雷 順，高富強(qiáng)，王曉卿

（1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

0 引 言

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是巖石的主要物理技術(shù)指標(biāo)之一，是礦井開拓部署、巷道布置與支護(hù)、煤炭開采及沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害防治必不可少的基礎(chǔ)參數(shù)［1-2］。 煤體抗壓強(qiáng)度是圍巖穩(wěn)定性與分類的重要因素之一，因此煤體強(qiáng)度分級煤樣抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果主要建立在單軸抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律和破壞過程分析基礎(chǔ)上。 國內(nèi)外學(xué)者對于煤巖體單軸壓縮試驗(yàn)做了大量研究，楊科等［3］對顧北煤礦11-2煤頂板巖石進(jìn)行室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，以單軸抗壓強(qiáng)度為因變量，彈性模量為自變量，獲得預(yù)測巖石單軸抗壓強(qiáng)度的一元二次非線性回歸模型。 YASAR［4］在統(tǒng)計(jì)分析的煤樣實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究了一種包含單軸抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的煤系巖石巖體分級系統(tǒng)，用來估算巖體的工程性質(zhì)。 張平等［5］探究不同應(yīng)變速率下巖石不同裂隙空間位置、不同裂隙數(shù)目對非貫通裂隙模型試樣單軸抗壓強(qiáng)度的影響，揭示了非貫通裂隙介質(zhì)的單軸抗壓強(qiáng)度隨裂隙空間位置、加載速率的演化規(guī)律。 宋紅華等［6］研究了煤巖非均質(zhì)性與其單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，分析了煤巖非均質(zhì)性對其破壞特征的影響，得到了煤巖失穩(wěn)破壞機(jī)理和前兆規(guī)律，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警等方面提供理論參考。 康紅普等［7］對新汶礦區(qū)深部巖體進(jìn)行研究得到煤巖塊單軸抗壓強(qiáng)度與原位探針臨界載荷的關(guān)系，原位實(shí)測獲得井下煤巖體強(qiáng)度數(shù)據(jù)，使巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性與可靠性顯著提高。 郭瑞等［8］以寧夏寧東地區(qū)砂質(zhì)泥巖為研究對象，分析了含水量和干密度對砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度的影響，其結(jié)果為類似地區(qū)工程設(shè)計(jì)和施工參數(shù)的選取提供了科學(xué)依據(jù)。 MATIN 等［9］采用隨機(jī)森林模型對巖石單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等各種物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行判別和分析，確定了精確評價(jià)和估算巖石力學(xué)參數(shù)的預(yù)測模型。 KUMAR 等［10］采用聲發(fā)射技術(shù)對單軸壓縮試驗(yàn)過程中巖鹽的蠕變特征進(jìn)行分析，較好地預(yù)測了巖鹽在加載和卸載條件下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，并在現(xiàn)場巖鹽蠕變力學(xué)參數(shù)的評價(jià)與估計(jì)中進(jìn)行了應(yīng)用。 SINGH 等［11］探究不同類型巖石點(diǎn)載荷指數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，確定了一種簡單、快捷、有效的現(xiàn)場巖石單軸抗壓強(qiáng)度測試方法。

隨著單軸抗壓強(qiáng)度的廣泛測試與普遍應(yīng)用，積累了大量強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)，之前煤巖體單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)多用于建立與其他因素之間的聯(lián)系及獲取本身強(qiáng)度，但缺乏對其進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)及規(guī)律研究和對測試結(jié)果進(jìn)行評價(jià)分析。 因此，收集利用現(xiàn)有的測試數(shù)據(jù)，提出能比較有效地分辨、衡量煤體強(qiáng)度的差異，并能對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量評價(jià)和分類的方法，可為煤體強(qiáng)度分級及煤系地層有關(guān)工程設(shè)計(jì)提供重要參考依據(jù)，并對評價(jià)煤體強(qiáng)度所占權(quán)值以及詳細(xì)討論其在圍巖分類中的作用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。 基于此，筆者在收集整理我國主要產(chǎn)煤地區(qū)129 座礦井的808 組煤體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用SPSS 數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件與聚類分析方法，詳細(xì)分析了煤體單軸抗壓強(qiáng)度分布范圍及特點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的煤體強(qiáng)度分級方法。

1 煤體單軸抗壓強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)

1.1 煤體單軸抗壓強(qiáng)度測試

單軸抗壓強(qiáng)度是實(shí)驗(yàn)室煤樣試驗(yàn)的最基本參數(shù)。 煤體單軸抗壓強(qiáng)度指煤樣試件在無側(cè)壓條件下，受軸向作用力破壞時(shí)，單位面積所承受的荷載［12］，即試件破壞時(shí)的最大載荷與垂直于加載方向的截面積之比。

試驗(yàn)所需試樣在現(xiàn)場采集完后即進(jìn)行室內(nèi)制作，包括煤塊切割、打磨等，將煤塊加工成標(biāo)準(zhǔn)試件。煤樣制作分為粗加工和精加工2 個(gè)步驟。 粗加工是將已有的煤心進(jìn)行切割；精加工則是對試樣兩端進(jìn)行打磨。 在進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試時(shí)，首先要制作標(biāo)準(zhǔn)試樣，標(biāo)準(zhǔn)試件宜采用直徑50 mm 的圓柱體，高徑比為2，試件兩端面不平行度不應(yīng)大于0.05 mm［12］。 試驗(yàn)設(shè)備選用TAW.3000 微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)以0.5～1.0 MPa ／s 的速度加載，直至破壞，記錄此時(shí)試驗(yàn)機(jī)的峰值載荷，單軸壓縮試驗(yàn)流程如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室煤體單軸壓縮試驗(yàn)Fig.1 Laboratory coal uniaxial compression

1.2 數(shù)據(jù)篩選及統(tǒng)計(jì)

通過統(tǒng)計(jì)煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開采實(shí)驗(yàn)室2001—2016 年測試的標(biāo)準(zhǔn)煤巖體單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)資料，篩選并剔除完整性差等低質(zhì)量數(shù)據(jù)，其中煤樣測試數(shù)據(jù)共計(jì)808 組，包含山西、山東、內(nèi)蒙古、陜西、新疆等主要產(chǎn)煤地區(qū)129座礦井。 數(shù)據(jù)庫中各?。▍^(qū)、市）數(shù)據(jù)資料見表1。

表1 各?。▍^(qū)、市）單軸抗壓強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)Table 1 Test dates of uniaxialcompressive strength for provinces（regions、cities）

圖2 煤樣單軸抗壓強(qiáng)度分布Fig.2 Distribution of uniaxial compressive strength for standard coal samples

2 煤體強(qiáng)度分級

統(tǒng)計(jì)808 組標(biāo)準(zhǔn)煤樣單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，平均值16.11 MPa，極小值為1.37 MPa，極大值為55.48 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為8.66，方差為75.04，偏度為0.97，峰度為1.70，觀測煤體單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布，如圖2 所示。

根據(jù)國內(nèi)外常見的圍巖分類分級系統(tǒng)中列出的單軸抗壓強(qiáng)度范圍，對完整巖石強(qiáng)度進(jìn)行分級（表2）。 對于煤體而言，其強(qiáng)度分布區(qū)別于巖石強(qiáng)度，因此通過建立煤樣單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫，將808 組單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用K-means 算法對其進(jìn)行聚類分級［13］。

1967 年J.B.Mac Queen 提出的K-means 算法，是廣泛應(yīng)用于科學(xué)和工業(yè)諸多聚類算法中簡單有效的算法之一［15］。 K-means 算法的工作機(jī)理是：把n個(gè)樣本點(diǎn)分為k 個(gè)簇，使得各簇內(nèi)的樣本點(diǎn)具有較高的相似性，而各簇間的樣本點(diǎn)相似程度較低，相似度的計(jì)算是依據(jù)1 個(gè)簇中樣本點(diǎn)的平均值來進(jìn)行。該算法根據(jù)聚類性能指標(biāo)最小化原則，通常使用的聚類準(zhǔn)則函數(shù)是簇內(nèi)的各個(gè)樣本點(diǎn)到該簇中心的誤差平方和最?。?5］，算法流程如圖3 所示。

表2 完整巖石強(qiáng)度分級［14］Table 2 Classification of strength for intact rock

K-means 算法是通過輸入聚類個(gè)數(shù)5，以及包含808 個(gè)數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)庫，最后輸出滿足方差最小標(biāo)準(zhǔn)的5 個(gè)聚類，具體聚類分析結(jié)果如圖4 所示。

聚類中心從小到大依次為：6.40、13.63、20.69、30.47、49.86 MPa。 考慮到煤體單軸抗壓強(qiáng)度劃分應(yīng)用廣泛且保證煤體分級簡單直觀，因此，根據(jù)以上5 個(gè)聚類中心對應(yīng)的區(qū)間進(jìn)行取整劃分，將煤體單軸抗壓強(qiáng)度分為5 級，具體分級參數(shù)見表3。

圖3 K-means 算法流程Fig.3 Algorithm flow chart of K-means

基于煤體強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，將煤體強(qiáng)度分為5 級，煤體UCS 在1～56 MPa 呈正態(tài)分布，平均值為15 MPa，對應(yīng)分值為60 分；UCS 為0，對應(yīng)為0分；UCS 為25 MPa，對應(yīng)為80 分；UCS 為60 MPa，對應(yīng)為100 分；等級與分值劃分見表4。

圖4 K-means 聚類算法Fig.4 Clustering plot of uniaxial compressive strength obtained by K-means

表3 煤體單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)聚類分級Table 3 Classification of uniaxial compressive strength maked by K-means clustering for coal

表4 煤體單軸抗壓強(qiáng)度分級與評分Table 4 Classification and proportion of uniaxial compressive strength for coal

此外，依據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行等級評價(jià)，即堅(jiān)硬程度劃分為：Ⅰ（極軟）、Ⅱ（軟）、Ⅲ（硬）、Ⅳ（中硬）、Ⅴ（極硬）；分值評價(jià)：非常差（0 ～10）、差（11 ～20 分）、較差（21 ～40 分）、中（41 ～60分）、較好（61～80 分）、好（81～95 分）、非常好（96～100 分）。 常見的巷道支護(hù)、注漿加固、沿空留巷等設(shè)計(jì)與煤體強(qiáng)度密不可分，尤其在煤體破碎情況下準(zhǔn)確把握煤柱側(cè)以及巷道周圍煤體力學(xué)參數(shù)十分重要。 通過對煤體分級劃分得出UCS 評分，實(shí)現(xiàn)在圍巖分類中UCS 的評價(jià)建議。

3 煤體強(qiáng)度分級應(yīng)用

3.1 測試煤礦煤體強(qiáng)度評價(jià)

表5 部分煤礦煤體單軸抗壓強(qiáng)度分級評價(jià)Table 5 Evaluation of uniaxial compressive strength of coal in some coal mines

從統(tǒng)計(jì)的129 座礦井中隨機(jī)抽取山西、山東、陜西、新疆、內(nèi)蒙古典型礦區(qū)的23 家煤礦（表5），繪制其單軸抗壓強(qiáng)度分級評價(jià)折線圖（圖5），獲得煤層單軸抗壓強(qiáng)度得分及評價(jià)，同時(shí)為煤巖體分類中所占權(quán)值提供定量指標(biāo)。

續(xù)表

圖5 不同省份煤體單軸抗壓強(qiáng)度分級評價(jià)Fig.5 Broken line for grading evaluation of uniaxial compressive strength of coal bodies in different provinces

由圖5 可得，內(nèi)蒙古上灣煤礦1-2 號煤層煤樣強(qiáng)度為35.4 MPa，強(qiáng)度等級為Ⅳ，屬于中硬，評分為90 分，評價(jià)為好；山東蓮花山煤礦13 號煤層煤樣強(qiáng)度為5.1 MPa，強(qiáng)度等級為Ⅰ，屬于極軟，評分為20分，評價(jià)為差。 此外，山東煤體單軸抗壓強(qiáng)度分布范圍最大，山西主要集中在5 ～15 MPa（極軟～軟），內(nèi)蒙古、陜西煤體單軸抗壓強(qiáng)度普遍高于15 MPa。

3.2 煤巷支護(hù)參數(shù)預(yù)測

煤體強(qiáng)度受復(fù)雜地質(zhì)條件，包括水、地應(yīng)力、節(jié)理裂隙、風(fēng)化程度等多種因素的影響，地質(zhì)條件特別好的巷道其支護(hù)形式簡單，而對于埋深較深、地質(zhì)條件復(fù)雜的巷道其支護(hù)形式較復(fù)雜，且同等條件下采用巷道支護(hù)-改性-卸壓“三位一體”等多重手段來控制［16-17］。 因此，筆者研究的范圍為一般條件下巷道開挖所選用的常見支護(hù)形式，即預(yù)測的支護(hù)參數(shù)主要為評價(jià)結(jié)果分布在差、較差、中、較好、好之間的煤體，對于非常好、非常差這2 類其支護(hù)參數(shù)需另論。

精確的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)流程首先需要進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場地質(zhì)力學(xué)調(diào)查與評估，其次通過工程類比、理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法確定支護(hù)參數(shù)，然后將井下施工礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)處理反饋分析支護(hù)設(shè)計(jì)，最終確定支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)與類型［18］。 基于大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過聚類分析進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度分級研究，在此基礎(chǔ)上根據(jù)煤體單軸抗壓強(qiáng)度等級初步劃分煤巷支護(hù)采用的支護(hù)參數(shù)，是簡單快捷且能夠定量化判斷初始支護(hù)參數(shù)的建議方法，對及時(shí)調(diào)整開挖支護(hù)參數(shù)以及精確判斷和決定支護(hù)參數(shù)和支護(hù)類型具有參考意義。 根據(jù)錨固形式、間排距等的不同，參考煤巷常用的支護(hù)形式［1］，結(jié)合煤體單軸抗壓強(qiáng)度等級列出煤巷支護(hù)常見的幾類支護(hù)參數(shù)（表6）。 根據(jù)煤巷不同支護(hù)參數(shù)的支護(hù)強(qiáng)度等級，并參照單軸抗壓強(qiáng)度分級，得到煤體支護(hù)參數(shù)與其單軸抗壓強(qiáng)度分級評價(jià)分布，如圖6 所示。

圖6 測試煤礦支護(hù)參數(shù)與煤體單軸抗壓強(qiáng)度分級評價(jià)Fig.6 Grading evaluation of supporting parameters and uniaxial compressive strength of coal mass

表6 常見煤巷支護(hù)參數(shù)分類Table 6 Classification table of common coal roadway support parameters

由圖6 可得，不同強(qiáng)度等級劃分的支護(hù)參數(shù)主要集中在參數(shù)2 和參數(shù)4，錨桿索支護(hù)集中應(yīng)用在埋深處于中部區(qū)域的煤礦井下巷道中，而錨桿索架棚主要應(yīng)用于深部煤礦井下巷道支護(hù)，這也與現(xiàn)場實(shí)際相契合。

根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度對不同支護(hù)參數(shù)進(jìn)行對應(yīng)分類劃分（圖6），所提供的支護(hù)參數(shù)可為煤巷支護(hù)基本參數(shù)提供參考和預(yù)測，對現(xiàn)場工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。 考慮到每個(gè)地區(qū)之間煤層賦存條件不一，差異性導(dǎo)致支護(hù)方案選擇的多樣性，需要結(jié)合實(shí)際情況并采取現(xiàn)場原位測試結(jié)果進(jìn)行綜合判斷。 除此之外，對于評價(jià)結(jié)果相近的，要根據(jù)巷道地應(yīng)力、圍巖等實(shí)際情況，調(diào)整錨固形式、間排距、錨桿索直徑及長度、支護(hù)構(gòu)件強(qiáng)度等才能達(dá)到因地制宜的優(yōu)化效果（表7）。

表7 不同支護(hù)參數(shù)與巖石強(qiáng)度等級Table 7 Different types of support parameters and strength level of rock samples

此外，由于煤層生成和賦存環(huán)境的差異性，不同地區(qū)煤層的成分、結(jié)構(gòu)及水分和地質(zhì)構(gòu)造都會(huì)對煤體強(qiáng)度產(chǎn)生影響［19］。 僅對129 座礦井煤層煤樣UCS 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出煤體強(qiáng)度與等級之間的關(guān)聯(lián)性，為煤體強(qiáng)度分級評價(jià)提供了新思路。 今后仍需搜集不同煤礦的煤塊樣本進(jìn)行試驗(yàn)，擴(kuò)充與完善數(shù)據(jù)庫，提高煤體單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)的可靠性，得到具有普適性的結(jié)論。

4 結(jié) 論

1）篩選統(tǒng)計(jì)了包含山西、山東、內(nèi)蒙古、陜西、新疆等主要產(chǎn)煤省份129 座礦井808 組煤樣單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其分布范圍為1.37 ～55.48 MPa，平均16.11 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為8.66 MPa，且滿足正態(tài)分布。

2）確定煤體單軸抗壓強(qiáng)度分為5 級：Ⅰ（1 ～10 MPa）、Ⅱ（10 ～15 MPa）、Ⅲ（15 ～25MPa）、Ⅳ（25 ～40 MPa）、Ⅴ（40 ～60 MPa）。 并依據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)對其分值進(jìn)行評價(jià)：非常差（0 ～10 分）、差（11～20 分）、較差（21 ～40 分）、中（41 ～60 分）、較好（61 ～80 分）、好（81 ～95 分）、非常好（96 ～100分）。

3）獲得典型礦區(qū)23 家煤礦煤層單軸抗壓強(qiáng)度等級及評分，其中內(nèi)蒙古上灣煤礦1-2 號煤層煤樣強(qiáng)度為35.4 MPa，強(qiáng)度等級為Ⅳ（中硬），評分為90分（好）；山東蓮花山煤礦13 號煤層煤樣強(qiáng)度為5.2 MPa，強(qiáng)度等級為Ⅰ（極軟），評分為21 分（較差）。此外，根據(jù)其煤體強(qiáng)度分級與評價(jià)結(jié)果初步對煤礦巷道圍巖支護(hù)參數(shù)類型提供參考和預(yù)測評估，對現(xiàn)場工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。