福翼煤矿煤巷顶板岩层力学性质实测研究

马明枢

(阳泉煤业集团翼城华泓煤业有限公司，山西临汾041000)

福翼煤矿煤巷顶板岩层力学性质实测研究

马明枢

(阳泉煤业集团翼城华泓煤业有限公司，山西临汾041000)

为掌握福翼煤矿煤层巷道顶板岩石的力学性质，以5403回采巷道为试验巷道钻取顶板岩芯，通过实测与实验室测试的方法进行研究。结果表明:福翼煤矿煤层巷道顶板岩性为碳质泥岩、细砂岩、泥岩、中砂岩，其中中砂岩、细砂岩完整性好，泥岩、碳质泥岩的完整性较差。煤层顶板岩石性质差异较大。中砂岩的抗压强度最大，碳质泥岩的抗压强度最小，且岩石软化对碳质泥岩的抗压强度影响极大，但对细砂岩和中砂岩的抗压强度影响不大。

煤层巷道;顶板岩性;岩芯分析;物理力学性质

巷道顶板围岩是采场矿山压力控制及巷道锚杆支护的直接对象，顶板围岩的稳定性、强度、组合情况以及力学特性对锚杆支护参数设计起到至关重要的作用。顶板围岩力学性质的测定可为煤层巷道锚杆支护提供参考依据。本文就福翼煤矿煤巷顶板岩层力学性质进行实测研究。

1 试验内容

为了解福翼煤矿顶板岩层组合情况、岩性变化、围岩结构以及岩石的力学性质，研究采场矿压与巷道锚杆、锚索支护方式及支护工艺，更准确地进行顶板类型分类和矿山压力研究，对正在掘进的5403工作面运输巷提取顶板岩芯，并进行以下分析:

1)岩芯分析。

岩芯分析主要指通过分析煤层巷道顶板岩层岩性及岩芯采取率等参数，确定顶板各岩层完整性，为巷道支护提供指导建议。

2)岩石物理力学性质参数。

通过对顶板岩层的钻孔岩芯进行单轴抗压强度试验，根据测试结果计算弹性模量E和泊松比μ，为巷道支护设计提供基础数据。

1.1 顶板岩层取芯方案

为分析福翼煤矿煤层巷道中顶板岩层岩性特征，以正在掘进的5403回采巷道为试验巷道，分别将距巷口200 m、500 m、900 m处设为取芯地点。采用矿用探水钻机在巷道顶板中央处垂直顶板取芯，钻杆钻进长度10.50 m，取芯钻头外径70 mm、内径55 mm，所取岩芯直径为50 mm．对钻取的岩芯进行编号、鉴定和封固处理，并运至地面进行分析。取芯方案见图1．

图1 取芯位置布置图

1.2 测定方法

1)岩芯分析。

岩芯分析方法较为简单，主要是采用钢尺测定岩芯长度及采取率，并根据煤矿地质学知识及相关经验分析岩层岩性。部分钻探岩芯分析图见图2．

图2 钻探岩芯分析图

2)岩石物理力学性质参数测试。

根据ISRM建议的岩石单轴压缩试件的高径比，该次力学参数测试拟定岩石试件为直径50 mm的圆柱形，高径比为2，即高度为100 mm．

利用全自动钻孔取样机把现场岩芯加工成d50 mm的岩样，然后用JD1A－40型岩石切割机按照100 mm长度切割岩样，最后将岩样两端磨平。加工后的岩芯试样见图3．

图3 加工后的岩芯试样图

岩石单轴压缩试验采用的仪器设备包括YAW－ 1000型全自动压力实验机和XL2158C应力＆应变综合参数测试仪。

在试件外部附加安装应变片，在进行单轴压缩试验施压过程中测量岩芯试样的轴向应变和径向应变，计算岩石的弹性模量和泊松比。根据试验需要选用丁字形应变片，型号为BX120－2BA，电阻值为119.6±0.3Ω，灵敏系数为2.08±1%，见图4．

为了避免和减轻试样的端部效应，取试件中部分布比较均匀的应力作为计算依据。

图4 岩石单轴压缩试验图

2 实验结果分析

2.1 岩芯分析

试验巷道顶板取芯时，取芯钻孔垂直顶板，钻杆钻进长度10.50 m，岩芯平均提取长度为8.64 m，平均岩芯采取率为82.29%．

对提取的岩芯进行顶板岩层岩性分析，完成试验巷道顶板岩芯柱状图，见图5．由图5可知，福翼煤矿煤层巷道顶板岩性为碳质泥岩、细砂岩、泥岩、中砂岩，其中细砂岩提取较为完整，硬度大;中砂岩提取完整性最好，取出岩芯最长达1.1 m;泥岩的完整性较差，采取率低;碳质泥岩的完整性较好，但采取率较低。

图5 顶板岩芯柱状图

2.2 岩石物理力学性质分析

福翼煤矿试验煤层巷道顶板岩层的钻孔岩芯单轴抗压强度以及根据变形(轴向应变和径向应变)测试结果计算的弹性模量E和泊松比μ见表1，表2．根据测试结果可知:

1)煤层顶板岩石性质差异较大。其中，中砂岩的抗压强度最大，平均为120.9 MPa，碳质泥岩的抗压强度最小，平均为14.77 MPa．

表1 顶板岩石力学性质分析结果表

表2 顶板岩石饱水力学性质分析结果表

2)岩石软化对碳质泥岩的抗压强度影响极大，但对细砂岩和中砂岩的抗压强度影响不大。

3 结论

为给福翼煤矿煤巷锚杆支护提供依据，在福翼煤矿煤层巷道顶板钻取岩芯并进行岩芯分析和实验室力学性质测试，得到以下结论:

1)福翼煤矿煤层巷道顶板岩性为碳质泥岩、细砂岩、泥岩、中砂岩，其中中砂岩、细砂岩完整性好，泥岩、碳质泥岩的完整性较差。

2)煤层顶板岩石性质差异较大。中砂岩的抗压强度最大，碳质泥岩的抗压强度最小，且岩石软化对碳质泥岩的抗压强度影响极大，但对细砂岩和中砂岩的抗压强度影响不大。

［1］刘洪涛，樊龙，宋高峰，等．巷道顶板岩层沉积稳定性分析［J］．煤矿开采，2012，17(2):54－56.

［2］孟召平，彭苏萍，黎洪．正断层附近煤的物理力学性质变化及其对矿压分布的影响［J］．煤炭学报，2001，26(6):561－566.

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［4］刘洪涛，马念杰，赵飞虎，等．煤巷破碎顶板锚固串结构及其力学性质分析［J］．煤炭科学技术，2010，38(5):5－8.

Field Research on the M echanical Properties of Coal Roadway Roof Strata in Fuyi Coal Mine

MA M ingshu

Tomaster themechanics properties of coal roadway roof rock in Fuyi coalmine，5403 mining roadway is as the tested roadway，the roof core is researched by actualmeasurementand laboratory tests．The results show that the roof lithology of coal roadway are carbonaceousmudstone，fine sandstone，mudstone and medium sandstone．The medium sandstone and fine sandstone have a better integrity，with a worse integrity of carbonaceousmudstone and mudstone．Coal seam roof rock properties are quite different．The compressive strength thatmedium sandstone ismaximum and carbonaceousmudstone ismininum．The compressive strength influence of rock softening ismaximum to carbonaceousmudstone but little to fine sandstone andmedium sandstone．

Coal roadway;Roof lithology;Core analysis;Physical and mechanical properties

TD32

B

1672－0652(2015)09－0038－03

2015－07－15

马明枢(1967—)，男，湖南隆回人，1990年毕业于湘潭矿业学院，工程师，主要从事煤矿生产、技术管理工作(E－mail)ldw112245@163．com