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        煤巖力學參數(shù)測試及圍巖穩(wěn)定性評價

        2018-12-05 11:58:34黃慶國
        山東煤炭科技 2018年3期
        關(guān)鍵詞:煤業(yè)煤巖力學

        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%。

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