样试件的力学性质的差异及其破坏特征。

3 实验结果分析

3.1 岩石力学试验结果分析

岩石的力学性质主要包括岩石的强度和岩石的破坏特征等，对完整岩石试件进行单轴压缩试验，试验曲线如图2所示。

图2 岩石应力应变曲线Fig.2 Stress strain curve of rock

从图2可以看出，试样压缩过程约可分3个阶段：

(1)应力变化阶段。在压缩初期，随着应力不断增大，应变也随之增大，应力应变曲线展现为上凹特征，曲线的斜率随应力的增大而增大。

(2)线性、弹性变化阶段。随着载荷的增加，应力应变曲线呈线性变化，应力大于应变增幅，此阶段主要是弹性变形。

(3)峰后阶段。曲线到达峰值后，方向直转向下，岩石发生脆性破坏，直接破碎。

由图2和表1可知，不同试样的抗压强度差别很大。9号煤层与煤线段主要以泥岩和砂质泥岩为主，其中砂岩平均单轴抗压强度为97.8 MPa，离散性大，最高达到118.8 MPa；黑色的砂质泥岩平均单轴抗压强度为69.1 MPa；K2灰岩平均单轴抗压强度为195 MPa，强度特别大；7号煤层、8号煤层的单轴矿压强度相差不大，单轴抗压强度平均为5.0 MPa。8号煤层与7号层煤之间的岩层强度较低，以泥岩、砂质泥岩为主，岩层比较破碎。7号煤层顶板岩层以强度较高的灰岩分布为主，故7号煤层顶底板岩层强度较高。

表1 岩石单轴压缩实验强度Tab.1 Experimental strength of rock under uniaxial compression

3.2 岩石力学破坏特征分析

裂纹的萌生以及裂隙的扩展均需要能量，加之不同的煤岩样结构不同、受力方向不同，导致不同煤岩样之间的储能和释能的能力差别较大，因此，试样的破坏特征也存在差别。通过在压缩过程中对试样的观察发现，煤样和石灰岩在载荷达到抗压强度时，试件完全破碎，呈碎片状。砂岩和砂质泥岩则是由于瞬间出现了贯穿整个试件的轴向裂纹而发生破坏。试样破坏后破坏特征如图3所示。这些破坏形式表明该岩石的破坏类型为脆性破坏。从力学角度分析，当岩石承受来自外界压力时，内部微裂纹成核、扩展，随着应力的增加，裂纹逐渐汇合、贯通，导致强度降低，经过应力场不断调整，沿某些方位形成宏观大裂纹，最终导致岩石的整体破坏。