松软煤层抗张强度及防隔水煤柱宽度的研究

项林语，赵 雅，杜金龙，吕 伟，黄程皓，王佳豪，俞铖红

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

在煤矿井下开采时，为了防止地下水源突然涌入而设置一定规模暂不开采的煤柱，称为防隔水煤柱。在井下可能发生突水或涌水的区域设置合理宽度的防隔水煤柱，能减少煤矿生产过程中的同层位突(透)水事故。根据我国《煤矿防治水细则》中给出的经验公式，可以计算出松软结构煤层防隔水煤柱的合理留设宽度。根据公式，其他变量在矿井特定位置为固定值，煤柱的留设宽度仅为煤层抗张强度的函数，因此煤层的抗张强度的求取在确定煤柱留设宽度中显得至关重要。

本文所研究的祁南煤矿属于淮北矿区，石炭-二叠系地层为其主要含煤地层，煤田形成后经历了多次构造作用[1]，煤田发育有大量不同规模的断层，因此，在煤矿采动过程中，为了减少突(透)水事故的发生和维持巷道支护的稳定性，需在矿井内合理位置留设一定宽度或厚度的防隔水煤柱。且淮北矿区大部分煤矿为20世纪70年代至80年代建井的矿井，多数矿井资源枯竭，近年来已有多个煤矿相继闭坑，给周边生产矿井造成了严重的老空水害威胁，留设合理防水煤柱对于老空水害防治具有重要意义。煤层在形成之后大多经历了多期构造运动，各种不连续结构面及微裂隙在煤体内部非常发育，所以，采用科学的研究方法开展松软煤岩抗张强度测试与确定研究工作对矿井生产意义重大。

而松软结构的煤岩难以制成标准试件，因此无法采用劈裂试验获得其抗张强度。通过开展点荷载试验，利用经验公式间接求取煤层的抗张强度，可以解决这一问题，并且为防隔水煤柱宽度的强度参数的求取奠定了基础。

1 地质背景及煤样特征

1.1 地质背景

祁南煤矿位于安徽省宿州市埇桥区祁县镇境内，矿区位于宿南向斜西南翼。该区地层倾角变化较大，北部最大地层倾角可达32°，向南逐步变缓，中部及南部，倾角一般为5～20°。在该矿井内的主要煤系地层中，石炭系煤层厚度薄，稳定性较差，其水文地质条件、工程地质条件复杂。矿区内褶曲和断层较为发育，构造条件较为复杂，煤体结构松散。

1.2 煤样煤质特征

矿内可采煤层平均密度在1.40 g/cm3，煤样颜色大多为灰黑色至黑色，条痕色为棕黑色至黑色，光泽为沥青至玻璃光泽，呈条带状结构，层状构造，常见层理；内生裂隙发育，断口呈参差状或阶梯状。本矿内煤层大多属于中灰煤-低灰煤，其中，以中灰煤居多。矿井内大部分可采煤层均属极难选煤，见图1。

图1 轴向加载下煤样4、7破坏面呈现的条带状结构

2 点荷载试验

2.1 试验仪器及方法

本次试验所用到的点荷载仪为STDZ-2数显点荷载试验仪，主要由应变式传感器、立式油压千斤顶、游标卡尺、底座及支架等组成[2]。压头圆锥角为60°,最大出力为55 kN，试样高度10～100 mm。

点荷载试验是将煤岩试样放置于仪器上端的两个锥形压头中间，在试样的几何中心位置利用油泵手动缓慢加压直至试样破坏，记录破坏时的荷载Pt，并根据公式求得试件的点荷载强度的一种试验方法。在本次试验中，对所采取煤样轴向和径向上进行了加载，每个加载方向上进行了20组试验。

2.2 点荷载试验的作用

点荷载试验主要用于岩石分类和测定岩石的各向异性。其设备轻便、成本低、试验周期短，在室内试验和现场测试中均适用。除了适用于规则试件的测定，还广泛运用于不规则试件的强度测试。如煤样强度低、裂隙发育而难以制成标准试件的材料，可运用点荷载试验预估其单轴抗压强度和抗张强度。

在本试验中，由于祁南煤矿可采煤层煤体结构松散，难以制成标准试件，故难以采用劈裂试验来测定煤体的抗张强度。采用点荷载试验，可以测定不规则煤块的点荷载强度，再根据点荷载强度与抗拉强度换算的经验公式间接求得松软煤体的抗张强度，从而提供求取防隔水煤柱宽度的强度参数。

3 数据处理与分析

3.1 点荷载强度计算

依据国际岩石力学学会发布的《测定点荷载强度的高破坏荷载建议方法》，点荷载强度的计算公式为[3-4]：

(1)

式中：Is为试样的点荷载强度,MPa;Pt为试样破坏时点荷载仪记录的峰值荷载,kN；De为等效圆直径。

(2)

Af=DWf

(3)

式中：D为试样破坏时两个球形压头之间的距离,mm；Wf为煤岩破坏面的平均宽度,mm；Af为试样破坏面积,mm2[5-6]。

为了研究祁南煤矿煤层抗张强度，在其34下6工作面采取了若干煤样。

将所得煤样分为两部分，分别进行径向和轴向(顺层和垂直层面方向上的)加载，每个方向上进行20组试验。记录试样尺寸、破坏时的荷载、试样破坏时破坏面上测量的两加荷点之间的距离以及试样破坏面的平均宽度，并计算出点荷载强度。

将获得的实验结果剔除离群数据，所得结果如表1和表2所示。

表2 祁南煤矿34下6工作面煤岩轴向加载点荷载试验数据

由表1数据结果可以得出,祁南煤矿34下6工作面松软结构煤岩径向加载下的点荷载强度为0.225 737，轴向加载下的点荷载强度为0.308 841；这也反映了煤样由于结构的成层性，其各向异性非常明显，垂直层面的强度要普遍大于平行层面的强度。

表1 祁南煤矿34下6工作面煤岩径向加载点荷载试验数据

3.2 点荷载强度修正公式

当所采用的等效岩芯为直径不等于50 mm的不规则试件时，考虑到尺寸效应，将试验所得的岩石点荷载实验强度指数按以下公式进行修正:

Is(50)=FIs

(4)

(5)

式中：Is(50)为修正后的点荷载强度值，MPa；F为修正系数；m为修正指数，常为0. 40～0. 45，此处m取值为0. 45[7]。

修正后的煤岩试样点荷载强度如表3所示。

表3 修正后的点荷载强度

可以得出修正后煤岩径向加载下的点荷载强度为0.215 716 MPa，轴向加载下的点荷载强度为0.269 386 MPa。 有学者对松软煤层抗张强度和点荷载强度进行了大量的研究[8]，得出了点荷载强度与煤层抗张强度的换算系数为0.815，从而计算得出煤岩径向上的平均抗张强度为0.18 MPa，轴向上的平均抗张强度为0.22 MPa。

3.3 防隔水煤柱宽度

我国《煤矿防治水细则》给出了断层防隔水煤柱留设宽度的经验公式[13]：

(6)

式中：L为煤柱留设的宽度，m；K为安全系数(通常取2～5)；M为煤层的厚度或采高，m；p为水头压力，MPa；Kp为煤的抗张强度，MPa。

在矿井特定位置留设防水煤柱时,煤层的厚度和水头压力是固定的[13]，故求得松散煤层的抗张强度即可预估防隔水煤柱的合理留设宽度。虽矿区煤层倾角变化范围较大，但大部分区域内煤层倾角较小，仅为5～20°，故代入轴向加载下的松软煤层抗张强度更为合理。水头高度为370 m，则水头压力为3.7 MPa。将上文修正后的抗张强度代入公式(6)，即可求得防隔水煤柱留设宽度，结果如表4所示。

安全系数的选取影响着矿井生产的安全性及经济性，若安全系数选取过大，则生产成本会增加，若安全系数选取过小，则不能满足生产安全性的要求，引起突透水事故。表4中利用了点荷载强度间接求取的松软煤层抗张强度值，求取了安全系数在取不同值时的防隔水煤柱留设宽度值。

表4 防隔水煤柱留设宽度 m

4 结 语

1) 利用点荷载试验求出了顺层和垂直层面的松软煤层点荷载强度，根据计算数据可以明显看出：由于煤层的各向异性，顺层的强度要小于垂直层面的强度。

2) 由于不规则试件存在尺寸效应，根据修正公式对试验求得的点荷载强度进行了修正,利用修正后的点荷载强度间接获取松软煤层的抗张强度，煤岩径向上的煤层平均抗张强度为0.18 MPa，轴向上的煤层平均抗张强度为0.22 MPa。

3) 根据《煤矿防治水细则》给出的经验公式，在选取不同的安全系数时，求得合理的防隔水煤柱留设宽度，可用于指导煤矿生产，且能够更加安全、合理、高效地开采煤炭资源，延长矿井服务年限和进行煤矿水害防治。