松軟煤層抗張強度及防隔水煤柱寬度的研究

項林語，趙 雅，杜金龍，呂 偉，黃程皓，王佳豪，俞鋮紅

(安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001)

在煤礦井下開采時，為了防止地下水源突然涌入而設置一定規模暫不開采的煤柱，稱為防隔水煤柱。在井下可能發生突水或涌水的區域設置合理寬度的防隔水煤柱，能減少煤礦生產過程中的同層位突(透)水事故。根據我國《煤礦防治水細則》中給出的經驗公式，可以計算出松軟結構煤層防隔水煤柱的合理留設寬度。根據公式，其他變量在礦井特定位置為固定值，煤柱的留設寬度僅為煤層抗張強度的函數，因此煤層的抗張強度的求取在確定煤柱留設寬度中顯得至關重要。

本文所研究的祁南煤礦屬于淮北礦區，石炭-二疊系地層為其主要含煤地層，煤田形成后經歷了多次構造作用[1]，煤田發育有大量不同規模的斷層，因此，在煤礦采動過程中，為了減少突(透)水事故的發生和維持巷道支護的穩定性，需在礦井內合理位置留設一定寬度或厚度的防隔水煤柱。且淮北礦區大部分煤礦為20世紀70年代至80年代建井的礦井，多數礦井資源枯竭，近年來已有多個煤礦相繼閉坑，給周邊生產礦井造成了嚴重的老空水害威脅，留設合理防水煤柱對于老空水害防治具有重要意義。煤層在形成之后大多經歷了多期構造運動，各種不連續結構面及微裂隙在煤體內部非常發育，所以，采用科學的研究方法開展松軟煤巖抗張強度測試與確定研究工作對礦井生產意義重大。

而松軟結構的煤巖難以制成標準試件，因此無法采用劈裂試驗獲得其抗張強度。通過開展點荷載試驗，利用經驗公式間接求取煤層的抗張強度，可以解決這一問題，并且為防隔水煤柱寬度的強度參數的求取奠定了基礎。

1 地質背景及煤樣特征

1.1 地質背景

祁南煤礦位于安徽省宿州市埇橋區祁縣鎮境內，礦區位于宿南向斜西南翼。該區地層傾角變化較大，北部最大地層傾角可達32°，向南逐步變緩，中部及南部，傾角一般為5～20°。在該礦井內的主要煤系地層中，石炭系煤層厚度薄，穩定性較差，其水文地質條件、工程地質條件復雜。礦區內褶曲和斷層較為發育，構造條件較為復雜，煤體結構松散。

1.2 煤樣煤質特征

礦內可采煤層平均密度在1.40 g/cm3，煤樣顏色大多為灰黑色至黑色，條痕色為棕黑色至黑色，光澤為瀝青至玻璃光澤，呈條帶狀結構，層狀構造，常見層理；內生裂隙發育，斷口呈參差狀或階梯狀。本礦內煤層大多屬于中灰煤-低灰煤，其中，以中灰煤居多。礦井內大部分可采煤層均屬極難選煤，見圖1。

圖1 軸向加載下煤樣4、7破壞面呈現的條帶狀結構

2 點荷載試驗

2.1 試驗儀器及方法

本次試驗所用到的點荷載儀為STDZ-2數顯點荷載試驗儀，主要由應變式傳感器、立式油壓千斤頂、游標卡尺、底座及支架等組成[2]。壓頭圓錐角為60°,最大出力為55 kN，試樣高度10～100 mm。

點荷載試驗是將煤巖試樣放置于儀器上端的兩個錐形壓頭中間，在試樣的幾何中心位置利用油泵手動緩慢加壓直至試樣破壞，記錄破壞時的荷載Pt，并根據公式求得試件的點荷載強度的一種試驗方法。在本次試驗中，對所采取煤樣軸向和徑向上進行了加載，每個加載方向上進行了20組試驗。

2.2 點荷載試驗的作用

點荷載試驗主要用于巖石分類和測定巖石的各向異性。其設備輕便、成本低、試驗周期短，在室內試驗和現場測試中均適用。除了適用于規則試件的測定，還廣泛運用于不規則試件的強度測試。如煤樣強度低、裂隙發育而難以制成標準試件的材料，可運用點荷載試驗預估其單軸抗壓強度和抗張強度。

在本試驗中，由于祁南煤礦可采煤層煤體結構松散，難以制成標準試件，故難以采用劈裂試驗來測定煤體的抗張強度。采用點荷載試驗，可以測定不規則煤塊的點荷載強度，再根據點荷載強度與抗拉強度換算的經驗公式間接求得松軟煤體的抗張強度，從而提供求取防隔水煤柱寬度的強度參數。

3 數據處理與分析

3.1 點荷載強度計算

依據國際巖石力學學會發布的《測定點荷載強度的高破壞荷載建議方法》，點荷載強度的計算公式為[3-4]：

(1)

式中：Is為試樣的點荷載強度,MPa;Pt為試樣破壞時點荷載儀記錄的峰值荷載,kN；De為等效圓直徑。

(2)

Af=DWf

(3)

式中：D為試樣破壞時兩個球形壓頭之間的距離,mm；Wf為煤巖破壞面的平均寬度,mm；Af為試樣破壞面積,mm2[5-6]。

為了研究祁南煤礦煤層抗張強度，在其34下6工作面采取了若干煤樣。

將所得煤樣分為兩部分，分別進行徑向和軸向(順層和垂直層面方向上的)加載，每個方向上進行20組試驗。記錄試樣尺寸、破壞時的荷載、試樣破壞時破壞面上測量的兩加荷點之間的距離以及試樣破壞面的平均寬度，并計算出點荷載強度。

將獲得的實驗結果剔除離群數據，所得結果如表1和表2所示。

表2 祁南煤礦34下6工作面煤巖軸向加載點荷載試驗數據

由表1數據結果可以得出,祁南煤礦34下6工作面松軟結構煤巖徑向加載下的點荷載強度為0.225 737，軸向加載下的點荷載強度為0.308 841；這也反映了煤樣由于結構的成層性，其各向異性非常明顯，垂直層面的強度要普遍大于平行層面的強度。

表1 祁南煤礦34下6工作面煤巖徑向加載點荷載試驗數據

3.2 點荷載強度修正公式

當所采用的等效巖芯為直徑不等于50 mm的不規則試件時，考慮到尺寸效應，將試驗所得的巖石點荷載實驗強度指數按以下公式進行修正:

Is(50)=FIs

(4)

(5)

式中：Is(50)為修正后的點荷載強度值，MPa；F為修正系數；m為修正指數，常為0. 40～0. 45，此處m取值為0. 45[7]。

修正后的煤巖試樣點荷載強度如表3所示。

表3 修正后的點荷載強度

可以得出修正后煤巖徑向加載下的點荷載強度為0.215 716 MPa，軸向加載下的點荷載強度為0.269 386 MPa。 有學者對松軟煤層抗張強度和點荷載強度進行了大量的研究[8]，得出了點荷載強度與煤層抗張強度的換算系數為0.815，從而計算得出煤巖徑向上的平均抗張強度為0.18 MPa，軸向上的平均抗張強度為0.22 MPa。

3.3 防隔水煤柱寬度

我國《煤礦防治水細則》給出了斷層防隔水煤柱留設寬度的經驗公式[13]：

(6)

式中：L為煤柱留設的寬度，m；K為安全系數(通常取2～5)；M為煤層的厚度或采高，m；p為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗張強度，MPa。

在礦井特定位置留設防水煤柱時,煤層的厚度和水頭壓力是固定的[13]，故求得松散煤層的抗張強度即可預估防隔水煤柱的合理留設寬度。雖礦區煤層傾角變化范圍較大，但大部分區域內煤層傾角較小，僅為5～20°，故代入軸向加載下的松軟煤層抗張強度更為合理。水頭高度為370 m，則水頭壓力為3.7 MPa。將上文修正后的抗張強度代入公式(6)，即可求得防隔水煤柱留設寬度，結果如表4所示。

安全系數的選取影響著礦井生產的安全性及經濟性，若安全系數選取過大，則生產成本會增加，若安全系數選取過小，則不能滿足生產安全性的要求，引起突透水事故。表4中利用了點荷載強度間接求取的松軟煤層抗張強度值，求取了安全系數在取不同值時的防隔水煤柱留設寬度值。

表4 防隔水煤柱留設寬度 m

4 結 語

1) 利用點荷載試驗求出了順層和垂直層面的松軟煤層點荷載強度，根據計算數據可以明顯看出：由于煤層的各向異性，順層的強度要小于垂直層面的強度。

2) 由于不規則試件存在尺寸效應，根據修正公式對試驗求得的點荷載強度進行了修正,利用修正后的點荷載強度間接獲取松軟煤層的抗張強度，煤巖徑向上的煤層平均抗張強度為0.18 MPa，軸向上的煤層平均抗張強度為0.22 MPa。

3) 根據《煤礦防治水細則》給出的經驗公式，在選取不同的安全系數時，求得合理的防隔水煤柱留設寬度，可用于指導煤礦生產，且能夠更加安全、合理、高效地開采煤炭資源，延長礦井服務年限和進行煤礦水害防治。