三交河煤矿巷道围岩物理力学性质测试研究

李国彪, 张新蛮

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083； 2.霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400)

巷道围岩物理力学性质是影响巷道稳定性的关键因素，所有关于巷道围岩破坏机理与支护设计的研究，都毫无例外地依赖巷道周围岩石物理力学性质的测试与分析。巷道围岩物理力学性质测试结果应用于支护设计，可显著提高支护设计的合理性和可靠性[1-2]。

三交河煤矿没有进行全面、系统的巷道围岩地质力学测试工作，相关的设计计算基础参数严重不足。现采2#煤层巷道支护设计随意性大、可靠性差、安全程度得不到保证。为了解决上述问题，对三交河煤矿2#煤层进行了煤岩物理力学参数测试，为煤层巷道锚杆支护设计提供了科学准确的基础参数。

1 三交河煤矿围岩物理力学性能测试内容及方法

1.1 样本布设

根据三交河煤矿实际生产情况，巷道围岩物理力学性质测试样本点布置如下：在2#煤层取四组3个煤样，在2#煤层直接顶和老顶各取一组3个岩样，在相应的煤层底板取一组3个岩样。

1.2 岩石(煤)密度测定

本次密度测量，采用国家标准规范《工程岩体试验方法标准》(GB/T5/266-99)中推荐的量积法。试件型式：直径(边长)为50mm，高度为50mm或100mm左右的方柱体或圆柱体。实验使用的主要仪器和设备有：DQ-4型自动岩石切片机、ZS-50型立式钻石机、砂轮机、物理天平、游标卡尺等。 实验步骤：①加工标准试件、设计实验记录表格；②量测试件两端和中间三个断面上相互垂直的六个直径(或边长)，精确至0.01mm；③量测端面周边对称四点和中心点的五个高度值，精确至0.01mm；④物理天平称量试件质量，精确至0.01g；⑤实验结果的整理，精确至0.01。

1.3 岩石(煤)含水率测定

岩石含水率是指岩石式样在105℃～110℃温度烘至恒量时，失去的水分质量与达到恒量时试样干质量的比值，以百分数表示。实验主要仪器设备：分析天平(称量500g，感量0.01g)、烘箱、称量盒、干燥器。实验步骤：①在室温条件下，称清洁、干燥的称量盒质量m0；②将保持原含水状态的岩石试样置于称量盒中，并称盒加试样之质量m1；③将盛有试样的称量盒放入烘箱，在105℃～110℃恒温下烘干24h；④从烘箱内取出称量盒，待冷却至室温后称量盒加试样质量m2；⑤重复第3、4步，直到相邻两次称量之差不超过后一次称量的0.1%。

1.4 岩石(煤)黏聚力、内摩擦角测定

试验主要仪器设备： WE-30B型液压万能试验机、锯石机、磨石机。标准试件采用立方体，规格为5cm×5cm×5cm。试件加工精度：试件各边长偏差不得超过+0.3mm和-0.1mm；两端面不平行度不大于0.1mm。试验步骤：①核对岩石名称、岩性和岩样编号；②在45°～65°范围内选择3个剪切角度进行压剪试验；③选择试验机度盘；④调整试验机度盘指针为零，使试验机处于工作状态；⑤夹具与试件调整好后，以0.5MPa/s～1.0MPa/s的速度加载直至破坏，记录试件的最终压剪破坏载荷，并对试件破坏情况进行描述或摄影。

绘制岩石强度曲线，将一系列的压剪破坏试验所得到数据点(每点都代表破坏应力)绘制在τ-σ平面内，然后用数理统计学方法确定其方程，即得到强度条件，煤岩的黏聚力C和内摩擦角φ即可得到，如图1所示。

图1 压剪试验确定煤岩参数

1.5 岩石(煤)单轴抗压强度、弹性模量及泊松比测定

仪器设备：①试验加工机械：钻石机、锯石机、磨石机。②检验工具：游标卡尺(精度0.02mm)、直角尺、水平检测台、百分表架及百分表。③加载设备：MTS815岩石力学电液伺服试验系统。④测量变形仪器：环向应变计；导线焊接工具、应变片和贴片设备。

试件规格：采用圆柱体为标准试样，直径为50mm;允许变化范围48～52mm;高度为100mm;允许变化范围为95～102mm。当圆柱体试样制备困难时，采用50mm×50mm×100mm的方柱体。方形截面试件的电阻应变片粘贴。

试件加载：开动伺服机，以0.5MPa/s～0.8MPa/s的速度加载直至破坏。记录各级应力下的轴向和横向应变及最大破坏荷载，并对破坏后的试件进行描述和拍照。

1.6 岩石(煤)抗拉强度测定

测试仪器设备：①试件加工机械与检验工具，同单轴压缩试验；②劈裂法专用弧形压模；③WE-600B液压万能材料试验机；④游标卡尺(精度0.02mm)。

试件规格:试件为圆饼形，规格为φ50mm×25mm，试样尺寸允许变化范围不超过5% 。

2 三交河煤矿围岩物理力学性质测试结果与分析

2.1 物理性质测试结果与分析

三交河矿2#煤及顶底板岩石物理性能测试结果如表1所示。

2#煤及顶底板岩石平均密度分布如图2所示。由图2可以看出，2上煤平均密度为1304.09kg/m3，底板砂质泥岩平均密度为2550.28kg/m3，直接顶泥岩平均密度为2522.68kg/m3，老顶K8中砂岩平均密度为2727.15kg/m3。2下煤平均密度比煤2上略大，其值为1392.38kg/m3；其顶板泥岩平均密度为2580.91kg/m3；其底板泥岩平均密度为2562.70kg/m3。

图3表示2#煤及顶底板岩石平均含水率分布。由图3可以看出，2上煤层平均含水率为1.11%，底板砂质泥岩平均含水率为0.50%，直接顶泥岩平均含水率为0.88%，老顶K8中砂岩平均含水率为0.41%。 2下煤平均含水率为1.21%，略高于2上煤；其顶板泥岩平均含水率为0.63%；2下煤底板泥岩平均含水率为0.93%。

表1 2上、2下煤顶底板岩石物理性质实验结果

图2 2#煤及顶底板岩石平均密度分布

图3 2#煤及顶底板岩石平均含水率分布

2.2 力学性质测试结果与分析

三交河矿2#煤及顶底板岩石力学性能测试结果如表2所示。

表2 煤岩力学性质实验结果

三交河矿2#煤层及顶底板岩石平均单轴抗压强度分布如图4所示。由图4可以看出，三交河矿2上煤单轴抗压强度最大为23.27MPa，最小为9.34MPa，平均值为15.53MPa。2下煤单轴抗压强度最大为11.31MPa，最小为8.91MPa，平均值为9.89MPa。2上煤和2下煤单轴抗压强度均较高；2上煤平均单轴抗压强度高于2下煤抗压强度。2上煤和2下煤直接顶均为泥岩，但平均单轴抗压强度相差较大，分别为26.13MPa和54.32MPa。

图4 2#煤及顶底板岩石单轴抗压强度分布

单轴压缩试验在MTS815.02电液伺服岩石试验机上进行，该系统属于刚性材料试验机，能够绘制出岩石的应力-应变全过程曲线。岩石的全应力-应变曲线，既能反映岩石破坏前的本构关系，也能看出岩石峰后特征，为进一步研究岩石的强度和变形提供了基础资料。

通过实验得到的三交河矿2上煤顶板泥岩全应力-应变曲线，如图5所示。2上煤全应力-应变曲线，如图6所示。2下煤全应力-应变曲线，如图7所示。

从试验的全应力-应变曲线可以看出，在单轴压缩试验条件下，曲线都具有上凹-直线-峰值-破坏特征，表明岩石内部不同程度的存在裂隙。在轴向压力作用下，初始阶段，裂隙沿着试件轴向逐渐压密；然后进入弹性阶段，主应力继续增加，试件内部裂隙发生横向扩展，岩石进入塑性阶段；最后随着轴向力增加裂隙进一步扩展，强度达到峰值，试件脆性破坏。

图5 2上煤顶板泥岩应力-应变曲线

图6 2上煤应力-应变曲线

图7 2下煤应力-应变曲线

3 结论

1)三交河煤矿2下煤平均密度比煤2上略大；泥岩平均密度相差不大；老顶K8中砂岩平均密度最大，为2727.15kg/m3。2下煤平均含水率最大，为1.21%，略高于2上煤；泥岩平均含水率次之；老顶K8中砂岩平均含水率最低，为0.41%。

2)三交河煤矿2上煤单轴抗压强度平均值为15.53MPa。2下煤单轴抗压强度平均值为9.89MPa。2上煤和2下煤直接顶底均为泥岩，但平均单轴抗压强度相差较大，分别为26.13MPa和54.32MPa。在单轴压缩试验条件下，应力-应变曲线都具有上凹-直线-峰值-破坏的变化特征。

[1] 黄庆国, 徐青云. 甘庄矿煤岩物理力学性质测试研究[J]. 山东煤炭科技, 2010(6):159-160.

[2] 李府泉.围岩物理力学参数及稳定性分类[J]. 煤炭工程, 2011(7):85-89.