松軟煤層抗張強(qiáng)度及防隔水煤柱寬度的研究

項(xiàng)林語(yǔ)，趙 雅，杜金龍，呂 偉，黃程皓，王佳豪，俞鋮紅

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

在煤礦井下開(kāi)采時(shí)，為了防止地下水源突然涌入而設(shè)置一定規(guī)模暫不開(kāi)采的煤柱，稱(chēng)為防隔水煤柱。在井下可能發(fā)生突水或涌水的區(qū)域設(shè)置合理寬度的防隔水煤柱，能減少煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的同層位突(透)水事故。根據(jù)我國(guó)《煤礦防治水細(xì)則》中給出的經(jīng)驗(yàn)公式，可以計(jì)算出松軟結(jié)構(gòu)煤層防隔水煤柱的合理留設(shè)寬度。根據(jù)公式，其他變量在礦井特定位置為固定值，煤柱的留設(shè)寬度僅為煤層抗張強(qiáng)度的函數(shù)，因此煤層的抗張強(qiáng)度的求取在確定煤柱留設(shè)寬度中顯得至關(guān)重要。

本文所研究的祁南煤礦屬于淮北礦區(qū)，石炭-二疊系地層為其主要含煤地層，煤田形成后經(jīng)歷了多次構(gòu)造作用[1]，煤田發(fā)育有大量不同規(guī)模的斷層，因此，在煤礦采動(dòng)過(guò)程中，為了減少突(透)水事故的發(fā)生和維持巷道支護(hù)的穩(wěn)定性，需在礦井內(nèi)合理位置留設(shè)一定寬度或厚度的防隔水煤柱。且淮北礦區(qū)大部分煤礦為20世紀(jì)70年代至80年代建井的礦井，多數(shù)礦井資源枯竭，近年來(lái)已有多個(gè)煤礦相繼閉坑，給周邊生產(chǎn)礦井造成了嚴(yán)重的老空水害威脅，留設(shè)合理防水煤柱對(duì)于老空水害防治具有重要意義。煤層在形成之后大多經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，各種不連續(xù)結(jié)構(gòu)面及微裂隙在煤體內(nèi)部非常發(fā)育，所以，采用科學(xué)的研究方法開(kāi)展松軟煤巖抗張強(qiáng)度測(cè)試與確定研究工作對(duì)礦井生產(chǎn)意義重大。

而松軟結(jié)構(gòu)的煤巖難以制成標(biāo)準(zhǔn)試件，因此無(wú)法采用劈裂試驗(yàn)獲得其抗張強(qiáng)度。通過(guò)開(kāi)展點(diǎn)荷載試驗(yàn)，利用經(jīng)驗(yàn)公式間接求取煤層的抗張強(qiáng)度，可以解決這一問(wèn)題，并且為防隔水煤柱寬度的強(qiáng)度參數(shù)的求取奠定了基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景及煤樣特征

1.1 地質(zhì)背景

祁南煤礦位于安徽省宿州市埇橋區(qū)祁縣鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)位于宿南向斜西南翼。該區(qū)地層傾角變化較大，北部最大地層傾角可達(dá)32°，向南逐步變緩，中部及南部，傾角一般為5～20°。在該礦井內(nèi)的主要煤系地層中，石炭系煤層厚度薄，穩(wěn)定性較差，其水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件復(fù)雜。礦區(qū)內(nèi)褶曲和斷層較為發(fā)育，構(gòu)造條件較為復(fù)雜，煤體結(jié)構(gòu)松散。

1.2 煤樣煤質(zhì)特征

礦內(nèi)可采煤層平均密度在1.40 g/cm3，煤樣顏色大多為灰黑色至黑色，條痕色為棕黑色至黑色，光澤為瀝青至玻璃光澤，呈條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，常見(jiàn)層理；內(nèi)生裂隙發(fā)育，斷口呈參差狀或階梯狀。本礦內(nèi)煤層大多屬于中灰煤-低灰煤，其中，以中灰煤居多。礦井內(nèi)大部分可采煤層均屬極難選煤，見(jiàn)圖1。

圖1 軸向加載下煤樣4、7破壞面呈現(xiàn)的條帶狀結(jié)構(gòu)

2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器及方法

本次試驗(yàn)所用到的點(diǎn)荷載儀為STDZ-2數(shù)顯點(diǎn)荷載試驗(yàn)儀，主要由應(yīng)變式傳感器、立式油壓千斤頂、游標(biāo)卡尺、底座及支架等組成[2]。壓頭圓錐角為60°,最大出力為55 kN，試樣高度10～100 mm。

點(diǎn)荷載試驗(yàn)是將煤巖試樣放置于儀器上端的兩個(gè)錐形壓頭中間，在試樣的幾何中心位置利用油泵手動(dòng)緩慢加壓直至試樣破壞，記錄破壞時(shí)的荷載Pt，并根據(jù)公式求得試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度的一種試驗(yàn)方法。在本次試驗(yàn)中，對(duì)所采取煤樣軸向和徑向上進(jìn)行了加載，每個(gè)加載方向上進(jìn)行了20組試驗(yàn)。

2.2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)的作用

點(diǎn)荷載試驗(yàn)主要用于巖石分類(lèi)和測(cè)定巖石的各向異性。其設(shè)備輕便、成本低、試驗(yàn)周期短，在室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中均適用。除了適用于規(guī)則試件的測(cè)定，還廣泛運(yùn)用于不規(guī)則試件的強(qiáng)度測(cè)試。如煤樣強(qiáng)度低、裂隙發(fā)育而難以制成標(biāo)準(zhǔn)試件的材料，可運(yùn)用點(diǎn)荷載試驗(yàn)預(yù)估其單軸抗壓強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度。

在本試驗(yàn)中，由于祁南煤礦可采煤層煤體結(jié)構(gòu)松散，難以制成標(biāo)準(zhǔn)試件，故難以采用劈裂試驗(yàn)來(lái)測(cè)定煤體的抗張強(qiáng)度。采用點(diǎn)荷載試驗(yàn)，可以測(cè)定不規(guī)則煤塊的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，再根據(jù)點(diǎn)荷載強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度換算的經(jīng)驗(yàn)公式間接求得松軟煤體的抗張強(qiáng)度，從而提供求取防隔水煤柱寬度的強(qiáng)度參數(shù)。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 點(diǎn)荷載強(qiáng)度計(jì)算

依據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)發(fā)布的《測(cè)定點(diǎn)荷載強(qiáng)度的高破壞荷載建議方法》，點(diǎn)荷載強(qiáng)度的計(jì)算公式為[3-4]：

(1)

式中：Is為試樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度,MPa;Pt為試樣破壞時(shí)點(diǎn)荷載儀記錄的峰值荷載,kN；De為等效圓直徑。

(2)

Af=DWf

(3)

式中：D為試樣破壞時(shí)兩個(gè)球形壓頭之間的距離,mm；Wf為煤巖破壞面的平均寬度,mm；Af為試樣破壞面積,mm2[5-6]。

為了研究祁南煤礦煤層抗張強(qiáng)度，在其34下6工作面采取了若干煤樣。

將所得煤樣分為兩部分，分別進(jìn)行徑向和軸向(順層和垂直層面方向上的)加載，每個(gè)方向上進(jìn)行20組試驗(yàn)。記錄試樣尺寸、破壞時(shí)的荷載、試樣破壞時(shí)破壞面上測(cè)量的兩加荷點(diǎn)之間的距離以及試樣破壞面的平均寬度，并計(jì)算出點(diǎn)荷載強(qiáng)度。

將獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果剔除離群數(shù)據(jù)，所得結(jié)果如表1和表2所示。

表2 祁南煤礦34下6工作面煤巖軸向加載點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出,祁南煤礦34下6工作面松軟結(jié)構(gòu)煤巖徑向加載下的點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.225 737，軸向加載下的點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.308 841；這也反映了煤樣由于結(jié)構(gòu)的成層性，其各向異性非常明顯，垂直層面的強(qiáng)度要普遍大于平行層面的強(qiáng)度。

表1 祁南煤礦34下6工作面煤巖徑向加載點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 點(diǎn)荷載強(qiáng)度修正公式

當(dāng)所采用的等效巖芯為直徑不等于50 mm的不規(guī)則試件時(shí)，考慮到尺寸效應(yīng)，將試驗(yàn)所得的巖石點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度指數(shù)按以下公式進(jìn)行修正:

Is(50)=FIs

(4)

(5)

式中：Is(50)為修正后的點(diǎn)荷載強(qiáng)度值，MPa；F為修正系數(shù)；m為修正指數(shù)，常為0. 40～0. 45，此處m取值為0. 45[7]。

修正后的煤巖試樣點(diǎn)荷載強(qiáng)度如表3所示。

表3 修正后的點(diǎn)荷載強(qiáng)度

可以得出修正后煤巖徑向加載下的點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.215 716 MPa，軸向加載下的點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.269 386 MPa。 有學(xué)者對(duì)松軟煤層抗張強(qiáng)度和點(diǎn)荷載強(qiáng)度進(jìn)行了大量的研究[8]，得出了點(diǎn)荷載強(qiáng)度與煤層抗張強(qiáng)度的換算系數(shù)為0.815，從而計(jì)算得出煤巖徑向上的平均抗張強(qiáng)度為0.18 MPa，軸向上的平均抗張強(qiáng)度為0.22 MPa。

3.3 防隔水煤柱寬度

我國(guó)《煤礦防治水細(xì)則》給出了斷層防隔水煤柱留設(shè)寬度的經(jīng)驗(yàn)公式[13]：

(6)

式中：L為煤柱留設(shè)的寬度，m；K為安全系數(shù)(通常取2～5)；M為煤層的厚度或采高，m；p為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗張強(qiáng)度，MPa。

在礦井特定位置留設(shè)防水煤柱時(shí),煤層的厚度和水頭壓力是固定的[13]，故求得松散煤層的抗張強(qiáng)度即可預(yù)估防隔水煤柱的合理留設(shè)寬度。雖礦區(qū)煤層傾角變化范圍較大，但大部分區(qū)域內(nèi)煤層傾角較小，僅為5～20°，故代入軸向加載下的松軟煤層抗張強(qiáng)度更為合理。水頭高度為370 m，則水頭壓力為3.7 MPa。將上文修正后的抗張強(qiáng)度代入公式(6)，即可求得防隔水煤柱留設(shè)寬度，結(jié)果如表4所示。

安全系數(shù)的選取影響著礦井生產(chǎn)的安全性及經(jīng)濟(jì)性，若安全系數(shù)選取過(guò)大，則生產(chǎn)成本會(huì)增加，若安全系數(shù)選取過(guò)小，則不能滿足生產(chǎn)安全性的要求，引起突透水事故。表4中利用了點(diǎn)荷載強(qiáng)度間接求取的松軟煤層抗張強(qiáng)度值，求取了安全系數(shù)在取不同值時(shí)的防隔水煤柱留設(shè)寬度值。

表4 防隔水煤柱留設(shè)寬度 m

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 利用點(diǎn)荷載試驗(yàn)求出了順層和垂直層面的松軟煤層點(diǎn)荷載強(qiáng)度，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可以明顯看出：由于煤層的各向異性，順層的強(qiáng)度要小于垂直層面的強(qiáng)度。

2) 由于不規(guī)則試件存在尺寸效應(yīng)，根據(jù)修正公式對(duì)試驗(yàn)求得的點(diǎn)荷載強(qiáng)度進(jìn)行了修正,利用修正后的點(diǎn)荷載強(qiáng)度間接獲取松軟煤層的抗張強(qiáng)度，煤巖徑向上的煤層平均抗張強(qiáng)度為0.18 MPa，軸向上的煤層平均抗張強(qiáng)度為0.22 MPa。

3) 根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》給出的經(jīng)驗(yàn)公式，在選取不同的安全系數(shù)時(shí)，求得合理的防隔水煤柱留設(shè)寬度，可用于指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)，且能夠更加安全、合理、高效地開(kāi)采煤炭資源，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限和進(jìn)行煤礦水害防治。