黃慶國

（山西大同大學 煤炭工程學院,山西 大同 037003）

煤、巖的物理力學參數(shù)是煤炭工業(yè)中開采、支護設(shè)計與施工過程中不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。煤巖賦存有其特殊性，不同地質(zhì)年代、不同地理位置的煤巖即使是有相同的成分組成，其物理力學性質(zhì)也會有很大的差異；即使地質(zhì)年代相同、地理位置相同、組成成分相同而經(jīng)歷的構(gòu)造破壞不同也會導致其物理力學性質(zhì)不同。因此，無論是科研單位還是生產(chǎn)企業(yè)都非常重視煤巖物理力學性質(zhì)的測試。為了保證白洞煤業(yè)公司石炭二疊紀煤層的延伸工作和安全開采，對于本礦煤層和頂?shù)装鍘r石進行物理力學參數(shù)的測試研究具有十分重要的工程實踐意義。

1 概況

白洞煤業(yè)公司隸屬于同煤集團公司，位于口泉溝，距離大同市約22km，井田位置在大同煤田的東南部，上部侏羅紀煤炭資源已近枯竭，只剩下邊角零星資源。如今主要開采石炭紀煤層，石炭紀煤層為3號、5號、6號、7號、8號、9號煤層。白洞煤業(yè)公司開采石炭紀煤層的開拓方式選擇立井斜井綜合開拓。白洞井田共揭露斷層6條，F(xiàn)1正斷層落差最大，3號煤層的301盤區(qū)南翼共有8條巷道揭露F1斷層，通過F1斷層的巷道施工過程中沒有涌水，由此判斷 F1斷層沒有導水性。

2 巖石采樣及試件加工

為了掌握集團公司白洞煤業(yè)頂?shù)装鍘r石物理力學參數(shù)，為采面及掘進施工設(shè)計提供準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按煤巖物理力學參數(shù)測試規(guī)定，在白洞煤業(yè)公司頂?shù)装鍘r層進行了采樣，巖石樣本取自3號煤層的頂?shù)装?，鉆進頂、底板取芯鉆孔各2個，從四個鉆孔采取了21個層位的巖芯。1號鉆孔頂?shù)装逯鶢钊鐖D1所示，1號各巖層完整性統(tǒng)計表如表1所示。

圖1 鉆孔頂板柱狀圖

對現(xiàn)場按要求采取的巖芯，按實驗要求進行精確加工，依據(jù)煤巖力學參數(shù)試驗的國家標準進行。在每個成型試件上貼好標記。

表1 頂板1號孔巖層完整性統(tǒng)計

3 巖石基本物理參數(shù)測試及結(jié)果

依據(jù)中華人民共和國國家標準化管理委員會2009年4月8日發(fā)布，并于2009年12月1日實施的我國煤、巖力學性質(zhì)測定標準的試驗方案。

3.1 基本物理指標測試

3.1.1 巖石密度

按公式（1）計算巖石的密度。

式中：

ρ-巖石密度，kg/m3；

m-巖石質(zhì)量，g；

A-試件截面積，mm2；

H-試件高度，mm。

3.1.2 單軸壓縮試驗

采用微機控制RLJW-2000型巖石伺服壓力試驗機進行巖石試件單向壓縮試驗，測試巖石的彈性模量、泊松比以及單軸抗壓強度。

按公式（2）計算巖石的平均彈性模量。

式中：

Eav-巖石平均彈性模量，MPa；

σb-應力與縱向應變關(guān)系曲線上直線段終點的應力值，MPa；

σa-應力與縱向應變關(guān)系曲線上直線段始點的應力值，MPa；

εb-應力為 σb時的縱向應變值；

εa-應力為 σa時的縱向應變值。

按公式（3）計算巖石的平均泊松比。

式中：

μav-巖石平均泊松比；

εb-應力為σb時的縱向應變值；

εa-應力為σa時的縱向應變值。

按公式（4）計算巖石的單向抗壓強度。

式中：

σc-巖石單軸抗壓強度，MPa；

P-試件破壞荷載，N；

A-試件截面積，mm2。

3.1.3 抗拉試驗

采用微機控制RLJW-2000型巖石伺服壓力試驗機進行巖石試件劈裂法（巴西法）間接拉伸試驗。

按公式（5）計算巖石的平均抗拉強度。

式中：

P-試件破壞時的荷載，N；

D-圓柱體試件的直徑高度，mm；

t-圓柱體試件厚度，mm。

抗拉試驗按巖性進行四組試驗，每組進行4個試件測試。試件破壞形態(tài)基本呈現(xiàn)沿中心線的劈裂破壞，如圖2所示。

圖2 抗拉試驗試件破壞形態(tài)

3.1.4 三軸壓縮試驗

以 σ1為縱坐標，σ3為橫坐標，繪制 σ1～ σ3最佳關(guān)系曲線，確定出方程解：

式中：

k- σ1～σ3關(guān)系曲線的斜率；

σ1-試件破壞時對應的軸向應力值，MPa；

σ3-試驗加載圍壓，MPa；

σc-σ1～σ3關(guān)系曲線 y 軸截距，MPa。

計算出k、σc值后，然后按下式計算巖石的粘聚力C和摩擦角φ。

式中：

C-巖石的粘聚力，MPa；

φ-巖石內(nèi)摩擦角，（°）；

以 (σ1+σ3)/2 值為圓心，以 (σ1-σ3)/2 值為半徑，利用相關(guān)計算程序，在正應力～剪應力坐標上繪制應力圓包絡(luò)線圖并可直接計算出粘聚力及摩擦角的值。

3.2 巖力學參數(shù)測試結(jié)果

白洞煤業(yè)公司巖石物理力學參數(shù)測試結(jié)果如表2所示。

表2 白洞煤業(yè)公司巖石物理力學參數(shù)試驗結(jié)果

4 圍巖穩(wěn)定性分類

圍巖穩(wěn)定性分類是按T.Bieniawski提出的RMR分類方案進行，頂板巖層考慮5m深度范圍以內(nèi)，涉及的分類指標取相應巖層、各鉆孔的平均值，底板考慮2m深度范圍以內(nèi)的巖層，圍巖分類指標處理方式同頂板。按照RMR分類方案得到的3號煤層及頂?shù)装鍘r層穩(wěn)定性分類如表3所示。

表3 白洞煤業(yè)3號煤層及頂?shù)装鍘r層穩(wěn)定性分類

5 結(jié)語

通過白洞煤業(yè)公司3號煤層煤巖物理力學參數(shù)測定和煤巖穩(wěn)定性分類，為本礦的巷道支護設(shè)計提供了準確科學依據(jù)，在石炭二疊紀煤層開采的延伸工作中得到了應用，巷道支護效果提升明顯，巷道維護費用降低了15%。