員 峰

(山西潞安工程有限公司，山西 長治 046031)

近年來，隨著煤炭資源的不斷開采，礦井采深也不斷向深部延伸，致使礦井煤柱和巷道受到的礦井壓力更為復(fù)雜，各類致災(zāi)隱患頻出，例如煤柱破裂、煤體突發(fā)性彈射、保護(hù)煤柱大面積片幫等[1]。當(dāng)前針對該類問題的研究方法主要有數(shù)值模擬、樣品試驗(yàn)、礦井作業(yè)地點(diǎn)的現(xiàn)場動(dòng)態(tài)監(jiān)測等，其中樣品試驗(yàn)是基于施工現(xiàn)場樣品進(jìn)行的，且試驗(yàn)更為直觀，更便于揭示和探討相關(guān)的煤體失穩(wěn)力學(xué)機(jī)理[2-3]。在實(shí)際工程巖體中，煤巖本身含大量的天然裂隙，在進(jìn)行巷道開挖、煤柱留設(shè)及工作面回采等人工開挖活動(dòng)時(shí)，對圍巖及煤柱產(chǎn)生損傷，因此研究含有缺陷的煤巖更貼近現(xiàn)場工程。但有缺陷的天然煤巖取樣困難，試件難以成型，所以采用人工預(yù)制含孔洞煤巖試樣代替缺陷煤巖石，而煤柱中含大量裂隙并進(jìn)行了錨桿索支護(hù)加固，為了分析支護(hù)對煤柱的控制作用，提升實(shí)際巷道應(yīng)用中煤柱的穩(wěn)定性，選擇合適的充填物代替支護(hù)進(jìn)行煤柱支護(hù)強(qiáng)度與煤柱變形破壞關(guān)系的試驗(yàn)，從而達(dá)到支護(hù)加固的目的。

1 試驗(yàn)制作及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)制作

為了達(dá)到本次試驗(yàn)的目的，選擇王莊煤礦52M2工作面現(xiàn)場煤體樣本，根據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》[4]，對煤體樣本進(jìn)行深入加工，形成規(guī)格為的圓柱體試驗(yàn)樣本，并在端面軸向預(yù)制15 mm 的孔道。加工完成后的巖石試樣，如圖1所示。為了對比不同壓強(qiáng)充填體下的煤柱穩(wěn)定性，分別向試驗(yàn)樣本內(nèi)充填10 MPa、15 MPa和20 MPa的超細(xì)硫鋁酸鹽水泥基注漿材料，如圖2所示。將加工好的煤體樣本進(jìn)行分類，按照未充填、10 MPa材料充填、15 MPa材料充填和20 MPa材料充填分別標(biāo)注為A、B、C、D類。U代表單軸試驗(yàn)，U-A-1 代表單軸試驗(yàn) A試樣的第一個(gè)，則試樣編號分別為：U-A-1—U-A-3、U-B-1—U-B-3、U-C-1—U-C-3和U-D-1—U-D-3。

圖1 含孔洞煤巖試樣

圖2 充填水泥后煤巖試樣

1.2 試驗(yàn)方案

1) 精確量取每個(gè)試驗(yàn)樣本的質(zhì)量，以及試驗(yàn)樣本的規(guī)格大小，從而計(jì)算出試驗(yàn)樣本的相對密度，試驗(yàn)獲得各巖樣的基本物理參數(shù)。

2) 采用波速各向異性測試儀對試樣樣本的P波波速進(jìn)行測試，以便提前預(yù)判試樣內(nèi)部是否存在較為明顯的裂隙。

3) 對試驗(yàn)樣本分別進(jìn)行單抽抗壓強(qiáng)度測試，單軸加載試驗(yàn)是在力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上將軸向荷載均勻的施加在巖樣上，利用應(yīng)變傳感器測量荷載作用下巖樣的軸向和環(huán)向變形量，直至巖樣發(fā)生破壞。選用GCTS RTR-1000巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，該儀器可以測定巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及相關(guān)的力學(xué)特性參數(shù)，且軸向荷載最大為1 000 kN，剛度為1 750 kN/mm，最高圍壓可達(dá)140 MPa，分辨率為0.01 MPa。

2 含孔洞煤柱體破壞特征

在無附加條件的作用下，試驗(yàn)巖石在受到應(yīng)力作用后發(fā)生的變形破壞按照變形特征可以分為3類[2-3]：脆性破壞、延性破壞和弱面剪切破壞。通過對巖體試驗(yàn)樣本進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)后，試驗(yàn)樣本所表現(xiàn)的破壞形態(tài)，如圖3所示，含有孔洞的試驗(yàn)樣本所表現(xiàn)的破壞形態(tài)以張剪性破壞為主。其中U-A-2試樣受到單軸壓縮后，樣體發(fā)生的破壞形態(tài)較為復(fù)雜，在樣體表面形成了多個(gè)破裂面，屬于較為典型的張剪性破壞，如圖3(b)所示。其他試樣在受到單軸壓縮后都發(fā)生了不同程度的破壞，但表現(xiàn)出的破壞形態(tài)與U-A-2試樣相比較為簡單，破壞的形態(tài)都是以剪切為主，僅有部分區(qū)域發(fā)生了張拉破壞，最為典型的是試樣U-C-2和試樣U-D-1，孔洞仍保持完整沒有出現(xiàn)坍塌跡象，充填水泥后對試樣破壞形態(tài)有所改善。

應(yīng)用工程上巖石單軸壓縮試驗(yàn)分析，可以按照應(yīng)力-應(yīng)變峰值的變化特性對巖石破壞類型進(jìn)行劃分，峰值應(yīng)變<1%的稱為脆性破壞，1%～5%為脆延性破壞，大于5%時(shí)為延性破壞。由圖3可知，本次試驗(yàn)煤樣的峰值應(yīng)變分布范圍是0.5%～2%，即沒有發(fā)生延性破壞，煤巖破壞的確以脆性斷裂為主，破壞面極不規(guī)則，多呈鋸齒狀：且破壞形成的煤巖碎體沒有規(guī)則性。究其原因是煤巖在變形過程中，無圍壓限制，煤巖的變化特征受到自身內(nèi)部強(qiáng)度的影響，自身較弱部分在受到極限應(yīng)力作用后會(huì)發(fā)生塑性變形，而強(qiáng)度較大部分則在同樣應(yīng)力條件下會(huì)達(dá)到極限承載，所以塑性變形大都集中在了巖體較弱部分區(qū)域，形成巖體的局部變形，進(jìn)而形成脆性破壞。

圖3 單軸加載下各試樣破壞形態(tài)

3 充填支護(hù)強(qiáng)度與煤柱體變形破壞的關(guān)系

將未充填試樣、充填10 MPa水泥試樣、充填15 MPa水泥試樣、充填20 MPa水泥試樣的強(qiáng)度與其平均值進(jìn)行對比，如圖4所示。

圖4 不同充填支護(hù)強(qiáng)度試樣應(yīng)力-應(yīng)變特性對比

1) 試驗(yàn)樣品中未充填樣品與充填10 MPa水泥樣品相比，應(yīng)力承受強(qiáng)度比較接近，僅相差約0.4 MPa，二者相差不大。這是由于充填水泥強(qiáng)度過低，水泥強(qiáng)度與含孔洞煤巖試樣的強(qiáng)度相當(dāng)，充填水泥漿體對煤巖體支護(hù)效果有限，對孔洞內(nèi)壁煤巖變形約束有限，孔洞對試樣強(qiáng)度的影響不大，10 MPa水泥提高充填試樣強(qiáng)度的優(yōu)勢不明顯。

2) 而充填15 MPa、20 MPa水泥后，煤巖試樣平均強(qiáng)度分別為13.51 MPa、16.62 MPa，相對與未充填試樣強(qiáng)度分別提高了42%、74.7%，相比較而言，充填水泥強(qiáng)度越高，煤柱所體現(xiàn)出的應(yīng)力作用強(qiáng)度越高，即煤柱的支護(hù)強(qiáng)度越好。這是由于充填15 MPa、20 MPa 較高強(qiáng)度水泥漿體后原本具有裂隙的煤體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了強(qiáng)度變化，當(dāng)煤體受到外力作用發(fā)生應(yīng)力變化，充填物會(huì)給煤體提供徑向作用力，而兩種材料分界面之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，形成抗剪阻力，從而對煤體起到良好的支撐作用。

3) 充填10 MPa 水泥試樣在達(dá)到峰值后，應(yīng)力呈階梯狀下降，應(yīng)力降低后，試件的承載能力又開始上升，孔洞中充填的10 MPa 水泥發(fā)揮了抗壓能力，隨變形增加，應(yīng)力也開始增加，但曲線斜率比屈服前更低，體現(xiàn)了試件內(nèi)部裂紋擴(kuò)展損傷及10 MPa 水泥抗變形能力低。充填15 MPa 水泥試樣裂隙壓密階段比充填10 MPa 水泥水樣更加明顯，彈性階段兩者相似，峰后變形局部化階段，出現(xiàn)多個(gè)屈服平臺(tái)，試件變形局部化及內(nèi)部裂紋逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致了試件抗壓能力下降，應(yīng)力降到最低點(diǎn)7.8 MPa 時(shí)，充填的15 MPa 水泥發(fā)揮抗壓作用，抑制了裂紋發(fā)展，隨后應(yīng)力回升，最后試件屈服破壞；充填20 MPa水泥試樣在彈性階段充填的20 MPa水泥發(fā)揮抗壓作用，極大的提高試樣應(yīng)力峰值。

整體而言，充填試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征相似，相比較四組試驗(yàn)結(jié)果，在不同充填條件下，試樣的峰值應(yīng)力得到了不同程度的提高。并且充填物能夠在煤體受到外界作用力的情況下，能夠有效抑制煤體變形和破壞程度，且煤體的破壞過程呈現(xiàn)進(jìn)化特征，極大改善煤體力學(xué)特性，提高峰后的抗壓能力。

4 結(jié) 語

巖石破壞并不代表承載能力消失，從充填試樣單軸壓縮試樣破壞形式來看，盡管充填試樣出現(xiàn)明顯的剪切滑移線，但整個(gè)試樣并沒有失去承載能力，煤巖仍能緊密附著在充填物上，破壞后的試樣繼續(xù)加壓，試樣還能承受一定的載荷。

煤層在受到巷道掘進(jìn)、煤炭資源回采等采煤活動(dòng)的影響下，原有應(yīng)力平衡遭到破壞，相比較而言，充填后的圍巖強(qiáng)度明顯高于未充填，且充填物強(qiáng)度越高，圍巖承受應(yīng)力作用的能力越強(qiáng)。未充填試樣甚至?xí)a(chǎn)生塌孔現(xiàn)象，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式，最大限度地保持煤巖強(qiáng)度，保證煤礦安全生產(chǎn)。