三交河煤礦巷道圍巖物理力學性質測試研究

李國彪, 張新蠻

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083； 2.霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400)

巷道圍巖物理力學性質是影響巷道穩定性的關鍵因素，所有關于巷道圍巖破壞機理與支護設計的研究，都毫無例外地依賴巷道周圍巖石物理力學性質的測試與分析。巷道圍巖物理力學性質測試結果應用于支護設計，可顯著提高支護設計的合理性和可靠性[1-2]。

三交河煤礦沒有進行全面、系統的巷道圍巖地質力學測試工作，相關的設計計算基礎參數嚴重不足。現采2#煤層巷道支護設計隨意性大、可靠性差、安全程度得不到保證。為了解決上述問題，對三交河煤礦2#煤層進行了煤巖物理力學參數測試，為煤層巷道錨桿支護設計提供了科學準確的基礎參數。

1 三交河煤礦圍巖物理力學性能測試內容及方法

1.1 樣本布設

根據三交河煤礦實際生產情況，巷道圍巖物理力學性質測試樣本點布置如下：在2#煤層取四組3個煤樣，在2#煤層直接頂和老頂各取一組3個巖樣，在相應的煤層底板取一組3個巖樣。

1.2 巖石(煤)密度測定

本次密度測量，采用國家標準規范《工程巖體試驗方法標準》(GB/T5/266-99)中推薦的量積法。試件型式：直徑(邊長)為50mm，高度為50mm或100mm左右的方柱體或圓柱體。實驗使用的主要儀器和設備有：DQ-4型自動巖石切片機、ZS-50型立式鉆石機、砂輪機、物理天平、游標卡尺等。 實驗步驟：①加工標準試件、設計實驗記錄表格；②量測試件兩端和中間三個斷面上相互垂直的六個直徑(或邊長)，精確至0.01mm；③量測端面周邊對稱四點和中心點的五個高度值，精確至0.01mm；④物理天平稱量試件質量，精確至0.01g；⑤實驗結果的整理，精確至0.01。

1.3 巖石(煤)含水率測定

巖石含水率是指巖石式樣在105℃～110℃溫度烘至恒量時，失去的水分質量與達到恒量時試樣干質量的比值，以百分數表示。實驗主要儀器設備：分析天平(稱量500g，感量0.01g)、烘箱、稱量盒、干燥器。實驗步驟：①在室溫條件下，稱清潔、干燥的稱量盒質量m0；②將保持原含水狀態的巖石試樣置于稱量盒中，并稱盒加試樣之質量m1；③將盛有試樣的稱量盒放入烘箱，在105℃～110℃恒溫下烘干24h；④從烘箱內取出稱量盒，待冷卻至室溫后稱量盒加試樣質量m2；⑤重復第3、4步，直到相鄰兩次稱量之差不超過后一次稱量的0.1%。

1.4 巖石(煤)黏聚力、內摩擦角測定

試驗主要儀器設備： WE-30B型液壓萬能試驗機、鋸石機、磨石機。標準試件采用立方體，規格為5cm×5cm×5cm。試件加工精度：試件各邊長偏差不得超過+0.3mm和-0.1mm；兩端面不平行度不大于0.1mm。試驗步驟：①核對巖石名稱、巖性和巖樣編號；②在45°～65°范圍內選擇3個剪切角度進行壓剪試驗；③選擇試驗機度盤；④調整試驗機度盤指針為零，使試驗機處于工作狀態；⑤夾具與試件調整好后，以0.5MPa/s～1.0MPa/s的速度加載直至破壞，記錄試件的最終壓剪破壞載荷，并對試件破壞情況進行描述或攝影。

繪制巖石強度曲線，將一系列的壓剪破壞試驗所得到數據點(每點都代表破壞應力)繪制在τ-σ平面內，然后用數理統計學方法確定其方程，即得到強度條件，煤巖的黏聚力C和內摩擦角φ即可得到，如圖1所示。

圖1 壓剪試驗確定煤巖參數

1.5 巖石(煤)單軸抗壓強度、彈性模量及泊松比測定

儀器設備：①試驗加工機械：鉆石機、鋸石機、磨石機。②檢驗工具：游標卡尺(精度0.02mm)、直角尺、水平檢測臺、百分表架及百分表。③加載設備：MTS815巖石力學電液伺服試驗系統。④測量變形儀器：環向應變計；導線焊接工具、應變片和貼片設備。

試件規格：采用圓柱體為標準試樣，直徑為50mm;允許變化范圍48～52mm;高度為100mm;允許變化范圍為95～102mm。當圓柱體試樣制備困難時，采用50mm×50mm×100mm的方柱體。方形截面試件的電阻應變片粘貼。

試件加載：開動伺服機，以0.5MPa/s～0.8MPa/s的速度加載直至破壞。記錄各級應力下的軸向和橫向應變及最大破壞荷載，并對破壞后的試件進行描述和拍照。

1.6 巖石(煤)抗拉強度測定

測試儀器設備：①試件加工機械與檢驗工具，同單軸壓縮試驗；②劈裂法專用弧形壓模；③WE-600B液壓萬能材料試驗機；④游標卡尺(精度0.02mm)。

試件規格:試件為圓餅形，規格為φ50mm×25mm，試樣尺寸允許變化范圍不超過5% 。

2 三交河煤礦圍巖物理力學性質測試結果與分析

2.1 物理性質測試結果與分析

三交河礦2#煤及頂底板巖石物理性能測試結果如表1所示。

2#煤及頂底板巖石平均密度分布如圖2所示。由圖2可以看出，2上煤平均密度為1304.09kg/m3，底板砂質泥巖平均密度為2550.28kg/m3，直接頂泥巖平均密度為2522.68kg/m3，老頂K8中砂巖平均密度為2727.15kg/m3。2下煤平均密度比煤2上略大，其值為1392.38kg/m3；其頂板泥巖平均密度為2580.91kg/m3；其底板泥巖平均密度為2562.70kg/m3。

圖3表示2#煤及頂底板巖石平均含水率分布。由圖3可以看出，2上煤層平均含水率為1.11%，底板砂質泥巖平均含水率為0.50%，直接頂泥巖平均含水率為0.88%，老頂K8中砂巖平均含水率為0.41%。 2下煤平均含水率為1.21%，略高于2上煤；其頂板泥巖平均含水率為0.63%；2下煤底板泥巖平均含水率為0.93%。

表1 2上、2下煤頂底板巖石物理性質實驗結果

圖2 2#煤及頂底板巖石平均密度分布

圖3 2#煤及頂底板巖石平均含水率分布

2.2 力學性質測試結果與分析

三交河礦2#煤及頂底板巖石力學性能測試結果如表2所示。

表2 煤巖力學性質實驗結果

三交河礦2#煤層及頂底板巖石平均單軸抗壓強度分布如圖4所示。由圖4可以看出，三交河礦2上煤單軸抗壓強度最大為23.27MPa，最小為9.34MPa，平均值為15.53MPa。2下煤單軸抗壓強度最大為11.31MPa，最小為8.91MPa，平均值為9.89MPa。2上煤和2下煤單軸抗壓強度均較高；2上煤平均單軸抗壓強度高于2下煤抗壓強度。2上煤和2下煤直接頂均為泥巖，但平均單軸抗壓強度相差較大，分別為26.13MPa和54.32MPa。

圖4 2#煤及頂底板巖石單軸抗壓強度分布

單軸壓縮試驗在MTS815.02電液伺服巖石試驗機上進行，該系統屬于剛性材料試驗機，能夠繪制出巖石的應力-應變全過程曲線。巖石的全應力-應變曲線，既能反映巖石破壞前的本構關系，也能看出巖石峰后特征，為進一步研究巖石的強度和變形提供了基礎資料。

通過實驗得到的三交河礦2上煤頂板泥巖全應力-應變曲線，如圖5所示。2上煤全應力-應變曲線，如圖6所示。2下煤全應力-應變曲線，如圖7所示。

從試驗的全應力-應變曲線可以看出，在單軸壓縮試驗條件下，曲線都具有上凹-直線-峰值-破壞特征，表明巖石內部不同程度的存在裂隙。在軸向壓力作用下，初始階段，裂隙沿著試件軸向逐漸壓密；然后進入彈性階段，主應力繼續增加，試件內部裂隙發生橫向擴展，巖石進入塑性階段；最后隨著軸向力增加裂隙進一步擴展，強度達到峰值，試件脆性破壞。

圖5 2上煤頂板泥巖應力-應變曲線

圖6 2上煤應力-應變曲線

圖7 2下煤應力-應變曲線

3 結論

1)三交河煤礦2下煤平均密度比煤2上略大；泥巖平均密度相差不大；老頂K8中砂巖平均密度最大，為2727.15kg/m3。2下煤平均含水率最大，為1.21%，略高于2上煤；泥巖平均含水率次之；老頂K8中砂巖平均含水率最低，為0.41%。

2)三交河煤礦2上煤單軸抗壓強度平均值為15.53MPa。2下煤單軸抗壓強度平均值為9.89MPa。2上煤和2下煤直接頂底均為泥巖，但平均單軸抗壓強度相差較大，分別為26.13MPa和54.32MPa。在單軸壓縮試驗條件下，應力-應變曲線都具有上凹-直線-峰值-破壞的變化特征。

[1] 黃慶國, 徐青云. 甘莊礦煤巖物理力學性質測試研究[J]. 山東煤炭科技, 2010(6):159-160.

[2] 李府泉.圍巖物理力學參數及穩定性分類[J]. 煤炭工程, 2011(7):85-89.