福翼煤礦煤巷頂板巖層力學性質實測研究

馬明樞

(陽泉煤業集團翼城華泓煤業有限公司，山西臨汾041000)

福翼煤礦煤巷頂板巖層力學性質實測研究

馬明樞

(陽泉煤業集團翼城華泓煤業有限公司，山西臨汾041000)

為掌握福翼煤礦煤層巷道頂板巖石的力學性質，以5403回采巷道為試驗巷道鉆取頂板巖芯，通過實測與實驗室測試的方法進行研究。結果表明:福翼煤礦煤層巷道頂板巖性為碳質泥巖、細砂巖、泥巖、中砂巖，其中中砂巖、細砂巖完整性好，泥巖、碳質泥巖的完整性較差。煤層頂板巖石性質差異較大。中砂巖的抗壓強度最大，碳質泥巖的抗壓強度最小，且巖石軟化對碳質泥巖的抗壓強度影響極大，但對細砂巖和中砂巖的抗壓強度影響不大。

煤層巷道;頂板巖性;巖芯分析;物理力學性質

巷道頂板圍巖是采場礦山壓力控制及巷道錨桿支護的直接對象，頂板圍巖的穩定性、強度、組合情況以及力學特性對錨桿支護參數設計起到至關重要的作用。頂板圍巖力學性質的測定可為煤層巷道錨桿支護提供參考依據。本文就福翼煤礦煤巷頂板巖層力學性質進行實測研究。

1 試驗內容

為了解福翼煤礦頂板巖層組合情況、巖性變化、圍巖結構以及巖石的力學性質，研究采場礦壓與巷道錨桿、錨索支護方式及支護工藝，更準確地進行頂板類型分類和礦山壓力研究，對正在掘進的5403工作面運輸巷提取頂板巖芯，并進行以下分析:

1)巖芯分析。

巖芯分析主要指通過分析煤層巷道頂板巖層巖性及巖芯采取率等參數，確定頂板各巖層完整性，為巷道支護提供指導建議。

2)巖石物理力學性質參數。

通過對頂板巖層的鉆孔巖芯進行單軸抗壓強度試驗，根據測試結果計算彈性模量E和泊松比μ，為巷道支護設計提供基礎數據。

1.1 頂板巖層取芯方案

為分析福翼煤礦煤層巷道中頂板巖層巖性特征，以正在掘進的5403回采巷道為試驗巷道，分別將距巷口200 m、500 m、900 m處設為取芯地點。采用礦用探水鉆機在巷道頂板中央處垂直頂板取芯，鉆桿鉆進長度10.50 m，取芯鉆頭外徑70 mm、內徑55 mm，所取巖芯直徑為50 mm．對鉆取的巖芯進行編號、鑒定和封固處理，并運至地面進行分析。取芯方案見圖1．

圖1 取芯位置布置圖

1.2 測定方法

1)巖芯分析。

巖芯分析方法較為簡單，主要是采用鋼尺測定巖芯長度及采取率，并根據煤礦地質學知識及相關經驗分析巖層巖性。部分鉆探巖芯分析圖見圖2．

圖2 鉆探巖芯分析圖

2)巖石物理力學性質參數測試。

根據ISRM建議的巖石單軸壓縮試件的高徑比，該次力學參數測試擬定巖石試件為直徑50 mm的圓柱形，高徑比為2，即高度為100 mm．

利用全自動鉆孔取樣機把現場巖芯加工成d50 mm的巖樣，然后用JD1A－40型巖石切割機按照100 mm長度切割巖樣，最后將巖樣兩端磨平。加工后的巖芯試樣見圖3．

圖3 加工后的巖芯試樣圖

巖石單軸壓縮試驗采用的儀器設備包括YAW－ 1000型全自動壓力實驗機和XL2158C應力＆應變綜合參數測試儀。

在試件外部附加安裝應變片，在進行單軸壓縮試驗施壓過程中測量巖芯試樣的軸向應變和徑向應變，計算巖石的彈性模量和泊松比。根據試驗需要選用丁字形應變片，型號為BX120－2BA，電阻值為119.6±0.3Ω，靈敏系數為2.08±1%，見圖4．

為了避免和減輕試樣的端部效應，取試件中部分布比較均勻的應力作為計算依據。

圖4 巖石單軸壓縮試驗圖

2 實驗結果分析

2.1 巖芯分析

試驗巷道頂板取芯時，取芯鉆孔垂直頂板，鉆桿鉆進長度10.50 m，巖芯平均提取長度為8.64 m，平均巖芯采取率為82.29%．

對提取的巖芯進行頂板巖層巖性分析，完成試驗巷道頂板巖芯柱狀圖，見圖5．由圖5可知，福翼煤礦煤層巷道頂板巖性為碳質泥巖、細砂巖、泥巖、中砂巖，其中細砂巖提取較為完整，硬度大;中砂巖提取完整性最好，取出巖芯最長達1.1 m;泥巖的完整性較差，采取率低;碳質泥巖的完整性較好，但采取率較低。

圖5 頂板巖芯柱狀圖

2.2 巖石物理力學性質分析

福翼煤礦試驗煤層巷道頂板巖層的鉆孔巖芯單軸抗壓強度以及根據變形(軸向應變和徑向應變)測試結果計算的彈性模量E和泊松比μ見表1，表2．根據測試結果可知:

1)煤層頂板巖石性質差異較大。其中，中砂巖的抗壓強度最大，平均為120.9 MPa，碳質泥巖的抗壓強度最小，平均為14.77 MPa．

表1 頂板巖石力學性質分析結果表

表2 頂板巖石飽水力學性質分析結果表

2)巖石軟化對碳質泥巖的抗壓強度影響極大，但對細砂巖和中砂巖的抗壓強度影響不大。

3 結論

為給福翼煤礦煤巷錨桿支護提供依據，在福翼煤礦煤層巷道頂板鉆取巖芯并進行巖芯分析和實驗室力學性質測試，得到以下結論:

1)福翼煤礦煤層巷道頂板巖性為碳質泥巖、細砂巖、泥巖、中砂巖，其中中砂巖、細砂巖完整性好，泥巖、碳質泥巖的完整性較差。

2)煤層頂板巖石性質差異較大。中砂巖的抗壓強度最大，碳質泥巖的抗壓強度最小，且巖石軟化對碳質泥巖的抗壓強度影響極大，但對細砂巖和中砂巖的抗壓強度影響不大。

［1］劉洪濤，樊龍，宋高峰，等．巷道頂板巖層沉積穩定性分析［J］．煤礦開采，2012，17(2):54－56.

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Field Research on the M echanical Properties of Coal Roadway Roof Strata in Fuyi Coal Mine

MA M ingshu

Tomaster themechanics properties of coal roadway roof rock in Fuyi coalmine，5403 mining roadway is as the tested roadway，the roof core is researched by actualmeasurementand laboratory tests．The results show that the roof lithology of coal roadway are carbonaceousmudstone，fine sandstone，mudstone and medium sandstone．The medium sandstone and fine sandstone have a better integrity，with a worse integrity of carbonaceousmudstone and mudstone．Coal seam roof rock properties are quite different．The compressive strength thatmedium sandstone ismaximum and carbonaceousmudstone ismininum．The compressive strength influence of rock softening ismaximum to carbonaceousmudstone but little to fine sandstone andmedium sandstone．

Coal roadway;Roof lithology;Core analysis;Physical and mechanical properties

TD32

B

1672－0652(2015)09－0038－03

2015－07－15

馬明樞(1967—)，男，湖南隆回人，1990年畢業于湘潭礦業學院，工程師，主要從事煤礦生產、技術管理工作(E－mail)ldw112245@163．com