0 前言

影响岩石力学性质的因素很多, 诸如岩石类型、组成成分、组构、围压、温度、应变速度、含水率、载荷作用时间及作用性质等, 其中有一些因素是起主导作用的。要研究这些复杂因素对岩石力学性质的影响, 在实验室, 只能根据地质现象, 选择其中一些因素来进行探讨。通过分析研究, 认识到哪些是主要因素, 哪些是次要因素, 并得出需要的力学参数, 建立岩石的本构方程和破坏准则。岩石的矿物成分和组构(结构和构造)对岩石力学特性影响较大, 岩石的组成和组构不同, 其力学特性也明显不同。因此, 分析岩性特征指标对岩石力学特性的影响, 是岩石力学性质研究的重要内容之一^[1]。

1 岩性特征分析

某盐矿矿区岩盐层的顶板是指云朵状态硬石膏岩以下地层, 其总厚度约为20m, 由上往下分为5层, 此外还有岩盐层及其底板岩层。其岩性特征分析见文献[2~4]。

1.1 云朵状硬石膏岩

云朵状硬石膏岩既是顶板岩层, 又为标志层, 它多含泥灰质, 主要成分为硬石膏和方解石, 其中硬石膏含量约为64.8%, 方解石含量为21.0%。岩石裂隙不发育, 裂隙长率约为1.9cm/m, 裂隙条率约为43.0%。岩芯采取率大于90%。

1.2 泥灰岩

泥质分布不均, 多呈条带式薄层, 主要成分为硬石膏和方解石, 其中硬石膏含量约为21.6%, 方解石含量约为43.0%。岩石层理和层面裂隙较发育, 偶见斜交裂隙, 呈闭合状, 多无充填, 裂隙长率为9.2cm/m, 裂隙条率约为2.4条/m。岩芯采取率为60%~80%。

1.3 破碎灰岩

主要成分为硬石膏和方解石, 硬石膏含量约为21.5%, 方解石含量约为63.0%。裂隙发育, 多以垂直裂隙为主, 长率多在15~50cm/m, 最长达162cm/m, 条率为3~10条/ m, 最多达31.9条/m。岩芯采取率为60%~80%。

1.4 斑晶灰岩

组成该岩石的主要成分为硬石膏和方解石, 其中硬石膏含量约为46.0%, 方解石含量约为49.0%。垂直裂隙较发育, 长率多为10~60cm/m, 条率多为2~10条/m, 偶见斜交及水平裂隙。岩芯采取率为60%~90%。

1.5 条纹状硬石膏岩

含泥灰质和有机质, 多呈条纹分布。经钻探证实, 该层位普遍有油、气、水同层显示。

1.6 岩盐

呈灰色或深灰色, 具有玻璃光泽, 矿物成分单一, NaCl含量大于95%, 岩盐晶粒粗大, 一般粒度为4~11mm, 晶内弱面和晶间弱面均较发育, 晶粒间夹有少量泥质和有机物。虽然岩盐的晶内弱面在晶粒范围内具有较强的定向性, 但由于晶粒排列方向杂乱无章。在杂乱分布的晶间弱面连同孔隙构成网面曲折、交叉穿切的弱面网络中的任一网面, 随着外力作用方式和取向的改变, 都有可能成凹凸不平的破裂面。无论从单个晶间弱面的大小和取向的分布, 还是从弱面网络内破裂面的任意性来说, 晶间弱面都是随机分布的。所以, 岩盐是一种不同于受构造弱面控制的定向弱面体的曲型多晶随机弱面体。从整体上看, 岩盐是一种变形和破坏均受弱面控制的连续介质。

1.7 岩盐层底板灰岩

包括直接底板和生物灰岩。直接底板由硬石膏夹泥灰岩、灰岩素层组成, 主要成分为硬石膏和方解石, 其中硬石膏含量约为42.2%, 方解石含量约为37.0%。层理较发育, 裂隙条率约为2.4条/m, 裂隙长率约为10~20cm/m。岩芯采取率为60%~90%。

2 岩性特征对岩石力学性质影响的定量分析

为了定量分析岩性特征对岩石力学特性影响, 现选取如前所述的岩性指标如硬石膏含量、方解石含量、裂隙发育程度、裂隙长率、裂隙条率和岩芯采取率作为分析参数。由于岩石的裂隙发育程度是一种定性描述指标, 必须将这一定性指标进行量化处理。处理办法就是将反映岩石裂隙发育程度和各种定性描述确定其取值范围, 然后将其取值范围的平均值确定为定性描述的量化值。

反映岩石裂隙发育程度的定性描述指标的取值范围分别为:无裂隙为[0, 0.2];裂隙不发育为[0.2, 0.4];裂隙较发育为[0.4, 0.6];裂隙发育为[0.6, 0.8];裂隙很发育为[0.8, 1.0]。然后, 对确定的参考数列Y_j和比较数列X_i中的数据如表 1所示进行均值无量纲化处理。对参考数列Y_j和比较数列X_i有:

(1)

(2)

进行如下变换:

(3)

(4)

就可求得参考数列Y_j和比较数列X_i的均值无量纲化值, 如表 2所示。

经下式运算

(6)

就可求得由各子因素和母因素之间的关联度Y_ij组成的关联矩阵[R] :

(7)

从矩阵[R]中可看出:

(1) 所有元素中Y₂₄, Y₆₆最大。

表明岩石的方解石含量多少对岩石单轴抗压强度值影响最大, 方解石含量增多, 岩石的单轴抗压强度值增大。岩芯采取率的大小对岩石内摩擦角影响最大, 岩芯采取率越大, 岩石的内摩擦角越大。

(2) 第3列元素中Y₂₃较大。

表明岩石的方解石含量多少对岩石的泊松比影响较大, 随着方解石含量增多, 岩石泊松比增大。

(3) 第2列元素中Y₄₂较大。

表明岩石裂隙长率的大小对岩石切线模量影响最大, 随着裂隙长率的增大, 岩石切线模量增大。

(4) 第5列元素中Y₂₅较大

表明岩石方解石含量多少和裂隙长率大小均对岩石内聚力影响最大, 随着岩石方解石含量和裂隙长率增大, 岩石的内聚力增大。

(5) 第1列元素中Y₁₁较大。

表明硬石膏含量多少对岩石的拉压比影响最大, 硬石膏含量多, 岩石拉压比大。

(6) 从[R]中还可知方解石含量和裂隙长率均对岩石切线模量、泊松比、单轴抗压强度和内聚力等的影响较大。

4 结语

以上分析了岩性特征对岩石力学特性的影响诸问题, 研究表明, 在自然含水状态下岩石的拉压比随岩石的硬石膏含量增多而增大, 岩石的切线模量、泊松比、单轴抗压强度和内聚力均随岩石方解石含量和裂隙长率增多而增大。