神东矿区砂岩孔隙结构特征及与其物理力学性质的关系

0 引 言

神东矿区煤炭资源丰富、煤层赋存稳定，开采条件优越，是全国14个大型煤炭生产基地之一。在煤炭开采过程中，液压支架压架等强矿压现象时有发生[1-3]，严重制约着煤矿企业安全生产和经济效益。该矿区煤系地层以侏罗系、白垩系砂岩为主，占到总厚度的50%以上，且多处于煤层顶板，厚度较厚，胶结程度较弱，对煤层顶板的稳定性有着重要影响[4]。因此，研究砂岩的物理力学特性，对深刻揭示采场和巷道顶板岩体稳定性机理有着积极意义，同时，系统开展上覆岩层物理力学性质的研究也是实施精准岩层控制必要的基础性工作。

大同市在推广农业技术的过程中，不断强化农业技术推广体系的建设，落实对农业技术推广人才的培养，开发名、特、优农产品。如大同县绿豆、广灵东方亮小米、灵丘苦荞麦等，都是大同市农业技术推广后开发的特色产品。只有大力引进、推广新品种，因地制宜强化经济作物基地的建设，搞好区域规划，积极引进国外先进技术，全面发挥农业技术推广在农业经济中的纽带和促进作用，才能推动农业经济健康、持续发展。

目前，为实施精准有效的控制策略，对神东矿区煤系地层岩石进行了大量室内试验研究，分析了不同沉积时期岩石的密度、RQD值、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、黏聚力及内摩擦角等参数的变化规律[4]。汪泓等[5-8]，赵永川等[9]以小纪汗煤矿煤层顶板砂岩为研究对象，研究了不同条件下砂岩力学特性、强度与变形特征；纪洪广等[10]研究红庆河煤矿砂岩的声发射特征和破坏形式。王磊等[11]通过对弱胶结砂岩进行不同含水和围压状态下的三轴压缩试验，分析其强度特征、力学指标与围压的内在联系。李清等[12]揭示了弱胶结砂质泥岩渐进性破坏力学特性。李博融等[13]研究了不同温度下白垩系地层砂岩的物理力学特性。这些研究成果在一定程度上揭示了弱胶结砂岩的力学特性，但针对神东矿区砂岩孔隙结构较为发育的特性，却缺乏从理论上建立该特征与力学性质之间的联系。

本文选取神东矿区砂岩为研究对象，对不同砂岩的矿物成分、微观结构、孔隙特征进行分析，通过单轴压缩试验对岩石力学参数进行测定，探讨了不同砂岩孔隙率与力学性质之间的关系，为构建西部地区砂岩力学本构模型等相关理论研究提供数据支持。

1 试样采集加工及试验方法

岩样取自神东矿区大柳塔、补连塔、布尔台等矿，位置分布如图1所示。选择从地面钻至主采煤层，现场取样情况如图2所示。按照岩性和层位将所取岩心进行分类，岩心直径62.5 mm，无明显裂隙，产状近水平，均质性良好。按照岩石力学试验规程将岩心加工成圆柱体标准试件，并对两端端面进行磨削，使不平整度小于0.05 mm。本文对煤层顶板中含量较多的粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩进行研究，每种砂岩取15个试样，共45个试样。在试验前，对试样质量特征进行统计，粉砂岩密度2 160～2 582 kg/m3，平均2 396 kg/m3，细粒砂岩的密度为1 982～2 449 kg/m3，平均2 248 kg/m3，中粒砂岩密度1 945～2 505 kg/m3，平均2 197 kg/m3。

为了系统地研究神东矿区砂岩的微观结构、孔隙特征，选取3种砂岩试样分别进行扫描电镜试验，图4为不同砂岩的扫描电镜图像。限于篇幅，每种砂岩给出一幅扫描电镜图像作为代表。

 

 

2 微观结构特征分析

为了解砂岩矿物成分及胶结情况，对不同砂岩切片加工后进行偏光显微镜观测，分析结果如图3所示。图3中白色颗粒为石英，灰色的是长石，淡红色的是云母，黑色的是胶结物。由图3观察可知，3种砂岩都以石英和长石颗粒为主要骨架，石英质量分数在15%以上，长石在40%以上，两者之和占到总质量的50%以上。图3(a)-(b)为粉砂岩的扫描图像，可以看出，碎屑颗粒较细，呈次棱状，颗粒间不直接接触，长石质量分数50%～60%，石英质量分数相对较少，为15%～20%，钙质胶结；图3(c)-(d)为细粒砂岩的扫描图像，可以看出，颗粒以次圆状为主，少量次棱状，分选较好，碎屑颗粒中除了石英和长石外，还有少量云母，其中，石英质量分数30%～35%，长石质量分数40%～45%，泥质胶结；图3(e)-(f)为中粒砂岩的扫描图像，不难发现，长石颗粒以次圆状为主，质量分数40%～45%，石英颗粒多为次棱状，质量分数20%～25%，分选中等，泥质胶结。

2.1 矿物成分分析

岩石的矿物成分采用ZEISS Axioskop 40型偏光显微镜观察分析，将加工好的岩样薄片放至载物台上，调节焦距，将矿物颗粒置于十字丝中心后进行观测；岩石的孔隙特征采用DH2002型核磁共振仪成像分析，试验前将所有岩样在常温下进行饱水处理，饱水48 h后，用保鲜膜将饱水的试样包裹起来，放到核磁共振仪器中对岩样孔隙特征进行测定；岩石的微观结构采用场发射FEI-SEM环境扫描电镜观察，试验时对加工好的试样进行喷金，然后用导电胶将待测样品固定在扫描电镜样品室，选取不同放大倍数在待测面上进行详细观察；岩石力学参数通过RMT-150C型力学实验机，采用位移控制的模式加载获得，用5 mm的位移传感器测量轴向压缩变形，1 000 kN力传感器测量轴向荷载，以0.005 mm/s加载速率进行加载，直至试样完全破坏为止。

(2)神东矿区砂岩的抗压强度与孔隙率呈负指数分布。抗压强度和孔隙率变化曲线存在临界点，当孔隙率低于临界值时，抗压强度受孔隙率影响明显，力学性能劣化速度更快；高于临界值时，孔隙率对砂岩的力学强度影响显著减小。随着砂岩颗粒直径、孔隙直径的增加，对应的临界孔隙率也在增大。

2.2 微观结构特征分析

4）管理子系统。服务好管理者是教改项目管理系统的核心职能。系统的管理子系统主要分为校级管理及二级学院管理：校级管理者通过系统主管部门可以发布各项通知，管理项目、评审专家及申报者等各项基本信息库，分配项目评审任务，进行评审结果统计、立项发文，完成数据归档，对全校历年教改课题进行统计分析等；二级学院管理者可以对本学院的教改项目立项情况进行查询、管理，在线进行项目审核等工作，实现对本学院教改项目的无纸化管理。

一般来说，只要扫描仪器能够满足手动和自动相控阵的要求，都是可接受的，两者都具有与焊缝固定距离的支撑架，都能满足数据采集的要求。图3是手动相控阵的机械装置的图片。

图9为砂岩泊松比与孔隙率的关系。从图9可知，砂岩泊松比分布在0.15 ～0.31间，与孔隙率没有呈现明显的规律。

利用SmileView软件对砂岩扫描电镜图像中颗粒直径、孔隙直径进行测量，并对测量结果进行统计，得到不同砂岩颗粒粒径与孔隙直径的统计结果(表1)和分布特征(图5)。从图5可以看出，砂岩的孔隙直径与粒径大小基本服从正态分布，但3种砂岩的粒径大小、孔隙直径分布存在明显差异，其中粉砂岩粒径集中分布在40～80 μm间，接近总体的65%，孔隙直径在25～45 μm间分布最多，为总体的55%；细粒砂岩的粒径、孔隙直径在80～160 μm及50～110 μm间分布最多，均超过了总体的50%；中粒砂岩粒径明显增大，颗粒粒径多集中200～400 μm间，而孔隙在50～150 μm间最多。3种砂岩的粒径平均为62.22，135.56，313.84 μm，孔隙直径平均为40.71，82.69，162.03 μm，中粒砂岩孔隙直径约为细粒砂岩的2倍，约为粉砂岩的4倍。

 

表1 不同砂岩颗粒粒径与孔隙直径统计结果

 

Tab.1 Statistical results of particles diameters and pore diameters of different sandstones

  

粉砂岩细粒砂岩中粒砂岩颗粒粒径/μm颗粒数频率/%孔隙直径/μm孔隙数频率/%颗粒粒径/μm颗粒数频率/%孔隙直径/μm孔隙数频率/%颗粒粒径/μm颗粒数频率/%孔隙直径/μm孔隙数频率/%>20～401216.44>15～25611.54>40～801316.25>20～501118.03>100～20023.17>50～1001624.24>40～602838.35>25～351325.00>80～1202227.50>50～802337.70>200～3002946.03>100～1501827.27>60～801926.03>35～451630.77>120～1602025.00>80～1101727.87>300～4002438.10>150～2001218.18>80～10079.59>45～551019.23>160～2001316.25>110～14046.56>400～50069.52>200～250913.64>100～12056.85>55～6559.61>200～24078.75>140～17046.56>500～60011.59>250～300710.61>120～14022.74>65～7523.85>240～28056.25>170～20023.28>600～70011.59>300～35046.06

3 孔隙率对砂岩力学性质的影响

3.1 孔隙率对抗压强度的影响

岩石内部分布着大量不规则、跨尺度的孔隙，这些孔隙对岩石的宏观力学性质有着十分重要的影响[14-18]。为了研究砂岩孔隙结构对其力学性质的影响，分别对3种砂岩的力学参数及孔隙率进行测定，表2为试验统计结果，根据试验结果得出不同砂岩抗压强度与孔隙率变化的关系，如图6所示。从图6可知，砂岩抗压强度与孔隙率呈明显的负相关，随着孔隙率的增大，抗压强度以指数形式递减，减小趋势逐渐变缓，说明当孔隙率较低时，力学强度受孔隙率影响较明显，力学性能劣化速度加快。初步研究认为是由于新增的孔隙结构所占的百分比要高于较高孔隙率时的，导致孔隙之间扩展、贯通、闭合作用加强，从而引起力学强度显著降低。对于粉砂岩而言，当孔隙率从1.24%增加到2.47%时，抗压强度从136.94 MPa减小到66.70 MPa，降低了70.24 MPa，当孔隙率继续增大，抗压强度变化幅度则明显减小。同理，当细粒砂岩、中粒砂岩孔隙率分别大于6.00%，10.00%时，抗压强度随孔隙率的增加，减小趋势趋于平缓，表明抗压强度与孔隙率变化曲线存在临界点；当低于临界孔隙率时，抗压强度受孔隙结构影响更加显著，力学性能劣化速度更快，当高于临界点时，砂岩强度受孔隙结构影响较小。图7为砂岩临界孔隙率与颗粒直径、孔隙直径的关系。

 

表2 不同砂岩物理力学参数

 

Tab.2 Physical-mechanical properties of different sandstones

  

编号岩性D×h/mm孔隙度/%抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比A-1粉砂岩51.28×96.961.24136.9448.400.26A-2粉砂岩51.38×91.601.37126.0133.660.28A-3粉砂岩51.28×99.061.46118.4726.32 0.17 A-4粉砂岩50.40×100.021.7485.9318.020.28A-5粉砂岩50.10×99.801.7794.7318.640.28A-6粉砂岩50.02×100.101.80104.7418.930.28A-7粉砂岩51.20×98.502.1977.2910.200.17A-8粉砂岩51.20×99.542.3057.6210.660.25A-9粉砂岩51.12×94.322.4280.8717.340.18A-10粉砂岩51.08×99.802.4766.7010.770.19A-11粉砂岩51.10×99.322.5775.4311.580.17A-12粉砂岩51.10×99.562.9061.5312.580.28A-13粉砂岩51.24×100.323.4353.219.480.29A-14粉砂岩51.10×100.203.6354.649.780.27A-15粉砂岩51.10×95.344.1041.627.910.23B-1细粒砂岩51.28×99.222.4287.2119.950.26B-2细粒砂岩51.10×91.662.6878.7420.600.30B-3细粒砂岩49.82×98.802.8974.1217.920.28B-4细粒砂岩49.90×98.523.0659.909.560.29B-5细粒砂岩49.76×95.763.1759.759.310.28B-6细粒砂岩49.82×99.803.2858.009.770.29

 

续表2

  

编号岩性D×h/mm孔隙度/%抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比B-7细粒砂岩50.02×100.104.5645.008.090.28B-8细粒砂岩49.72×99.104.6945.299.090.15B-9细粒砂岩51.10×99.924.7351.977.950.23B-10细粒砂岩51.26×97.506.3042.936.210.18B-11细粒砂岩51.28×98.206.7831.287.770.19B-12细粒砂岩51.26×91.666.9341.078.230.22B-13细粒砂岩51.12×98.447.1829.607.580.22B-14细粒砂岩50.84×96.007.6128.036.500.19B-15细粒砂岩51.12×97.207.9827.897.020.28C-1中粒砂岩49.90×98.403.1059.559.620.23C-2中粒砂岩49.96×100.383.2952.8211.050.30C-3中粒砂岩51.10×99.503.5852.228.810.23C-4中粒砂岩49.90×98.104.6948.457.430.29C-5中粒砂岩49.70×99.104.9647.727.450.28C-6中粒砂岩49.70×96.805.3943.187.410.21C-7中粒砂岩51.08×100.106.1232.617.560.18C-8中粒砂岩51.10×97.406.6836.168.680.15C-9中粒砂岩51.10×100.386.8930.297.400.25C-10中粒砂岩51.12×98.327.2226.527.010.15C-11中粒砂岩51.10×96.507.3424.547.090.21C-12中粒砂岩51.10×101.287.4630.357.280.29C-13中粒砂岩50.02×99.6810.0924.143.920.27C-14中粒砂岩49.48×100.4212.8917.933.000.29C-15中粒砂岩49.60×99.8213.7115.972.690.31

 

从图7可以看出，临界孔隙率与颗粒直径、孔隙直径呈正相关，随着砂岩颗粒与孔隙直径的增加，对应的临界孔隙率也在增大，表明岩石内部骨架对砂岩临界孔隙率有重要的影响。

3.2 孔隙率对弹性模量的影响

(1)神东矿区砂岩主要成分为石英(15%以上)、长石(40%以上)，并含有少量云母等。粉砂岩表面平整致密，颗粒边界模糊不清，钙质胶结；细粒砂岩表面分布着细小的孔隙，泥质胶结；中粒砂岩孔隙结构十分发育，颗粒呈团簇状，为泥质胶结。

 

3.3 孔隙率对泊松比的影响

从图4可以看出，粉砂岩表面平整光滑，整体结构致密，颗粒边界模糊不清，颗粒周围没有出现明显的孔洞及裂隙，胶结物多，胶结程度好；细粒砂岩表面凹凸不平，颗粒感较明显，分布着一些细小的孔隙，胶结物较多，胶结程度一般；中粒砂岩颗粒之间存在明显的孔隙，孔隙结构较发育，颗粒特征十分明显，呈团簇状，边缘较光滑，胶结物少，胶结程度差。

 

4 结 论

图8为砂岩弹性模量与孔隙率的关系。从图8可以看出，不同砂岩弹性模量与孔隙率的变化趋势有所差异，但整体呈负相关性，粉砂岩、细粒砂岩为指数减少，中粒砂岩则为线性减小。根据拟合曲线可知，粉砂岩、细粒砂岩弹性模量变化速率(拟合曲线上各点斜率的绝对值)随着孔隙率的增加逐渐减小，而中粒砂岩变化速率基本保持不变，并且当孔隙率相对较小时，粉砂岩、细粒砂岩的弹性模量减小幅度要远大于中粒砂岩，说明粉砂岩、细粒砂岩抵抗外界变形的能力明显下降，受孔隙率影响更显著。与抗压强度相比，粉砂岩、细粒砂岩临界孔隙率有所减小，约为2.00%和4.00%，中粒砂岩则无明显的临界孔隙率。

在全生育期注意防治螟虫、纹枯病等病虫害。在抽穗期注意防治稻粒黑粉病和稻曲病。一般在破口期、见穂期和齐穂期用克黑净或爱苗各防治1次。

最底层为数据层,负责将省台多个海洋和台风数据库及多种数据文件整合,包括对数据的采集、处理加工、入库出库、更新维护等,对上层不透明,利用一个数据中间件与上层发生关系,便于平台对数据的使用维护,当省台数据结构或者文件存储出现变化时,不需要改变上层结构,只需要对数据中间件进行更新即可。

(3)神东矿区砂岩的弹性模量与孔隙率呈负相关，粉砂岩与细粒砂岩弹性模量为指数减少，中粒砂岩则为线性减小。当孔隙率相对较小时，粉砂岩、细粒砂岩的弹性模量减小幅度要远大于中粒砂岩，说明粉砂岩、细粒砂岩抵抗外界变形的能力明显下降，受孔隙率影响更显著。

(4)砂岩泊松比与孔隙率无明显的相关性。

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