利用沉积特征估算含煤地层岩石力学参数的一般性探讨

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　　摘要：本文提出利用沉积特征作为界定岩石力学参数标准本文提出利用沉积特征快速界定相关岩石力学参数的新方法，对矿区煤层顶板岩石力学参数的界定具有一定的实用价值。
　　关键词：含煤地层；沉积特征；岩石力学参数；抗拉强度；抗压强度
　　中图分类号：G804.6 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2008）36（c）-0045-02
　　
　　含煤地层岩石力学性质直接决定了矿井围岩的稳定性[1]，只有掌握岩石的力学性质才能控制好井下巷道及工作面围岩的稳定，为煤矿开采提供安全保障。因以往的勘探资料没有相关的力学参数，要搞清楚某地层岩石的力学参数，须重新勘探钻孔，做力学实验，时间长，费用大。
　　本文提出以影响岩石力学参数性质的沉积特征作为主要研究对象，提取出以岩石的粒度、填充胶结物的比例、孔隙情况、节理发育等，作为判断岩层力学参数的主线，以埋藏的地质年代、埋藏深度作为修订因子，在定性的基础上建立一种简单定量确定岩石力学参数的新方法。
　　
　　一、岩层沉积特征的选择
　　
　　煤层顶板与底板成岩环境的不同，岩层的各类参数也有一定的差异。沉积岩中最重要的特征是其成分、颜色、结构与沉积构造[2]，本文把沉积成岩中的对岩层力学特性影响较大、较易获取的四个参数提取出来作为判断岩层力学性质的沉积参数，参数如下：1、碎屑颗粒的粒度大小。在沉积成岩的过程中，在一定的范围内，粒度越小，岩层越密实，岩层的硬度等力学参数越大，为了简化描述，用大、中、小来进行表述，分别用1、2、3的数值进行量化。2、填隙物中胶结物的比例多少。填隙物由胶结物与杂基组成，胶结物对岩石的硬度与强度有强化作用，杂基对岩石有反方向的作用，所以，胶结物的含量多少可以作为衡量岩石硬度与强度的参数之一，用多、中、少来描述，用3、2、1来量化。3、孔隙结构。沉积岩层的孔隙间充填大量的气体或液体，孔隙的大小、多少直接影响岩石的硬度与强度，孔隙越大、越多，岩石的硬度等特征越小。可以用多、中、少来进行描述，用1、2、3进行数值量化。4、节理发育情况。沉积岩节理的发育情况也直接影响岩石的硬度与强度，节理越发育，岩石的强度与硬度越低，所以可以用不发育、中、发育来描述，用3、2、1来量化。
　　岩层沉积的四个特征，12个标量共同组成一个沉积特征量化体系。
　　
　　二、含煤地层关键地层与关键参数的选取
　　
　　1、含煤地层关键地层的选取。根据对采煤工作面具有重要影响作用的顶板作为关键层理论[3]和对具有直接影响关键层的判定方法[4]，由于对采煤工作面具有影响的岩层是有限的、可知的，并不是工作面上方的全部岩层，所有的判别方法，要对提供工作面周围的钻孔柱状图进行关键层的划分与力学参数的估算。
　　2、岩层关键力学参数的选取。对于一个岩层各类运动参数的计算主要来源于抗压强度、抗拉强度、抗剪强度[4]，所以本文选择三个主要强度参数为主要估算对象。
　　3、岩石的五级分类法。在对岩层三大参数估算过程中，每个参数都进行估计是不可取的，本文选用岩石的抗压强度为主要分类主线、以抗拉与抗剪强度为辅助分类的方法，把常用的岩石划为五个区间[5]，每个区间代表岩石的一类软弱强度（表1），这种分类方法，本文简称为岩石的五级分类。
　　依据岩石的五个级别，定性的对应较软、软、中、硬、较硬五种类型，从定量的角度，分别提取各自范围内的中值作为定量的取值标准。依据该中值，对岩层运动步距公式进行灵敏度分析[4]，能够满足工程实践的需求。
　　
　　
　　三、估算含煤地层岩石力学参数的算法
　　
　　1、岩层沉积特征定量化取值。为了达到快速、准确定位岩层沉积特点，按照第一部分的论述，整理为表2。
　　
　　2、沉积特征选取计算方法。根据表2提供的数据及岩层的岩性描述，确定各个特征的取值，然后依据公式S=A1×A2×A3×A4进行计算，式中A1―A4分别对岩层粒度、胶结物、孔隙、节理四个特征的取值，S为岩层的特征取值。
　　3、特征值S与五级分类的关联。据对鹤岗、峰峰、兖州、盘江矿区38个钻孔近200余层岩层的已知力学参数按照表2与公式1进行回归，得到表3的对应关系。
　　4、其他地质因子对岩石力学参数的影响。
　　(1)地质年代对岩石力学性质的影响。一般，地质年代越久远，岩层形成时间越长，岩石越坚硬。由于五级分类的力学参数大都从二叠纪取得，即以二叠纪对应第三级为基本标志点，按照地质年代先后，每移一纪，各中值向相同的方向移动10%。
　　(2)埋藏深度对岩石力学性质的影响。实践表明，岩层的埋藏深度达到一定数值时，岩层会发生蠕变现象。为了清晰的描述这一现象，本文建议，当岩层的埋深大于800米后，每增加200米，岩石的力学分级降一级，直至一级。
　　5、估算岩石力学的步骤。
　　（1）确定与此工作面相关的钻孔，提取钻孔的整体地质资料；（2）据确定支托层的方法[4]，确定主采煤层以上岩石的结构特性，圈定估算岩石力学性质所在的岩层；（3）对圈定岩层，仔细阅读钻孔柱状图的岩性描述部分，据表2，对四个沉积特征进行量化；（4）据表3的内容，初步确定岩石的力学分级；根据岩层的埋藏深度，据3.4.3的方法移动岩石分级；（5）判断该钻孔所处的地质构造情况，按照3.4.2的方法移动岩石分级；根据岩层所处的地质年代，按照3.4.1的方法修订取值岩石分级后的中值取值；（6）确定该岩层各力学参数的取值。
　　
　　四、实例验证
　　
　　1、峰峰矿区一岩层力学参数估算。石炭纪太原组一细粒砂岩，厚9.78米，埋藏深度620米，岩性描述为：灰绿色，中粒成分以石英为主，砂质胶结，分选好，中央紫色，含赤铁矿结构的泥岩。
　　该岩层按照表2所描述，沉积特征取值如下：A1=2，A2=3，A3=2，A4=1；按照公式得S=12；划分为第三级，即该细粒砂岩的抗压强度取值为90Mpa，抗拉强度的取值为10Mpa，抗剪强度的取值为32Mpa，该岩层处于石炭纪，各参数移动为：抗压强度取值为99Mpa，抗拉强度的取值为11Mpa，抗剪强度的取值为35Mpa，该岩石在实验室做的力学参数为：抗压强度取值为92.4Mpa，抗拉强度的取值为12.21Mpa，抗剪强度没有测定。实例表明，估算的岩石力学参数误差符合在工程实践的需求。
　　五、结论：任何一种岩石的力学性质都在很宽的范围内变化，这些变化对工程设计及围岩稳定性评价造成困难。因此，本文试图通过利用对不同岩石的沉积特征进行定性的判断，寻求一种以少量的简单测量便可估算岩石强度和其它性质的新方法，最后通过试验证明该方法是可行、有效的，在粗略估算岩石力学参数方面有一定的进展。
　　作者单位：山东科技大学地质科学与工程学院
　　作者简介：姚春卉（1973―），女，山东泰安人，硕士研究生，从事古生物学与地层学的研究。
　　
　　参考文献：
　　[1]孟召平，煤层顶板沉积岩体结构及其对顶板稳定性的影响[M].北京：中国矿业大学.1999
　　[2]万静萍等.沉积学简明教程[M].武汉.中国地质大学出版社.1992
　　[3]钱鸣高等.矿山压力与控制[M].北京.煤炭工业出版社.1986
　　[4]宋振骐等.实用矿山压力理论[M].北京.煤炭工业出版社.1988
　　[5]姜福兴.采场顶板控制设计及其专家系统[M].徐州.中国矿业大学出版社.2000

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