沙吉海煤礦礫巖層礫石粒度及強(qiáng)度特征分析

王曉雷，劉治國(guó)，呂曉磊

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083;2.河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山 063009;3.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013;4.國(guó)網(wǎng)能源和豐煤電有限公司沙吉海煤礦，新疆塔城 834411）

沙吉海煤礦礫巖層礫石粒度及強(qiáng)度特征分析

王曉雷1，2，劉治國(guó)3，呂曉磊4

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083;2.河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山 063009;3.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013;4.國(guó)網(wǎng)能源和豐煤電有限公司沙吉海煤礦，新疆塔城 834411）

沙吉海煤礦煤層直接頂板為礫巖層，由礫石和砂巖膠結(jié)而成，給巷道支護(hù)帶來(lái)了很大困難，為了安全高效開(kāi)采煤層，有必要研究礫巖層中礫石的粒度及強(qiáng)度特征。本文對(duì)礫巖層中礫石的粒度特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分析了不同組別礫石數(shù)量及體積所占的百分比;采用點(diǎn)荷載測(cè)試法對(duì)礫石單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明礫石的單軸抗壓強(qiáng)度很大，特別是青黑色礫石，一般都在200MPa以上，最高的甚至可達(dá)300MPa以上。

礫石;粒度特征;強(qiáng)度特征;點(diǎn)荷載

圖1 礫巖層厚度統(tǒng)計(jì)分析

目前該礫巖層中的礫石粒度及強(qiáng)度情況尚未進(jìn)行過(guò)研究，因此，為了安全高效開(kāi)采煤層，有必要先弄清礫巖層中礫石的粒度及強(qiáng)度特征。此外，在新疆準(zhǔn)葛爾盆地和什托洛蓋煤田中，這種礫石層廣泛存在，本文的分析結(jié)果對(duì)其他礦山也有很大的借鑒意義。

1 礫石粒度特征統(tǒng)計(jì)分析

1.1 礫石粒度統(tǒng)計(jì)方法

已揭露的礫石形狀各異，一般有球體、扁圓體、扁長(zhǎng)體及長(zhǎng)圓體等。大多數(shù)情況，礫石常順著一個(gè)方向延長(zhǎng)，這個(gè)方向稱(chēng)為長(zhǎng)軸［1］。礫石長(zhǎng)軸方位的統(tǒng)計(jì)，是研究礫石粒度的首要工作［1－2］，因此，本文礫石粒度統(tǒng)計(jì)的方法以各礫石長(zhǎng)軸方位的大小作為粒徑指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。將不同粒徑的礫石劃分為粒組，統(tǒng)計(jì)分析各粒組礫石的數(shù)量、體積及其所占的百分比等特征。按照30mm×30mm，40mm×40mm，50mm×50mm，60mm×60mm，70mm×70mm，80mm×80mm，90mm×90mm，100mm×100mm等規(guī)格用鋼筋制作了篩子，用于篩分不同粒徑的礫石。篩分時(shí)，首先用篩子進(jìn)行粗略篩選，然后再人工按照礫石長(zhǎng)軸方位進(jìn)行細(xì)選。

1.2 礫石粒度統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

共篩分了4717塊礫石，篩分統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。由表1可知:30mm以下粒徑礫石的數(shù)量最多，100mm以上粒徑礫石數(shù)量最少，隨著粒度的增大，所占的數(shù)量百分比逐漸下降;40～50mm粒徑礫石體積百分比最大，次之為90～100mm及100mm以上粒徑礫石;50mm以下粒徑礫石占總數(shù)量的 74.07%，60mm以下粒徑礫石占總數(shù)量的84.21%，70mm以下粒徑礫石占總數(shù)量的88.57%;70mm以下粒徑礫石占總體積的50.43%，80mm以下粒徑礫石占總體積的60.15%，90mm以下粒徑礫石占總體積的72.13%。

從礫石粒度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知:30mm以下粒徑的礫石數(shù)量約占總數(shù)量的1/3，在該礫巖層中進(jìn)行錨桿孔鉆進(jìn)時(shí)，曾選用φ28mm的兩翼合金鉆頭，鉆頭均被礫石嚴(yán)重崩壞，磨損嚴(yán)重，其原因主要為鉆頭28mm的直徑與礫石30mm以下的粒徑相匹配，而這些礫石起到破壞鉆頭的作用。為減小鉆頭的磨損，在選擇鉆頭直徑時(shí)，應(yīng)選擇直徑大于30mm的鉆頭，如 φ32mm，φ42mm等。30～40mm粒徑、40～50mm粒徑礫石數(shù)量各約占總數(shù)量的1/5。由于礫巖層中鉆孔，擴(kuò)孔效果不明顯，所以選擇稍大直徑鉆頭可以滿(mǎn)足錨桿支護(hù)要求。此外，鉆頭形式上宜選擇三翼鉆頭或球形齒鉆頭，可以減少卡鉆現(xiàn)象的發(fā)生。50mm以下粒徑礫石占到了總數(shù)量的74.08%，則有利于采用中空注漿錨桿通過(guò)注漿將其膠結(jié)在一起，提高其整體強(qiáng)度，從而有利于巷道的安全掘進(jìn)。

表1 礫石粒度統(tǒng)計(jì)

2 礫石強(qiáng)度特征分析

2.1 礫石單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法

由于礫石的形狀不規(guī)則，大小不一，很難加工成標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)試樣，故其單軸抗壓強(qiáng)度采用點(diǎn)荷載試驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)試，首先測(cè)出礫石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is和I50，然后換算為單軸抗壓強(qiáng)度σc，關(guān)于換算系數(shù)，很多學(xué)者有過(guò)研究［3－6］，本文采用國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的建議值22，即σc=22I50。具體轉(zhuǎn)換公式如下:

式中，Is為未經(jīng)修正的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度，MPa;P為破壞荷載，N;De為等價(jià)巖心直徑，mm;D'為上下錐端發(fā)生貫入后，試件破壞瞬間的加荷點(diǎn)間距，mm;W為通過(guò)兩加荷點(diǎn)最小截面的寬度 （或平均寬度），mm;I50為經(jīng)尺寸修正后的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)，MPa;F為修正系數(shù);σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.2 礫石單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分析

礫石顏色主要有灰白色和青黑色2種，通過(guò)初期測(cè)試，發(fā)現(xiàn)灰白色礫石和青黑色礫石在強(qiáng)度上相差很遠(yuǎn)，青黑色礫石的單軸抗壓強(qiáng)度高出灰白色礫石很多。青黑色礫石在礫巖層中的存在，是造成難以鉆進(jìn)錨桿孔的重要因素之一，故又對(duì)青黑色礫石的數(shù)量及體積進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，青黑色礫石數(shù)量占總礫石數(shù)量的22.6%，體積占總礫石體積的30%，結(jié)果如圖2，圖3所示。

圖2 各粒組中青黑色礫石的數(shù)量及體積百分比

圖3 各粒組青黑色礫石占總數(shù)量及總體積的百分比

隨機(jī)選擇了符合實(shí)驗(yàn)要求的灰白色和青黑色礫石各100塊進(jìn)行了點(diǎn)荷載測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4，表2所示。結(jié)果表明，礫石的單軸抗壓強(qiáng)度很大，灰白色礫石平均單軸抗壓強(qiáng)度在100MPa以上，最高的在200MPa以上;青黑色礫石單軸抗壓強(qiáng)度更大，一般都在200MPa以上，最高的甚至可達(dá)300MPa以上。

由于礫石的這種強(qiáng)度特征，在進(jìn)行穿孔時(shí)，單純采用回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)切削破巖，如MQT系列錨桿鉆機(jī)，鉆孔時(shí)間長(zhǎng)，效率比較低;宜選擇沖擊回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，如YT28鑿巖機(jī)，邊沖擊邊回轉(zhuǎn)，可以將粒徑較小的礫石擠開(kāi)，尤其是青黑色礫石，對(duì)于粒徑大的礫石，在沖擊回轉(zhuǎn)雙重作用下，利于破碎，提高鉆進(jìn)效率;針對(duì)高強(qiáng)度礫石，普通合金鉆頭難以滿(mǎn)足要求，應(yīng)選擇PDC復(fù)合片鉆頭或者耐磨的球齒鉆頭。

圖4 點(diǎn)荷載壓壞的礫石

表2 礫石抗壓強(qiáng)度測(cè)試

3 結(jié)論

（1）對(duì)沙吉海煤礦礫巖層中礫石的粒度特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。按照長(zhǎng)軸方位將礫石分成了不同組別，統(tǒng)計(jì)分析了不同組別礫石數(shù)量及體積所占的百分比。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，30mm以下粒徑的礫石數(shù)量約占總數(shù)的1/3，在礫巖層中鉆進(jìn)時(shí)宜選擇直徑大于30mm的鉆頭;50mm以下粒徑礫石占到了總數(shù)量的74.07%，則有利于采用中空注漿錨桿通過(guò)注漿將其膠結(jié)在一起，提高其整體強(qiáng)度，從而有利于巷道的安全掘進(jìn)。

（2）礫石主要由青黑色和灰白色礫石組成，青黑色礫石數(shù)量占總礫石數(shù)量的22.6%，體積占總礫石體積的30%，青黑色礫石是造成難以鉆進(jìn)錨桿孔的重要因素之一。

（3）采用點(diǎn)荷載測(cè)試法對(duì)礫石單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明礫石的單軸抗壓強(qiáng)度很大，特別是青黑色礫石，一般都在200MPa以上，最高的甚至可達(dá)300MPa以上。選擇鉆機(jī)和鉆頭時(shí)，宜選擇沖擊回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，配PDC復(fù)合片鉆頭或者耐磨的球齒鉆頭，邊沖擊邊回轉(zhuǎn)，提高鉆進(jìn)效率。

［1］吳磊伯，馬騰云，沈淑敏.礫石排列方位的分析并論述長(zhǎng)沙等地白沙井礫石層的沉積構(gòu)造 ［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，1958，32（2）:201－231.

［2］趙東偉，董長(zhǎng)銀，張 琪.礫石尺寸評(píng)價(jià)與優(yōu)選方法研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2004，32（4）:63－65.

［3］焦守林，蔣麗麗.用點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定巖石抗壓強(qiáng)度 ［J］.山東煤炭科技，2011（2）:91－92.

［4］何風(fēng)雨.對(duì)點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換關(guān)系的試驗(yàn)分析［J］.資源環(huán)境與工程，2009，23（2）:138－140.

［5］趙 奎，金解放，趙 康，等.用巖石點(diǎn)荷載指標(biāo)確定其單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究 ［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2005，25（6）:32－33.

［6］郭曼麗.試論巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)的適用性 ［J］.巖土力學(xué)，2003，24（3）:488－494.

Gravel Granularity and Strength Characteristic of Boulder Bed in Shajihai Colliery

WANG Xiao-lei1，2，LIU Zhi-guo3，LV Xiao-lei4
（1.China University of Mining ＆ Technology（Beijing），Beijing 100083，China;2.Hebei Union University，Tangshan 063009，China;3.Tiandi Science ＆Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China;4.Shajihai Colliery，Hefeng Coal＆ Power Co.，Ltd，State Grid Energy，Tacheng 834411，China）

Immediate roof ofcoal-seam is gravel seam bonded with gravel and sandstone in Shajihai Colliery which brings difficulty for roadway supporting.So it is necessary that researching gravel granularity and strength characteristic of boulder bed.Gravel quantity and volume percent was analyzed by statistics.Single-axial compression strength was tested by point load method.Results showed that single-axial compression strength of gravel was very large，especially that of lividity gravel usually was over 200MPa，even reaches over 300MPa.

gravel;granularity characteristic;strength characteristic;point load

TD315

A

1006-6225（2012）02-0026-03

2011－11－20

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （D2010000921）;唐山市科技局資助項(xiàng)目 （10130212C）

王曉雷 （1979－），男，河北邯鄲人，講師，在讀博士研究生，主要從事巖土工程專(zhuān)業(yè)，軟巖工程與深部災(zāi)害控制方向。

［責(zé)任編輯:施紅霞］