新元煤礦破碎煤體單軸抗壓強度快速測定方法研究及應用

雷 順，康紅普，高富強，司林坡

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013; 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

煤巖體力學參數研究是巷道圍巖工程穩定性問題的關鍵，對于分析現場不同地質和工程的力學參數有著重要意義[1]。煤巖體強度是巖體力學中最基本的參數，且有多種形式，包括單軸抗壓強度、抗拉強度，抗剪強度，三軸抗壓強度等。其中，單軸抗壓強度是最常用的巖石強度指標[2-3]。

煤的單軸抗壓強度試驗數據直接反映了煤體軟弱特性[4]。煤層單軸抗壓強度大多在實驗室加工成標準煤樣進行測量。然而對于破碎煤層，在現場取樣困難，制備煤樣可操作性差、成本高，若為了獲得標準煤樣進行大量的重復試驗，無疑將消耗大量的人力、財力、物力和時間。點載荷強度測試方法多用于巖石強度測試，目前在巖土工程領域較為成熟[5]。鉆孔鉆進法、鉆孔觸探法等現場原位測試方法，在煤體較破碎的條件下，測試結果還存在不確定性[2]。因此，如何將現有常用的強度測試方法有機結合，提出一種能比較有效地測定、衡量破碎煤體的強度，并能定量得到其單軸抗壓強度的方法，對快速測定地下工程中破碎圍巖的煤巖體單軸抗壓強度具有重要的現實意義和應用價值?；诖?，筆者以新元煤礦為工程背景，將現場試驗與實驗室試驗相結合，根據破碎煤體鉆孔觸探法與點載荷法強度測試特點,詳細分析了破碎煤體強度測試數據的分布，并提出破碎煤體單軸抗壓強度預測公式，最終得到其單軸抗壓強度值。

1 破碎煤體UCS的測定思路

目前，國內外現有的煤體強度測量方法有多種，包括單軸抗壓強度測試方法、點載荷測試方法及現場原位強度測量方法，尤其在煤礦井下應用較多。

單軸壓縮試驗是在實驗室獲取煤巖樣單軸抗壓強度的常見方法。標準試樣的單軸抗壓強度指其在無側壓且受軸向載荷作用下所能承受的最大壓應力，是目前地下工程中使用最廣泛的力學參數[3]。在獲取煤巖體簡單且在制備標準試樣容易時選用此類方法。

點荷載試驗是一項快速測定巖石強度的試驗，主要用于巖石分類及巖石各向異性的測定，并可計算其單軸抗壓強度[6-8]。由于試件可直接選用鉆探巖芯及不規則的巖塊，尤其適用于室內試驗制樣困難的軟弱、破碎巖石，對不規則的塊體進行強度測試具有優勢。但是其測試結果比單軸壓縮試驗結果的離散性要大。

鉆孔觸探法是一種原位測試煤巖體強度的方法，不需要現場取樣[2]。鑒于煤礦井下環境潮濕陰暗，作業空間狹窄，巷道和采場工作面所需測點多而分散，鉆孔觸探法原位強度測試儀器簡單輕便，作業范圍廣，且在一個鉆孔中完成測量以后，就可以將鉆孔中的煤巖體強度劃分成幾個基本級別。此外，根據測試過程中臨界壓力的異常波動來判斷鉆孔軸向方向弱化帶的位置，為數值模擬和圍巖穩定性分析提供詳細、準確的數據[9]。

此外，國外相關學者采用針式貫入器(Needle Penetrometer)進行強度測試，其在歷史遺址、紀念碑和建筑物等特殊的巖石工程研究中應用較為廣泛[10]。

表1 三種強度測試方法對比

Table 1 Comparison of three strength test methods

強度測試方法試件要求特點應用范圍單軸壓縮試驗滿足徑高比1∶2的標準規則體對試樣尺寸有嚴格要求,數據可靠性高,應用廣泛獲得標準尺寸完整煤樣的單軸抗壓強度值點載荷法規則或不規則塊體對測試樣品要求低,測試數據離散性偏高建立在大量測試數據的基礎上,點載荷強度指數與單軸抗壓強度有明顯的相關性鉆孔觸探法測試圍巖無明顯裂縫原位測試、一孔多測、不需要取樣井下復雜地質條件下原位測試,避免取樣等出現的問題

綜上所述，無論是從現場還是實驗室，取出標準煤樣即可通過單軸壓縮試驗直接獲得其單軸抗壓強度值，而對于破碎煤體雖然無法獲得標準煤樣，但是可以取出滿足點載荷強度測試尺寸要求的煤塊。點載荷法可直接測試煤塊的強度，根據測試的破碎煤體點載荷強度范圍，參考之前學者得出的關系式，可得到其單軸抗壓強度值，即y=f(t)，y為所求單軸抗壓強度;t為中間變量點載荷強度;但是考慮到點載荷法測試需要大量樣本，即參數t不易獲得，而之前介紹的鉆孔觸探法其最大優勢是實現原位強度測試且無需取樣，測試過程簡單，因此通過建立兩者之間的對應關系，即用g(x)來代替參數t，從而得到了一種既簡單又便捷的測試破碎煤體抗壓強度方法即y=f(g(x))。即為:通過點載荷試驗搭建破碎煤體鉆孔觸探法與其單軸抗壓強度之間的聯系，得到破碎煤體鉆孔觸探法與其單軸抗壓強度關系式，最后計算出破碎煤體單軸抗壓強度值，如圖1所示。

圖1 破碎煤體強度測定方法思路

2 原位鉆孔觸探法試驗

2.1 新元煤礦破碎煤體特征

本文研究的破碎煤體是指現場或實驗室無法(很難)取到滿足單軸壓縮試驗的標準試樣的煤體，導致煤體破碎的因素為:煤體所處的位置、所受應力狀態以及本身節理裂隙發育程度等。

新元煤礦開采3號煤，煤層埋深550～600 m，煤層厚度2.7～3.10 m，平均2.90 m，傾角1°～4°，平均3°，煤層黏結強度低，裂隙較發育，以小型裂隙和微裂隙為主，現場取樣效果很差，取芯率低，如圖2所示，煤體中節理裂隙發育，屬于典型破碎煤體特征，故選在該礦31004工作面巷道煤幫進行現場試驗。

圖2 現場56 mm鉆孔取芯效果

根據現場煤幫鉆孔孔壁可以看出破碎煤體內部的裂隙分布形態(圖3)，綠色標記處孔壁明顯光滑呈現出完整，紅色標記線為孔壁凹凸不平處，黃色標記線為破碎煤體節理裂隙發育區域。

圖3 破碎煤體裂隙在孔內不同的分布形態

2.2 鉆孔觸探法對破碎煤體的適用性改進

前人采用鉆孔觸探儀對完整鉆孔孔壁加壓進行圍巖強度測定[2]。鉆孔觸探儀的一個最重要部件是探頭，探頭內的探針直徑為5 mm，隨著探針伸出與孔壁接觸，當探針壓力到達鉆孔孔壁巖石的臨界壓力時，探針位移會急劇增大，探針位移指示儀指針會出現躍進，孔壁巖石發生破壞同時會伴隨破壞產生的劈裂聲，這些特征可以用來判斷探針壓力的臨界點[12]。而現場測試煤層黏結強度低，裂隙較發育，以小型裂隙和微裂隙為主，且煤體較破碎，在現場測試過程中采用直徑為5 mm探針躍進現象不明顯，探針緩慢插入煤體，無法判斷探針壓力的臨界點[13]。因此，本文基于以往鉆孔觸探法測試出現的問題和不足對現有鉆孔觸探法進行補充，通過改進測試系統動力源、探針直徑，分析測試過程壓力變化曲線，從記錄的壓力曲線中觀測即探針扎入煤壁時油管內油壓為探針躍進所需的實際壓力，最終確定躍進點壓力為鉆孔觸探法測試破碎煤體強度的臨界壓力值。

通過調整探針直徑，獲得不同直徑的探針測試數據統計表(表2)，最終選擇直徑為10 mm的探針對現場破碎煤體強度測試，其測試有效率為78.6%，變異系數為0.18，探針躍進現象明顯。探針端頭圓弧曲率半徑與鉆孔直徑大小保持一致，有關分析不同直徑探針測試數據及分析的過程，請參考雷順等[13]的研究，在此不再贅述。

表2 不同直徑探針測試數據統計

Table 2 Statistical table of test data of different diameter probes

探針直徑/mm有效點個數有效率/%標準差/MPa變異系數躍進現象627/933.31.020.19不明顯828/1967.92.070.25較明顯1028/2278.61.870.18明顯

此外，采用氣動泵升壓過程穩定性好，平穩升壓，而且保證探針均勻平穩壓入煤體，有利于破碎煤體強度測試。如圖4所示為改進后鉆孔觸探法測試系統各部件實物圖。

圖4 鉆孔觸探法測試系統構成

通過分析鉆孔觸探法原位強度測試過程及油壓監測曲線，確定破碎煤體躍進點。結合圖5分析鉆孔觸探法原位強度測試過程為:① 探針啟動阻力升壓階段;② 探針接觸鉆孔壁階段;③ 升壓探針扎入煤壁階段;④ 加載卸壓壓降過程。

圖5 鉆孔觸探法原位強度測試過程

具體過程如下:階段1:氣動泵開始工作提供恒定油壓，油管路充滿油液，探針克服初始阻力，油壓開始小幅上升后短時間內穩定。階段2:從探針啟動到接觸煤壁過程，阻力不斷增加，油壓繼續上升。階段3:探針從接觸煤壁到扎入過程導致煤體破碎，即由接觸點到躍進點的過程是油路在持續憋壓，直到探針扎入煤壁此時油管內油壓為探針躍進所需的實際壓力，同時也是判斷探針是否具有躍進現象的關鍵。階段四:探針伸出達到最大值，動力源停止加壓，探針回縮，油壓開始回落至初始狀態，整個測試過程結束。通過分析測試曲線及4個階段，最終確定躍進點壓力為鉆孔觸探法臨界壓力值。

2.3 鉆孔觸探法測試結果分析

在新元煤礦31004工作面巷道煤幫進行鉆孔觸探法原位強度測試。具體測試步驟及取值如下:① 先在煤體巷幫打設1～20號直徑φ56 mm的鉆孔，在孔內軸向由里往外間隔為50 mm設置2個測試水平，在每個測試水平處徑向以120°布置3個觸點分別對應直徑φ10 mm探針，如圖6所示。② 然后用連接桿將強度測試探頭送入孔內測試對應觸點位置。③ 打開壓力采集儀與油泵開始供液，此時探針啟動到持續加壓至探針扎入煤壁過程中，油壓傳感器記錄完整壓力曲線。④ 從記錄的壓力曲線中觀測即探針扎入煤壁時油管內油壓為探針躍進所需的實際壓力，最終確定躍進點壓力為鉆孔觸探法臨界壓力值。

圖6 鉆孔觸探法測試煤巖體強度示意

將1～20號孔內采用鉆孔觸探法測試破碎煤體臨界載荷匯總結果見表3。

表3 鉆孔觸探法臨界載荷測試數據

Table 3 Tested critical pressures using borehole penetration method

測試孔號鉆孔觸探法測試數據/MPa測試水平一觸點方位角/(°)0120240測試水平二觸點方位角/(°)0120240均值標準差13.113.203.22NA3.393.233.230.1092NANA3.012.882.812.702.850.1333NA2.001.661.741.76NA1.790.1754NANA3.12NA3.25NA3.190.06053.293.25NA3.583.493.363.390.1076NA3.163.27NA3.183.133.190.12073.293.223.393.353.51NA3.350.09282.51NA2.60NANA2.972.690.24493.223.143.083.06NA2.963.090.10110NA1.501.59NA1.63NA1.570.032112.662.642.56NANA2.532.600.13012NA3.153.193.052.913.253.110.13413NA3.003.153.002.98NA3.030.07914NA1.932.09NA2.032.342.100.147151.751.80NANA1.74NA1.760.067162.672.81NA2.852.92NA2.810.097172.182.512.682.982.732.872.660.284183.293.533.503.323.523.493.440.13819NANANA2.70NA2.892.800.105202.782.92NA3.06NA2.992.940.062

注:“NA”表示無躍進現象。

3 破碎煤塊點載荷強度測試

3.1 點載荷法

點載荷強度試驗是一種簡易快速地測定巖石強度的試驗方法[14]。由于試件可直接選用鉆探巖心及不規則的巖塊，因此它適用于野外，尤其適用于室內試驗制樣困難的風化巖石，軟弱破碎巖石等[15]。

基于本文對鉆孔觸探法與點載荷法兩者的測試特點、試件要求及應用范圍等方面對比分析，雖然兩者試驗方式不同，前者是現場原位試驗，后者是實驗室試驗，但兩者的測試原理均為通過液壓系統(液壓泵)加壓，使圓錐形壓頭(或探針)壓入煤塊時記錄當前的破壞壓力值(躍進壓力值)來確定其強度測試結果，即兩者的測試結果具有關聯性。

點載荷強度指數是研究破碎煤體強度的重要參數之一。根據試件的形狀和尺寸，對于不同形狀和大小的煤塊進行點載荷測試，分為徑向、軸向、規則塊體(方塊)和不規則塊體4種形式(圖7)，其中，D為試樣破壞面上的載荷加載點間距，mm;L為試樣的長度，mm;W為過加載點通過試樣最小橫截面的平均寬度，mm;De為等效直徑，mm;W1為加載點通過試樣最小截面上端寬度，mm;W2為加載點通過試樣最小截面下端寬度，mm。

3.2 點載荷測試過程及結果分析

根據ISRM點載荷測試方法，結合點載荷測試塊體尺寸要求，適當放寬取芯管直徑，在鉆孔觸探法測試的相同位置(圖8)采用直徑φ132 mm的取芯管，取回滿足點載荷測試尺寸的煤塊，進行實驗室點載荷試驗。

圖7 點載荷試樣形狀與尺寸要求示意

圖8 某一鉆孔內鉆孔觸探法測試孔與取芯位置對應

考慮到破碎煤體強度低等特點，在提高破碎煤體點載荷強度測試精度方面:① 采用HRDZ-2型數顯式點載荷儀，結合破碎煤體強度范圍，選用壓力傳感器范圍為:0～2 kN，測力誤差≤1%F.S(F.S為壓力量測傳感器的滿量程);② 剔除結構面發育和存在瑕疵的試樣，選擇形狀相對規整的煤塊進行點載荷測試。由于煤塊本身尺寸限制，本文點載荷試驗涉及圓柱體軸向和不規則2種測試形式，部分試驗煤塊和2種形式煤塊試驗如圖9所示。

圖9 不同形狀煤塊點載荷測試

在現場鉆孔觸探法測試的20個鉆孔位置處，分別取出滿足點載荷試驗要求尺寸的煤塊進行測試，大多數為不規則形狀的煤塊樣本。根據點載荷強度計算公式得到修正前后所測試煤塊點載荷強度指數，1～20號鉆孔中的煤塊樣本點載荷測試數據匯總，見表4，其中，Is為未修正的點載荷強度指數；P為試樣破壞時的載荷，N；F為尺寸修正系數。

此外，對上述表中點載荷強度指數測試數據進行統計分析,其分布如圖10所示，破碎煤塊Is50范圍為0.03～0.92 MPa，平均值為0.21 MPa，標準差為0.13 MPa。

表4 點載荷測試數據匯總

Table 4 Results of point load tests on coal samples with different shapes and sizes

測試孔號序號L/mmD/mmW/mmP/NDe/mmIsFIs50/MPa139.015.021.728020.3580.6760.6670.451254.215.227.012022.8590.2300.7030.1611號孔330.615.920.45020.3220.1210.6670.081…1332.41527.910023.0840.1880.7060.1332號孔……181.525.947.239039.4530.2510.8990.225256.024.845.635037.9460.2430.8830.21520號孔346.124.739.722035.3350.1760.8550.151…1664.044.248.663052.2990.2301.0200.2351767.420.026.231025.8300.4650.7430.345

圖10 破碎煤體點載荷強度指數分布

4 新元煤礦破碎煤體UCS的確定

4.1 Pc與Is50擬合回歸關系

根據現場鉆孔觸探法測試臨界載荷與對應實驗室點載荷強度指數測試結果(表5),將鉆孔觸探法單孔標準差大于0.2 MPa的測試數據剔除，與此對應的點載荷測試數據去掉一個最大值和一個最小值取平均值并將標準差大于0.1 MPa的測試數據剔除，獲得不同測試位置處兩者的對應關系值。

根據上述鉆孔觸探法和點載荷法測試所得到的測試結果，采用Weibull提出的威布爾分布可以將試樣和應力水平的影響與相同類型試樣的強度變化相關聯[16]。下面給出威布爾分布的累計失效概率公式:

表5 現場鉆孔觸探法測試臨界載荷與對應實驗室點載荷強度指數測試結果匯總

Table 5 Summary table of test results ofPcandIs50of corresponding laboratory point load tested by field borehole penetration method

測試孔號鉆孔觸探法測試數據/MPa測試水平一觸點方位角/(°)0120240測試水平二觸點方位角/(°)0120240平均值/MPa標準差點載荷強度指數測試結果平均值/MPa標準差方差剔除離散性大的點13.113.203.22NA3.393.233.230.1090.2470.1490.022×2NANA3.012.882.812.702.850.1330.1860.0750.0063NA2.001.661.741.76NA1.790.1750.1280.0400.0024NANA3.12NA3.25NA3.190.0600.2370.0670.00553.293.25NA3.583.493.363.390.1070.2740.1500.022×6NA3.163.27NA3.183.133.190.1200.2270.0500.00373.293.223.393.353.51NA3.350.0920.2480.1230.015×82.51NA2.60NANA2.972.690.2440.1650.0400.002×93.223.143.083.06NA2.963.090.1010.1880.0650.00410NA1.501.59NA1.63NA1.570.0320.1000.0250.001112.662.642.56NANA2.532.600.1300.1490.0820.00712NA3.153.193.052.913.253.110.1340.2200.0880.00813NA3.003.153.002.98NA3.030.0790.1870.0850.00714NA1.932.09NA2.032.342.100.1470.1460.0490.002151.751.80NANA1.74NA1.760.0670.1180.0210.000162.672.81NA2.852.92NA2.810.0970.1670.0550.003172.182.512.682.982.732.872.660.2840.1560.0700.005×183.293.533.503.323.523.493.440.1380.2900.1360.018×19NANANA2.70NA2.892.800.1050.1660.0690.005202.782.92NA3.06NA2.992.940.0620.1860.0720.005

注:“×”為剔除此組數據。

(1)

式中，Pf(σ)為累計失效概率;σ為應力;σ0為比例參數;m為形狀參數。

由下式可得出一種隨機變量在壓力作用下的可靠性概率:

(2)

式中，Ps(σ)為可靠性概率。

為了推算在應力水平作用下不同測試方法對煤塊破壞時各自的可靠性概率，通常來講，按照順序排列測試的每一組樣本，用不同的估計值來計算第i個可靠性概率[16]。常用的估計量Pi:

綜上所述，在上消化道出血患者中實施基于循證護理的健康教育，更有利于加強患者對疾病和健康知識的掌握，有利于提高生活質量。

(3)

式中，Pi為樣本排序中第i個的可靠性概率;N為每組中煤塊的數量。

通過轉換式(4)得到一個應力水平為σ試樣的可靠性概率，即

(4)

由式(4)可知，ln[-ln(Ps(σ))]與ln(σ)成線性關系，參數m和σ0分別稱為威布爾參數。

根據鉆孔觸探法和點載荷法2種測試方法將測試數據分為兩組，每組測試數據中有效數據為14個(表5)。通過式(3)計算出每一個點載荷指數對應的可靠性概率，得到2種測試方法對應測試結果威布爾分布可靠性概率圖，如圖11所示，根據擬合公式并結合轉換式(4)得到其對應的威布爾分布形狀參數分別為:4.02，4.12，表明2種測試方法的測試結果分布函數形狀基本一致。

圖11 鉆孔觸探法和點載荷法測試結果威布爾分布可靠性概率

根據現場煤體鉆孔觸探法與對應點載荷試驗獲得的試驗數據，繪制臨界載荷與點載荷強度指數的散點圖，如圖12所示。將試驗數據采用線性函數、對數函數和二次函數3種數學模型進行回歸擬合處理，并運用專業數理統計軟件SPSS19.0分別對3種模型進行回歸方程和回歸系數顯著性檢驗。通過對回歸系數及方程的統計量t值、F值檢驗與分析，t值是對每一個自變量逐個檢驗，當回歸系數的t的絕對值大于其相應的臨界值時，即可認為自變量對因變量影響是顯著的。F值是方差檢驗量，是整個模型的整體檢驗。煤體臨界載荷與點載荷強度指數回歸模型系數檢驗分析統計見表6，其中，Sig.為顯著性P值。

圖12 臨界載荷與點載荷強度指數散點圖

表6 煤體臨界載荷與點載荷強度指數回歸模型系數統計表

由上述現場破碎煤體鉆孔觸探法原位強度測試與對應點載荷強度測試，對測試數據擬合分析并對3種回歸模型進行檢驗，選取相關系數高且各項檢驗效果好的數學模型為最佳擬合方程，確定了破碎煤體鉆孔觸探法臨界載荷(Pc)與點載荷強度指數(Is50)轉換關系式為:Is50=0.066Pc-0.002。

4.2 計算模型的確定

在現場實測和實驗室試驗的基礎上，回歸分析破碎煤體點載荷強度指數與鉆孔觸探法臨界載荷的關系，其次筆者通過查閱相關文獻參考1980—2008年國內外學者研究點載荷強度指數與單軸抗壓強度之間關系式[17-31]，結合本文研究的破碎煤體強度特點和點載荷強度指數范圍，同時考慮公式的適用范圍，選擇適合本文破碎煤體強度特點的關系式。最終建立鉆孔觸探法臨界載荷、點載荷強度指數和單軸抗壓強度的關系，開發適合破碎煤體的單軸抗壓強度測試方法。

在之前學者研究的基礎上，根據建立的破碎煤體鉆孔觸探法臨界載荷與點載荷法關系式，結合本文所測試破碎煤體的點載荷強度指數分布范圍為0.03～0.92 MPa，進一步選取與Is50分布范圍接近的6組關系式(表7)，根據6種參考公式得到模型誤差百分比與累積頻率曲線，如圖13所示，在公式④模型的預測能力最低，而公式①預測有大約63%的UCS值可以在20%的誤差中預測，公式⑤預測有74%的UCS值可以在10%的誤差中預測，公式②預測有88%的UCS值落在-10%～+10%的誤差范圍內。

表7 允許誤差條件下單軸抗壓強度值預測

Table 7 Prediction of the uniaxial compressive strength of weak coal under allowable error conditions

序號UCS與Is50參考公式Is50范圍/MPa允許誤差條件下預測UCS占比/%±40%±30%±20%±10%①UCS=12.6Is50[20]4.50～8.00100100630②UCS=14.1Is50[21]10010010088③UCS=23.62Is50-2.69[21]0.23～4.4096775635④UCS=3.86(Is50)2+5.65Is50[23]0.45～3.5912000⑤UCS=12.23Is50+1.75[26]0.03～0.9710010010074⑥UCS=13Is50[27]0.35～1.95100100887

圖13 模型誤差百分比與累積頻率曲線

綜上所述，將破碎煤體Pc與Is50回歸關系:

Is50=0.066Pc-0.002

(5)

代入UCS與Is50對應關系:

UCS=14.1Is50

(6)

中得到新元煤礦破碎煤體單軸抗壓強度計算模型:

UCS=0.807Pc+1.726

(7)

測試破碎煤體的臨界載荷值適用范圍為1.5～3.5 MPa。

根據文中在新元煤礦井下現場1～20號鉆孔內采用鉆孔觸探法測試破碎煤體的臨界載荷處于1.55～3.48 MPa，不同孔位破碎煤體鉆孔觸探法臨界載荷值的分布圖，如圖14所示。在巷道煤幫的不同位置破碎煤體臨界載荷最小值為1.55 MPa，最大值為3.48 MPa，平均值為2.78 MPa。然后將臨界載荷值代入UCS=0.807Pc+1.726中得到巷幫破碎區煤體的單軸抗壓強度處于2.97～4.53 MPa，且對應的模型計算單軸抗壓強度值分布(圖14)。

本文提出的測試方法是對現有鉆孔觸探法的補充，通過改進測試系統動力源、探針直徑，分析測試過程壓力變化曲線，從記錄的壓力曲線中觀測即探針扎入煤壁時油管內油壓為探針躍進所需的實際壓力，最終確定躍進點壓力為鉆孔觸探法測試破碎煤體強度的臨界壓力值。通過點載荷試驗搭建破碎煤體鉆孔觸探法與其單軸抗壓強度之間的聯系(即對應式(5)，(6))，得到破碎煤體鉆孔觸探法與其單軸抗壓強度關系式(即得到式(7))，最后計算出破碎煤體單軸抗壓強度值。

由于煤層生成和賦存環境的差異性，不同地區煤層的成分、結構及水分和地質構造都會對煤體強度產生影響[32-33]。本文僅對新元煤礦3號煤層煤樣進行了強度測試，得出破碎煤體臨界載荷與點載荷強度指數之間具有一定的關聯性，提供了關于破碎煤體強度研究的一種新思路。今后這方面的研究仍需搜集不同煤礦的煤塊樣本進行試驗，擴充與完善測試數據，提高破碎煤體抗壓強度測試的可靠性，得到具有普適性的結論。

5 結 論

(1)現場采用改進后的鉆孔觸探法測試破碎煤體的臨界載荷處于1.55～3.48 MPa，破碎煤塊Is50范圍為0.03～0.92 MPa，平均值為0.21 MPa，標準差為0.13 MPa。通過數理統計方法對20組測試數據擬合分析，建立點載荷強度指數與臨界載荷數學模型并對其進行顯著性檢驗，確定回歸預測模型表達式為:Is50=0.066Pc-0.002。

(2)基于點載荷強度指數與臨界載荷回歸模型，再根據Is50分布范圍參考合適的UCS與Is50關系式，兩者相結合得到新元煤礦破碎煤體UCS與臨界載荷Pc的轉換公式為:UCS=0.807Pc+1.726。

(3)通過對新元礦現場測試獲得巷幫破碎區煤體的單軸抗壓強度處于2.97～4.53 MPa，為數值模擬計算提供科學的基礎力學參數，同時為現場煤礦巷道圍巖支護提供可靠依據。

(4)本文所提出的方法及UCS與臨界載荷Pc的轉換公式為一般破碎煤體的單軸抗壓強度測定提供了科學有效的測試方法。