任建軍 任建偉 許海濤

（1.興義民族師范學院， 貴州 興義 562400；2.六盤水市能源局， 貴州 六盤水 553000；3.華北科技學院， 河北 三河 065201）

陷落柱影響區(qū)煤巖力學參數(shù)點荷載測試分析

任建軍1任建偉2許海濤3

（1.興義民族師范學院， 貴州 興義 562400；2.六盤水市能源局， 貴州 六盤水 553000；3.華北科技學院， 河北 三河 065201）

根據(jù)葛亭礦X5陷落柱左側(cè)試件的點荷載強度，分析出了陷落柱周圍20m范圍內(nèi)煤體強度的變化規(guī)律，以及20m處煤塊由點荷載實驗測得的強度與標準試件單軸抗壓強度的誤差。證明了點荷載實驗方法可以為陷落柱圍巖穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

點荷載；破壞機理；單軸抗壓強度；陷落柱

陷落柱是煤礦開采中常見的一種地質(zhì)現(xiàn)象，陷落柱塌陷處呈圓形或不甚規(guī)則的橢圓柱狀體，該處的煤層遭到破壞，嚴重影響了煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-2]。大多數(shù)情況下為了提高開采效率、減少工作面搬家次數(shù)，對于不充水陷落柱通常采用直接推過的處理方法，但是由于陷落柱周圍應力的分布異常，陷落柱內(nèi)巖體松散復雜以及工作面采動應力的疊加影響，給工作面的安全生產(chǎn)造成很大的影響[3-4]，因此，在工作面開采前通過實驗研究來確定陷落柱周邊煤巖的應力分布，對于保證工作面順利推過具有十分重要的意義。

通過在葛亭煤礦3301軌道巷上X5陷落柱左側(cè)周邊選取煤巖試件進行點荷載強度試驗，并根據(jù)試件的點荷載強度，分析出了陷落柱周圍20m范圍內(nèi)煤體強度的變化規(guī)律，為安全通過該陷落柱提供了理論依據(jù)。

一、工作面及測試陷落柱概況

3301工作面位于礦井-386m水平西翼、330膠帶下山南部，工作面走向長880m，傾斜寬100m；煤層走向近南北，傾向東，平均傾角23°；煤層厚度9.07m；煤層頂板為深灰色泥巖，厚度9.83m，泥巖上部為27.60m的中砂巖，灰白色，成分為石英，長石等礦物，顆粒次圓狀，分選好，鈣質(zhì)孔隙式膠結(jié)，發(fā)育波狀層理及大型槽狀交錯層理，具斜交裂隙，方解石充填，夾大量煤線；底板為灰黑色泥巖，厚度1.30m，泥巖之下為灰白色細砂巖，厚度10.50m，發(fā)育波狀層理，局部夾粉砂巖薄層。

X5陷落柱是在軌道順槽掘進過程中揭露的，X5陷落柱長軸23m，短軸13m，面積214m2。陷落柱內(nèi)充填雜色泥沿、灰綠色細砂巖、灰白色砂巖、煤粒等，膠結(jié)致密，干燥無水，陷落高度在200m以上。X5陷落柱位置見圖1。

圖1 X5陷落柱位置

二、試驗中煤巖塊的破壞原理

在進行點荷載測試時，煤、巖試件雖然在兩個加載球頭間受到的是壓應力[5]，但是煤、巖試件僅僅是在兩個球頭附近受壓應力，在沿著球頭的夾角向外擴張的方向上受的是拉應力；因此，巖石的受壓部位僅處于加載點及其附近的一個很小的范圍內(nèi)，過了這個范圍以后巖石受到就是拉應力。由于煤巖塊的抗壓強度大于它的抗拉強度，所以點荷載試驗中試件是拉應力的作用下發(fā)生破壞的，即在荷載作用下整個試件在拉應力的作用下發(fā)生破壞[6]。試件的破壞形式見圖2[7]；試件的測試采用的是77-0115型數(shù)字點荷載儀見圖3。

圖2 點荷載試驗破壞機理圖

圖3 77-0115型數(shù)字點荷載儀

三、試件的選取及測試

大量的工程實踐證明，試件的個數(shù)越多、試件的形狀越接近，試驗結(jié)果的一致性就越強也就越趨向于真實，也越能真實的反映試件的力學特性。試件的選取按照水利水電工程巖石試驗規(guī)程SL246-2001的規(guī)定進行。

為了弄清該陷落柱左側(cè)煤、巖的點荷載強度指標的分布規(guī)律及最終確定該陷落柱中煤、巖的力學特性。本次點荷載試驗中的煤樣均取自山東葛亭礦X5陷落柱的左側(cè)，且全部為不規(guī)則試件。從距陷落柱左側(cè) 0～4m、4～8m、8～12m、12～16m、16～20m五個區(qū)間中各選取20個試件，并在實驗室中挑取了63個較為滿意的試件進行分析，其中0～4m的數(shù)據(jù)為 11個，4～8m的數(shù)據(jù)為 13個，8～12m的數(shù)據(jù)為13個，12～16m的數(shù)據(jù)為14個，16～20m的數(shù)據(jù)為12個，試件的尺寸描述見表1；試驗數(shù)據(jù)的處理按照水利水電工程巖石試驗規(guī)程SL246-2001的規(guī)定進行，測試結(jié)果見表2。

表1 所選試件的尺寸描述

8～12m 煤 8.5 4.82 6.798 60.333 21.667 38.851 2.40 13 12～16m 煤 7.3 4.5 5.158 47.667 25 36.61 2.49 14 16～20m 煤 10 6.29 7.661 48.8 32.2 42.69 2.99 12

表2 陷落柱周圍各測點區(qū)間上煤體的強度計算表

另外，在距陷落柱20米處選取幾塊外形規(guī)整未受陷落柱影響的大塊煤體，用于在實驗室制取用來進行實驗對比的50mm*100mm標準試件。在實驗室使用取芯機對煤樣進行取芯，共取了4塊50mm*100mm的圓柱形試件，試件見圖4，然后使用TAW-2000型電液伺服巖石三軸試驗機對其進行單軸抗壓強度試驗，試驗機的見圖5，測試結(jié)果見表3。

圖4 50mm*100mm的圓柱形試件

圖5 TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機

表3 正常區(qū)內(nèi)煤塊的單軸抗壓強度

四、數(shù)據(jù)分析

由表2的數(shù)據(jù)可得到煤塊在各區(qū)間的單軸抗壓強度與陷落柱距離的關(guān)系如圖6。

圖6 陷落柱巖樣力學參數(shù)強度與陷落柱距離的關(guān)系圖

1.由圖7知在距陷落柱中心較近的煤體的單軸抗壓強度和抗拉強度的增加幅度較大，隨著所取試件距陷落柱中心距離的增加，當達到一定距離后單軸抗壓強度和抗拉強度增加的幅度變小，趨于一個定值即該處煤巖體未被破壞時的單軸抗壓強度和抗拉強度。

2.由表2數(shù)據(jù)計算知14.5～18.5m范圍內(nèi)單軸抗壓強度的斜率為0.14，說明該陷落柱周圍20m的范圍內(nèi)都處于陷落柱的影響區(qū)，且隨著距陷落柱中心距離的增加，陷落柱對煤體強度的影響不斷減小。

3.通過計算分析知，距陷落柱中心20m處的點荷載測得的煤巖強度已經(jīng)達到該區(qū)域內(nèi)由大塊煤體做的標準試件強度的90%，說明點荷載測試法可以應用于陷落柱、斷層等構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)的煤巖力學參數(shù)測試中。

五、結(jié)論

1.通過與距陷落柱中心20m處煤巖力學實驗結(jié)果對比可知使用點荷載儀測得的點荷載強度能夠較真實有效地反映陷落柱周圍煤、巖的力學特性，所測得的巖石強度指標能夠應用于陷落柱的保護和評價中。

2.隨著所取試件距陷落柱中心距離的增加，煤巖體的單軸抗壓強度和抗拉強度都在不斷增加，在距陷落柱中心20m處的點荷載測得的煤巖強度已經(jīng)達到該區(qū)域內(nèi)由大塊煤體做的標準試件強度的90%，說明在距離陷落柱中心一定距離后煤巖體的單軸抗壓強度和抗拉強度會趨于煤巖體未破壞時的強度。

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[2]楊武洋.煤礦陷落柱賦水特征的綜合物探探查原理與方法[J].采礦與安全工程學報，2013,30（1）：45-50.

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[5]BROCHE，F(xiàn)RANKLIN J A.The point load strength test[J].Int J Rock MechMin-Sci，1972，9:669-697．

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責任編輯：王文寶

Point Load Test Analysis on the Coaland Rock Mechanical Parameters in Collapse Column Affected zone

REN Jian-jun1,REN Jian-wei2，XU Hai-tao3
（1.Xingyi Normal University for Nationalities,Xingyi，Guizhou 562400,China;2.Liupanshui Energy Bureau,Liupanshui，Guizhou 553000,China;3.North China Institute ofScience and Technology，Sanhe，Hebei 065201,China）

According to the point load strength of the specimens on the left side of X5 Collapse Column of the GeTing mine,analysis ofthe variation ofcoal strength around the collapse columns within 20 meters,and the error ofthe point load strength and the strength of standard test pieces in coal about 20 m,it proved that point load test method can provide the basic data for the stability analysis of surroundingrock collapse column.

Point load test；failure mechanism；uniaxial compression strength；Collapse Column

1009—0637（2016）01—0116—04

TD712

A

2016—01—02

任建軍（1986— ），男，山西運城人，興義民族師范學院物理與工程技術(shù)學院教師，研究方向：礦山災害防治。