煤柱强度与变形特征的实验室试验研究

张新荣

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京 100013;2.内蒙古伊泰集团有限公司，内蒙古鄂尔多斯 045000)

煤柱强度与变形特征的实验室试验研究

张新荣1，2

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京 100013;2.内蒙古伊泰集团有限公司，内蒙古鄂尔多斯 045000)

按照宽高比和完整性设计2种实验方案，采用实验室试验的方法研究煤柱强度与变形特征。实验结果表明:宽高比增加肯定能够提高煤样的变形能力，因受完整性影响其强度提高具有不确定性，说明宽高比增大对煤样变形具有明确的正面影响，但对其强度影响不确定;不论煤样的完整程度如何，其整体变形能力随宽高比增大而提高，煤样强度上限也随着宽高比增加而增大，但其强度下限值却呈现参差不齐的特征，表明煤样完整性对其强度的提高具有不确定性。

煤柱强度;煤柱变形;宽高比;煤样完整性

煤柱设计时要确定煤柱载荷，分析煤柱受力状态，研究煤柱强度和变形特征。现场煤柱受力非常复杂，煤柱强度受多方面因素的影响，如煤层倾角、采区 (工作面)几何形状、煤柱蠕变、水和湿度等［1－4］。研究煤柱强度特征主要有理论计算和实验室试验2种方法，煤柱强度计算理论上有很多经验公式，但都是建立在一定假设的前提下，有一定局限性，比如著名的威尔逊煤柱强度设计公式等［5－8］。而实验室试验能够比较真实地测量出煤样强度，能较为精确地确定煤样受力特征，直观地分析煤柱强度的影响因素，为煤柱设计提供理论基础。本文采用实验室试验的方法，研究煤柱强度与受力特征。

1 试验地点及设备

试验选择在辽宁工程技术大学矿山环境与灾害力学实验室进行。根据煤样尺寸的不同及所需破坏载荷大小不同，选取液压试验机 (2000kN)和电液伺服试验机 (600kN)进行试验。其他设备有:煤样切割机、磨平机、水平检测台、游标卡尺、DDS动态应变仪、数字位移计、应变片、导线、球形座、特制压板等。

2 试验方案

从煤矿井下工作面取出煤样，制作成不同宽高比试件，测试不同几何尺寸煤柱轴向承载能力和变形能力的特征，确定宽高比对煤柱强度和变形能力的影响。由于煤样试块在井下随机选取，按照煤样中存在的天然裂隙对煤样进行分类，研究煤样完整程度对煤柱强度和变形能力的影响。

2.1 按照煤样宽高比设计

煤样试验试件采用正四棱柱体，根据煤样横截面尺寸不同，划分成4个试验组，用A，B，C，D分别代表煤样横截面边长为 150mm，100mm，80mm，50mm。在每个实验组别，保持横截面尺寸不变，改变试件高度，得到不同宽高比煤样试件。表1给出加工煤样的实际尺寸，共制备了17个有效煤样试件，按照顺序用1，2，3…17来表示。

表1 实验煤样试件参数

2.2 按照煤样完整性设计

试验采用的煤样规格较大，获取完整性好的煤样是非常困难的。为了准确评估煤样天然缺陷对强度和变形特征的影响，引入完整性指标对不同裂隙煤样进行分类试验。按照完整性程度分成3种类型:完整性较差，如图1(a);完整性中等，如图1(b);完整性较好，如图1(c)。例举说明，试块煤样A2－1中部分布有垂直裂隙，裂隙面与加载方向垂直，对煤样的强度有严重影响，归为完整性较差;煤样试块A2－2分布多条局部裂隙，角部有缺陷，归类为完整性中等;煤样试块A3－1不存在明显的裂隙，角部有轻微的缺陷，归为完整性较好。剩余煤样试件完整性描述见表2所示。

表2 实验煤样完整性描述

图1 煤样试件实物

3 实验分析

3.1 按煤样宽高比分析

宽高比为1的煤样按完整性可分成2类:完整性中等 ～ 好，包括 A1－1，B1－1，B1－2，C1－1，

C1－2，D1－1;完整性较差，包括 A1－2，D1－2。

3.1.1 宽高比为1的煤样分析

图2为宽高比为1的所有煤样应力—应变曲线。煤样在达到屈服后很快就破坏，屈服后的曲线非常短。为了观察方便，图2中的应力—应变曲线只保留屈服前的部分。本文所有图中曲线按照表1中煤样顺序用1，2，3…17来表示，例如图2中A1－1煤样曲线用1表示。

由图2可知:

图2 宽高比为1的所有煤样应力应变曲线

(1)完整性好的煤样弹性模量值比较集中，而完整性较差的煤样弹性模量值离散大。煤样A1－2完整性较差，屈服时应变值低，但弹性模量却最大，这一结果比较反常，可能与该煤样煤质有关。

(2)完整性中等以上煤样达到屈服时的应变值介于3.3%～4.7%之间。

(3)完整性中等以上煤样的强度值介于21～33MPa之间。

(4)煤样的完整性、煤质和孔隙率等都会影响到煤样的强度和变形特性。试验中采用的煤样本身是经过筛选的，其完整性要高于实际煤体。实际煤柱中存在的结构远比试验中遇到的情况复杂，因此设计采用的强度值一般远低于试验测试值。

3.1.2 宽高比为2的煤样分析

宽高比为2的所有煤样应力应变曲线如图3。按照完整性可以分成2类:完整性中等～较好，包括 B2－2，C2－1，C2－2，C2－3;完整性较差，只有 B2－1。

图3 宽高比为2的所有煤样应力应变曲线

由图3可知:

(1)与宽高比为1的煤样相比，宽高比为2的煤样达到完全破坏时应变值有明显增加。应变值范围介于6.5%～17%之间。

(2)煤样强度差异比较明显，其中完整性中等以上煤样的强度值介于26.8～43.5MPa之间，这说明不同煤样的煤质可能存在明显差异。

(3)煤样达到峰值强度时的应变值比较接近，应变值范围介于5.4%～6.5%之间。

(4)宽高比为2的煤样显示出两种截然不同的破坏模式:C组 (C2－1，C2－2，C2－3)3个煤样强度高，但具有明显的脆性破坏特征，屈服后应力－应变曲线非常短;B组 (B2－1，B2－2)2个煤样强度低，但具有明显的塑性破坏特征，屈服后应力－应变曲线较长。

3.1.3 宽高比大于3的煤样分析

宽高比大于3的煤样应力－应变曲线如图4。按照完整性分成2类:完整性中等～较好，包括A3－1、A3－2 和 A2－2;完整性较差，包括 A2－1。

图4 宽高比大于3的所有煤样应力－应变曲线

由图4可知:

(1)宽高比大于3的所有煤样呈现明显的塑性破坏特征，煤样达到屈服强度时的应变值介于4.3%～6.3%之间，煤样完全破坏时的应变值介于12.8% ～24.5%之间。

(2)完整性较好的煤样屈服强度最高达到48.7MPa，而完整性较差的煤样强度只有24.5MPa。

(3)完整性好的煤样变形能力强，如A3－2最终应变值为24.5%;完整性差的煤样变形能力差，如A2－1最终应变值为12.8%。

3.2 按完整性分析

3.2.1 完整性较好煤样分析

完整性较好的煤样共有8个。其中，宽高比为1的有3个 (B1－1，B1－2和D1－1);宽高比为2的有3个 (C2－1，C2－2和C2－3);宽高比大于3的有2个 (A3－1，A3－2)。图5给出了完整性较好煤样的应力－应变曲线。

图5 完整性较好煤样应力－应变曲线

由图5可知:

(1)宽高比相同的煤样应力－应变曲线重合度很高，这说明宽高比对煤样应力－应变特性的影响是非常明确的。

(2)宽高比为1的3个煤样应力－应变曲线几乎重合，弹性模量几乎相同，强度为30.1～33.1MPa，最大应变值为3.9% ～4.2%。

(3)宽高比为2的3个煤样应力－应变曲线重合度也很好，弹性模量几乎相同，强度为32.1MPa～35MPa，最大应变值为6.5% ～6.7%。

(4)宽高比大于3的2个煤样应力－应变曲线整体趋势相同，强度为44.4～48.7MPa，最大应变值介于22.4%～22.5%之间。

3.2.2 完整性中等煤样分析

完整性中等的煤样共有5个。其中，宽高比为1的有3个 (A1－1，C1－1和C1－2)，宽高比大于2的有2个 (A2－2和B2－2)。图6给出了完整性中等煤样的应力－应变曲线。从图中可以看到宽高比与应力－应变曲线形态有比较好的相关性。

图6 完整性中等煤样应力－应变曲线

(1)宽高比相同的煤样应力－应变曲线趋势相同，这说明宽高比对煤样应力－应变特性的影响是非常明确的。

(2)宽高比为1的3个煤样应力－应变曲线趋势相同，弹性模量相差不大，强度为21.8～26.2MPa，最大应变值在3.4% ～4.4%之间。

(3)宽高比大于2的2个煤样应力－应变曲线趋势相同，弹性模量有一定差异，强度为26.8～33.4MPa，最大应变值几乎相同，约为16.8%。

3.2.3 完整性较差煤样分析

完整性较差的煤样共有4个。其中，宽高比为1的有2个 (A1－2和D1－2)，宽高比大于2的有2个 (A2－1和B2－1)。图7给出了完整性较差煤样的应力－应变曲线，从图中可以看到宽高比与应力－应变曲线形态有一定的相关性。

图7 完整性较差煤样应力－应变曲线

(1)宽高比相同的煤样应力－应变曲线趋势相同，这说明宽高比对煤样应力－应变特性的影响是非常明确的。

(2)宽高比为1的2个煤样应力－应变曲线弹性模量相差比较大，强度为15～22.9MPa，最大应变值为1.9%～3.1%。

(3)宽高比大于2的2个煤样应力－应变曲线趋势相同，弹性模量有明显差异，强度13.1～24.5MPa，最大应变值10.8% ～12.8%。

4 结论

(1)按煤样边长分4个组，分组分析结果显示，宽高比增加可以明显提高煤样的变形能力，但对强度提高具有不确定性，主要原因是煤样的完整性差异比较大。这表明宽高比增加对煤样变形具有明确的正面影响，但对强度的影响不确定。

(2)按宽高比将煤样分成3组，分组分析结果显示，宽高比大的分组，煤样整体变形能力明显高于宽高比小的分组;宽高比大的分组其强度上限值明显高于宽高比小的分组，但强度下限值却呈现参差不齐的状态。

(3)按完整性将煤样分成3组，分组分析结果显示，完整性较好的一组，宽高比增加可以显著提高煤样的强度和变形能力，宽高比相同的煤样，应力－应变曲线相似度很高;完整性中等的一组，宽高比增加可以明显提高煤样的强度和变形能力，宽高比相同的应力－应变曲线趋势相同，但离散性较大;完整性较差的一组，宽高比增加可以显著提高煤样变形能力，但对强度的提高存在不确定性。

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Laboratory Test of Coal Pillar Strength and Deformation Characteristic

ZHANG Xin-rong1，2
(1.Coal Mining ＆ Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;2.Inner Mongolian Yitai Group Co.，Ltd，Erdos 045000，China)

With 2 test projections including width-height ratio and integrality design，Laboratory test method was applied to researching coal pillar strength and deformation.Results showed that increasing width-height ratio would improve coal sample’s anti-deformation ability，but influenced by integrality，strength improvement had uncertainty.In spite of the coal integrality，whole anti-deformation ability and upper limit of coal strength rose with width-height ratio increased，but strength lower limit was irregular，which showed that the influence of coal integrality on coal strength was uncertain.

coal pillar strength;coal pillar deformation;width-height ratio;coal sample integrality

TD315.3

A

1006-6225(2012)03-0017-04

2012－05－04

张新荣 (1966－)，男，内蒙古东胜人，高级工程师，煤炭科学研究总院在读博士研究生，现任伊泰集团副总经理，从事煤炭开采方面的研究工作。

［责任编辑施红霞］