陷落柱充填岩石力学参数点荷载测试研究

许海涛，王续明

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

陷落柱充填岩石力学参数点荷载测试研究

许海涛，王续明

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

煤矿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。但在制定推采方案及陷落柱活化突水风险评价过程中，应首先搞清楚陷落柱内部充填特征及岩石力学参数。点荷载试验装置对岩石试件的要求不严格，不需要精心准备加工试件，所以在工程实际中得到广泛应用。本文尝试采用点荷载试验方法，测试陷落柱内部岩石力学参数，为研究回采工作面安全通过陷落柱提供实验依据。

陷落柱；充填岩石；力学参数；点荷载

陷落柱是我国华北煤田广泛发育的一种以隐伏垂向为主的极富区域特色的地质构造[1]。尽管北方矿区揭露的绝大多数陷落柱都不导水，但也不乏少数矿井发生陷落柱突水淹井的重大灾害，且造成巨大经济损失和不良后果[2]。目前利用力学理论和数值方法对陷落柱的形成过程、形成机理、导水机理以及陷落柱发育规律、导水类型、导水条件等均有不同程度的研究[3-5]。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[6-7]，因此，在工作面开采前通过实验研究来确定陷落柱内部松散岩石力学参数，对于保证工作面顺利推过具有十分重要的意义。通过对赵庄二号井陷落柱内部选取的煤岩样品形态的分析，选取点荷载实验方法测试陷落柱内部岩石力学参数，为研究工作面安全通过陷落柱提供实验依据。

1 陷落柱发育情况及充填特征

1.1 发育情况

根据晋城煤业集团赵庄二号井提供的3号煤层采掘工程平面图，并结合以往的地震勘探解译成果和巷道揭露等工程控制资料知道井田内和外围共发现陷落柱36个。其中除了X10陷落柱顶面只发育到15号煤层外，在3号煤层中共发育35个陷落柱；36个陷落柱中X11、X12、X13、X14、X15 5个陷落柱为在三号煤层的井巷实际揭露的(物探未发现)，其余31个为地震勘探解译成果；另外DX31、DX32、DX33是分布在井田的外围，其余分布在井田内。

1.2 充填特征

结合收集到的巷道掘进的临时地质预报，总结出的钻探揭露的陷落柱填充物特征。从掘进揭露的陷落柱柱内充填情况看，主内充填物具有泥砾结构，大小不一，棱角明显，杂乱无章，泥质胶结。泥砾中的大角砾和块石来自上覆岩层，主要为坚硬的砂岩、灰岩块，以砂岩块居多，大小相差悬殊，从数厘米、十数厘米至数十厘米，其中巨大板条状块石长可达2～3m左右，这种条石有的斜歪、有的竖直、有的平卧，姿态多样。基质由较细至极细的岩屑、岩粉、粘粒组成，含量较高，通常>60%，它们包裹着大大小小的岩块，胶结紧密，不少大岩块恰似悬浮在基质中，堆积物无分选，无层理显示[8-9]。

2 陷落柱内部煤岩样品采集及统计

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。样品自陷落柱内部，且全部为不规则试件，图1为部分样品照片。试件的尺寸描述见表 1。

表1 陷落柱样品统计

3 点荷载试验原理及仪器选择

3.1 试验原理

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，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[10]。

3.2 仪器选择

此次点荷载现场试验采用由英国进口的77-0115型数字点荷载仪(图2)，由于岩石强度指标不是岩石的固有性质，为了保证不同岩石强度试验所获得的岩石强度指标具有可比性，国际岩石力学学会(SIRM)对岩石强度试验所使用的试件的形状、尺寸、加载速率等都指定了相应的标准，此次试验参照标准为国际岩石力学学会试验方法委员会推荐标准(ASTMD5731)。

4 实验数据处理

(1)未修正的点荷载强度指标Is

未修正的点荷载强度指标Is(MPa)由公式(l)求得：

(1)

a-泥岩；b-煤；c-砂岩图1 部分样品

图2 点荷载试验仪器

式中：

P—破坏荷载，kN；

DE—岩芯等价直径，mm。

对于岩芯径向试验，DE即是岩芯的实际直径；对于岩心轴向试验或规则、不规则岩块试验，等价岩芯直径由公式(2)求得：

(2)

式中，A为代表加载器接触点的试件最小横截面积。

(2)修正后的点荷载强度指标

由于Is值不但与试件形状有关，而且是试件尺寸DE (或D)的函数。为了便于比较，获得一致性的点荷载强度指标，国际岩石力学学会(SIRM)将直径为50 mm的圆柱体试件径向加载点荷载试验的强度指标值，Is(50)确定为标准试验值，其他尺寸试件的试验结果根据公式(3)进行修正。直径修正系数为F。

IS(50)=F×IS,F=(DE/50)0.45

(3)

根据试验要求，一组岩石的点荷载强度指标，试件数至少10个以上，因此，依据各个试件的，值，去掉其中最高值和最低值，将剩余的数值求算术平均即为该种岩石的点荷载强度指标。

(3)岩石力学参数计算

大量的试验证实，岩石点荷载强度与岩石抗压强度和抗拉强度之间有良好地相关性。国际岩石力学学会试验方法委员会推荐的关系如下：

(4)

Rt≅1.25Is(50)

(5)

抗拉强度Rt、岩石内聚力C、内摩擦角φ由公式(5)、(6)、(7)[11]计算得到：

(6)

(7)

陷落柱内充填破碎岩石力学参数计算结果如表2所示。

表2 岩石基本力学参数

5 结论

陷落柱作为一种特殊的煤田地质构造，其形态特征、充填特征及富水性变化多样、类型复杂。根据对目前已经揭露的陷落柱的统计情况分析，大多数陷落柱为不导水陷落柱。所以煤矿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。但在制定推采方案及陷落柱活化突水风险评价过程中，应首先搞清楚陷落柱内部充填特征及岩石力学参数。陷落柱中充填物多表现为不规则、尺寸偏小、风化等特点，常规的岩石力学测试方法不能适用。点荷载试验装置对岩石试件的要求不严格，不需要精心准备加工试件，所以在工程实际中得到广泛应用。本文尝试采用点荷载试验方法，测试陷落柱内部岩石力学参数，为研究回采工作面安全通过陷落柱提供实验依据。

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PointLoadTestResearchontheCoalandRockMechanicalParametersinCollapseColumn

XU Hai-tao, WANG Xu-ming

(SchoolofSafetyEngineering，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

In most cases, in order to improve the mining efficiency and to reduce the number of moving faces, a direct push method is adopted for the water tight collapse column. However, in the process of developing the mining scheme and the risk assessment of the activation of the collapse column, the internal filling characteristics and rock mechanics parameters of the collapse column should be clarified first. Point load test device’s requirements of the rock specimen are not strict, do not need to carefully prepare the test specimen, so it has been widely used in engineering practice. In this paper, the method of point load test is used to test the internal rock mechanics parameters of subsided column, which can provide experimental basis for studying the safety of the working face through the collapse column

Collapse Column; Filling rock; Mechanical parameters; Point load test

2017-07-14

河北省科技计划项目(16275515)；国家自然科学基金资助项目 ( 51674119) ; 河北省自然科学基金资助项目(E2013508123)

许海涛(1979-)，男，山东菏泽人，硕士，华北科技学院安全工程学院讲师，主要从事特殊开采等领域理论与技术研究。 E-mail: 641834827@qq.com

TD315

A

1672-7169(2017)04-0015-04