煤體單軸抗壓強度統(tǒng)計與分級研究

雷 順，高富強，王曉卿

（1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

0 引 言

巖石的單軸抗壓強度是巖石的主要物理技術(shù)指標之一，是礦井開拓部署、巷道布置與支護、煤炭開采及沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害防治必不可少的基礎(chǔ)參數(shù)［1-2］。 煤體抗壓強度是圍巖穩(wěn)定性與分類的重要因素之一，因此煤體強度分級煤樣抗壓強度測試結(jié)果主要建立在單軸抗壓強度的變化規(guī)律和破壞過程分析基礎(chǔ)上。 國內(nèi)外學者對于煤巖體單軸壓縮試驗做了大量研究，楊科等［3］對顧北煤礦11-2煤頂板巖石進行室內(nèi)單軸壓縮試驗，以單軸抗壓強度為因變量，彈性模量為自變量，獲得預(yù)測巖石單軸抗壓強度的一元二次非線性回歸模型。 YASAR［4］在統(tǒng)計分析的煤樣實驗室測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究了一種包含單軸抗壓強度等力學參數(shù)的煤系巖石巖體分級系統(tǒng)，用來估算巖體的工程性質(zhì)。 張平等［5］探究不同應(yīng)變速率下巖石不同裂隙空間位置、不同裂隙數(shù)目對非貫通裂隙模型試樣單軸抗壓強度的影響，揭示了非貫通裂隙介質(zhì)的單軸抗壓強度隨裂隙空間位置、加載速率的演化規(guī)律。 宋紅華等［6］研究了煤巖非均質(zhì)性與其單軸抗壓強度的關(guān)系，分析了煤巖非均質(zhì)性對其破壞特征的影響，得到了煤巖失穩(wěn)破壞機理和前兆規(guī)律，為巷道支護設(shè)計、動力災(zāi)害預(yù)警等方面提供理論參考。 康紅普等［7］對新汶礦區(qū)深部巖體進行研究得到煤巖塊單軸抗壓強度與原位探針臨界載荷的關(guān)系，原位實測獲得井下煤巖體強度數(shù)據(jù)，使巷道支護設(shè)計的合理性與可靠性顯著提高。 郭瑞等［8］以寧夏寧東地區(qū)砂質(zhì)泥巖為研究對象，分析了含水量和干密度對砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度的影響，其結(jié)果為類似地區(qū)工程設(shè)計和施工參數(shù)的選取提供了科學依據(jù)。 MATIN 等［9］采用隨機森林模型對巖石單軸抗壓強度、彈性模量等各種物理力學參數(shù)進行判別和分析，確定了精確評價和估算巖石力學參數(shù)的預(yù)測模型。 KUMAR 等［10］采用聲發(fā)射技術(shù)對單軸壓縮試驗過程中巖鹽的蠕變特征進行分析，較好地預(yù)測了巖鹽在加載和卸載條件下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，并在現(xiàn)場巖鹽蠕變力學參數(shù)的評價與估計中進行了應(yīng)用。 SINGH 等［11］探究不同類型巖石點載荷指數(shù)與單軸抗壓強度之間的關(guān)系，確定了一種簡單、快捷、有效的現(xiàn)場巖石單軸抗壓強度測試方法。

隨著單軸抗壓強度的廣泛測試與普遍應(yīng)用，積累了大量強度測試數(shù)據(jù)，之前煤巖體單軸抗壓強度數(shù)據(jù)多用于建立與其他因素之間的聯(lián)系及獲取本身強度，但缺乏對其進行分布統(tǒng)計及規(guī)律研究和對測試結(jié)果進行評價分析。 因此，收集利用現(xiàn)有的測試數(shù)據(jù)，提出能比較有效地分辨、衡量煤體強度的差異，并能對試驗結(jié)果進行定量評價和分類的方法，可為煤體強度分級及煤系地層有關(guān)工程設(shè)計提供重要參考依據(jù)，并對評價煤體強度所占權(quán)值以及詳細討論其在圍巖分類中的作用具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。 基于此，筆者在收集整理我國主要產(chǎn)煤地區(qū)129 座礦井的808 組煤體抗壓強度試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用SPSS 數(shù)理統(tǒng)計軟件與聚類分析方法，詳細分析了煤體單軸抗壓強度分布范圍及特點，并提出了相應(yīng)的煤體強度分級方法。

1 煤體單軸抗壓強度測試數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計

1.1 煤體單軸抗壓強度測試

單軸抗壓強度是實驗室煤樣試驗的最基本參數(shù)。 煤體單軸抗壓強度指煤樣試件在無側(cè)壓條件下，受軸向作用力破壞時，單位面積所承受的荷載［12］，即試件破壞時的最大載荷與垂直于加載方向的截面積之比。

試驗所需試樣在現(xiàn)場采集完后即進行室內(nèi)制作，包括煤塊切割、打磨等，將煤塊加工成標準試件。煤樣制作分為粗加工和精加工2 個步驟。 粗加工是將已有的煤心進行切割；精加工則是對試樣兩端進行打磨。 在進行單軸抗壓強度測試時，首先要制作標準試樣，標準試件宜采用直徑50 mm 的圓柱體，高徑比為2，試件兩端面不平行度不應(yīng)大于0.05 mm［12］。 試驗設(shè)備選用TAW.3000 微機控制電液伺服巖石三軸試驗機，試驗機以0.5～1.0 MPa ／s 的速度加載，直至破壞，記錄此時試驗機的峰值載荷，單軸壓縮試驗流程如圖1 所示。

圖1 實驗室煤體單軸壓縮試驗Fig.1 Laboratory coal uniaxial compression

1.2 數(shù)據(jù)篩選及統(tǒng)計

通過統(tǒng)計煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室開采實驗室2001—2016 年測試的標準煤巖體單軸抗壓強度數(shù)據(jù)資料，篩選并剔除完整性差等低質(zhì)量數(shù)據(jù)，其中煤樣測試數(shù)據(jù)共計808 組，包含山西、山東、內(nèi)蒙古、陜西、新疆等主要產(chǎn)煤地區(qū)129座礦井。 數(shù)據(jù)庫中各省（區(qū)、市）數(shù)據(jù)資料見表1。

表1 各?。▍^(qū)、市）單軸抗壓強度測試數(shù)據(jù)Table 1 Test dates of uniaxialcompressive strength for provinces（regions、cities）

圖2 煤樣單軸抗壓強度分布Fig.2 Distribution of uniaxial compressive strength for standard coal samples

2 煤體強度分級

統(tǒng)計808 組標準煤樣單軸抗壓強度數(shù)據(jù)，平均值16.11 MPa，極小值為1.37 MPa，極大值為55.48 MPa，標準差為8.66，方差為75.04，偏度為0.97，峰度為1.70，觀測煤體單軸抗壓強度數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布，如圖2 所示。

根據(jù)國內(nèi)外常見的圍巖分類分級系統(tǒng)中列出的單軸抗壓強度范圍，對完整巖石強度進行分級（表2）。 對于煤體而言，其強度分布區(qū)別于巖石強度，因此通過建立煤樣單軸抗壓強度數(shù)據(jù)庫，將808 組單軸抗壓強度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，采用K-means 算法對其進行聚類分級［13］。

1967 年J.B.Mac Queen 提出的K-means 算法，是廣泛應(yīng)用于科學和工業(yè)諸多聚類算法中簡單有效的算法之一［15］。 K-means 算法的工作機理是：把n個樣本點分為k 個簇，使得各簇內(nèi)的樣本點具有較高的相似性，而各簇間的樣本點相似程度較低，相似度的計算是依據(jù)1 個簇中樣本點的平均值來進行。該算法根據(jù)聚類性能指標最小化原則，通常使用的聚類準則函數(shù)是簇內(nèi)的各個樣本點到該簇中心的誤差平方和最小［15］，算法流程如圖3 所示。

表2 完整巖石強度分級［14］Table 2 Classification of strength for intact rock

K-means 算法是通過輸入聚類個數(shù)5，以及包含808 個數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)庫，最后輸出滿足方差最小標準的5 個聚類，具體聚類分析結(jié)果如圖4 所示。

聚類中心從小到大依次為：6.40、13.63、20.69、30.47、49.86 MPa。 考慮到煤體單軸抗壓強度劃分應(yīng)用廣泛且保證煤體分級簡單直觀，因此，根據(jù)以上5 個聚類中心對應(yīng)的區(qū)間進行取整劃分，將煤體單軸抗壓強度分為5 級，具體分級參數(shù)見表3。

圖3 K-means 算法流程Fig.3 Algorithm flow chart of K-means

基于煤體強度測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，將煤體強度分為5 級，煤體UCS 在1～56 MPa 呈正態(tài)分布，平均值為15 MPa，對應(yīng)分值為60 分；UCS 為0，對應(yīng)為0分；UCS 為25 MPa，對應(yīng)為80 分；UCS 為60 MPa，對應(yīng)為100 分；等級與分值劃分見表4。

圖4 K-means 聚類算法Fig.4 Clustering plot of uniaxial compressive strength obtained by K-means

表3 煤體單軸抗壓強度數(shù)據(jù)聚類分級Table 3 Classification of uniaxial compressive strength maked by K-means clustering for coal

表4 煤體單軸抗壓強度分級與評分Table 4 Classification and proportion of uniaxial compressive strength for coal

此外，依據(jù)單軸抗壓強度分級標準對其進行等級評價，即堅硬程度劃分為：Ⅰ（極軟）、Ⅱ（軟）、Ⅲ（硬）、Ⅳ（中硬）、Ⅴ（極硬）；分值評價：非常差（0 ～10）、差（11 ～20 分）、較差（21 ～40 分）、中（41 ～60分）、較好（61～80 分）、好（81～95 分）、非常好（96～100 分）。 常見的巷道支護、注漿加固、沿空留巷等設(shè)計與煤體強度密不可分，尤其在煤體破碎情況下準確把握煤柱側(cè)以及巷道周圍煤體力學參數(shù)十分重要。 通過對煤體分級劃分得出UCS 評分，實現(xiàn)在圍巖分類中UCS 的評價建議。

3 煤體強度分級應(yīng)用

3.1 測試煤礦煤體強度評價

表5 部分煤礦煤體單軸抗壓強度分級評價Table 5 Evaluation of uniaxial compressive strength of coal in some coal mines

從統(tǒng)計的129 座礦井中隨機抽取山西、山東、陜西、新疆、內(nèi)蒙古典型礦區(qū)的23 家煤礦（表5），繪制其單軸抗壓強度分級評價折線圖（圖5），獲得煤層單軸抗壓強度得分及評價，同時為煤巖體分類中所占權(quán)值提供定量指標。

續(xù)表

圖5 不同省份煤體單軸抗壓強度分級評價Fig.5 Broken line for grading evaluation of uniaxial compressive strength of coal bodies in different provinces

由圖5 可得，內(nèi)蒙古上灣煤礦1-2 號煤層煤樣強度為35.4 MPa，強度等級為Ⅳ，屬于中硬，評分為90 分，評價為好；山東蓮花山煤礦13 號煤層煤樣強度為5.1 MPa，強度等級為Ⅰ，屬于極軟，評分為20分，評價為差。 此外，山東煤體單軸抗壓強度分布范圍最大，山西主要集中在5 ～15 MPa（極軟～軟），內(nèi)蒙古、陜西煤體單軸抗壓強度普遍高于15 MPa。

3.2 煤巷支護參數(shù)預(yù)測

煤體強度受復(fù)雜地質(zhì)條件，包括水、地應(yīng)力、節(jié)理裂隙、風化程度等多種因素的影響，地質(zhì)條件特別好的巷道其支護形式簡單，而對于埋深較深、地質(zhì)條件復(fù)雜的巷道其支護形式較復(fù)雜，且同等條件下采用巷道支護-改性-卸壓“三位一體”等多重手段來控制［16-17］。 因此，筆者研究的范圍為一般條件下巷道開挖所選用的常見支護形式，即預(yù)測的支護參數(shù)主要為評價結(jié)果分布在差、較差、中、較好、好之間的煤體，對于非常好、非常差這2 類其支護參數(shù)需另論。

精確的巷道支護設(shè)計流程首先需要進行詳細的現(xiàn)場地質(zhì)力學調(diào)查與評估，其次通過工程類比、理論計算、數(shù)值模擬等方法確定支護參數(shù)，然后將井下施工礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)處理反饋分析支護設(shè)計，最終確定支護設(shè)計參數(shù)與類型［18］。 基于大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過聚類分析進行單軸抗壓強度分級研究，在此基礎(chǔ)上根據(jù)煤體單軸抗壓強度等級初步劃分煤巷支護采用的支護參數(shù)，是簡單快捷且能夠定量化判斷初始支護參數(shù)的建議方法，對及時調(diào)整開挖支護參數(shù)以及精確判斷和決定支護參數(shù)和支護類型具有參考意義。 根據(jù)錨固形式、間排距等的不同，參考煤巷常用的支護形式［1］，結(jié)合煤體單軸抗壓強度等級列出煤巷支護常見的幾類支護參數(shù)（表6）。 根據(jù)煤巷不同支護參數(shù)的支護強度等級，并參照單軸抗壓強度分級，得到煤體支護參數(shù)與其單軸抗壓強度分級評價分布，如圖6 所示。

圖6 測試煤礦支護參數(shù)與煤體單軸抗壓強度分級評價Fig.6 Grading evaluation of supporting parameters and uniaxial compressive strength of coal mass

表6 常見煤巷支護參數(shù)分類Table 6 Classification table of common coal roadway support parameters

由圖6 可得，不同強度等級劃分的支護參數(shù)主要集中在參數(shù)2 和參數(shù)4，錨桿索支護集中應(yīng)用在埋深處于中部區(qū)域的煤礦井下巷道中，而錨桿索架棚主要應(yīng)用于深部煤礦井下巷道支護，這也與現(xiàn)場實際相契合。

根據(jù)單軸抗壓強度對不同支護參數(shù)進行對應(yīng)分類劃分（圖6），所提供的支護參數(shù)可為煤巷支護基本參數(shù)提供參考和預(yù)測，對現(xiàn)場工程實踐具有一定的指導(dǎo)意義。 考慮到每個地區(qū)之間煤層賦存條件不一，差異性導(dǎo)致支護方案選擇的多樣性，需要結(jié)合實際情況并采取現(xiàn)場原位測試結(jié)果進行綜合判斷。 除此之外，對于評價結(jié)果相近的，要根據(jù)巷道地應(yīng)力、圍巖等實際情況，調(diào)整錨固形式、間排距、錨桿索直徑及長度、支護構(gòu)件強度等才能達到因地制宜的優(yōu)化效果（表7）。

表7 不同支護參數(shù)與巖石強度等級Table 7 Different types of support parameters and strength level of rock samples

此外，由于煤層生成和賦存環(huán)境的差異性，不同地區(qū)煤層的成分、結(jié)構(gòu)及水分和地質(zhì)構(gòu)造都會對煤體強度產(chǎn)生影響［19］。 僅對129 座礦井煤層煤樣UCS 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出煤體強度與等級之間的關(guān)聯(lián)性，為煤體強度分級評價提供了新思路。 今后仍需搜集不同煤礦的煤塊樣本進行試驗，擴充與完善數(shù)據(jù)庫，提高煤體單軸抗壓強度數(shù)據(jù)的可靠性，得到具有普適性的結(jié)論。

4 結(jié) 論

1）篩選統(tǒng)計了包含山西、山東、內(nèi)蒙古、陜西、新疆等主要產(chǎn)煤省份129 座礦井808 組煤樣單軸抗壓強度數(shù)據(jù)，其分布范圍為1.37 ～55.48 MPa，平均16.11 MPa，標準差為8.66 MPa，且滿足正態(tài)分布。

2）確定煤體單軸抗壓強度分為5 級：Ⅰ（1 ～10 MPa）、Ⅱ（10 ～15 MPa）、Ⅲ（15 ～25MPa）、Ⅳ（25 ～40 MPa）、Ⅴ（40 ～60 MPa）。 并依據(jù)單軸抗壓強度分級標準對其分值進行評價：非常差（0 ～10 分）、差（11～20 分）、較差（21 ～40 分）、中（41 ～60 分）、較好（61 ～80 分）、好（81 ～95 分）、非常好（96 ～100分）。

3）獲得典型礦區(qū)23 家煤礦煤層單軸抗壓強度等級及評分，其中內(nèi)蒙古上灣煤礦1-2 號煤層煤樣強度為35.4 MPa，強度等級為Ⅳ（中硬），評分為90分（好）；山東蓮花山煤礦13 號煤層煤樣強度為5.2 MPa，強度等級為Ⅰ（極軟），評分為21 分（較差）。此外，根據(jù)其煤體強度分級與評價結(jié)果初步對煤礦巷道圍巖支護參數(shù)類型提供參考和預(yù)測評估，對現(xiàn)場工程實踐具有一定的指導(dǎo)意義。