.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