不同煤體結(jié)構(gòu)煤巖抗拉強(qiáng)度測試

黃楷， 吳基文， 翟曉榮， 畢堯山

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

0 引言

煤巖抗拉強(qiáng)度是煤巖在單軸拉應(yīng)力作用下達(dá)到破壞時(shí)所承受的最大拉應(yīng)力[1]，是重要的煤巖力學(xué)參數(shù)之一。由于煤體結(jié)構(gòu)的特殊性，煤巖抗拉強(qiáng)度的獲得較困難。許多學(xué)者開展了煤巖抗拉強(qiáng)度測試研究：張澤天等[2]對原煤試件進(jìn)行單軸直接拉伸試驗(yàn)，測得煤抗拉強(qiáng)度；劉榮茂[3]通過原位水壓致裂法獲得的煤抗拉強(qiáng)度較實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)大10倍以上；顏志豐[4]、許多等[5]通過巴西劈裂試驗(yàn)對煤巖抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測試；趙毅鑫等[6]采用半圓彎拉試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)對煤樣抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了對比測試；吳基文等[7]對煤塊波速及其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測試和分析，建立了波速-抗拉強(qiáng)度關(guān)系式，通過原位的波速測試，即可根據(jù)關(guān)系式確定煤體抗拉強(qiáng)度；蘇承東等[8]采用巴西劈裂試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)及搗碎法等對煤樣抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測試，得到了不同測試方法之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)；吳基文等[9]、翟曉榮等[10]采用套筒致裂法測定煤抗拉強(qiáng)度；陳江峰等[11]分析了不同煤巖抗拉強(qiáng)度測試方法及其存在問題。以上研究主要針對結(jié)構(gòu)完整、容易制樣的煤巖進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試；但煤巖作為一種特殊的沉積巖，本身強(qiáng)度較低，在形成后大多會經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致煤巖構(gòu)造裂隙、節(jié)理或?qū)用姘l(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)受到不同程度破壞，造成煤體結(jié)構(gòu)的多樣性，很難直接采用某一種方法進(jìn)行不同煤體結(jié)構(gòu)煤巖抗拉強(qiáng)度測試[12-14]。因此，本文以淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司孫疃煤礦10煤為研究對象，分別采用巴西劈裂試驗(yàn)和點(diǎn)荷載試驗(yàn)對不同煤體結(jié)構(gòu)煤巖進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和點(diǎn)荷載強(qiáng)度測試，建立點(diǎn)荷載強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，獲得不同煤體結(jié)構(gòu)煤巖抗拉強(qiáng)度，可達(dá)到定量分析煤巖抗拉強(qiáng)度的目的，為獲得結(jié)構(gòu)破碎煤巖抗拉強(qiáng)度提供了途徑。

1 研究區(qū)概況

孫疃煤礦含煤地層為石炭系、二疊系，其中石炭系煤層薄而不可采，二疊系煤層下石盒子組為主要含煤地層、山西組次之。礦井內(nèi)主采煤層有5層，其中10煤層為主采煤層之一，煤層厚度為0～5.38 m，平均厚度為2.67 m。礦井處于淮北煤田南部童亭背斜東翼，總體上為一走向近于南北、向東傾斜的單斜構(gòu)造，傾角為10～20°，平均傾角約為16°。礦井內(nèi)大中型斷層較發(fā)育，-800 m以淺共揭露落差≥5 m的斷層347條，其中正斷層346條，逆斷層1條。

2 煤樣采集及煤體結(jié)構(gòu)特征

對孫疃煤礦10煤進(jìn)行取樣，采樣點(diǎn)為1011工作面和1047工作面。在中小型斷裂構(gòu)造密集發(fā)育區(qū)域和煤田大型斷層兩側(cè)因受局部應(yīng)力場影響，煤層破碎程度大，主要發(fā)育碎粒煤和糜棱煤；在斷層稀疏區(qū)域，煤體結(jié)構(gòu)基本保持原生狀態(tài)，主要發(fā)育原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤。不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣如圖1所示。原生結(jié)構(gòu)煤基本未發(fā)生構(gòu)造變形破壞，原生結(jié)構(gòu)保存較好，主要呈完整塊狀或板狀，煤體致密堅(jiān)硬，難以捏碎，宏觀煤巖組分清晰可見，構(gòu)造裂隙基本不發(fā)育，主要發(fā)育內(nèi)生裂隙(圖1(a))；碎裂煤受構(gòu)造變形程度較輕，煤體結(jié)構(gòu)較完整，主要呈塊裂狀，煤質(zhì)較堅(jiān)硬，不易捏碎，煤體構(gòu)造裂隙和外生裂隙、繼承性裂隙較發(fā)育(圖1(b))；碎粒煤受構(gòu)造應(yīng)力作用明顯，原生結(jié)構(gòu)基本遭到破壞，層理難以辨認(rèn)，常見揉皺和滑面，煤體破碎、疏松，多被構(gòu)造裂隙切割成碎塊(圖1(c))；糜棱煤煤體破碎程度最高，原生結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞，完整性極差，多呈鱗片狀和揉皺狀，構(gòu)造裂隙密集發(fā)育，局部揉皺變形明顯，手捏易破碎成粉粒(圖1(d))。

(a) 原生結(jié)構(gòu)煤

3 試驗(yàn)設(shè)備及方案

原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤結(jié)構(gòu)較完整，煤體較堅(jiān)硬，滿足制作標(biāo)準(zhǔn)樣的要求，因此采用巴西劈裂試驗(yàn)對原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試。煤樣經(jīng)過取芯和機(jī)器打磨，制作成直徑約為50 mm、厚度為25～50 mm的標(biāo)準(zhǔn)樣。試驗(yàn)儀器采用美國RMT萬能材料試驗(yàn)機(jī)。測試及計(jì)算過程依據(jù)GB/T 23561.10—2010《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法 第10部分：煤和巖石抗拉強(qiáng)度測定方法》。

針對結(jié)構(gòu)破碎、煤體松軟的碎粒煤和糜棱煤，無法直接測得抗拉強(qiáng)度。因此對原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度測試。試驗(yàn)儀器采用STDZ-3型數(shù)顯點(diǎn)荷載儀。測試及計(jì)算過程依據(jù)GB/T 23561.13—2010《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法 第13部分：煤和巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)測定方法》。

不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣數(shù)量及編號見表1。

表1 煤樣數(shù)量及編號

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果

巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表2。原生結(jié)構(gòu)煤抗拉強(qiáng)度為0.963～1.562 MPa，經(jīng)計(jì)算可得平均抗拉強(qiáng)度為1.174 MPa，離散系數(shù)為0.141；碎裂煤抗拉強(qiáng)度為0.517～0.881 MPa，經(jīng)計(jì)算可得平均抗拉強(qiáng)度為0.710 MPa，離散系數(shù)為0.151；原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤抗拉強(qiáng)度離散系數(shù)均較小，表明試驗(yàn)結(jié)果較穩(wěn)定。

表2 巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果

4.2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果

點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果見表3。原生結(jié)構(gòu)煤點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.272～0.496 MPa，經(jīng)計(jì)算可得平均點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.368 MPa，離散系數(shù)為0.190；碎裂煤點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.205～0.288 MPa，經(jīng)計(jì)算可得平均點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.248 MPa，離散系數(shù)為0.099；碎粒煤點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.052～0.151 MPa，經(jīng)計(jì)算可得平均點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.112 MPa，離散系數(shù)為0.255；糜棱煤點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.023～0.066 MPa，經(jīng)計(jì)算可得平均點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.041 MPa，離散系數(shù)為0.364；原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤離散系數(shù)均較小，表明試驗(yàn)結(jié)果較穩(wěn)定；碎粒煤和糜棱煤點(diǎn)荷載強(qiáng)度離散系數(shù)相對較大，表明試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性較差；隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度增加，離散系數(shù)總體呈增大趨勢，主要是由于碎粒煤、糜棱煤受構(gòu)造應(yīng)力作用較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，煤體內(nèi)部構(gòu)造裂隙發(fā)育，影響強(qiáng)度變化。

表3 點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果

4.3 點(diǎn)荷載強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性

巴西劈裂試驗(yàn)測得的原生結(jié)構(gòu)煤抗拉強(qiáng)度為碎裂煤的1.65倍，點(diǎn)荷載試驗(yàn)測得的原生結(jié)構(gòu)煤點(diǎn)荷載強(qiáng)度為碎裂煤的1.48倍，說明原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤之間抗拉強(qiáng)度及點(diǎn)荷載強(qiáng)度下降趨勢較一致，也間接說明了使用巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果和點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合的可行性。將原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤抗拉強(qiáng)度與點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到抗拉強(qiáng)度與點(diǎn)荷載強(qiáng)度的關(guān)系曲線，如圖2所示，可看出點(diǎn)荷載強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間具有較好的線性相關(guān)性。擬合公式為

圖2 點(diǎn)荷載強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線

Rt=3.08Is(50)

(1)

式中：Rt為抗拉強(qiáng)度；Is(50)為點(diǎn)荷載強(qiáng)度。

由式(1)可知，抗拉強(qiáng)度是點(diǎn)荷載強(qiáng)度的3.08倍，相關(guān)系數(shù)為0.958，表明曲線擬合度高，通過點(diǎn)荷載強(qiáng)度計(jì)算抗拉強(qiáng)度是可行的。因此，針對結(jié)構(gòu)破碎、無法直接測試抗拉強(qiáng)度的碎粒煤和糜棱煤，可依據(jù)式(1)進(jìn)行強(qiáng)度轉(zhuǎn)換，得到兩者抗拉強(qiáng)度，見表4。碎粒煤抗拉強(qiáng)度為0.160～0.465 MPa，經(jīng)計(jì)算可得平均抗拉強(qiáng)度為0.345 MPa；糜棱煤抗拉強(qiáng)度為0.071～0.203 MPa，經(jīng)計(jì)算可得平均抗拉強(qiáng)度為0.126 MPa。

表4 碎粒煤與糜棱煤抗拉強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4.4 不同煤體結(jié)構(gòu)煤巖抗拉強(qiáng)度特征

由表2和表4可知，不同煤體結(jié)構(gòu)煤巖抗拉強(qiáng)度呈以下特征：原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤平均抗拉強(qiáng)度分別為1.174，0.710，0.345，0.126 MPa，即隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度增加，煤巖抗拉強(qiáng)度顯著降低；原生結(jié)構(gòu)煤抗拉強(qiáng)度是碎裂煤的1.65倍，碎裂煤抗拉強(qiáng)度是碎粒煤的2.06倍，碎粒煤抗拉強(qiáng)度是糜棱煤的2.74倍，即從原生結(jié)構(gòu)煤到碎裂煤、碎粒煤再到糜棱煤，煤巖抗拉強(qiáng)度下降幅度呈逐漸增大趨勢，這是由于隨著煤巖受到構(gòu)造應(yīng)力的增強(qiáng)，煤體結(jié)構(gòu)基本遭到破壞，致使構(gòu)造裂隙極其發(fā)育，從而大大降低了煤巖抗拉強(qiáng)度。

5 結(jié)論

(1) 通過巴西劈裂試驗(yàn)測得原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤平均抗拉強(qiáng)度分別為1.174，0.710 MPa；通過點(diǎn)荷載試驗(yàn)測得原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤平均點(diǎn)荷載強(qiáng)度分別為0.368，0.248，0.112，0.041 MPa。

(2) 煤的點(diǎn)荷載強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度具有較好的線性相關(guān)性，對點(diǎn)荷載強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果進(jìn)行線性擬合，獲得點(diǎn)荷載強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，進(jìn)而根據(jù)關(guān)系式計(jì)算得到碎粒煤、糜棱煤平均抗拉強(qiáng)度分別為0.345，0.126 MPa。

(3) 從原生結(jié)構(gòu)煤到碎裂煤、碎粒煤再到糜棱煤，即隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度增加，煤巖抗拉強(qiáng)度顯著降低，且下降幅度呈逐漸增大趨勢。