煤巖力學參數測試及圍巖穩定性評價

黃慶國

（山西大同大學 煤炭工程學院,山西 大同 037003）

煤、巖的物理力學參數是煤炭工業中開采、支護設計與施工過程中不可或缺的基礎數據。煤巖賦存有其特殊性，不同地質年代、不同地理位置的煤巖即使是有相同的成分組成，其物理力學性質也會有很大的差異；即使地質年代相同、地理位置相同、組成成分相同而經歷的構造破壞不同也會導致其物理力學性質不同。因此，無論是科研單位還是生產企業都非常重視煤巖物理力學性質的測試。為了保證白洞煤業公司石炭二疊紀煤層的延伸工作和安全開采，對于本礦煤層和頂底板巖石進行物理力學參數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，F1正斷層落差最大，3號煤層的301盤區南翼共有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頂底板巖石物理力學參數，為采面及掘進施工設計提供準確的基礎數據，按煤巖物理力學參數測試規定，在白洞煤業公司頂底板巖層進行了采樣，巖石樣本取自3號煤層的頂底板，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號鉆孔頂底板柱狀如圖1所示，1號各巖層完整性統計表如表1所示。

圖1 鉆孔頂板柱狀圖

對現場按要求采取的巖芯，按實驗要求進行精確加工，依據煤巖力學參數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號孔巖層完整性統計

3 巖石基本物理參數測試及結果

依據中華人民共和國國家標準化管理委員會2009年4月8日發布，并于2009年12月1日實施的我國煤、巖力學性質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-應力與縱向應變關系曲線上直線段終點的應力值，MPa；

σa-應力與縱向應變關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。試件破壞形態基本呈現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

3.1.4 三軸壓縮試驗

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

式中：

k- σ1～σ3關系曲線的斜率；

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-巖石內摩擦角，（°）；

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

3.2 巖力學參數測試結果

白洞煤業公司巖石物理力學參數測試結果如表2所示。

表2 白洞煤業公司巖石物理力學參數試驗結果

4 圍巖穩定性分類

圍巖穩定性分類是按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，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號煤層及頂底板巖層穩定性分類如表3所示。

表3 白洞煤業3號煤層及頂底板巖層穩定性分類

5 結語

通過白洞煤業公司3號煤層煤巖物理力學參數測定和煤巖穩定性分類，為本礦的巷道支護設計提供了準確科學依據，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%。