溫度對(duì)煤系泥巖力學(xué)特征影響的試驗(yàn)研究

查文華，宋新龍，武騰飛，李 雪

（1.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引 言

高溫環(huán)境下的巖石工程問題，已成為巖石力學(xué)發(fā)展的新方向。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了大量的研究，并已取得相應(yīng)的研究成果。張志鎮(zhèn)等[1]對(duì)花崗巖高溫加載和冷卻再加載兩種方式的力學(xué)特性的溫度效應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行了研究；張連英等[2]對(duì)泥巖高溫作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了泥巖巖樣在常溫至 800℃范圍內(nèi)主要力學(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律；秦本東等[3]利用自行研制的高溫巖石膨脹特性試驗(yàn)裝置對(duì)石灰?guī)r和砂巖試件 300～700℃高溫過程中的膨脹特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；劉石等[4]對(duì)經(jīng)歷不同高溫冷卻后大理巖的沖擊力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析高溫后大理巖的力學(xué)特性隨溫度的變化規(guī)律；李建林等[5]通過三軸卸荷試驗(yàn)對(duì)高溫后砂巖的縱波波速和力學(xué)特性與溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究；趙洪寶等[6]研究了粗砂巖試件在高溫后的密度、縱波波速和抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和開采強(qiáng)度的增大，我國煤炭資源開采深度以每年8～12 m的速度增加[7]。目前，埋深在 600～1000 m 的占 20%，埋深在1000～1500 m的占25.1%，埋深在1500～2000 m的占28.1%。相當(dāng)一部分煤礦已進(jìn)入深部開采（600～800 m），少數(shù)礦井采深達(dá)到1000 m以下，沈陽采屯礦開采深度為1197 m，長廣礦為1000 m，新汶孫村礦為1055 m，徐州張小樓礦為1100 m，開灤趙各莊礦為1159 m，北京門頭溝為1008 m，孔莊煤礦達(dá)1030 m?？深A(yù)計(jì)在未來20年我國很多煤礦將進(jìn)入到1000～1500 m的深度。

隨著開采深度的逐步增加，地溫也隨之升高，部分礦井已出現(xiàn)高溫?zé)岷?，南定煤礦的地溫梯度高達(dá)5.6 ℃/100 m，在-300 m開采水平時(shí)的溫度已經(jīng)達(dá)到 29.4～43.3 ℃；豐城建新礦采深為650 m，巖溫為42℃；三河尖煤礦21102工作面發(fā)生突水事故時(shí)水溫高達(dá)50 ℃。在常溫帶下采深每增加100 m，溫度增加3～5℃。研究表明，溫度每變化1 ℃可以產(chǎn)生0.4～0.5 MPa的地應(yīng)力變化[7]，溫度升高所產(chǎn)生的地應(yīng)力變化對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)將產(chǎn)生較大影響。

泥巖是含煤巖系中的主要巖層[8]，而目前關(guān)于煤系泥巖的試驗(yàn)研究，較多研究只涉及到泥巖遇水軟化[9－10]等問題，而在深部礦井高溫條件下的力學(xué)特性研究較少。

本文針對(duì)深井中與煤系地層共生的沉積性泥巖，在深部礦井溫度范圍內(nèi)進(jìn)行不同溫度梯度狀態(tài)下的單軸壓縮破壞試驗(yàn)，研究不同溫度作用下煤系泥巖的力學(xué)特性，為深井高溫環(huán)境下巷道的圍巖變形機(jī)制分析提供理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試樣的制備

巖石本身具有明顯的各向異性，相同試驗(yàn)條件下同一巖性、不同巖樣的的力學(xué)特性是不可能相同的。采用現(xiàn)場取樣開展室內(nèi)試驗(yàn)，雖能較真實(shí)地反映巖石本身的力學(xué)特性，但很難判別溫度對(duì)巖石力學(xué)特性的影響，因此，本文采用室內(nèi)制作試件開展溫度對(duì)煤系泥巖力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究。以淮南礦業(yè)集團(tuán)丁集礦1262(1)工作面為研究背景，該工作面11－2煤層頂板煤系泥巖在常溫下單軸抗壓強(qiáng)度平均為9.117 MPa，單軸試驗(yàn)曲線如圖1所示。試件制備參考實(shí)測的煤系泥巖單軸抗壓強(qiáng)度和淮南礦區(qū)煤系泥巖的礦物成分組成[8]：主要為黏土礦物，其次為石英和菱鐵礦，其中黏土礦物約占 50%～90%，平均為69.30%，主要為高嶺石，其次為伊利石和綠泥石，石英占10%～30%，平均為21.5%。

圖1 丁集礦11－2煤層頂板煤系泥巖單軸壓縮試驗(yàn)Fig.1 Uniaxial compression test of coal-serial mudstone of 11－2 coal roof in Dingji coal mine

試驗(yàn)用煤系泥巖巖樣具體制備過程如下：

（1）確定配比 根據(jù)煤系泥巖礦物成分的組成，采用相似材料砂漿配比制得煤系泥巖試件，其所用材料為水泥、砂、土和水，通過多次配比試驗(yàn)及其兩周后的單軸抗壓強(qiáng)度，如表1和圖2所示，并經(jīng)測試得到試驗(yàn)試件的含水率為 2%。依據(jù)工程背景確定采用表 1中配比 5，即各材料質(zhì)量比為1134:1520:185:488。

表1 水泥砂漿配合比(單位: kg)Table 1 Mixture ratio of cement mortar(unit: kg)

圖2 不同配比對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變曲線Fig.2 Curves of peak stress and peak strain for different mixture ratios

（2）制作巖板 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室材料制備長′寬′高為100 cm′20 cm′10 cm的巖板金屬模具，四周為金屬槽鋼和鐵板利用螺栓連接加固，下面鋪設(shè)表面比較平整的硬質(zhì)木板。按照配合比稱量沙子、水泥、水，攪拌適當(dāng)后轉(zhuǎn)移到模具內(nèi)，灘涂均勻，再用振動(dòng)棒振動(dòng)排除砂漿內(nèi)空隙，最后抹平樣板表面，1 d后打開模具四周槽鋼和鐵板令巖板自然晾干，以后每天適當(dāng)灑水養(yǎng)護(hù)，14 d后取芯打磨制備巖樣。

（3）試件制備 針對(duì)制備的巖板利用巖石取芯機(jī)進(jìn)行鉆孔取樣，保存試件的完整性，試件為直徑50 mm、高100 mm左右的圓柱體，然后用巖石雙端面磨平機(jī)將巖樣兩端磨平，兩端面不平行度誤差不大于0.05 mm，端面不平整度誤差不大于0.02 mm。

（4）巖樣編號(hào)。

（5）測量 在加溫前用游標(biāo)卡尺和電子稱（精度為0.01 g）對(duì)所有的試件幾何尺寸和質(zhì)量進(jìn)行測量并記錄。

2.2 試驗(yàn)裝置

試樣加載設(shè)備采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT－150B電液伺服試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備是測試煤巖、混凝土力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的專用設(shè)備，具有單軸壓縮、三軸壓縮、直接拉伸、直接剪切等多種功能，其最大軸向載荷為1000 kN，最大側(cè)壓為50 MPa，最大剪切載荷為500 kN。試驗(yàn)程序采用計(jì)算機(jī)控制，控制方式有位移控制、變形控制和載荷控制3種方式，變形速率在0.0001～1 mm/s、載荷速率在0.01～100 kN/s范圍內(nèi)可調(diào)，試驗(yàn)過程可任意調(diào)整。試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采樣，可以獲得不同約束條件下巖石的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量、變形模量等力學(xué)參數(shù)。

試驗(yàn)加熱設(shè)備是根據(jù)RMT－150B的外形尺寸和結(jié)構(gòu)特征研制的GD－65/150高低溫環(huán)境箱，該加溫設(shè)備可以自動(dòng)控溫，溫控范圍為-65～150℃，溫度波動(dòng)度≤±1 ℃。圖3為GD－65/150高低溫環(huán)境箱與RMT－150B試驗(yàn)系統(tǒng)。

2.3 試驗(yàn)方案及方法

試驗(yàn)分 25、30、35、40、45、50、55 ℃ 7 個(gè)溫度水平進(jìn)行，每個(gè)溫度水平測試3個(gè)試件，試件編號(hào)見表 2。在不同溫度下的單軸壓縮試驗(yàn)之前，為保證試樣加溫均勻且與箱內(nèi)溫度一致，加熱到預(yù)定溫度后再保持恒溫2 h。溫度達(dá)到預(yù)定時(shí)間后在環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，直至試件破壞為止?？紤]到升溫速度過快會(huì)影響巖石的力學(xué)特性，在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，以1 ℃/(2 min)的升溫速率對(duì)試件進(jìn)行加熱。試驗(yàn)加載的過程如圖4所示。

圖3 環(huán)境箱與RMT－150B試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Environmental chamber and testing system RMT－150B

表2 巖樣編號(hào)Table 2 Rock sample numbers

圖4 巖樣及試驗(yàn)加載設(shè)備Fig.4 Rock samples and test loading equipment

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 溫度對(duì)泥巖應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€的影響

圖5為泥巖單軸壓縮中的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線（每個(gè)溫度水平各取一個(gè)試件），泥巖試件單軸壓縮全程曲線變化形式大致相同，曲線大體經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服、破壞4個(gè)階段。壓密階段的變形量占總體變形量的比例隨溫度的升高有減小的趨勢，但變化不明顯，因?yàn)槟鄮r試樣本身的致密性較好，原生裂隙、空隙等較少，在曲線上就會(huì)表現(xiàn)為應(yīng)力較小時(shí)應(yīng)變也較小的特征，故溫度對(duì)泥巖壓密階段的影響較小。彈性階段曲線基本呈線性變化，隨著溫度的升高，曲線彈性階段的前半段幾乎一樣，但后半段有右移的趨勢，斜率隨之減小，即平均彈性模量減小。屈服階段是試樣即將破壞前的階段，隨著溫度的升高，試樣整體上呈緩慢脆性破壞，并且破壞的極限強(qiáng)度逐漸降低。

圖5 不同溫度下泥巖全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Axial stress-strain curves of mudstone under different temperatures

表3列出了不同溫度下泥巖試件單軸壓縮時(shí)的峰值應(yīng)力s、峰值應(yīng)變e、彈性模量E、變形模量E0、泊松比m等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 泥巖力學(xué)參數(shù)的主要試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of main mechanical characteristics of mudstone

3.2 溫度對(duì)泥巖峰值應(yīng)力的影響

圖6為泥巖單軸壓縮下的峰值應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線。從圖可以得出，泥巖在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，峰值應(yīng)力隨溫度升高而降低，曲線為開口向下的拋物線，規(guī)律變化較明顯。其峰值應(yīng)力值從25 ℃時(shí)的9.153 MPa下降到了55 ℃時(shí)的8.271 MPa，降幅為9.6%。峰值應(yīng)力與溫度關(guān)系曲線的擬合公式為y =-0.0002 x3+0.0188 x2-0.7357 x+18.235，相關(guān)系數(shù)為 R2=0.5563。溫度升高過程中，泥巖內(nèi)礦物不斷分解，其孔隙率也在不斷變化，微觀結(jié)構(gòu)也有較大變化，導(dǎo)致峰值應(yīng)力隨溫度升高不斷降低。

3.3 溫度對(duì)泥巖峰值應(yīng)變的影響

圖7為泥巖單軸壓縮下的峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系曲線。從圖可以得出，泥巖在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，峰值應(yīng)變隨溫度升高出現(xiàn)了波浪式減小，曲線大致為開口向上的拋物線，規(guī)律變化較明顯。其峰值應(yīng)變值從25 ℃時(shí)的11.002 ′ 10-3下降到了35、40、45、50、55 ℃時(shí)的 8.759 ′ 10-3、9.450 ′ 10-3、8.249 ′ 1 0-3、9.080 ′ 10-3、8.249 ′ 1 0-3，與55 ℃時(shí)相比降幅達(dá)25.0%。峰值應(yīng)變與溫度關(guān)系曲線的擬合公式為y = 0.0036x2+0.3822x+18.64，相關(guān)系數(shù)為R2=0.7379。

圖6 泥巖峰值應(yīng)力隨溫度的變化Fig.6 Changing of peak stress with temperature for mudstone

圖7 泥巖峰值應(yīng)變隨溫度的變化Fig.7 Changing of peak strain with temperature for mudstone

3.4 溫度對(duì)泥巖彈性模量和變形模量的影響

圖8(a)為泥巖的彈性模量與溫度的關(guān)系曲線。彈性模量反映的是巖石抵抗變形的能力，從圖中可以得出，隨著溫度的升高彈性模量有減小的趨勢。從25 ℃時(shí)的1.843 GPa減小到55 ℃時(shí)的1.351 GPa，減小了26.2%。彈性模量與溫度的關(guān)系整體擬合公式為y =-2′ 10-6x5+0.0005x4-0.0364x3+1.3895x2-26.055x+193.71，相關(guān)系數(shù)為 R2=0.6179。當(dāng)溫度很高時(shí)，泥巖將產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展加寬后，巖石變形增大，導(dǎo)致彈性模量逐漸減小。

圖8(b)為泥巖的變形模量與溫度的關(guān)系曲線，變形模量反映巖石整體變形，從圖中可以得出，隨著溫度的升高，變形模量逐漸增大，說明隨著溫度的升高，泥巖的整體變形在增大。變形模量從25 ℃的0.666 GPa增加到55 ℃時(shí)的1.811 GPa，增加了171.9%。變形模量與溫度的關(guān)系整體呈拋物線關(guān)系，其擬合公式為 y =-0.0011x2+1 206 x-1.551，相關(guān)系數(shù)為 R2=0.724。

圖8 泥巖彈性模量和變形模量隨溫度的變化Fig.8 Changing of elastic modulus and deformation modulus with temperature for mudstone

3.5 溫度對(duì)泥巖泊松比的影響

圖9為泥巖單軸壓縮下的泊松比與溫度的關(guān)系曲線。從圖可以得出，泥巖在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，泊松比隨溫度升高逐漸減小，規(guī)律變化明顯。其泊松比從25 ℃時(shí)的0.371減小到了55 ℃時(shí)的0.098，減小幅度達(dá) 73.6%。泊松比與溫度關(guān)系曲線的擬合公式為 y = 0.0003 x2-0.0326 x+1.0134，相關(guān)系數(shù)為R2=0.6036。泊松比隨溫度變化趨勢與泥巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和組成有直接的關(guān)系。

圖9 泥巖泊松比隨溫度的變化Fig.9 Changing of Poisson's ratio with temperature for mudstone

4 結(jié) 論

（1）隨著溫度的升高，泥巖的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變出現(xiàn)了不同程度的降低。其峰值應(yīng)力值從25 ℃時(shí)的9.153 MPa下降到了55 ℃時(shí)的8.271 MPa，降幅為9.6%；峰值應(yīng)變值從25 ℃時(shí)的11.002 ′ 10-3下降到55℃時(shí)的8.249 ′ 1 0-3，降幅達(dá)25.0%。

（2）泥巖的彈性模量隨著溫度的升高有減小的趨勢，變化明顯。從25 ℃時(shí)的1.843 GPa減小到55 ℃時(shí)的1.351 GPa，減小了26.2%；變形模量隨著溫度的升高逐漸增大，說明隨著溫度的升高其整體變形在增大，變形模量從25 ℃的0.666 GPa增加到55 ℃時(shí)的1.811 GPa，增加了171.9%。

（3）泥巖在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)泊松比隨溫度升高逐漸減小，規(guī)律變化明顯。其泊松比從25℃時(shí)的0.371減小到了55℃時(shí)的0.098，減小幅度達(dá)73.6%。

（4）含水率對(duì)泥巖強(qiáng)度、變形等影響是很大，含水率的增加，會(huì)大大降低泥巖的彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度，本文研究試件是在含水率為2%情況下，對(duì)深部礦井溫度環(huán)境下煤系泥巖力學(xué)特性開展了初步研究，研究結(jié)果對(duì)今后深部高溫巷道圍巖穩(wěn)定性分析提供了理論基礎(chǔ)。但要更充分地揭示深部礦井環(huán)境條件下煤系泥巖的力學(xué)特性，需進(jìn)一步開展煤系泥巖在溫度和含水率等多種因素影響下的力學(xué)特性，并從微觀結(jié)構(gòu)分析力學(xué)特性變化機(jī)制，從而為深部巷道圍巖控制提供更為堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

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