官地礦沿空留巷工作面頂板巖層試樣的力學特性研究

王振喜

(西山煤電集團有限責任公司 官地礦，太原 030024)

我國地域遼闊物產豐富,擁有著豐富的能源,但總的來說我國的資源分布呈現出缺氣、缺油、多煤的態勢。隨著我國工業的進步,煤炭資源的消耗日益增大,雖然我國提出了綠色能源代替化石能源的號召,但仍處在過渡的階段,煤炭資源仍是我國利用最廣的能源[1]。根據研究顯示,采區平巷是我國最常見的掘進巷道,而采區平巷多采用留煤柱的方法來維護巷道的變形,留煤柱的方案造成煤炭資源的大量損失,這顯然不符合現階段的高效、高產、綠色的目標,所以無煤柱的沿空留巷技術成為了現階段礦山掘進的趨勢。沿空留巷技術是一種取消區段保護煤柱,減少巷道掘進數的技術手段,沿空留巷可以有效的提升出煤率和降低巷道的掘進時間,減少巷道的維護成本[2-3]。此前眾多學者沿空留巷作出了一定的研究,發現沿空留巷采空區受到外部工程擾動產生圍巖的變形和頂板下沉等問題[4],并通過爆破切頂卸壓和水力壓裂切頂卸壓[5]在一定程度上解決了以上問題。

官地礦12605工作面就是采用沿空留巷的采煤方法進行開采的第一個工作面。本文通過試驗測試的方法對12605工作面沿空留巷段軟弱頂板進行力學分析和運移規律研究。為西山地區的沿空留巷技術研究提供了一定的指導。

1 單軸力學特性研究

巷道的頂板物理性質和運移規律是解決巷道圍巖變形量大、頂板下沉量大的重要因素,所以本文通過對煤巖試樣進行單軸壓縮試驗來確定煤巖的密度和應力應變的關系。

首先對12607工作面巷道的煤樣進行取樣,對取樣進行打磨處理,切割為標準試樣(50 mm×100 mm),為了減小試驗中產生的誤差,本文制備3塊試件進行單軸壓縮試驗。密度測量時,利用試件的體積與質量之間的關系對試件的密度進行測量,計算公式如下:

(1)

式中:ρ為試件的密度，kg/m3;m為試件的質量,kg;A為試件的橫截面面積,m2;H為試件的高度m。

對試件進行單軸抗壓試驗,先將試件底端放平,然后對試件施加垂向載荷,研究單位面積上的應力分布,記錄試件破碎時的峰值壓力,計算公式如下:

(2)

式中:σc為試件的單軸抗壓強度,MPa;P為試件破壞時的峰值載荷;A為試件的受力面積,m2。

當試件處在應力應變的彈性階段,默認試件的各相同性且質地均勻,取試件上的任意倆點A和B,來計算試件的彈性模量和泊松比。計算公式如下:

(3)

式中:E為試件的彈性模量;σa為A點的應力,MPa;σb為B點的應力,MPa;εaz為A點的軸向應變;εbz為B點的軸向應變;μ為時間的彈性模量;εax為A點的環向應變;εbx為B點的環向應變。

對試樣進行單軸壓縮,試件破壞時內部的裂隙近似的平行于載荷方向,也就是橫截面的垂直方向,煤巖試件的應力應變曲線如圖1所示。

圖1 煤巖試件的應力應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of coal-rock samples

從圖1的應力應變曲線可以看出,隨著應變的增加，試件的應力呈現出先緩慢增長,隨后快速增加,最后出現斷崖式的掉落。出現這一現象的原因是試件在開始受到載荷時,試件內部的空隙會進行壓密階段,在此階段內試件的應力會隨著應變緩慢上升;當試件內部的空隙完全壓密后,試件的應力應變會呈現出彈性階段。當應力超過其屈服極限時,試件發生破壞,應力會發生斷崖式掉落。試件在進行單軸壓縮試驗時,時間的破壞多呈現出拉伸破壞,剪切破壞不會對試件的破壞造成過大的影響,只會產生輔助破壞的的作用。當發生單斜面的剪切破壞時,試件的破壞主要是由剪切破壞引起的,拉伸破壞起到輔助的作用。由于本文選取的試件存在軟弱夾層,所以會出現剪切破壞,試件的破壞主要是由剪切破壞引起的。

根據圖1可以看出,泥質砂巖的抗壓強度為35.8 MPa,煤的抗壓強度為7.4 MPa,粉砂巖的抗壓強度為66.8 MPa。

2 三軸物理特性研究

對試件進行三軸的壓縮試驗,試件的內摩擦角α和試件的內聚力c分別為:

(4)

實驗給出的三軸壓力下的煤巖的載荷位移曲線,曲線如圖2、圖3所示。

圖2 不同圍壓下煤樣的抗壓強度曲線Fig.2 Compressive strength of coal under different confining pressures

圖3 不同圍壓下泥質砂巖的抗壓強度曲線Fig.3 Compressive strength of argillaceous sandstone under different confining pressures

通過文中圖表可以看出隨著三軸圍壓的不斷增大,巖樣的破壞載荷極限呈現出上升的趨勢,且上升的速度逐漸加快。

3 結論

本文通過對12607沿空留巷工作面巷道進行取樣,對軟巖巷道的煤巖進行力學分析,給出了內摩擦角和內聚力的公式,得出了試樣的彈性模量和泊松比,并給出了如下的結論:

1)研究試樣的應力應變曲線發現,由于選取的試件存在軟弱夾層,所以破壞多為剪切破壞,拉伸破壞起到輔助破壞作用,且得到了泥質砂巖的抗壓強度為35.8 MPa,煤的抗壓強度為7.4 MPa,粉砂巖的抗壓強度為66.8 MPa。

2)根據煤樣的位移隨載荷的變化曲線可以看出,隨著圍壓的不斷增大,煤樣的抗壓強度不斷增加,當三軸試驗的圍壓加載到7 MPa時,試樣的破壞極限載荷達到了57 kN。

3)從不同圍巖應力下的泥質砂巖位移隨載荷的變化曲線可以看出,隨著圍壓的不斷增大,巖樣的破壞極限載荷也在不斷的增大,且隨著三軸圍壓的不斷增大,巖樣的極限破壞載荷的增大幅度也是大幅度的增加。