陷落柱充填巖石力學(xué)參數(shù)點荷載測試研究

許海濤，王續(xù)明

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

陷落柱充填巖石力學(xué)參數(shù)點荷載測試研究

許海濤，王續(xù)明

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

煤礦多數(shù)情況下為了提高開采效率、減少工作面搬家次數(shù)，對于不充水陷落柱通常采用直接推過的處理方法。但在制定推采方案及陷落柱活化突水風(fēng)險評價過程中，應(yīng)首先搞清楚陷落柱內(nèi)部充填特征及巖石力學(xué)參數(shù)。點荷載試驗裝置對巖石試件的要求不嚴格，不需要精心準備加工試件，所以在工程實際中得到廣泛應(yīng)用。本文嘗試采用點荷載試驗方法，測試陷落柱內(nèi)部巖石力學(xué)參數(shù)，為研究回采工作面安全通過陷落柱提供實驗依據(jù)。

陷落柱；充填巖石；力學(xué)參數(shù)；點荷載

陷落柱是我國華北煤田廣泛發(fā)育的一種以隱伏垂向為主的極富區(qū)域特色的地質(zhì)構(gòu)造[1]。盡管北方礦區(qū)揭露的絕大多數(shù)陷落柱都不導(dǎo)水，但也不乏少數(shù)礦井發(fā)生陷落柱突水淹井的重大災(zāi)害，且造成巨大經(jīng)濟損失和不良后果[2]。目前利用力學(xué)理論和數(shù)值方法對陷落柱的形成過程、形成機理、導(dǎo)水機理以及陷落柱發(fā)育規(guī)律、導(dǎo)水類型、導(dǎo)水條件等均有不同程度的研究[3-5]。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)，對于不充水陷落柱通常采用直接推過的處理方法，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[6-7]，因此，在工作面開采前通過實驗研究來確定陷落柱內(nèi)部松散巖石力學(xué)參數(shù)，對于保證工作面順利推過具有十分重要的意義。通過對趙莊二號井陷落柱內(nèi)部選取的煤巖樣品形態(tài)的分析，選取點荷載實驗方法測試陷落柱內(nèi)部巖石力學(xué)參數(shù)，為研究工作面安全通過陷落柱提供實驗依據(jù)。

1 陷落柱發(fā)育情況及充填特征

1.1 發(fā)育情況

根據(jù)晉城煤業(yè)集團趙莊二號井提供的3號煤層采掘工程平面圖，并結(jié)合以往的地震勘探解譯成果和巷道揭露等工程控制資料知道井田內(nèi)和外圍共發(fā)現(xiàn)陷落柱36個。其中除了X10陷落柱頂面只發(fā)育到15號煤層外，在3號煤層中共發(fā)育35個陷落柱；36個陷落柱中X11、X12、X13、X14、X15 5個陷落柱為在三號煤層的井巷實際揭露的(物探未發(fā)現(xiàn))，其余31個為地震勘探解譯成果；另外DX31、DX32、DX33是分布在井田的外圍，其余分布在井田內(nèi)。

1.2 充填特征

結(jié)合收集到的巷道掘進的臨時地質(zhì)預(yù)報，總結(jié)出的鉆探揭露的陷落柱填充物特征。從掘進揭露的陷落柱柱內(nèi)充填情況看，主內(nèi)充填物具有泥礫結(jié)構(gòu)，大小不一，棱角明顯，雜亂無章，泥質(zhì)膠結(jié)。泥礫中的大角礫和塊石來自上覆巖層，主要為堅硬的砂巖、灰?guī)r塊，以砂巖塊居多，大小相差懸殊，從數(shù)厘米、十?dāng)?shù)厘米至數(shù)十厘米，其中巨大板條狀塊石長可達2～3m左右，這種條石有的斜歪、有的豎直、有的平臥，姿態(tài)多樣?；|(zhì)由較細至極細的巖屑、巖粉、粘粒組成，含量較高，通常>60%，它們包裹著大大小小的巖塊，膠結(jié)緊密，不少大巖塊恰似懸浮在基質(zhì)中，堆積物無分選，無層理顯示[8-9]。

2 陷落柱內(nèi)部煤巖樣品采集及統(tǒng)計

大量的工程實踐證明，試件的個數(shù)越多、試件的形狀越接近，試驗結(jié)果的一致性就越強也就越趨向于真實，也越能真實的反映試件的力學(xué)特性。試件的選取按照水利水電工程巖石試驗規(guī)程SL246-2001 的規(guī)定進行。樣品自陷落柱內(nèi)部，且全部為不規(guī)則試件，圖1為部分樣品照片。試件的尺寸描述見表 1。

表1 陷落柱樣品統(tǒng)計

3 點荷載試驗原理及儀器選擇

3.1 試驗原理

在進行點荷載測試時，煤、巖試件雖然在兩個加載球頭間受到的是壓應(yīng)力，但是煤、巖試件僅僅是在兩個球頭附近受壓應(yīng)力，在沿著球頭的夾角向外擴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及其附近的一個很小的范圍內(nèi)，過了這個范圍以后巖石受到就是拉應(yīng)力。由于煤巖塊的抗壓強度大于它的抗拉強度，所以點荷載試驗中試件是拉應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞的，即在荷載作用下整個試件在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞[10]。

3.2 儀器選擇

此次點荷載現(xiàn)場試驗采用由英國進口的77-0115型數(shù)字點荷載儀(圖2)，由于巖石強度指標(biāo)不是巖石的固有性質(zhì)，為了保證不同巖石強度試驗所獲得的巖石強度指標(biāo)具有可比性，國際巖石力學(xué)學(xué)會(SIRM)對巖石強度試驗所使用的試件的形狀、尺寸、加載速率等都指定了相應(yīng)的標(biāo)準，此次試驗參照標(biāo)準為國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗方法委員會推薦標(biāo)準(ASTMD5731)。

4 實驗數(shù)據(jù)處理

(1)未修正的點荷載強度指標(biāo)Is

未修正的點荷載強度指標(biāo)Is(MPa)由公式(l)求得：

(1)

a-泥巖；b-煤；c-砂巖圖1 部分樣品

圖2 點荷載試驗儀器

式中：

P—破壞荷載，kN；

DE—巖芯等價直徑，mm。

對于巖芯徑向試驗，DE即是巖芯的實際直徑；對于巖心軸向試驗或規(guī)則、不規(guī)則巖塊試驗，等價巖芯直徑由公式(2)求得：

(2)

式中，A為代表加載器接觸點的試件最小橫截面積。

(2)修正后的點荷載強度指標(biāo)

由于Is值不但與試件形狀有關(guān)，而且是試件尺寸DE (或D)的函數(shù)。為了便于比較，獲得一致性的點荷載強度指標(biāo)，國際巖石力學(xué)學(xué)會(SIRM)將直徑為50 mm的圓柱體試件徑向加載點荷載試驗的強度指標(biāo)值，Is(50)確定為標(biāo)準試驗值，其他尺寸試件的試驗結(jié)果根據(jù)公式(3)進行修正。直徑修正系數(shù)為F。

IS(50)=F×IS,F=(DE/50)0.45

(3)

根據(jù)試驗要求，一組巖石的點荷載強度指標(biāo)，試件數(shù)至少10個以上，因此，依據(jù)各個試件的，值，去掉其中最高值和最低值，將剩余的數(shù)值求算術(shù)平均即為該種巖石的點荷載強度指標(biāo)。

(3)巖石力學(xué)參數(shù)計算

大量的試驗證實，巖石點荷載強度與巖石抗壓強度和抗拉強度之間有良好地相關(guān)性。國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗方法委員會推薦的關(guān)系如下：

(4)

Rt?1.25Is(50)

(5)

抗拉強度Rt、巖石內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ由公式(5)、(6)、(7)[11]計算得到：

(6)

(7)

陷落柱內(nèi)充填破碎巖石力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果如表2所示。

表2 巖石基本力學(xué)參數(shù)

5 結(jié)論

陷落柱作為一種特殊的煤田地質(zhì)構(gòu)造，其形態(tài)特征、充填特征及富水性變化多樣、類型復(fù)雜。根據(jù)對目前已經(jīng)揭露的陷落柱的統(tǒng)計情況分析，大多數(shù)陷落柱為不導(dǎo)水陷落柱。所以煤礦多數(shù)情況下為了提高開采效率、減少工作面搬家次數(shù)，對于不充水陷落柱通常采用直接推過的處理方法。但在制定推采方案及陷落柱活化突水風(fēng)險評價過程中，應(yīng)首先搞清楚陷落柱內(nèi)部充填特征及巖石力學(xué)參數(shù)。陷落柱中充填物多表現(xiàn)為不規(guī)則、尺寸偏小、風(fēng)化等特點，常規(guī)的巖石力學(xué)測試方法不能適用。點荷載試驗裝置對巖石試件的要求不嚴格，不需要精心準備加工試件，所以在工程實際中得到廣泛應(yīng)用。本文嘗試采用點荷載試驗方法，測試陷落柱內(nèi)部巖石力學(xué)參數(shù)，為研究回采工作面安全通過陷落柱提供實驗依據(jù)。

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PointLoadTestResearchontheCoalandRockMechanicalParametersinCollapseColumn

XU Hai-tao, WANG Xu-ming

(SchoolofSafetyEngineering，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

In most cases, in order to improve the mining efficiency and to reduce the number of moving faces, a direct push method is adopted for the water tight collapse column. However, in the process of developing the mining scheme and the risk assessment of the activation of the collapse column, the internal filling characteristics and rock mechanics parameters of the collapse column should be clarified first. Point load test device’s requirements of the rock specimen are not strict, do not need to carefully prepare the test specimen, so it has been widely used in engineering practice. In this paper, the method of point load test is used to test the internal rock mechanics parameters of subsided column, which can provide experimental basis for studying the safety of the working face through the collapse column

Collapse Column; Filling rock; Mechanical parameters; Point load test

2017-07-14

河北省科技計劃項目(16275515)；國家自然科學(xué)基金資助項目 ( 51674119) ; 河北省自然科學(xué)基金資助項目(E2013508123)

許海濤(1979-)，男，山東菏澤人，碩士，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院講師，主要從事特殊開采等領(lǐng)域理論與技術(shù)研究。 E-mail: 641834827@qq.com

TD315

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1672-7169(2017)04-0015-04