陷落柱影響區(qū)煤巖力學(xué)參數(shù)點(diǎn)荷載測(cè)試分析

任建軍 任建偉 許海濤

（1.興義民族師范學(xué)院， 貴州 興義 562400；2.六盤水市能源局， 貴州 六盤水 553000；3.華北科技學(xué)院， 河北 三河 065201）

陷落柱影響區(qū)煤巖力學(xué)參數(shù)點(diǎn)荷載測(cè)試分析

任建軍1任建偉2許海濤3

（1.興義民族師范學(xué)院， 貴州 興義 562400；2.六盤水市能源局， 貴州 六盤水 553000；3.華北科技學(xué)院， 河北 三河 065201）

根據(jù)葛亭礦X5陷落柱左側(cè)試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，分析出了陷落柱周圍20m范圍內(nèi)煤體強(qiáng)度的變化規(guī)律，以及20m處煤塊由點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)測(cè)得的強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)試件單軸抗壓強(qiáng)度的誤差。證明了點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)方法可以為陷落柱圍巖穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

點(diǎn)荷載；破壞機(jī)理；單軸抗壓強(qiáng)度；陷落柱

陷落柱是煤礦開采中常見的一種地質(zhì)現(xiàn)象，陷落柱塌陷處呈圓形或不甚規(guī)則的橢圓柱狀體，該處的煤層遭到破壞，嚴(yán)重影響了煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-2]。大多數(shù)情況下為了提高開采效率、減少工作面搬家次數(shù)，對(duì)于不充水陷落柱通常采用直接推過(guò)的處理方法，但是由于陷落柱周圍應(yīng)力的分布異常，陷落柱內(nèi)巖體松散復(fù)雜以及工作面采動(dòng)應(yīng)力的疊加影響，給工作面的安全生產(chǎn)造成很大的影響[3-4]，因此，在工作面開采前通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)確定陷落柱周邊煤巖的應(yīng)力分布，對(duì)于保證工作面順利推過(guò)具有十分重要的意義。

通過(guò)在葛亭煤礦3301軌道巷上X5陷落柱左側(cè)周邊選取煤巖試件進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，并根據(jù)試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，分析出了陷落柱周圍20m范圍內(nèi)煤體強(qiáng)度的變化規(guī)律，為安全通過(guò)該陷落柱提供了理論依據(jù)。

一、工作面及測(cè)試陷落柱概況

3301工作面位于礦井-386m水平西翼、330膠帶下山南部，工作面走向長(zhǎng)880m，傾斜寬100m；煤層走向近南北，傾向東，平均傾角23°；煤層厚度9.07m；煤層頂板為深灰色泥巖，厚度9.83m，泥巖上部為27.60m的中砂巖，灰白色，成分為石英，長(zhǎng)石等礦物，顆粒次圓狀，分選好，鈣質(zhì)孔隙式膠結(jié)，發(fā)育波狀層理及大型槽狀交錯(cuò)層理，具斜交裂隙，方解石充填，夾大量煤線；底板為灰黑色泥巖，厚度1.30m，泥巖之下為灰白色細(xì)砂巖，厚度10.50m，發(fā)育波狀層理，局部夾粉砂巖薄層。

X5陷落柱是在軌道順槽掘進(jìn)過(guò)程中揭露的，X5陷落柱長(zhǎng)軸23m，短軸13m，面積214m2。陷落柱內(nèi)充填雜色泥沿、灰綠色細(xì)砂巖、灰白色砂巖、煤粒等，膠結(jié)致密，干燥無(wú)水，陷落高度在200m以上。X5陷落柱位置見圖1。

圖1 X5陷落柱位置

二、試驗(yàn)中煤巖塊的破壞原理

在進(jìn)行點(diǎn)荷載測(cè)試時(shí)，煤、巖試件雖然在兩個(gè)加載球頭間受到的是壓應(yīng)力[5]，但是煤、巖試件僅僅是在兩個(gè)球頭附近受壓應(yīng)力，在沿著球頭的夾角向外擴(kuò)張的方向上受的是拉應(yīng)力；因此，巖石的受壓部位僅處于加載點(diǎn)及其附近的一個(gè)很小的范圍內(nèi)，過(guò)了這個(gè)范圍以后巖石受到就是拉應(yīng)力。由于煤巖塊的抗壓強(qiáng)度大于它的抗拉強(qiáng)度，所以點(diǎn)荷載試驗(yàn)中試件是拉應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞的，即在荷載作用下整個(gè)試件在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞[6]。試件的破壞形式見圖2[7]；試件的測(cè)試采用的是77-0115型數(shù)字點(diǎn)荷載儀見圖3。

圖2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)破壞機(jī)理圖

圖3 77-0115型數(shù)字點(diǎn)荷載儀

三、試件的選取及測(cè)試

大量的工程實(shí)踐證明，試件的個(gè)數(shù)越多、試件的形狀越接近，試驗(yàn)結(jié)果的一致性就越強(qiáng)也就越趨向于真實(shí)，也越能真實(shí)的反映試件的力學(xué)特性。試件的選取按照水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程SL246-2001的規(guī)定進(jìn)行。

為了弄清該陷落柱左側(cè)煤、巖的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)的分布規(guī)律及最終確定該陷落柱中煤、巖的力學(xué)特性。本次點(diǎn)荷載試驗(yàn)中的煤樣均取自山東葛亭礦X5陷落柱的左側(cè)，且全部為不規(guī)則試件。從距陷落柱左側(cè) 0～4m、4～8m、8～12m、12～16m、16～20m五個(gè)區(qū)間中各選取20個(gè)試件，并在實(shí)驗(yàn)室中挑取了63個(gè)較為滿意的試件進(jìn)行分析，其中0～4m的數(shù)據(jù)為 11個(gè)，4～8m的數(shù)據(jù)為 13個(gè)，8～12m的數(shù)據(jù)為13個(gè)，12～16m的數(shù)據(jù)為14個(gè)，16～20m的數(shù)據(jù)為12個(gè)，試件的尺寸描述見表1；試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理按照水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程SL246-2001的規(guī)定進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果見表2。

表1 所選試件的尺寸描述

8～12m 煤 8.5 4.82 6.798 60.333 21.667 38.851 2.40 13 12～16m 煤 7.3 4.5 5.158 47.667 25 36.61 2.49 14 16～20m 煤 10 6.29 7.661 48.8 32.2 42.69 2.99 12

表2 陷落柱周圍各測(cè)點(diǎn)區(qū)間上煤體的強(qiáng)度計(jì)算表

另外，在距陷落柱20米處選取幾塊外形規(guī)整未受陷落柱影響的大塊煤體，用于在實(shí)驗(yàn)室制取用來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比的50mm*100mm標(biāo)準(zhǔn)試件。在實(shí)驗(yàn)室使用取芯機(jī)對(duì)煤樣進(jìn)行取芯，共取了4塊50mm*100mm的圓柱形試件，試件見圖4，然后使用TAW-2000型電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)的見圖5，測(cè)試結(jié)果見表3。

圖4 50mm*100mm的圓柱形試件

圖5 TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)

表3 正常區(qū)內(nèi)煤塊的單軸抗壓強(qiáng)度

四、數(shù)據(jù)分析

由表2的數(shù)據(jù)可得到煤塊在各區(qū)間的單軸抗壓強(qiáng)度與陷落柱距離的關(guān)系如圖6。

圖6 陷落柱巖樣力學(xué)參數(shù)強(qiáng)度與陷落柱距離的關(guān)系圖

1.由圖7知在距陷落柱中心較近的煤體的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的增加幅度較大，隨著所取試件距陷落柱中心距離的增加，當(dāng)達(dá)到一定距離后單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加的幅度變小，趨于一個(gè)定值即該處煤巖體未被破壞時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

2.由表2數(shù)據(jù)計(jì)算知14.5～18.5m范圍內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度的斜率為0.14，說(shuō)明該陷落柱周圍20m的范圍內(nèi)都處于陷落柱的影響區(qū)，且隨著距陷落柱中心距離的增加，陷落柱對(duì)煤體強(qiáng)度的影響不斷減小。

3.通過(guò)計(jì)算分析知，距陷落柱中心20m處的點(diǎn)荷載測(cè)得的煤巖強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到該區(qū)域內(nèi)由大塊煤體做的標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度的90%，說(shuō)明點(diǎn)荷載測(cè)試法可以應(yīng)用于陷落柱、斷層等構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)的煤巖力學(xué)參數(shù)測(cè)試中。

五、結(jié)論

1.通過(guò)與距陷落柱中心20m處煤巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知使用點(diǎn)荷載儀測(cè)得的點(diǎn)荷載強(qiáng)度能夠較真實(shí)有效地反映陷落柱周圍煤、巖的力學(xué)特性，所測(cè)得的巖石強(qiáng)度指標(biāo)能夠應(yīng)用于陷落柱的保護(hù)和評(píng)價(jià)中。

2.隨著所取試件距陷落柱中心距離的增加，煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都在不斷增加，在距陷落柱中心20m處的點(diǎn)荷載測(cè)得的煤巖強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到該區(qū)域內(nèi)由大塊煤體做的標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度的90%，說(shuō)明在距離陷落柱中心一定距離后煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)趨于煤巖體未破壞時(shí)的強(qiáng)度。

[1]尹尚先，武強(qiáng)，王尚旭.華北煤礦區(qū)巖溶陷落柱特征及成因探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004,23（1）：120-123.

[2]楊武洋.煤礦陷落柱賦水特征的綜合物探探查原理與方法[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013,30（1）：45-50.

[3]姚邦華，茅獻(xiàn)彪，魏建平，等.考慮顆粒遷移的陷落柱流固耦合動(dòng)力學(xué)模型研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,43（1）：30-35.

[4]張村，屠世浩，白慶升，等.陷落柱周邊應(yīng)力變化及推采控制研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,43(6):974-980.

[5]BROCHE，F(xiàn)RANKLIN J A.The point load strength test[J].Int J Rock MechMin-Sci，1972，9:669-697．

[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),2003,03:488-489+494.

[7]李先煒.巖塊力學(xué)性質(zhì)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1983：162-171.

責(zé)任編輯：王文寶

Point Load Test Analysis on the Coaland Rock Mechanical Parameters in Collapse Column Affected zone

REN Jian-jun1,REN Jian-wei2，XU Hai-tao3
（1.Xingyi Normal University for Nationalities,Xingyi，Guizhou 562400,China;2.Liupanshui Energy Bureau,Liupanshui，Guizhou 553000,China;3.North China Institute ofScience and Technology，Sanhe，Hebei 065201,China）

According to the point load strength of the specimens on the left side of X5 Collapse Column of the GeTing mine,analysis ofthe variation ofcoal strength around the collapse columns within 20 meters,and the error ofthe point load strength and the strength of standard test pieces in coal about 20 m,it proved that point load test method can provide the basic data for the stability analysis of surroundingrock collapse column.

Point load test；failure mechanism；uniaxial compression strength；Collapse Column

1009—0637（2016）01—0116—04

TD712

A

2016—01—02

任建軍（1986— ），男，山西運(yùn)城人，興義民族師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院教師，研究方向：礦山災(zāi)害防治。