煤岩力学参数测试及围岩稳定性评价

黄庆国

（山西大同大学 煤炭工程学院,山西 大同 037003）

煤、岩的物理力学参数是煤炭工业中开采、支护设计与施工过程中不可或缺的基础数据。煤岩赋存有其特殊性，不同地质年代、不同地理位置的煤岩即使是有相同的成分组成，其物理力学性质也会有很大的差异；即使地质年代相同、地理位置相同、组成成分相同而经历的构造破坏不同也会导致其物理力学性质不同。因此，无论是科研单位还是生产企业都非常重视煤岩物理力学性质的测试。为了保证白洞煤业公司石炭二叠纪煤层的延伸工作和安全开采，对于本矿煤层和顶底板岩石进行物理力学参数的测试研究具有十分重要的工程实践意义。

1 概况

白洞煤业公司隶属于同煤集团公司，位于口泉沟，距离大同市约22km，井田位置在大同煤田的东南部，上部侏罗纪煤炭资源已近枯竭，只剩下边角零星资源。如今主要开采石炭纪煤层，石炭纪煤层为3号、5号、6号、7号、8号、9号煤层。白洞煤业公司开采石炭纪煤层的开拓方式选择立井斜井综合开拓。白洞井田共揭露断层6条，F1正断层落差最大，3号煤层的301盘区南翼共有8条巷道揭露F1断层，通过F1断层的巷道施工过程中没有涌水，由此判断 F1断层没有导水性。

2 岩石采样及试件加工

为了掌握集团公司白洞煤业顶底板岩石物理力学参数，为采面及掘进施工设计提供准确的基础数据，按煤岩物理力学参数测试规定，在白洞煤业公司顶底板岩层进行了采样，岩石样本取自3号煤层的顶底板，钻进顶、底板取芯钻孔各2个，从四个钻孔采取了21个层位的岩芯。1号钻孔顶底板柱状如图1所示，1号各岩层完整性统计表如表1所示。

图1 钻孔顶板柱状图

对现场按要求采取的岩芯，按实验要求进行精确加工，依据煤岩力学参数试验的国家标准进行。在每个成型试件上贴好标记。

表1 顶板1号孔岩层完整性统计

3 岩石基本物理参数测试及结果

依据中华人民共和国国家标准化管理委员会2009年4月8日发布，并于2009年12月1日实施的我国煤、岩力学性质测定标准的试验方案。

3.1 基本物理指标测试

3.1.1 岩石密度

按公式（1）计算岩石的密度。

式中：

ρ-岩石密度，kg/m3；

m-岩石质量，g；

A-试件截面积，mm2；

H-试件高度，mm。

3.1.2 单轴压缩试验

采用微机控制RLJW-2000型岩石伺服压力试验机进行岩石试件单向压缩试验，测试岩石的弹性模量、泊松比以及单轴抗压强度。

按公式（2）计算岩石的平均弹性模量。

式中：

Eav-岩石平均弹性模量，MPa；

σb-应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力值，MPa；

σa-应力与纵向应变关系曲线上直线段始点的应力值，MPa；

εb-应力为 σb时的纵向应变值；

εa-应力为 σa时的纵向应变值。

按公式（3）计算岩石的平均泊松比。

式中：

μav-岩石平均泊松比；

εb-应力为σb时的纵向应变值；

εa-应力为σa时的纵向应变值。

按公式（4）计算岩石的单向抗压强度。

式中：

σc-岩石单轴抗压强度，MPa；

P-试件破坏荷载，N；

A-试件截面积，mm2。

3.1.3 抗拉试验

采用微机控制RLJW-2000型岩石伺服压力试验机进行岩石试件劈裂法（巴西法）间接拉伸试验。

按公式（5）计算岩石的平均抗拉强度。

式中：

P-试件破坏时的荷载，N；

D-圆柱体试件的直径高度，mm；

t-圆柱体试件厚度，mm。

抗拉试验按岩性进行四组试验，每组进行4个试件测试。试件破坏形态基本呈现沿中心线的劈裂破坏，如图2所示。

图2 抗拉试验试件破坏形态

3.1.4 三轴压缩试验

以 σ1为纵坐标，σ3为横坐标，绘制 σ1～ σ3最佳关系曲线，确定出方程解：

式中：

k- σ1～σ3关系曲线的斜率；

σ1-试件破坏时对应的轴向应力值，MPa；

σ3-试验加载围压，MPa；

σc-σ1～σ3关系曲线 y 轴截距，MPa。

计算出k、σc值后，然后按下式计算岩石的粘聚力C和摩擦角φ。

式中：

C-岩石的粘聚力，MPa；

φ-岩石内摩擦角，（°）；

以 (σ1+σ3)/2 值为圆心，以 (σ1-σ3)/2 值为半径，利用相关计算程序，在正应力～剪应力坐标上绘制应力圆包络线图并可直接计算出粘聚力及摩擦角的值。

3.2 岩力学参数测试结果

白洞煤业公司岩石物理力学参数测试结果如表2所示。

表2 白洞煤业公司岩石物理力学参数试验结果

4 围岩稳定性分类

围岩稳定性分类是按T.Bieniawski提出的RMR分类方案进行，顶板岩层考虑5m深度范围以内，涉及的分类指标取相应岩层、各钻孔的平均值，底板考虑2m深度范围以内的岩层，围岩分类指标处理方式同顶板。按照RMR分类方案得到的3号煤层及顶底板岩层稳定性分类如表3所示。

表3 白洞煤业3号煤层及顶底板岩层稳定性分类

5 结语

通过白洞煤业公司3号煤层煤岩物理力学参数测定和煤岩稳定性分类，为本矿的巷道支护设计提供了准确科学依据，在石炭二叠纪煤层开采的延伸工作中得到了应用，巷道支护效果提升明显，巷道维护费用降低了15%。