福翼煤礦煤巷頂板巖層力學(xué)性質(zhì)實(shí)測研究

馬明樞

(陽泉煤業(yè)集團(tuán)翼城華泓煤業(yè)有限公司，山西臨汾041000)

福翼煤礦煤巷頂板巖層力學(xué)性質(zhì)實(shí)測研究

馬明樞

(陽泉煤業(yè)集團(tuán)翼城華泓煤業(yè)有限公司，山西臨汾041000)

為掌握福翼煤礦煤層巷道頂板巖石的力學(xué)性質(zhì)，以5403回采巷道為試驗(yàn)巷道鉆取頂板巖芯，通過實(shí)測與實(shí)驗(yàn)室測試的方法進(jìn)行研究。結(jié)果表明:福翼煤礦煤層巷道頂板巖性為碳質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、泥巖、中砂巖，其中中砂巖、細(xì)砂巖完整性好，泥巖、碳質(zhì)泥巖的完整性較差。煤層頂板巖石性質(zhì)差異較大。中砂巖的抗壓強(qiáng)度最大，碳質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度最小，且?guī)r石軟化對(duì)碳質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度影響極大，但對(duì)細(xì)砂巖和中砂巖的抗壓強(qiáng)度影響不大。

煤層巷道;頂板巖性;巖芯分析;物理力學(xué)性質(zhì)

巷道頂板圍巖是采場礦山壓力控制及巷道錨桿支護(hù)的直接對(duì)象，頂板圍巖的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、組合情況以及力學(xué)特性對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的作用。頂板圍巖力學(xué)性質(zhì)的測定可為煤層巷道錨桿支護(hù)提供參考依據(jù)。本文就福翼煤礦煤巷頂板巖層力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行實(shí)測研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

為了解福翼煤礦頂板巖層組合情況、巖性變化、圍巖結(jié)構(gòu)以及巖石的力學(xué)性質(zhì)，研究采場礦壓與巷道錨桿、錨索支護(hù)方式及支護(hù)工藝，更準(zhǔn)確地進(jìn)行頂板類型分類和礦山壓力研究，對(duì)正在掘進(jìn)的5403工作面運(yùn)輸巷提取頂板巖芯，并進(jìn)行以下分析:

1)巖芯分析。

巖芯分析主要指通過分析煤層巷道頂板巖層巖性及巖芯采取率等參數(shù)，確定頂板各巖層完整性，為巷道支護(hù)提供指導(dǎo)建議。

2)巖石物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

通過對(duì)頂板巖層的鉆孔巖芯進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算彈性模量E和泊松比μ，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1 頂板巖層取芯方案

為分析福翼煤礦煤層巷道中頂板巖層巖性特征，以正在掘進(jìn)的5403回采巷道為試驗(yàn)巷道，分別將距巷口200 m、500 m、900 m處設(shè)為取芯地點(diǎn)。采用礦用探水鉆機(jī)在巷道頂板中央處垂直頂板取芯，鉆桿鉆進(jìn)長度10.50 m，取芯鉆頭外徑70 mm、內(nèi)徑55 mm，所取巖芯直徑為50 mm．對(duì)鉆取的巖芯進(jìn)行編號(hào)、鑒定和封固處理，并運(yùn)至地面進(jìn)行分析。取芯方案見圖1．

圖1 取芯位置布置圖

1.2 測定方法

1)巖芯分析。

巖芯分析方法較為簡單，主要是采用鋼尺測定巖芯長度及采取率，并根據(jù)煤礦地質(zhì)學(xué)知識(shí)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)分析巖層巖性。部分鉆探巖芯分析圖見圖2．

圖2 鉆探巖芯分析圖

2)巖石物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測試。

根據(jù)ISRM建議的巖石單軸壓縮試件的高徑比，該次力學(xué)參數(shù)測試擬定巖石試件為直徑50 mm的圓柱形，高徑比為2，即高度為100 mm．

利用全自動(dòng)鉆孔取樣機(jī)把現(xiàn)場巖芯加工成d50 mm的巖樣，然后用JD1A－40型巖石切割機(jī)按照100 mm長度切割巖樣，最后將巖樣兩端磨平。加工后的巖芯試樣見圖3．

圖3 加工后的巖芯試樣圖

巖石單軸壓縮試驗(yàn)采用的儀器設(shè)備包括YAW－ 1000型全自動(dòng)壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)和XL2158C應(yīng)力＆應(yīng)變綜合參數(shù)測試儀。

在試件外部附加安裝應(yīng)變片，在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)施壓過程中測量巖芯試樣的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變，計(jì)算巖石的彈性模量和泊松比。根據(jù)試驗(yàn)需要選用丁字形應(yīng)變片，型號(hào)為BX120－2BA，電阻值為119.6±0.3Ω，靈敏系數(shù)為2.08±1%，見圖4．

為了避免和減輕試樣的端部效應(yīng)，取試件中部分布比較均勻的應(yīng)力作為計(jì)算依據(jù)。

圖4 巖石單軸壓縮試驗(yàn)圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 巖芯分析

試驗(yàn)巷道頂板取芯時(shí)，取芯鉆孔垂直頂板，鉆桿鉆進(jìn)長度10.50 m，巖芯平均提取長度為8.64 m，平均巖芯采取率為82.29%．

對(duì)提取的巖芯進(jìn)行頂板巖層巖性分析，完成試驗(yàn)巷道頂板巖芯柱狀圖，見圖5．由圖5可知，福翼煤礦煤層巷道頂板巖性為碳質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、泥巖、中砂巖，其中細(xì)砂巖提取較為完整，硬度大;中砂巖提取完整性最好，取出巖芯最長達(dá)1.1 m;泥巖的完整性較差，采取率低;碳質(zhì)泥巖的完整性較好，但采取率較低。

圖5 頂板巖芯柱狀圖

2.2 巖石物理力學(xué)性質(zhì)分析

福翼煤礦試驗(yàn)煤層巷道頂板巖層的鉆孔巖芯單軸抗壓強(qiáng)度以及根據(jù)變形(軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變)測試結(jié)果計(jì)算的彈性模量E和泊松比μ見表1，表2．根據(jù)測試結(jié)果可知:

1)煤層頂板巖石性質(zhì)差異較大。其中，中砂巖的抗壓強(qiáng)度最大，平均為120.9 MPa，碳質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度最小，平均為14.77 MPa．

表1 頂板巖石力學(xué)性質(zhì)分析結(jié)果表

表2 頂板巖石飽水力學(xué)性質(zhì)分析結(jié)果表

2)巖石軟化對(duì)碳質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度影響極大，但對(duì)細(xì)砂巖和中砂巖的抗壓強(qiáng)度影響不大。

3 結(jié)論

為給福翼煤礦煤巷錨桿支護(hù)提供依據(jù)，在福翼煤礦煤層巷道頂板鉆取巖芯并進(jìn)行巖芯分析和實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性質(zhì)測試，得到以下結(jié)論:

1)福翼煤礦煤層巷道頂板巖性為碳質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、泥巖、中砂巖，其中中砂巖、細(xì)砂巖完整性好，泥巖、碳質(zhì)泥巖的完整性較差。

2)煤層頂板巖石性質(zhì)差異較大。中砂巖的抗壓強(qiáng)度最大，碳質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度最小，且?guī)r石軟化對(duì)碳質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度影響極大，但對(duì)細(xì)砂巖和中砂巖的抗壓強(qiáng)度影響不大。

［1］劉洪濤，樊龍，宋高峰，等．巷道頂板巖層沉積穩(wěn)定性分析［J］．煤礦開采，2012，17(2):54－56.

［2］孟召平，彭蘇萍，黎洪．正斷層附近煤的物理力學(xué)性質(zhì)變化及其對(duì)礦壓分布的影響［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2001，26(6):561－566.

［3］劉小紅．劉橋礦區(qū)主采煤層頂板巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究［D］．淮南:安徽理工大學(xué)，2003.

［4］劉洪濤，馬念杰，趙飛虎，等．煤巷破碎頂板錨固串結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)分析［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(5):5－8.

Field Research on the M echanical Properties of Coal Roadway Roof Strata in Fuyi Coal Mine

MA M ingshu

Tomaster themechanics properties of coal roadway roof rock in Fuyi coalmine，5403 mining roadway is as the tested roadway，the roof core is researched by actualmeasurementand laboratory tests．The results show that the roof lithology of coal roadway are carbonaceousmudstone，fine sandstone，mudstone and medium sandstone．The medium sandstone and fine sandstone have a better integrity，with a worse integrity of carbonaceousmudstone and mudstone．Coal seam roof rock properties are quite different．The compressive strength thatmedium sandstone ismaximum and carbonaceousmudstone ismininum．The compressive strength influence of rock softening ismaximum to carbonaceousmudstone but little to fine sandstone andmedium sandstone．

Coal roadway;Roof lithology;Core analysis;Physical and mechanical properties

TD32

B

1672－0652(2015)09－0038－03

2015－07－15

馬明樞(1967—)，男，湖南隆回人，1990年畢業(yè)于湘潭礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)、技術(shù)管理工作(E－mail)ldw112245@163．com