不同取样深度对煤体力学性能及变化规律的实验室研究

吴志刚，康红普，李文洲，王 洋

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

基础研究

不同取样深度对煤体力学性能及变化规律的实验室研究

吴志刚1，2，康红普1，2，李文洲1，2，王 洋1，2

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

为了研究工作面煤壁近水平钻取不同深度煤体的物理力学参数及变化规律，在陕西何家塔煤矿50105工作面切眼近水平钻取直径147mm左右的煤芯，在实验室加工成标准试件，从开切眼煤帮表面到煤体内部0～2.5m深度，间隔0.5m分为5段不同深度，分别进行单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力、泊松比、内摩擦角等力学参数测试。结果表明：内摩擦角与试件的位置关系不大，弹性模量、泊松比先突变后平缓，但是抗压强度、黏聚力0～2.5m线性增加，抗压强度从17.51MPa增大到28.43MPa，0～0.5m范围内是2～2.5m的62%；黏聚力从5.73MPa增大到9.9MPa，0～0.5m范围内是2～2.5m的58%。

不同深度；煤体；力学参数；变化规律；实验室试验

煤体单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力等是煤体力学中最基本的参数，是矿井开拓布署、巷道布置与支护、煤炭开采及冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害防治必不可少的基础参数。约从1875年开始国外学者在实验室测试，研究煤的单轴抗压强度；1907年Daniel 和 Moor 研究不同尺寸和不同高度的立方体屈服强度[1]，研究表明小立方体的屈服强度大于大立方体，底面积相等的试件屈服强度随着高度的增加而降低；1957年Gaddy分别研究美国煤矿不同煤层的单轴抗压强度[2]，认为单轴抗压强度与试件尺寸成反比例关系。不同学者研究煤的“尺寸效应”和“形状效应”[3-8]，为煤柱稳定性研究提供基础数据。国内颜志丰研究寺河煤矿3号煤的抗拉强度、单轴抗压强度、三轴抗压强度及声发射试验，发现煤的力学性质不仅在垂直煤的层理面上具有方向性，而且在平行煤的层理面上也具有方向性[9]；孟磊等人研究开滦赵各庄矿埋深1100m含瓦斯煤失稳破坏过程中的声发射行为演化规律，取样比较困难，用素混凝土进行分层浇灌至完全包裹好9号煤块[10]；许江，冯丹等人在实验室进行含瓦斯煤剪切破裂细观演化过程中[11]，认为原煤标准试件切割打磨较困难，包含有大量微裂隙，使用压制成型的型煤样代替原煤试件，研究含瓦斯型煤剪切破裂过程中微细观裂纹的开裂、扩展、贯通演化规律。

上述众多研究都是煤矿现场取样，在实验室加工成标准试件，然后测试。按照GB/T 23561.1-2009 采样一般规定[12]，煤样规格大体为250mm×250mm×200mm，其高度方位应垂直煤层，所采煤样不应有明显裂隙；在单一薄及中厚煤层中可在回采、掘进工作面选取新冒落、没有裂隙并能辨别层位的煤块作为试样。由上述可知GB/T 23561.1-2009没有考虑原岩应力对煤试块的影响，取样存在随意性。由于原岩应力作用，回采、掘进工作面，从表面到内部，依次是破碎区、塑性区、弹性区(或者分为弹性区和非弹性区)。破碎区煤体破碎，如果有较大块体，可以取到试块，塑性区没有明显的裂隙，能够得到试块，弹性区同样可以得到实验需要的试样。但是在破碎区、塑性区、弹性区煤的单轴抗压强度等物理力学参数存在差异。

针对上述情况，在何家塔煤矿50105工作面切眼近水平钻取煤芯，截取不同深度块段，以研究不同深度的煤试件物理力学参数的规律。

1 工作面煤层赋存条件与煤芯钻取

何家塔煤矿主要含煤地层为侏罗系中下统延安组，可采煤层为3 层，其中5-2煤为主采煤层，埋深约180m，煤层厚度2.2～3.8m，平均厚度3.0m，煤层倾角1～5°，煤体强度较高，属于硬煤，煤层结构简单，节理裂隙不发育。50105工作面位于501盘区中部，工作面长度245m，走向长度3560m。为了研究不同深度的煤试件物理力学参数的变化规律，使用地质钻机钻取大直径的煤芯，使用保鲜膜包裹，运到实验室，在垂直层理的方向，钻取直径50mm的煤芯，切削、磨平后制成标准试件，如图1、图2所示。

图1 取芯示意

图2 部分现场煤芯

实验室单轴抗压强度的标准试件的尺寸为φ50 mm×100mm，需要现场钻取煤芯的直径不小于125mm，考虑到钻取煤芯过程中的磨损，煤芯直径应大于130mm，选取金刚石钻头外径170mm，壁厚10mm，煤芯的理论直径150mm。在5105工作面切眼打钻取芯，在切眼的中部钻取3个钻孔煤芯，编号为1到3，钻孔距离底板1.5m，3个钻孔之间的间距不小于10m，近水平钻进，钻孔指向5105工作面走向，实际钻取煤芯直径在144～148mm之间。从现场运回的大直径的试样，垂直层理方向，在煤芯的中部钻取直径50mm的试件，直径50mm煤芯两端呈弧形，然后根据需要分别加工成长度100mm或50mm的试件。3个钻孔基本数据如表1所示。

表1 3个钻孔基本数据

2 实验室试验

何家塔5103工作面回撤通道矿压规律研究[13]表明5103工作面的塑性区宽度为2m左右，因5105工作面和5103工作面平行，2个工作面地质条件类似，附近没有大的构造，认为2个工作面塑性区的宽度大致相等。5105工作面切眼表面到煤体内部0～2.5m，间隔0.5m，共计分为5段。

2.1 单轴抗压试验

单轴抗压强度试验，按照国标GB/T23561.7-2009[14]进行，在间隔0.5m每段内测试4～5个标准试件，采用TWA-3000微机控制伺服三轴压力实验机，实验机最大载荷3000kN，精度等级0.5级，进行单轴抗压强度测试的同时，在标准试件的外面安装变形传感器，进行弹性模量和泊松比的测试。变形传感器的量程为4mm，精度等级1级。标准试件的直径为49.6mm，高度为49.8～50.2mm，试件两端平行度小于0.05mm，测试时加载速度为0.5MPa/s。

2.2 剪切试验

按照GB/T23561.11-2010规定，采用3个剪切角，每个剪切角做4个试件的剪切实验[15]。3个剪切角分别为40°，50°，60°，在0～2.5m采样深度内测试共计分为5段，每段12个标准试件，合计60个试件，采用吉林金力试验技术有限公司生产的WAH-600kN微机控制电液伺服万能实验机，最大试验力为600kN，精度等级0.5级。按照国标在3个不同剪切角下剪切破坏，计算正应力和剪应力，最后得到黏聚力、内摩擦角。

2.3 测试数据分析

测试完成，取各自参数的平均值汇总全部测试数据，如表2所示。

表2 不同深度煤的物理力学性能参数

2.3.1 单轴抗压强度

单轴抗压强度在0～2.5m范围内，从17.51MPa，线性增大到28.43 MPa，如图3所示，拟合度达到97%，0～0.5m范围内是2～2.5m的62%。工作面切眼表面0～0.5m在煤体支承应力作用下相对破碎，其强度较小，从表面到内部强度依次增大。

图3 单轴抗压强度变化曲线

2.3.2 黏聚力

黏聚力是指同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力，破碎的煤体黏聚力相对较小。黏聚力在0～2.5m范围内，从5.73MPa线性增大到9.90MPa，如图4所示，拟合度达到86%，0～0.5m范围内是2～2.5m的58%。

图4 黏聚力变化曲线

2.3.3 弹性模量和泊松比

弹性模量和泊松比反映煤岩体的变形能力，在破碎区煤的弹性模量小，弹性区弹性模量较大，其测试曲线分别如图5、图6所示。均是在0～0.5m数据较小，然后突变，再平缓。

图5 弹性模量变化曲线

图6 泊松比变化曲线

2.3.4内摩擦角

内摩擦角反映物质的摩擦特性，一般认为包含2个部分：颗料的表面摩擦力和颗粒间的嵌入及联锁作用产生的咬合力。摩擦特性是物质本身的特性。内摩擦角变化情况如图7所示，其中在0～0.5m范围内内摩擦角数据较大，取样过程中发现试件所含金属成分较多，试件表面呈铜色斑点，数据离散性较大。总体上，内摩擦角与试件取样深度关系不大，测试数据符合摩擦特性。

图7 内摩擦角测试数据

实验室试验结果表明，在破碎区煤试件的单轴抗压强度、黏聚力、弹性模量、泊松比数据较小。

3 理论分析

上世纪60年代，人们开始研究岩石试件的全应力-应变曲线，研究岩块峰后特性。煤体相对于岩体，弹性模量、单轴抗压强度较小，煤矿开采时，煤体容易进入峰后特性区。煤试件全应力-应变曲线如图8所示，分为弹性区、应变软化区、残余强度区[15]。对应煤矿回采、掘进工作面，从表面到内部，依次是破碎区、塑性区、弹性区。进行全应力-应变曲线测试过程，试件进入应变软化区后，然后卸载，卸载时的载荷就是此试件(在应变软化区)峰值载荷，如图8中虚线和C点。同样对于工作面煤体来说，如果在塑性区取得标准试件，其单轴抗压强度必然小于弹性区的抗压强度，何家塔不同深度取样进行强度测试数据很好地拟合这一特性。

图8 煤试件全应力-应变曲线

煤的单轴抗压强度主要是通过实验室试验和现场原位测试得到，煤炭科学研究总院开采研究分院研制的WQCZ-1围岩强度测定装置，在全国20多个矿区现场进行煤岩体抗压数据测试，大量近水平煤体强度数据表明，从煤壁表面到内部强度逐渐增加，如图9所示。

图9 煤壁表面到内部强度变化

4 结 论

不同取样深度煤体进行力学性能测试。结果表明单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力、泊松比随着试件取样深度不同有较大变化，而内摩擦角与试件取样深度无明显相关特性。

(1)单轴抗压强度、黏聚力随着试件取样深度基本呈线性增加，抗压强度0～0.5m范围内是2～2.5m的62%，黏聚力0～0.5m范围内是2～2.5m的58%。

(2)弹性模量、泊松比先突变后平缓，弹性模量0～0.5m范围内是2～2.5m的87%，泊松比0～0.5m范围内是2～2.5m的73%。

煤的物理力学性能参数与众多因素有关，比如煤的矿物成分、煤试件的密度、含水量等。此次测试仅仅考虑原岩应力对不同深度煤物理力学性能参数影响，测试数据结果表明不同深度的试件其物理力学性能参数有较大的不同。当然此次测试5105工作面的切眼掘进完成已经超过3个月，不是最新的掘进工作面或回采工作面，没有考虑试样在原岩应力作用下的时间效应。今后测试应在新掘进工作面或回采工作面进行打钻取芯，然后进行实验室测试。如果试件的物理力学性能参数随着深度的变化有较大的不同，需要改进取样的方法。

[1]Daniels J， Moore L D.The Ultimate Strength of Coal[J].The Eng.and Mining， 1907 (10)：263-268.

[2]Gaddy FL.A study of the ultimate strength of coal as related to the absolute size of the cubical samples tested[J].West Virginia Polytechnic Institute，1956.

[3]Gonzatti， Zorzi， Agostini， et al.In situ strength of coal bed based on the size effect study on the uniaxial compressive strength[J].International Journal of Mining Science & Technology， 2014， 24(6)：747-754.

[4]张新荣.浅埋煤层护巷煤柱稳定性与锚杆支护技术研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2012.

[5]Sheorey P.R.， Barat D.， Das M.N.， Mukherjee K.P.and Singh B.Schmidt hammer rebound data for estimation of large scale in situ coal strength (Technical Note)[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstralts，1984,21(3)：39-42.

[6]Bieniawski， Z.T.， 1967.The Mechanism of Brittle Fracture of Rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1967(6)：396-435.

[7]Jahns， H.， 1966，Measuring the Strength of Rock in Situ at an Increasing Scale[A].Proceedings 1st International Congress on Rock Mechanics[C].International Society for Rock Mechanics， Lisbon， 1966.

[8]Lama， R.D.， 1971，In situ and Laboratory Strength of Coal[A].Proceedings 12th U.S.Symposium on Rock Mechanics， AIME[C].New York， pp.265-500.

[9]颜志丰.山西晋城地区煤岩力学性质及煤储层压裂模拟研究[D].北京：中国地质大学(北京)，2009.

[10]孟 磊，王宏伟，李学华，等.含瓦斯煤破裂过程中声发射行为特性的研究[J].煤炭学报，2014，39(2)：377-383.

[11]许 江，冯 丹，程立朝，等.含瓦斯煤剪切破裂过程细观演化[J].煤炭学报，2014，39(11)：2213-2219.

[12]GB/T 23561.1～2009 煤和岩石物理力学性质测定方法[S].

[13]王志超.混凝土支柱力学性能研究及在回撤通道支护中的应用[D].北京：煤炭科学研究总院，2014.

[14]GB/T23561.7-2009煤和岩石物理力学性质测定方法[S].

[15]GB/T23561.11-2009煤和岩石物理力学性质测定方法[S].

[责任编辑：王兴库]

ExperimentalStudyofDifferentSamplingDepthtoCoalMechanicalPropertyandItsChangeRule

WU Zhi-gang1，2，KANG Hong-pu1，2，LI Wen-zhou1，2，WANG Yang1，2

(1.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

In order to study of physical and mechanics parameters and change rule of different depth coal body，which sampling along nearly horizontal in working face wall，coal cores of diameter 147mm that sampling in cutting of 50105 working face of Shaanxi Hejiata coal mine，then standard test specimens were made in laboratory，and the mechanical parameters were test，which include uniaxial compressive strength，elasticity modulus，cohesive，poisson ratio，internal friction angle and so on，and the test were done under five different depth that from cutting coal side surface to interior，depth was 0～2.5m，interval was 0.5m.The results showed that there was no obviously relationship between internal friction angle and samples position，elasticity modulus and poisson ratio was changed sharply first and then smoothly，but uniaxial compressive strength and cohesive increasing linearly between 0～2.5m，uniaxial compressive strength increased from 17.51MPa to 28.43 MPa，it’s value in scope 0～0.5m was about 62% of 2～2.5m，cohesive increased from 5.73MPa to 9.9Mpa，it’s value in scope 0～0.5m was about 58% of 2～2.5m.

different depth；coal body；mechanical parameters；change rule；experimental test

TD315.3

A

1006-6225(2017)05-0001-04

2017-04-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.001

国家自然科学基金委员会与神华集团有限责任公司联合资助项目(U1261211)；神华集团有限责任公司联合资助国家自然科学基金青年基金资助项目(51304119)

吴志刚(1976-)，男，山东五莲人，硕士，高级工程师，主要从事矿山压力监测技术及仪器的研究与应用。

吴志刚，康红普，李文洲，等.不同取样深度对煤体力学性能及变化规律的实验室研究[J].煤矿开采，2017，22(5)：1-4.