D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.12.001 第31卷第12期 北京科技大学学报 Vol.31 No.12 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 重力场条件下砂岩突出倾向性 郭臣业鲜学福李晓红姚伟静姜永东 重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆400030 摘要通过对永川煤矿砂岩物理力学性质的实验研究，得出了突出砂岩的特征，并据此研究了该矿一350m水平砂岩突出 倾向性，提出了重力场条件下砂岩突出倾向性的判据.研究表明：突出的砂岩具有孔隙率大、气孔容积大的物理特征和杨氏模 量较低、强度低、不易产生塑性变形的力学特性：岩石和瓦斯突出发动过程与冲击地压特征具有一致性，可以用研究冲击地压 的理论来研究砂岩突出倾向性问题：砂岩突出受多种因素影响，力学因素是主导因素.在“三准则”理论基础上，建立了用能量 准则、强度准则和冲击倾向性准则评价砂岩突出倾向性的方法· 关键词岩爆：瓦斯突出：砂岩：物理性能；力学性能：判据 分类号TD713+.2 Outburst orientation of sandstone under gravitational field GUO Chen-ye,XIA N Xue fu,LI Xiao-hong,YAO Wei-jing,JIA NG Yong-dong Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Exploitation of Southwestern Resources&Environmental Disaster Control Engineering Chongqing University,Chongqing 00030.China ABSTRACT The characters of outburst sandstone in rocks from Yongchuan Coal Mine were studied on the base of experimental in- vestigation on its physical and mechanical properties.The outburst orientation of sandstone at the-350m horizontal in this coal was analyzed and the criterion of outburst orientation was proposed.The results show that outburst sandstone has the physical characteris- tics of big porosity and big blow hole volume.and the mechanical characteristics of low Young's modulus,low strength,and not easy to produce plastic deformation.The launch process of rocks and gas outburst has uniformity with the rockburst characteristic,and the rockburst theory can be used to study the outburst orientation of sandstone.which depends on many kinds of factors.In these factors the mechanical factor is primary.The assessment method of outburst orientation of sandstone was established based on the energy cri- terion.strength criterion.and impact orientation criterion. KEY WORDS rockburst:gas outburst:sandstone:physical properties:mechanics properties:criterion 岩石和瓦斯突出是发生在煤矿生产过程中的一 国内外学术界对岩石和瓦斯突出机理研究较少，没 种矿山动力现象，这里指的岩石和瓦斯（广义瓦斯） 有像对研究煤和瓦斯突出机理那样广泛和深入·前 突出包括了岩石突出、岩石与瓦斯一起的突出，近 苏联、德国和日本等在20世纪60一80年代虽对煤 年来，随着开采深度的增加，地应力增加（垂直应力 矿岩石和瓦斯突出问题从突出机理、预测预报到防 渐渐取代水平应力而成为最大主应力)，采矿工程环 治措施等方面作过一些创新性的研究，但尚存在争 境进一步恶化山，我国一些煤矿巷道掘进中已频繁 议，国内外已有的大量突出实例表明2)]，突出岩 出现了岩石和瓦斯突出现象，如发生在重庆地区永 石大多为砂岩]，目前，虽然国内外对不同条件 川煤矿6井一350m水平（距地表700m左右）岩巷 下砂岩的破坏机理、变形特征及本构关系与强度理 掘进头的109次岩石和瓦斯突出(1991一1994)2， 论研究得比较深入，但对砂岩突出倾向性的研究尚 以及发生在阜新矿区艾友矿107采区皮带大巷（距 未见报道 地表960m左右)的岩石和瓦斯突出(2007)，目前， 因此，研究砂岩物理力学性质及突出倾向性对 收稿日期：2009-03-10 基金项目：创新研究群体科学基金资助项目(N。.50621403):重庆市院士基金资助项目(N。-CSTC2005AB6007):教育部科学技术研究重点资 助项目(No.109130) 作者简介：郭臣业(1980一)，男，博士研究生；鲜学福(l929一)，男，教授，博士生导师，E-mail:xianxf(@cae.cn
重力场条件下砂岩突出倾向性 郭臣业 鲜学福 李晓红 姚伟静 姜永东 重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室重庆400030 摘 要 通过对永川煤矿砂岩物理力学性质的实验研究得出了突出砂岩的特征并据此研究了该矿－350m 水平砂岩突出 倾向性提出了重力场条件下砂岩突出倾向性的判据．研究表明：突出的砂岩具有孔隙率大、气孔容积大的物理特征和杨氏模 量较低、强度低、不易产生塑性变形的力学特性；岩石和瓦斯突出发动过程与冲击地压特征具有一致性可以用研究冲击地压 的理论来研究砂岩突出倾向性问题；砂岩突出受多种因素影响力学因素是主导因素．在“三准则”理论基础上建立了用能量 准则、强度准则和冲击倾向性准则评价砂岩突出倾向性的方法． 关键词 岩爆；瓦斯突出；砂岩；物理性能；力学性能；判据 分类号 TD713＋∙2 Outburst orientation of sandstone under gravitational field GUO Chen-yeXIA N Xue-f uLI Xiao-hongY A O We-i jingJIA NG Yong-dong Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Exploitation of Southwestern Resources ＆ Environmental Disaster Control Engineering Chongqing UniversityChongqing400030China ABSTRACT T he characters of outburst sandstone in rocks from Yongchuan Coal Mine were studied on the base of experimental investigation on its physical and mechanical properties．T he outburst orientation of sandstone at the －350m horizontal in this coal was analyzed and the criterion of outburst orientation was proposed．T he results show that outburst sandstone has the physical characteristics of big porosity and big blowhole volumeand the mechanical characteristics of low Young’s moduluslow strengthand not easy to produce plastic deformation．T he launch process of rocks and gas outburst has uniformity with the rockburst characteristicand the rockburst theory can be used to study the outburst orientation of sandstonewhich depends on many kinds of factors．In these factors the mechanical factor is primary．T he assessment method of outburst orientation of sandstone was established based on the energy criterionstrength criterionand impact orientation criterion． KEY WORDS rockburst；gas outburst；sandstone；physical properties；mechanics properties；criterion 收稿日期：2009-03-10 基金项目：创新研究群体科学基金资助项目（No．50621403）；重庆市院士基金资助项目（No．CSTC2005AB6007）；教育部科学技术研究重点资 助项目（No．109130） 作者简介：郭臣业（1980－）男博士研究生；鲜学福（1929－）男教授博士生导师E-mail：xianxf＠cae．cn 岩石和瓦斯突出是发生在煤矿生产过程中的一 种矿山动力现象．这里指的岩石和瓦斯（广义瓦斯） 突出包括了岩石突出、岩石与瓦斯一起的突出．近 年来随着开采深度的增加地应力增加（垂直应力 渐渐取代水平应力而成为最大主应力）采矿工程环 境进一步恶化［1］我国一些煤矿巷道掘进中已频繁 出现了岩石和瓦斯突出现象如发生在重庆地区永 川煤矿6井－350m 水平（距地表700m 左右）岩巷 掘进头的109次岩石和瓦斯突出（1991—1994） ［2］ 以及发生在阜新矿区艾友矿107采区皮带大巷（距 地表960m 左右）的岩石和瓦斯突出（2007）．目前 国内外学术界对岩石和瓦斯突出机理研究较少没 有像对研究煤和瓦斯突出机理那样广泛和深入．前 苏联、德国和日本等在20世纪60—80年代虽对煤 矿岩石和瓦斯突出问题从突出机理、预测预报到防 治措施等方面作过一些创新性的研究但尚存在争 议．国内外已有的大量突出实例表明［2－3］突出岩 石大多为砂岩［2－3］．目前虽然国内外对不同条件 下砂岩的破坏机理、变形特征及本构关系与强度理 论研究得比较深入但对砂岩突出倾向性的研究尚 未见报道． 因此研究砂岩物理力学性质及突出倾向性对 第31卷 第12期 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．12 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．12．001
.1488 北京科技大学学报 第31卷 探讨岩石和瓦斯突出机理和预测预防有重要的意 际岩石力学学会建议实验规范要求，加工成型后保 义，本文以永川煤矿一350m水平岩石和瓦斯突出 持自然干燥状态， 事故为背景，通过现场资料收集和室内实验的方法， 砂岩物理性质实验所用仪器为捷克TESCAN 研究易突出砂岩物理力学性质及重力场主导条件下 公司生产的VEGAⅡLMU可变真空扫描电镜.砂 砂岩突出倾向性 岩力学性质实验以美国MTS815岩石力学测试系 统作为动力设备，该实验机具有轴向刚度大、测试精 1砂岩物理力学性质实验研究 度高、性能稳定可靠的特点，可实现岩石材料在单 1.1砂岩的取样、试件加工及实验 轴、三轴、循环、蠕变等条件下的力学实验.实验过 试样取自永川煤矿一350m水平发生过突出孔 程中用到的其他设备还有美国物理声学公司PAC 洞附近的砂岩层（垂深h=700m),所取岩块分布在 (Physical Acoustic Corporation)生产的声发射测试 三个不同的突出地点，为尽可能降低因天然岩石试 分析系统等， 样个体差异造成的实验结果的离散性，在比较完整 1.2永川煤矿砂岩的结构及物理力学性质 无节理的砂岩块体上采取密钻提取岩芯，且以自然 本文所研究的砂岩物理性质有外观特征（颜色、 位置最为临近的试样进行分组.采用湿式法将所采 矿物颗粒大小)、容重和孔隙率，见表1.为了直观地 集岩样加工成50mm×100mm(单轴抗压、冲击倾 了解砂岩细观结构特征，用扫描电镜对砂岩进行了 向性和三轴强度测试用)、50mm×25mm(劈裂实 不同倍率的扫描，如图1所示，其力学参数有坚固 验用)的圆柱体试件和50mm×50mm×100mm(声 性系数f、抗压强度σ。、抗拉强度4、弹模E、泊松比 发射特性实验用)的立方体试件，其加工精度满足国 4、内聚力C、内摩擦角中和o。/。,等，并列入表1， 表1砂岩物理力学性质 Table 1 Physical and mechanical properties of sandstone 矿物颗粒容重/ 孔隙 内聚力/ 砂岩参数 颜色 f /MPa o/MPa E/GPa 大小(kNm-3)率/% /() ala MPa 特征或数值麻灰色中粒 26.3 4.49 6.48 62.77 7.48 27.3 0.153 10.83 51.91 8.39 100um 图1永川砂岩微观孔隙特征.(a)低倍；(b)高倍 Fig.I Structures of micropores in sandstone from Yongchuan Coal Mine:(a)low magnification:(b)high magnification 从表1可看出，突出孔洞附近砂岩均为中粒状 域或岩层（透气性相当小）产生横向和垂直密封；瓦 结构，孔隙率较大（沥鼻峡K2煤层孔隙率为 斯饱和度很高，瓦斯压力较高，石油行业对砂岩渗 4.29%,SEM图像表明，砂岩由不同尺寸的矿 透规律、孔隙率特性等研究较为深入，研究表明砂岩 物颗粒堆积而成的块状构造，质地均匀，呈砂糖状断 的气孔容积(0~15%)、孔隙率在较大范围内变化 口，孔隙发育.Kδwing可认为具有突出倾向的砂岩 (0~45)[)],为瓦斯气体的储存、运移提供了良好的 有下列特征：较高的气孔容积：由气孔容积很小的区 条件，即使这样，吨岩石瓦斯含量仍然远远小于煤
探讨岩石和瓦斯突出机理和预测预防有重要的意 义．本文以永川煤矿－350m 水平岩石和瓦斯突出 事故为背景通过现场资料收集和室内实验的方法 研究易突出砂岩物理力学性质及重力场主导条件下 砂岩突出倾向性． 1 砂岩物理力学性质实验研究 1∙1 砂岩的取样、试件加工及实验 试样取自永川煤矿－350m 水平发生过突出孔 洞附近的砂岩层（垂深 h＝700m）所取岩块分布在 三个不同的突出地点．为尽可能降低因天然岩石试 样个体差异造成的实验结果的离散性在比较完整 无节理的砂岩块体上采取密钻提取岩芯且以自然 位置最为临近的试样进行分组．采用湿式法将所采 集岩样加工成●50mm×100mm（单轴抗压、冲击倾 向性和三轴强度测试用）、●50mm×25mm（劈裂实 验用）的圆柱体试件和50mm×50mm×100mm（声 发射特性实验用）的立方体试件其加工精度满足国 际岩石力学学会建议实验规范要求加工成型后保 持自然干燥状态． 砂岩物理性质实验所用仪器为捷克 TESCAN 公司生产的 VEGA Ⅱ LMU 可变真空扫描电镜．砂 岩力学性质实验以美国 MTS815岩石力学测试系 统作为动力设备该实验机具有轴向刚度大、测试精 度高、性能稳定可靠的特点可实现岩石材料在单 轴、三轴、循环、蠕变等条件下的力学实验．实验过 程中用到的其他设备还有美国物理声学公司 PAC （Physical Acoustic Corporation）生产的声发射测试 分析系统等． 1∙2 永川煤矿砂岩的结构及物理力学性质 本文所研究的砂岩物理性质有外观特征（颜色、 矿物颗粒大小）、容重和孔隙率见表1．为了直观地 了解砂岩细观结构特征用扫描电镜对砂岩进行了 不同倍率的扫描如图1所示．其力学参数有坚固 性系数 f、抗压强度σc、抗拉强度σt、弹模 E、泊松比 μ、内聚力 C、内摩擦角 ●和σc／σt 等并列入表1． 表1 砂岩物理力学性质 Table1 Physical and mechanical properties of sandstone 砂岩参数 颜色 矿物颗粒 大小 容重／ （kN·m －3） 孔隙 率／％ f σc／MPa σt／MPa E／GPa μ 内聚力／ MPa ●／（°） σc／σt 特征或数值 麻灰色 中粒 26∙3 4∙49 6∙48 62∙77 7∙48 27∙3 0∙153 10∙83 51∙91 8∙39 图1 永川砂岩微观孔隙特征．（a） 低倍；（b） 高倍 Fig．1 Structures of micropores in sandstone from Yongchuan Coal Mine：（a） low magnification；（b） high magnification 从表1可看出突出孔洞附近砂岩均为中粒状 结构孔 隙 率 较 大 （沥 鼻 峡 K2 煤 层 孔 隙 率 为 4∙29％［4］ ）．SEM 图像表明砂岩由不同尺寸的矿 物颗粒堆积而成的块状构造质地均匀呈砂糖状断 口孔隙发育．Köwing ［5］认为具有突出倾向的砂岩 有下列特征：较高的气孔容积；由气孔容积很小的区 域或岩层（透气性相当小）产生横向和垂直密封；瓦 斯饱和度很高瓦斯压力较高．石油行业对砂岩渗 透规律、孔隙率特性等研究较为深入研究表明砂岩 的气孔容积（0～15％）、孔隙率在较大范围内变化 （0～45） ［6］为瓦斯气体的储存、运移提供了良好的 条件．即使这样吨岩石瓦斯含量仍然远远小于煤 ·1488· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 郭臣业等：重力场条件下砂岩突出倾向性 ,1489 层，原因在于砂岩中只有游离瓦斯而无吸附瓦斯 线性科学的发展，一些学者尝试由单因素理论转向 一些学者[-]认为，砂岩具有储存二氧化碳气体的 用综合因素理论、非线性理论解释冲击地压机理，并 优良特性，这种特性会影响岩石和瓦斯突出的强度， 取得了一些成果).我国学者李玉生在强度准 据文献[2]报道，永川煤矿一350m水平钻孔中测定 则、能量准则和冲击倾向性准则的基础上，提出了 的（煤层及围岩综合）瓦斯压力为5.2MPa,岩石瓦 “三准则”理论，该理论认为强度准则是煤岩体破坏 斯含量为2.33~3.70m3t1,这与发生煤与瓦斯突 准则，能量准则和冲击倾向性准则是突然破坏（喷 出的煤层相比是较小的， 出)准则，只有当这三个准则同时满足时，冲击地压 1.3砂岩的变形特性与声发射的关系 才会发生.有资料表明③]，地下岩体受到工程扰动 砂岩的单轴压缩应力应变曲线见图2，砂岩在 时局部岩体在高的应力下达到极限平衡状态或被破 单轴压缩破坏过程中声发射特征见图3. 坏，形成了突出的先导条件，突出强度的大小则取 70 决于岩石自身的冲击倾向性及其积蓄的弹性能，砂 60 岩突出发动过程与“三准则”理论在过程上具有一致 50 40 性，因此本文尝试用“三准则”理论来研究砂岩突出 30 倾向性 20 2.1砂岩突出倾向性判据 2.1.1能量判据 0.00050.00100.00150.00200.00250.0030 砂岩能量判据可表示为： W≥W。e (1) 图2砂岩单轴压缩应小一应变全过程曲线 式中，W。指砂岩弹性应变能密度临界值， Fig.2 Stress"strain curve of sandstone under uniaxial compression 在外力作用下积蓄于砂岩内部的弹性应变能密 度： 900 60 W=[(+2+3)-2(o12+13+23)]/2E 700 50 (2) 40 式中，o1、o2和o3为地应力场的主应力，MPa;1、2 500 和3分别为主应力对应的应变 300 工程岩体是在多轴应力状态下破坏的，破坏所 10 100 需能量（设为W1)变化很大，难以精确计算W1的 100 200 400 值，在实际发生冲击地压时，工程岩体有一个临空 s 面，岩体处于近似二维状态14，即作平面应变（或平 图3砂岩单轴压缩过程声发射撞击数轴向力时间曲线 面应力)处理，临空面在平面应变条件下的应变状 Fig.3 Hits stress time curves of sandstone under uniaxial compres- 态如图4所示，其中2的方向为刚性约束方向，3 sion 的方向为临空面的方向，而©的方向为受载变形的 从图2可以看出，永川砂岩的杨氏模量、强度一 方向，因为3方向无载荷不会产生应变，2方向受 般较低，且具脆性性质，塑性变形不明显，这种性质 刚性约束其视应变2为零，于是由弹性力学可得到 的岩石在不能缓慢释放能量时易发生岩石动力现 3方向的视应变3为3=一(1十)1，一个单元 象，图3的实验表明砂岩破坏时，AE(声发射)振铃 岩体，当纵向加载，左右刚性约束后，其应变只发 数在峰值强度时达到最高值，在复杂应力条件下， 生在、3方向，所以是平面应变问题，而且此时发 当侧向应力很高时，这种岩石的深部巷道围岩易发 生的是拉应变，产生的是拉应力，这时作用在此单 生脆性延性转化，这种转化进行到一定程度时就 元体上的应力为，吃=和拉应力= 会出现局部或区域失稳现象，为突出发生提供条件， -(1+)1. 对于有临空面的情况，当平面应变时，在重力场 2砂岩突出倾向性研究 中，令=Yh(Y为地应力梯度，MPam1),则有 描述煤岩体冲击现象的理论模型较多9山]，但 或=h和=一(1十)Yh.根据表1的实验结 都有其局限性和适应性，随着研究的深入和现代非 果，这里取E=27.3GPa、μ=0.153、Y=0.02761
层原因在于砂岩中只有游离瓦斯而无吸附瓦斯． 一些学者［7－8］认为砂岩具有储存二氧化碳气体的 优良特性这种特性会影响岩石和瓦斯突出的强度． 据文献［2］报道永川煤矿－350m 水平钻孔中测定 的（煤层及围岩综合）瓦斯压力为5∙2MPa岩石瓦 斯含量为2∙33～3∙70m 3·t －1这与发生煤与瓦斯突 出的煤层相比是较小的． 1∙3 砂岩的变形特性与声发射的关系 砂岩的单轴压缩应力－应变曲线见图2砂岩在 单轴压缩破坏过程中声发射特征见图3． 图2 砂岩单轴压缩应力－应变全过程曲线 Fig．2 Stress-strain curve of sandstone under uniaxial compression 图3 砂岩单轴压缩过程声发射撞击数－轴向力－时间曲线 Fig．3 Hits-stress-time curves of sandstone under uniaxial compression 从图2可以看出永川砂岩的杨氏模量、强度一 般较低且具脆性性质塑性变形不明显这种性质 的岩石在不能缓慢释放能量时易发生岩石动力现 象．图3的实验表明砂岩破坏时AE（声发射）振铃 数在峰值强度时达到最高值．在复杂应力条件下 当侧向应力很高时这种岩石的深部巷道围岩易发 生脆性－延性转化．这种转化进行到一定程度时就 会出现局部或区域失稳现象为突出发生提供条件． 2 砂岩突出倾向性研究 描述煤岩体冲击现象的理论模型较多［9－11］但 都有其局限性和适应性．随着研究的深入和现代非 线性科学的发展一些学者尝试由单因素理论转向 用综合因素理论、非线性理论解释冲击地压机理并 取得了一些成果［12－13］．我国学者李玉生在强度准 则、能量准则和冲击倾向性准则的基础上提出了 “三准则”理论．该理论认为强度准则是煤岩体破坏 准则能量准则和冲击倾向性准则是突然破坏（喷 出）准则只有当这三个准则同时满足时冲击地压 才会发生．有资料表明［3］地下岩体受到工程扰动 时局部岩体在高的应力下达到极限平衡状态或被破 坏形成了突出的先导条件．突出强度的大小则取 决于岩石自身的冲击倾向性及其积蓄的弹性能．砂 岩突出发动过程与“三准则”理论在过程上具有一致 性因此本文尝试用“三准则”理论来研究砂岩突出 倾向性． 2∙1 砂岩突出倾向性判据 2∙1∙1 能量判据 砂岩能量判据可表示为： W≥ Wc （1） 式中Wc 指砂岩弹性应变能密度临界值． 在外力作用下积蓄于砂岩内部的弹性应变能密 度： W＝［（σ2 1＋σ2 2＋σ2 3）－2μ（σ1σ2＋σ1σ3＋σ2σ3）］／2E （2） 式中σ1、σ2 和 σ3 为地应力场的主应力MPa；ε1、ε2 和ε3 分别为主应力对应的应变． 工程岩体是在多轴应力状态下破坏的破坏所 需能量（设为 W1）变化很大难以精确计算 W1 的 值．在实际发生冲击地压时工程岩体有一个临空 面岩体处于近似二维状态［14］即作平面应变（或平 面应力）处理．临空面在平面应变条件下的应变状 态如图4所示其中 ε2 的方向为刚性约束方向ε3 的方向为临空面的方向而ε1 的方向为受载变形的 方向．因为ε3 方向无载荷不会产生应变ε2 方向受 刚性约束其视应变ε2 为零于是由弹性力学可得到 ε3 方向的视应变ε3 为ε3＝－μ（1＋μ）ε1．一个单元 岩体当纵向加载 σc 1左右刚性约束后其应变只发 生在ε1、ε3 方向所以是平面应变问题而且此时发 生的是拉应变产生的是拉应力．这时作用在此单 元体 上 的 应 力 为 σc 1σc 2 ＝ μσc 1 和 拉 应 力 σc 3＝ －μ（1＋μ）σc 1． 对于有临空面的情况当平面应变时在重力场 中令 σc 1＝γh（γ为地应力梯度MPa·m －1）则有 σc 2＝μγh 和σc 3＝－μ（1＋μ）γh．根据表1的实验结 果这里取 E＝27∙3GPa、μ＝0∙153、γ＝0∙02761 第12期 郭臣业等： 重力场条件下砂岩突出倾向性 ·1489·
.1490. 北京科技大学学报 第31卷 2.1.3冲击倾向性判据 衡量矿岩冲击倾向性的指标很多，可分为能量 指标（如弹性能量指数WT、冲击能量指标KE)、时 间指标（如动态破坏时间DT)、形变指标（如弹性变 形指标DE)以及刚度指标（如刚性比指标KE),这 些指标的特点是易于在实验室内测得，其缺点是数 据离散度较大，且易受实验条件影响，其中WT指 e,=一H(1+H)e 标是国内外较为流行的一种冲击倾向性指标，且我 国已经将该指标列为行业标准.因此，选用WT指 图4临空面平面应变状态 Fig.4 Plane strain state on the free plane 标来讨论永川煤矿砂岩冲击倾向性.在计算WT指 标时，采用了Origin7.0中的面积工具箱，其思想是 MPam1[]和h=700m,将计算出的1、吃和 计算数据曲线对x轴的积分，有效避免了不规则曲 代入式(2)，得到W3=7.365kJm-3,并认为算得 线下面积计算不准确的缺点 的应变能密度接近发生突出时应变能密度临界值， 砂岩冲击倾向性实验按照MT/T174一2000标 则得W≥7.365kJ·m3时砂岩突出危险，W< 准建议的方法在MTS815岩石力学试验系统上完成 7.365kJm3时砂岩不突出 所用试件取自一350m水平发生过突出大巷的岩块. 2.1.2强度判据 WT指标值计算用下式表示，计算示意图如 对于地下工程岩体，采用文献[13]的强度判据 图5所示. 可得： ≤03 WET-SI S2 (7) 十k≤B2 (3) (<I1<1o) 式中，S1为弹性应变能，其值为卸载曲线下面积， 式中，h=1十1十3，h=6[(1-2)2+(2 cm2;S2为塑形应变能，其值为加载曲线和卸载曲线 所包括的面积，cm2. )2+(一2)2]，J2称为主应力偏量第2不变量， Io为第1应力张量不变量1的一个特征值，a、k 是与岩土材料内摩擦角中和黏聚力c有关的常数， (是岩石的单轴抗拉强度 为了提高计算精度，采用郑颖人等提出的方 法16计算&，k的值： 23sin中 N23π(9-sin2$) △L/mm (4) k三 63Ccos中 图5Wr指数计算示意图 J23π(9-sin2中) Fig.5 Schematic drawing for calculating Wer 由前面的讨论可知： Wr计算结果见表2.由表中数据可知，永川煤 1=1十1十3=十或+$=(1一2)Yh, 矿砂岩总体上具有弱冲击倾向性，局部有强冲击倾 3=|s|=(1+)Yh, 向性 则式(3)可变为： 表2Wr数据 G≤(1+)Yh Table 2 Wgr data a(1-)Yh十k≤22(q<1<1o) (5) 试件编号 WET W平均值 Wr一1 3.908 a、k可从实验求得，把实验值代入式(5)中，就 WET-2 2.311 可得出永川砂岩突出的强度判据： WET-3 4.192 3.9138 o3≥3.562MPa Wr一 4.032 (6) 5.126 J2≥22.869MPa WET 5
图4 临空面平面应变状态 Fig．4 Plane strain state on the free plane MPa·m －1［15］和 h＝700m将计算出的 σc 1、σc 2 和 σc 3 代入式（2）得到 W3＝7∙365kJ·m －3并认为算得 的应变能密度接近发生突出时应变能密度临界值 则得 W ≥7∙365kJ·m －3时砂岩突出危险W ＜ 7∙365kJ·m －3时砂岩不突出． 2∙1∙2 强度判据 对于地下工程岩体采用文献［13］的强度判据 可得： σt≤σ3 αI1＋k≤J 1／2 2 （σt＜I1＜I0） （3） 式中I1＝σ1＋σ1＋σ3J2＝ 1 6 ［（σ1－σ2） 2＋（σ2－ σ3） 2＋（σ3－σ2） 2］J2 称为主应力偏量第2不变量 I0 为第1应力张量不变量 I1 的一个特征值α、k 是与岩土材料内摩擦角●和黏聚力 c 有关的常数 σt 是岩石的单轴抗拉强度． 为了提高计算精度采用郑颖人等提出的方 法［16］计算 α、k 的值： α＝ 2 3sin● 2 3π（9－sin 2●） k＝ 6 3Ccos● 2 3π（9－sin 2●） （4） 由前面的讨论可知： I1＝σ1＋σ1＋σ3＝σc 1＋σc 2＋σc 3＝（1－μ2）γh σ3＝｜σc 3｜＝μ（1＋μ）γh 则式（3）可变为： σt≤μ（1＋μ）γh α（1－μ2）γh＋k≤J 1／2 2 （σt＜I1＜I0） （5） α、k 可从实验求得把实验值代入式（5）中就 可得出永川砂岩突出的强度判据： σ3≥3∙562MPa J2≥22∙869MPa （6） 2∙1∙3 冲击倾向性判据 衡量矿岩冲击倾向性的指标很多可分为能量 指标（如弹性能量指数 WET、冲击能量指标 KE）、时 间指标（如动态破坏时间 DT ）、形变指标（如弹性变 形指标 DE）以及刚度指标（如刚性比指标 KE）．这 些指标的特点是易于在实验室内测得其缺点是数 据离散度较大且易受实验条件影响其中 WET 指 标是国内外较为流行的一种冲击倾向性指标且我 国已经将该指标列为行业标准．因此选用 WET指 标来讨论永川煤矿砂岩冲击倾向性．在计算 WET指 标时采用了 Origin7∙0中的面积工具箱其思想是 计算数据曲线对 x 轴的积分有效避免了不规则曲 线下面积计算不准确的缺点． 砂岩冲击倾向性实验按照 MT／T174－2000标 准建议的方法在 MTS815岩石力学试验系统上完成． 所用试件取自－350m 水平发生过突出大巷的岩块． WET 指标值计算用下式表示计算示意图如 图5所示． WET＝ S1 S2 （7） 式中S1 为弹性应变能其值为卸载曲线下面积 cm 2 ；S2 为塑形应变能其值为加载曲线和卸载曲线 所包括的面积cm 2． 图5 W ET指数计算示意图 Fig．5 Schematic drawing for calculating W ET WET计算结果见表2．由表中数据可知永川煤 矿砂岩总体上具有弱冲击倾向性局部有强冲击倾 向性． 表2 W ET数据 Table2 W ET data 试件编号 W ET W ET平均值 W ET－1 3∙908 W ET－2 2∙311 W ET－3 4∙192 3∙9138 W ET－4 4∙032 W ET－5 5∙126 ·1490· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 郭臣业等：重力场条件下砂岩突出倾向性 ,1491. 由表2可知，永川煤矿砂岩总体上具有弱冲击 (4)砂岩突出受多种因素影响，力学因素是主 倾向性，局部接近强冲击倾向性.按照MT/T174一 导因素 2000标准建议的强烈冲击倾向性临界值，取WT≥ 参考文献 5(强冲击倾向性临界值)作为永川煤矿砂岩冲击倾 向性判据，实验数据反映了永川煤矿砂岩总体上为 [1]Xie H P.Peng S P.He M C.Basic Theory and Engineering 弱冲击倾向性，局部有较强的冲击倾向性，冲击倾 Practice in Deep Mining.Beijing:Science Press.2006 (谢和平，彭苏萍，何满朝，深部开采基础理论与工程实践，北 向性是矿岩产生冲击地压的固有属性，决定了其产 京：科学出版社，2006) 生冲击破坏的能力，是发生冲击破坏的内因 [2]Chongqing Coal Society.Control Technique for Coal and Gas 2.2砂岩突出倾向性评价 Outburst of Chongqing.Beijing:China Coal Industry Press. 2005:1 根据“三准则”理论，永川煤矿砂岩发生突出的 (重庆市煤炭学会·重庆地区煤与瓦斯突出防治技术，北京：煤 临界值指标为： 炭工业出版社，2005：1) W≥W。=7.365kJm-3 [3]Chongqing Research Institute of Chinese Science and Technology 3≥7.48MPa和J2≥22.869MPa (8) Research Institute.Foreign Data of Coal,Rock and Gas Out- burst (the Second).Chongqing:Chongqing Branch Office of Sci- WET≥5 entific and Technical Literature Press,1979 这里认为：当砂岩力学参数同时满足式(8)时， (中国科学技术情报研究所重庆分所煤，岩石和瓦斯突出国外 为砂岩突出危险区；当满足式(8)中一项或两项时， 资料汇编（第二集）重庆：科学技术文献出版社重庆分社，1979) 为突出威胁区：反之，为无突出区 [4]LiZ Q.Coalbed Methane Enrichment Law and Favorable Zone 2.3影响砂岩冲击倾向性的因素分析 Prediction in Chongqing Libixia Anticline [Dissertation Chongqing:Chongqing University.008:45 以上从力、能量的观点论述了重力场条件下砂 (李志强·重庆沥鼻峡背斜煤层气富集成藏规律及有利区带预 岩突出倾向性，并初步给出了具有2.2、2.3节描述 测研究[学位论文]重庆：重庆大学，2008：45) 的物理力学性质的砂岩突出临界指标值，影响砂岩 [5]Kowing K.Bezichung zwischen geologie tektonik und gas aus- bruch.Gluckauf.1977,20,996 突出的最根本因素是力学因素，但力学因素并不是 [6]Lu Y F.Tian B.Huang W J.et al.Laboratory study of sand- 唯一的因素，还包含砂岩中瓦斯（广义）气体因素、砂 stone with large porosity.J Huahong Univ Sci Technol Urban 岩物理力学性质因素、地质特征因素和工程爆破因 Sei Ed,2005,22(2):56 素等，已有的资料表明3)，砂岩突出多半发生在爆 (卢应发，田斌，黄文捷，等.大孔隙率砂岩的实验研究，华中科 破作业之后，但爆破产生的动力场是否应该叠加在 技大学学报：城市科学版，2005,22(2)：56) 静力场上，学术界有不同的观点，岩石中的瓦斯为 [7]Li X C.Liu Y F.Bai B.et al.Ranking and screening of COz saline aquifer storage zones in China.Chin I Rock Mech Eng. 游离状态，砂岩中游离状态瓦斯的膨胀能对发动突 2006,25(5):963 出起促进和加强作用. (李小春，刘延锋，白冰，等。中国深部咸水含水层C02储存优 目前，对岩石和瓦斯突出机理还认识不足，还没 先区域选择.岩石力学与工程学报，2006,25(5)：963) 有像对研究煤和瓦斯突出机理那样广泛和深入·因 [8]Liu X Y.Study of Two-Phase Flow Simulation and Rock Physics Model for Carbon Dioxide Sequestration in Deep Aquifers 此各种因素究竟对岩石和瓦斯突出有多大的影响， [Dissertation].Hefei:University of Science and Technology of 还没有相关的文献报道，尚需进一步研究， China.2006:2 (刘小燕·二氧化碳深含水层隔离的二相渗流模拟与岩石物理 3结论 学研究[学位论文]合肥：中国科学技术大学，2006,2) (1)在岩石和瓦斯突出中，突出岩石种类大多 [9]Lu C P.Dou L M.Wu X R.ct al.Strength weakening of rock bursts in coal mines.J Unie Sci Technol Beijing.2007,29(11): 为砂岩，且多为中粒砂岩，突出的砂岩具有孔隙率 1074 大、气孔容积大的物理特征和杨氏模量较低、强度 (陆菜平，窦林名，吴兴荣，等，煤矿冲击地压的强度弱化，北京 低、变形曲线上的塑性变形表现不明显的力学特性， 科技大学学报，2007,29(11)：1074) (2)岩石和瓦斯突出发动过程与冲击地压特征 [10]Tang S H.Wu Z J,Chen X H.Approach to occurrence and 具有一致性，可以用研究冲击地压的理论来研究岩 mechanism of rockburst in deep underground mines.Chin J 石和瓦斯突出现象 Rock Mech Eng.2003.22(8):1250 (唐绍辉，吴壮军，陈向华.地下深井矿山岩爆发生规律及形成 (③)根据“三准则”理论建立了砂岩突出倾向性 机理研究.岩石力学与工程学报，2003,22(8)：1250) 的强度、弹性应变能密度和冲击倾向性判别条件. (下转第1502页)
由表2可知永川煤矿砂岩总体上具有弱冲击 倾向性局部接近强冲击倾向性．按照 MT／T174－ 2000标准建议的强烈冲击倾向性临界值取 WET≥ 5（强冲击倾向性临界值）作为永川煤矿砂岩冲击倾 向性判据．实验数据反映了永川煤矿砂岩总体上为 弱冲击倾向性局部有较强的冲击倾向性．冲击倾 向性是矿岩产生冲击地压的固有属性决定了其产 生冲击破坏的能力是发生冲击破坏的内因． 2∙2 砂岩突出倾向性评价 根据“三准则”理论永川煤矿砂岩发生突出的 临界值指标为： W≥ Wc＝7∙365kJ·m －3 σ3≥7∙48MPa 和 J2≥22∙869MPa WET≥5 （8） 这里认为：当砂岩力学参数同时满足式（8）时 为砂岩突出危险区；当满足式（8）中一项或两项时 为突出威胁区；反之为无突出区． 2∙3 影响砂岩冲击倾向性的因素分析 以上从力、能量的观点论述了重力场条件下砂 岩突出倾向性并初步给出了具有2∙2、2∙3节描述 的物理力学性质的砂岩突出临界指标值．影响砂岩 突出的最根本因素是力学因素但力学因素并不是 唯一的因素还包含砂岩中瓦斯（广义）气体因素、砂 岩物理力学性质因素、地质特征因素和工程爆破因 素等．已有的资料表明［3］砂岩突出多半发生在爆 破作业之后但爆破产生的动力场是否应该叠加在 静力场上学术界有不同的观点．岩石中的瓦斯为 游离状态砂岩中游离状态瓦斯的膨胀能对发动突 出起促进和加强作用． 目前对岩石和瓦斯突出机理还认识不足还没 有像对研究煤和瓦斯突出机理那样广泛和深入．因 此各种因素究竟对岩石和瓦斯突出有多大的影响 还没有相关的文献报道尚需进一步研究． 3 结论 （1） 在岩石和瓦斯突出中突出岩石种类大多 为砂岩且多为中粒砂岩．突出的砂岩具有孔隙率 大、气孔容积大的物理特征和杨氏模量较低、强度 低、变形曲线上的塑性变形表现不明显的力学特性． （2） 岩石和瓦斯突出发动过程与冲击地压特征 具有一致性可以用研究冲击地压的理论来研究岩 石和瓦斯突出现象． （3） 根据“三准则”理论建立了砂岩突出倾向性 的强度、弹性应变能密度和冲击倾向性判别条件． （4） 砂岩突出受多种因素影响力学因素是主 导因素． 参 考 文 献 ［1］ Xie H PPeng S PHe M C．Basic Theory and Engineering Practice in Deep Mining．Beijing：Science Press2006 （谢和平彭苏萍何满朝．深部开采基础理论与工程实践．北 京：科学出版社2006） ［2］ Chongqing Coal Society．Control Technique for Coal and Gas Outburst of Chongqing．Beijing：China Coal Industry Press 2005：1 （重庆市煤炭学会．重庆地区煤与瓦斯突出防治技术．北京：煤 炭工业出版社2005：1） ［3］ Chongqing Research Institute of Chinese Science and Technology Research Institute．Foreign Data of CoalRock and Gas Outburst （ the Second）．Chongqing：Chongqing Branch Office of Scientific and Technical Literature Press1979 （中国科学技术情报研究所重庆分所．煤、岩石和瓦斯突出国外 资料汇编（第二集）．重庆：科学技术文献出版社重庆分社1979） ［4］ Li Z Q．Coalbed Methane Enrichment L aw and Favorable Zone Prediction in Chongqing L ibixia A nticline ［ Dissertation ］． Chongqing：Chongqing University2008：45 （李志强．重庆沥鼻峡背斜煤层气富集成藏规律及有利区带预 测研究［学位论文］．重庆：重庆大学2008：45） ［5］ Köwing K．Beziehung zwischen geologie tektonik und gas-ausbruch．Glückauf197720：996 ［6］ Lu Y FTian BHuang W Jet al．Laboratory study of sandstone with large porosity．J Huaz hong Univ Sci Technol Urban Sci Ed200522（2）：56 （卢应发田斌黄文捷等．大孔隙率砂岩的实验研究．华中科 技大学学报：城市科学版200522（2）：56） ［7］ Li X CLiu Y FBai Bet al．Ranking and screening of CO2 saline aquifer storage zones in China．Chin J Rock Mech Eng 200625（5）：963 （李小春刘延锋白冰等．中国深部咸水含水层 CO2 储存优 先区域选择．岩石力学与工程学报200625（5）：963） ［8］ Liu X Y． Study of T wo-Phase Flow Simulation and Rock Physics Model for Carbon Dioxide Sequestration in Deep Aquifers ［Dissertation ］．Hefei：University of Science and Technology of China2006：2 （刘小燕．二氧化碳深含水层隔离的二相渗流模拟与岩石物理 学研究［学位论文］．合肥：中国科学技术大学2006：2） ［9］ Lu C PDou L MWu X Ret al．Strength weakening of rock bursts in coal mines．J Univ Sci Technol Beijing200729（11）： 1074 （陆菜平窦林名吴兴荣等．煤矿冲击地压的强度弱化．北京 科技大学学报200729（11）：1074） ［10］ Tang S HWu Z JChen X H．Approach to occurrence and mechanism of rockburst in deep underground mines． Chin J Rock Mech Eng200322（8）：1250 （唐绍辉吴壮军陈向华．地下深井矿山岩爆发生规律及形成 机理研究．岩石力学与工程学报200322（8）：1250） （下转第1502页） 第12期 郭臣业等： 重力场条件下砂岩突出倾向性 ·1491·
.1502, 北京科技大学学报 第31卷 (章兢，张小刚.数据挖掘算法及其工程应用，北京：机械工业 Beijing.2004:71 出版社，2006) (余东明.面向地矿工程体视化系统的矿石储量算法及其实现 [7]Hou Y B,Du J Y.Wang M.Neural Network.Xi'an:Xi'an [学位论文]北京：北京科技大学，2004：71) Electronic Science and Technology University Press.2007 [10]Xin Z Y.Gu M.Complicated financial data time series forecast- (侯媛彬，杜京义，汪梅.神经网络.西安：西安电子科技大学 ing analysis based on least square support vector machine. 出版社，2007) Tsinghua Univ Sci Technol,2008,48(7):1147 [8]Li C P.LiZ X.Yu D M.The grade interpolation space based on (辛治运，顾明.基于最小二乘支持向量机的复杂金融时间序 Thiessen polygon method.J Liaoning Tech Univ.007.26(4): 列预测.清华大学学报：自然科学版，2008,48(7)：1147) 488 [11]Tong K J.Shan Y M.Li H P.et al.Gas productivity prediction (李翠平，李仲学，余东明.基于泰森多边形法的空间品位插 by support vector regression machines.Xinjiang Pet Geol. 值.辽宁工程技术大学学报，2007,26(4)：488) 2008,29(3):382 [9]Yu D M.Ore Reserves Algorithm and Implementation for Geo- (童凯军，单珏铭，李海鹏，等，支持向量回归机在气井产能预 logical and Mine Engineering Volume Visualization System 测中的应用，新疆石油地质，2008,29(3)：382) [Dissertation].Beijing:University of Science and Technology (上接第1491页) [11]Pan Y S.LiZ H.Zhang M T.Distribution,type.mechanism and Control of Slope Rocks in the Reservoir Area of the Three and prevention of rockburst in China.Chin Rock Mech Eng. Gorges Dissertation ]Chongqing:Chongqing University. 2003.22(11):1844 2008.71 (潘一山，李忠华，章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机理及防 (姜永东.三峡库区边坡岩土体蠕滑与控制的现代非线性科学 治研究.岩石力学与工程学报，2003,22(11)：1844) 研究[学位论文】-重庆：重庆大学，2006：71) [12]Jiang J Q.Li H.Study on rockburst forecast with forecast [15] Wei F S.Hu GZ.Wang HT,et al.Measurement and variation method based on chaotic time series.Chin J Rock Mech Eng, characteristics of strata stress in Yongchuan Coal Mine.Min 2006,25(5):889 Saf Environ Prot.2007.34(4):1 (蒋金泉，李洪基于混沌时序预测方法的冲击地压研究，岩石 (魏福生，胡国忠，王宏图，等.永川煤矿地应力测试及地应力 力学与工程学报，2006,25(5)：889) 变化特征.矿业安全与环保，2007,34(4)：1) [13]Qi QX.LiuT Q.Shi Y W.Mechanism of friction sliding instability [16]Zheng Y R.Zhao S Y.Limit state finite element method for of rock burst.Ground Pressure Strata Control,1995(3):174 geotechnical engineering analyze and its applications.China Civ- (齐庆新，刘天泉，史元伟·冲击地压的摩擦滑动失稳机理.矿 ilEg2005.38(1):91 山压力与顶板管理，1995(3)：174) (郑颖人，赵尚毅·岩土工程极限分析有限元法及其应用·土木 [14]Jiang Y D.The Modern Non-Linear Science Research on Creep 工程学报，2005,38(1)：91)
（章兢张小刚．数据挖掘算法及其工程应用．北京：机械工业 出版社2006） ［7］ Hou Y BDu J YWang M．Neural Network．Xi’an：Xi’an Electronic Science and Technology University Press2007 （侯媛彬杜京义汪梅．神经网络．西安：西安电子科技大学 出版社2007） ［8］ Li C PLi Z XYu D M．The grade interpolation space based on Thiessen polygon method．J L iaoning Tech Univ200726（4）： 488 （李翠平李仲学余东明．基于泰森多边形法的空间品位插 值．辽宁工程技术大学学报200726（4）：488） ［9］ Yu D M．Ore Reserves Algorithm and Implementation for Geological and Mine Engineering V olume V isualiz ation System ［Dissertation ］．Beijing：University of Science and Technology Beijing2004：71 （余东明．面向地矿工程体视化系统的矿石储量算法及其实现 ［学位论文］．北京：北京科技大学2004：71） ［10］ Xin Z YGu M．Complicated financial data time series forecasting analysis based on least square support vector machine． J Tsinghua Univ Sci Technol200848（7）：1147 （辛治运顾明．基于最小二乘支持向量机的复杂金融时间序 列预测．清华大学学报：自然科学版200848（7）：1147） ［11］ Tong K JShan Y MLi H Pet al．Gas productivity prediction by support vector regression machines． Xinjiang Pet Geol 200829（3）：382 （童凯军单珏铭李海鹏等．支持向量回归机在气井产能预 测中的应用．新疆石油地质200829（3）：382） （上接第1491页） ［11］ Pan Y SLi Z HZhang M T．Distributiontypemechanism and prevention of rockburst in China．Chin J Rock Mech Eng 200322（11）：1844 （潘一山李忠华章梦涛．我国冲击地压分布、类型、机理及防 治研究．岩石力学与工程学报200322（11）：1844） ［12］ Jiang J QLi H．Study on rockburst forecast with forecast method based on chaotic time series．Chin J Rock Mech Eng 200625（5）：889 （蒋金泉李洪．基于混沌时序预测方法的冲击地压研究．岩石 力学与工程学报200625（5）：889） ［13］ Qi Q XLiu T QShi Y W．Mechanism of friction sliding instability of rock burst．Ground Pressure Strata Control1995（3）：174 （齐庆新刘天泉史元伟．冲击地压的摩擦滑动失稳机理．矿 山压力与顶板管理1995（3）：174） ［14］ Jiang Y D．The Modern Non-L inear Science Research on Creep and Control of Slope Rocks in the Reservoir A rea of the Three Gorges ［ Dissertation ］． Chongqing： Chongqing University 2008：71 （姜永东．三峡库区边坡岩土体蠕滑与控制的现代非线性科学 研究［学位论文］．重庆：重庆大学2006：71） ［15］ Wei F SHu G ZWang H Tet al．Measurement and variation characteristics of strata stress in Yongchuan Coal Mine． Min Saf Environ Prot200734（4）：1 （魏福生胡国忠王宏图等．永川煤矿地应力测试及地应力 变化特征．矿业安全与环保200734（4）：1） ［16］ Zheng Y RZhao S Y．Limit state finite element method for geotechnical engineering analyze and its applications．China Civil Eng J200538（1）：91 （郑颖人赵尚毅．岩土工程极限分析有限元法及其应用．土木 工程学报200538（1）：91） ·1502· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷