李梦楠

（1.内蒙古科技大学矿业工程学院 内蒙古 包头 014000；2.河南油田石油工程技术研究院 河南 南阳 473132）

0 引言

目前对露天煤矿进行深孔爆破，同一区域的开采台阶由上部到下部可能包括砂岩、泥岩、含砾砂岩、煤岩等不同岩体组成。由于不同岩石力学参数的性质不同，采用传统的爆破方式会产生爆破后岩层高度相对高，爆炸后岩块均匀性差，炸药消耗大的问题[1]。爆破效果受多种因素影响，主要包括岩石力学性质、药量、微差时间、孔径等。在这些因素中，岩石的力学性质与爆破结果关联性最大。因此，有必要在实施爆破前，对该矿区岩体的力学性质开展测试，为后续输入力学参数利用软件指导爆破设计提供数据支撑。

1 岩石力学性质测试

本次实验采用X矿区，由于岩石较为坚固，纵向上岩石成分变化大，软岩，硬岩交错沉积，过去炸药下入深度深，造成了爆炸后平台出现根底，需要后期机械钻孔，降低了工厂的生产效率。为了降低炸药消耗，和提高岩石开采效率，因此有必要对矿区内岩石的力学性质做测试研究。为后期科学的布孔，下入炸药提供施工依据。

本次钻孔取样的砂岩和含砾砂岩，对岩层的样品分析后，岩石成分以细砂岩、含砾细砂岩为主，岩石中碎屑成分主要为石英（平均31%～44%）、长石（平均18%～20%）、岩屑（平均21%～22%），以及少量花岗岩、硅质岩、云母。砂岩岩石中因石英、长石含量高。但岩石胶结类型多为孔隙-压嵌型，其中胶结物主要为泥质，且胶结疏松。

1.1 岩石密度测试

测量试样尺寸并计算体积。将试样置于105°C~110°C温度下连续烘干1~2天，然后放到干燥器中冷却至室温，称干试样质量，准确至0.01 g。

表1 某矿砂岩岩石密度测定结果

表2 某矿含砾砂岩岩石密度测定结果

1.2 岩石抗张强度测试

1.2.1 测试原理

本次试验采用劈裂法测定岩石的抗张强度。劈裂法是沿加工成规则圆柱体试件直径方向施加相对线性载荷，使试件内部沿径向产生拉应力而破坏的试验方法[2]。

1.2.2 测试步骤及结果

测量试样尺寸。将试样置于105°C~110°C温度下连续烘干1~2天，然后放到干燥器中冷却至室温。将试样准确放在试样架内，试验机加载至试样破坏，记录试样破坏时载荷值。

计算公式：

式中：St—岩石抗张强度，MPa；

D—试样直径，cm；

L—试样厚度，cm。

表3 某矿砂岩岩石抗张测试结果

1.3 岩石三轴压缩试验

1.3.1 测试原理

岩石三轴试验的目的在于了解岩石在复杂应力状态下的变形特性和岩石的强度特性。通过试验可求得岩石不同压力条件下的力学参数和摩尔圆包络线。通过测定规则形状的岩石试件在不同围压作用下纵向和横向的变形量，从而求得岩石的弹性模量、泊松比以及岩石三轴抗压强度[3-5]。

1.3.2 测试步骤以及结果

打开计算机，运行试验软件。连接轴径向变形传感器，调整轴向变形传感器初始值为-2 mm，调整径向变形传感器初始值为2 mm。围压加载到目标值后，在试样破坏强度的30%之前采取轴向应变控制，后转为径向应变控制直到试样破坏，控制程序自动采集应力、应变等数值。

根据三轴压缩试验结果可以确定不同围压条件下的岩石弹性模量和泊松比。

计算轴向破坏应力σ（MPa）：

式中：σ1—轴压（MPa）

σ3—围压（MPa）

计算弹性模量E，泊松比μ。

式中：(σ1-σ3)()为最大主应力差值，MPa。

εh—σ1轴向压缩应变

εd—σ1径向压缩应变

K由轴向破坏应力与围压关系拟合曲线所求得；

表5 砂岩三轴压缩试验结果表

图2 砂岩强度包络线图

图3 含砾砂岩强度包络线图

表6 砂岩三轴压缩试验结果表

1.4 岩石剪切强度试验

因岩石的低抗拉特性导致拉张破坏现象。爆破过程中，炸药冲击力打破了原有地应力状态，使岩体局部受拉应力作用。当岩体的拉应力水平载超过抗拉强度时，就会发生拉张破坏，产生破裂面，破裂面之间形成裂隙，随着注入压力的增加而不断扩展。

1.4.1 试验原理

岩石抵抗剪切破坏的最大能力称为抗剪强度。测定岩石抗剪强度,对试样，施加不同的法向荷载,用平推法施加水平剪切力，直至试样被剪坏，计算抗剪强度。根据莫尔理论，求得抗剪强度参数:内摩擦角（φ）和内聚力（C）。

1.4.2 测试步骤以及结果

（1）制备样品，试样用岩石钻机钻成ϕ25×50 mm的圆柱型。

（2）打开计算机，运行试验软件。

（3）采用位移控制，加载法向荷载目标值。

（4）同样采用位移控制，加载水平剪切力，直至试样被剪坏。控制程序自动采集荷载、应力、位移等数值。

（5）岩石的直剪强度试验的法向应力σn和剪切应力τ按下式计算：

式中：N—法向力，kN；

Q—剪切力，kN；

A—沿试样剪切方向的有效剪切面积，cm2。

表7 岩石剪切强度试验结果表

2 利用岩石力学参数模拟岩石变化的应用

使用ANASYS模拟计算分析过程中，固定砂岩基本的物理、力学参数，分别研究最大和最小水平应力差、弹性模量、泊松比等参数变化对岩石起裂的影响。

建立的物理模型如图4，模拟单位厚度的半无限大水平岩层，井眼半径0.1 m，左侧边界为滑移边界（约束x向的位移），另外三侧边界为固定位移边界（对应模拟无限远处地层）。

图4 岩石开裂模型示意图

模型网格划分见图5，采用三角形网格，且采用渐变网格对井眼及模型中间线进行局部加密，井眼网格尺寸为0.01 m，模型中间线网格尺寸为0.2 m，模型外边界网格尺寸为5 m，模型内部网格尺寸为5 m。模拟计算所需基本参数如下：井深600 m，最大水平地应力12 MPa，最小水平地应力10 MPa，孔隙压力6 MPa，煤岩抗拉强度0.5 MPa，弹性模量4 000 MPa，泊松比0.35。

图5 有限元网格剖分图

固定煤层和砂岩的基本物理、力学参数，同时固定地层的垂向地应力和煤层的最小水平地应力，改变砂岩的最小水平地应力，研究砂岩与煤层水平地应力差Δσ分别为2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa时岩石压裂裂缝扩展情况，结果见图6至图9。

图6 Δσ为2MPa时裂缝扩展整体变形图

图7 Δσ为2MPa时第一主应力分布云图

图8 Δσ为8MPa时裂缝扩展整体变形图

图9 Δσ为8MPa时第一主应力分布云图

记录不同砂岩与煤层地应力差时，岩石破裂裂缝向下纵向位移，结果见表8。

表8 不同Δσ时煤层与砂岩层交界面中点的纵向位移

3 结论

(1)储层岩石中因石英、长石含量高，岩石密度较大。但岩石胶结类型多为孔隙-压嵌型，胶结物主要为泥质，且胶结疏松。所以岩石抗张强度、抗压强度低，弹性模量小，泊松比小，即岩石弹性变形小。砾砂岩抗张强度、抗压强度、剪切强度都低于砂岩。

(2)裂缝整体变形图可以看出，随着砂岩与煤层水平地应力差Δσ的增加，裂缝扩展穿过砂岩的距离减小，当Δσ为6 MPa时，裂缝刚好穿过砂岩，当Δσ进一步增加至8 MPa时，裂缝已经不能再穿过砂岩，可以预见裂缝将会在砂岩与煤层交界处横向扩展，由于砂岩与煤层交界面胶结程度差，最终会形成T形缝。