含煤岩系岩石力学性质控制因素分析

含煤岩系岩石力学性质控制因素分析

李建张文辉樊超

内蒙古科技大学内蒙古包头014000

摘要：根据岩石类型的不同，划分不同的含煤岩系，经过充分的分析调查得出的一些成果，如决定岩石力学性质的因素主要是岩性、地应力和水。并且在此基础上不断的挖掘之间的相互联系，包括不同的岩石性质因不同的侧压力和不同水份条件所产生的差异，详细分析并建立一个关于含煤岩系岩石力学性质与岩性、地应力和水等主要控制因素间的函数模型。下面这篇文章主要就对含煤岩系岩石力学性质控制因素进行详细的研究和分析。

关键词：含煤岩系；岩石力学性质；控制因素

通过研究得知，含煤岩系岩性的在经过碎屑颗粒从大变小，也就是从整体到粉碎之后，碎屑岩的刚度和硬强度都在减小。岩石在受到不同外界压力的时候所产生的变形及其强度也有所不同，一般来说压力越大，自身的刚度和强度也就越大，并且是一种非线性关联，当然岩石的应变软化能力和破环机制也会发生改变。水也对岩石的刚度有所影响，如果岩石内的水分较少，岩石在高强度下会呈现一种脆性且较强的剪切效果。应力和应变曲线会变的软化；在含水量增多时，岩石的单轴抗压变弱，可伸展性变差，一般表现为塑性破坏，并且应变软化能力不显。

一、含煤岩系岩石的基本概念

1.1含煤岩系的论述

含煤岩系是一种含有煤层的沉积岩系，因其产生的最终结果存在共生关系，简称煤系。煤系的形成因素包含很多，但主要的控制成因有古构造条件、古气候、古植物条件和古环境条件。沉积盆地在潮湿气候条件下因为古植物的不断积压沉降所形成含煤岩系。其内外层有陆源碎屑岩和煤层。砂岩、粉砂岩和粘土岩是其主要岩性，比如山西煤田，形成于平原环境，其中就有砂岩、粉砂岩、泥岩和煤。一般来说，含煤岩系都是在底壳的浅层，所以煤系的生存条件环境和火山岩、岩浆岩等不同。岩性也相对是弱一点，其中可能存在很大的变化，含有的成分较为复杂，这样就使得含煤岩系与其他的岩类在力学等物理性质上有很大的差别。所以如果在对含煤岩系进行开发时，对含煤岩系的力学性质和变化因素的研究就显得很重要。

1.2岩石的力学性质

岩石力学的性质研究历来广受重视，从中外来看，已经有很多的研究报告成果。这是我们岩石力学发展的基石，能够在以后的发展中站在巨人的肩膀上前进。但是我们也要看到，就目前的研究而言，有关岩石力学的控制因素的研究还不够，尤其是在岩石强度和变形的力度在受到外部干扰时所产生的变化，使得我们对于岩石发生破裂或者变形变化过程并不是很了解。一般而言，能够影响岩石性质的因素有很多，但是最主要的影响来自于岩性和赋存环境。就比如水和地应力对岩石的影响，对于岩石力学的性质要想有一个比较好的认识，那么对于这些影响因素也要有一定的了解，才能做出准确判断。下文将通过对岩性、地应力和水的研究，来分析不同的岩石力学性质在这些条件下的关系，为复杂的地下工程在岩石中的实验做出理论依据。

二、岩性对于岩石力学性质的影响分析

在经过实验之后，我们得出无论是哪种岩石在一定的因素条件变化下都会产生较大的力学性质变化，且与其他的岩类力学性质有交叉的范围，就比如砂岩的在经过外部压力也就是单轴抗压后，与其他的粉砂岩、泥岩和煤层相互之间存在交叉的压强承受强度。不仅如此，其他的物理性质变化也有类似的交叉。通过这些现象可以看出，相同类型的岩石其力学性质存在较大的差异，这说明在其他条件一定的情况下，沉积岩石力学的性质不仅由宏观因素决定，还可能由其他的内部成分决定。如沉积岩石的内部结构、成分、分子作用力、支撑结构，这些在其他条件一定时，也起着巨大的影响作用。

尽管如此，在同一岩性的岩石力学性质存在较大变化之外，我们也得出，岩石的力学性质在不同的岩性中存在较大差异，我们可以从这些情况得知，砂岩在单轴抗压和抗拉强度中变化最小，也就是说其抗压和抗拉能力最强，粉砂岩其次，变形程度较小；泥岩再次，变形程度中度；最后是煤层；其中砂岩是泥岩抗压能力的2.6倍、抗拉能力的3.5倍。因此如果根据不同岩性的单轴抗压能力的划分，我们可以把含煤岩系分为：硬质岩石、中硬岩石和软岩石。

因此对于不同岩性的岩石，它的破坏机制也存在不小的差异，造成的结果变形也不同，就如软岩石在单轴压缩条件下的破坏是剪切型的，而在一面侧压条件下，呈现塑性破坏和剪切破坏。同时，如果加大一面的侧压力，岩石应力应变曲线将会从软性岩石向硬性岩石迈进，体积的大小也会趋于变大，出现膨胀的现象。中硬岩石在单轴压缩的情况下，会变得更脆，出现伸张破坏，且加大压力会出现剪切破坏，岩石的应力应变曲线向软变化。对于硬性岩石，在实验时进行侧压，会出现剪切破坏和脆性伸张破坏，并伴随声响振动，应变曲线趋向软性和脆性。这些都说明岩性对岩石的力学性质都巨大影响。

三、地应力对岩石性质的影响分析

含煤岩系岩石的变形变化和程度不仅由岩性控制，也受地应力的影响，这种情况下，可以利用三轴试验法去研究不同侧压条件下的变形程度。

在实验后我们可以看出，含煤岩系岩石的变化程度和变形强度和其所受的侧压力的大小有关，岩石主应力差应变曲线斜率随着侧压的增加变大，曲线变得陡，破坏的承受力变大，这可以通过随着侧压的变大而变大的岩石强度刚度得到，这说明在原来的含煤岩系的岩石里有很多的空隙空间，通过这些侧压使得空隙关闭，从而使得岩石的刚度强度变大。

不同岩性岩石受侧压的变化不同，如砂岩在受到侧压后的刚度比受到单轴压缩的刚度强，因此相对于单轴压缩而言，侧压后的岩石更有强度和刚度。且侧压在不断加大后，对于作用对象的差别也在逐渐减小，如侧压在一定高强度后，砂岩和砂质泥岩、泥岩的刚度差异变小。

四、结语

综上所述，含煤岩系的岩石控制因素不仅由岩性控制，也受到其他方向的影响，如地应力等，只有把所有的影响因素都考虑进来才能在实验中得出准确的结果，为以后的工程做铺垫。

参考文献：

[1]屈洪亮.煤层顶底板岩石成分和结构与其力学性质的关系[J].岩石力学与工程学报.2014

[2]凌标灿.不同侧压下沉积岩石变形与强度特征[J].煤炭学报.2015

[3]杨若琼.岩石裂纹流变扩展的细观机理分析[J].岩石力学与工程学报.2016

作者简介：李建，男，山西大同，本科