陷落柱影响区煤岩力学参数点荷载测试分析

任建军 任建伟 许海涛

（1.兴义民族师范学院， 贵州 兴义 562400；2.六盘水市能源局， 贵州 六盘水 553000；3.华北科技学院， 河北 三河 065201）

陷落柱影响区煤岩力学参数点荷载测试分析

任建军1任建伟2许海涛3

（1.兴义民族师范学院， 贵州 兴义 562400；2.六盘水市能源局， 贵州 六盘水 553000；3.华北科技学院， 河北 三河 065201）

根据葛亭矿X5陷落柱左侧试件的点荷载强度，分析出了陷落柱周围20m范围内煤体强度的变化规律，以及20m处煤块由点荷载实验测得的强度与标准试件单轴抗压强度的误差。证明了点荷载实验方法可以为陷落柱围岩稳定性分析提供基础数据。

点荷载；破坏机理；单轴抗压强度；陷落柱

陷落柱是煤矿开采中常见的一种地质现象，陷落柱塌陷处呈圆形或不甚规则的椭圆柱状体，该处的煤层遭到破坏，严重影响了煤矿的安全高效生产[1-2]。大多数情况下为了提高开采效率、减少工作面搬家次数，对于不充水陷落柱通常采用直接推过的处理方法，但是由于陷落柱周围应力的分布异常，陷落柱内岩体松散复杂以及工作面采动应力的叠加影响，给工作面的安全生产造成很大的影响[3-4]，因此，在工作面开采前通过实验研究来确定陷落柱周边煤岩的应力分布，对于保证工作面顺利推过具有十分重要的意义。

通过在葛亭煤矿3301轨道巷上X5陷落柱左侧周边选取煤岩试件进行点荷载强度试验，并根据试件的点荷载强度，分析出了陷落柱周围20m范围内煤体强度的变化规律，为安全通过该陷落柱提供了理论依据。

一、工作面及测试陷落柱概况

3301工作面位于矿井-386m水平西翼、330胶带下山南部，工作面走向长880m，倾斜宽100m；煤层走向近南北，倾向东，平均倾角23°；煤层厚度9.07m；煤层顶板为深灰色泥岩，厚度9.83m，泥岩上部为27.60m的中砂岩，灰白色，成分为石英，长石等矿物，颗粒次圆状，分选好，钙质孔隙式胶结，发育波状层理及大型槽状交错层理，具斜交裂隙，方解石充填，夹大量煤线；底板为灰黑色泥岩，厚度1.30m，泥岩之下为灰白色细砂岩，厚度10.50m，发育波状层理，局部夹粉砂岩薄层。

X5陷落柱是在轨道顺槽掘进过程中揭露的，X5陷落柱长轴23m，短轴13m，面积214m2。陷落柱内充填杂色泥沿、灰绿色细砂岩、灰白色砂岩、煤粒等，胶结致密，干燥无水，陷落高度在200m以上。X5陷落柱位置见图1。

图1 X5陷落柱位置

二、试验中煤岩块的破坏原理

在进行点荷载测试时，煤、岩试件虽然在两个加载球头间受到的是压应力[5]，但是煤、岩试件仅仅是在两个球头附近受压应力，在沿着球头的夹角向外扩张的方向上受的是拉应力；因此，岩石的受压部位仅处于加载点及其附近的一个很小的范围内，过了这个范围以后岩石受到就是拉应力。由于煤岩块的抗压强度大于它的抗拉强度，所以点荷载试验中试件是拉应力的作用下发生破坏的，即在荷载作用下整个试件在拉应力的作用下发生破坏[6]。试件的破坏形式见图2[7]；试件的测试采用的是77-0115型数字点荷载仪见图3。

图2 点荷载试验破坏机理图

图3 77-0115型数字点荷载仪

三、试件的选取及测试

大量的工程实践证明，试件的个数越多、试件的形状越接近，试验结果的一致性就越强也就越趋向于真实，也越能真实的反映试件的力学特性。试件的选取按照水利水电工程岩石试验规程SL246-2001的规定进行。

为了弄清该陷落柱左侧煤、岩的点荷载强度指标的分布规律及最终确定该陷落柱中煤、岩的力学特性。本次点荷载试验中的煤样均取自山东葛亭矿X5陷落柱的左侧，且全部为不规则试件。从距陷落柱左侧 0～4m、4～8m、8～12m、12～16m、16～20m五个区间中各选取20个试件，并在实验室中挑取了63个较为满意的试件进行分析，其中0～4m的数据为 11个，4～8m的数据为 13个，8～12m的数据为13个，12～16m的数据为14个，16～20m的数据为12个，试件的尺寸描述见表1；试验数据的处理按照水利水电工程岩石试验规程SL246-2001的规定进行，测试结果见表2。

表1 所选试件的尺寸描述

8～12m 煤 8.5 4.82 6.798 60.333 21.667 38.851 2.40 13 12～16m 煤 7.3 4.5 5.158 47.667 25 36.61 2.49 14 16～20m 煤 10 6.29 7.661 48.8 32.2 42.69 2.99 12

表2 陷落柱周围各测点区间上煤体的强度计算表

另外，在距陷落柱20米处选取几块外形规整未受陷落柱影响的大块煤体，用于在实验室制取用来进行实验对比的50mm*100mm标准试件。在实验室使用取芯机对煤样进行取芯，共取了4块50mm*100mm的圆柱形试件，试件见图4，然后使用TAW-2000型电液伺服岩石三轴试验机对其进行单轴抗压强度试验，试验机的见图5，测试结果见表3。

图4 50mm*100mm的圆柱形试件

图5 TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机

表3 正常区内煤块的单轴抗压强度

四、数据分析

由表2的数据可得到煤块在各区间的单轴抗压强度与陷落柱距离的关系如图6。

图6 陷落柱岩样力学参数强度与陷落柱距离的关系图

1.由图7知在距陷落柱中心较近的煤体的单轴抗压强度和抗拉强度的增加幅度较大，随着所取试件距陷落柱中心距离的增加，当达到一定距离后单轴抗压强度和抗拉强度增加的幅度变小，趋于一个定值即该处煤岩体未被破坏时的单轴抗压强度和抗拉强度。

2.由表2数据计算知14.5～18.5m范围内单轴抗压强度的斜率为0.14，说明该陷落柱周围20m的范围内都处于陷落柱的影响区，且随着距陷落柱中心距离的增加，陷落柱对煤体强度的影响不断减小。

3.通过计算分析知，距陷落柱中心20m处的点荷载测得的煤岩强度已经达到该区域内由大块煤体做的标准试件强度的90%，说明点荷载测试法可以应用于陷落柱、断层等构造影响区内的煤岩力学参数测试中。

五、结论

1.通过与距陷落柱中心20m处煤岩力学实验结果对比可知使用点荷载仪测得的点荷载强度能够较真实有效地反映陷落柱周围煤、岩的力学特性，所测得的岩石强度指标能够应用于陷落柱的保护和评价中。

2.随着所取试件距陷落柱中心距离的增加，煤岩体的单轴抗压强度和抗拉强度都在不断增加，在距陷落柱中心20m处的点荷载测得的煤岩强度已经达到该区域内由大块煤体做的标准试件强度的90%，说明在距离陷落柱中心一定距离后煤岩体的单轴抗压强度和抗拉强度会趋于煤岩体未破坏时的强度。

[1]尹尚先，武强，王尚旭.华北煤矿区岩溶陷落柱特征及成因探讨[J].岩石力学与工程学报，2004,23（1）：120-123.

[2]杨武洋.煤矿陷落柱赋水特征的综合物探探查原理与方法[J].采矿与安全工程学报，2013,30（1）：45-50.

[3]姚邦华，茅献彪，魏建平，等.考虑颗粒迁移的陷落柱流固耦合动力学模型研究[J].中国矿业大学学报,2014,43（1）：30-35.

[4]张村，屠世浩，白庆升，等.陷落柱周边应力变化及推采控制研究[J].中国矿业大学学报,2014,43(6):974-980.

[5]BROCHE，FRANKLIN J A.The point load strength test[J].Int J Rock MechMin-Sci，1972，9:669-697．

[6]郭曼丽.试论岩石点荷载试验的适用性[J].岩土力学,2003,03:488-489+494.

[7]李先炜.岩块力学性质[M].北京:煤炭工业出版社，1983：162-171.

责任编辑：王文宝

Point Load Test Analysis on the Coaland Rock Mechanical Parameters in Collapse Column Affected zone

REN Jian-jun1,REN Jian-wei2，XU Hai-tao3
（1.Xingyi Normal University for Nationalities,Xingyi，Guizhou 562400,China;2.Liupanshui Energy Bureau,Liupanshui，Guizhou 553000,China;3.North China Institute ofScience and Technology，Sanhe，Hebei 065201,China）

According to the point load strength of the specimens on the left side of X5 Collapse Column of the GeTing mine,analysis ofthe variation ofcoal strength around the collapse columns within 20 meters,and the error ofthe point load strength and the strength of standard test pieces in coal about 20 m,it proved that point load test method can provide the basic data for the stability analysis of surroundingrock collapse column.

Point load test；failure mechanism；uniaxial compression strength；Collapse Column

1009—0637（2016）01—0116—04

TD712

A

2016—01—02

任建军（1986— ），男，山西运城人，兴义民族师范学院物理与工程技术学院教师，研究方向：矿山灾害防治。