煤体单轴抗压强度统计与分级研究

雷 顺，高富强，王晓卿

（1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

0 引 言

岩石的单轴抗压强度是岩石的主要物理技术指标之一，是矿井开拓部署、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［1-2］。 煤体抗压强度是围岩稳定性与分类的重要因素之一，因此煤体强度分级煤样抗压强度测试结果主要建立在单轴抗压强度的变化规律和破坏过程分析基础上。 国内外学者对于煤岩体单轴压缩试验做了大量研究，杨科等［3］对顾北煤矿11-2煤顶板岩石进行室内单轴压缩试验，以单轴抗压强度为因变量，弹性模量为自变量，获得预测岩石单轴抗压强度的一元二次非线性回归模型。 YASAR［4］在统计分析的煤样实验室测试结果的基础上，研究了一种包含单轴抗压强度等力学参数的煤系岩石岩体分级系统，用来估算岩体的工程性质。 张平等［5］探究不同应变速率下岩石不同裂隙空间位置、不同裂隙数目对非贯通裂隙模型试样单轴抗压强度的影响，揭示了非贯通裂隙介质的单轴抗压强度随裂隙空间位置、加载速率的演化规律。 宋红华等［6］研究了煤岩非均质性与其单轴抗压强度的关系，分析了煤岩非均质性对其破坏特征的影响，得到了煤岩失稳破坏机理和前兆规律，为巷道支护设计、动力灾害预警等方面提供理论参考。 康红普等［7］对新汶矿区深部岩体进行研究得到煤岩块单轴抗压强度与原位探针临界载荷的关系，原位实测获得井下煤岩体强度数据，使巷道支护设计的合理性与可靠性显著提高。 郭瑞等［8］以宁夏宁东地区砂质泥岩为研究对象，分析了含水量和干密度对砂质泥岩单轴抗压强度的影响，其结果为类似地区工程设计和施工参数的选取提供了科学依据。 MATIN 等［9］采用随机森林模型对岩石单轴抗压强度、弹性模量等各种物理力学参数进行判别和分析，确定了精确评价和估算岩石力学参数的预测模型。 KUMAR 等［10］采用声发射技术对单轴压缩试验过程中岩盐的蠕变特征进行分析，较好地预测了岩盐在加载和卸载条件下的应力应变响应，并在现场岩盐蠕变力学参数的评价与估计中进行了应用。 SINGH 等［11］探究不同类型岩石点载荷指数与单轴抗压强度之间的关系，确定了一种简单、快捷、有效的现场岩石单轴抗压强度测试方法。

随着单轴抗压强度的广泛测试与普遍应用，积累了大量强度测试数据，之前煤岩体单轴抗压强度数据多用于建立与其他因素之间的联系及获取本身强度，但缺乏对其进行分布统计及规律研究和对测试结果进行评价分析。 因此，收集利用现有的测试数据，提出能比较有效地分辨、衡量煤体强度的差异，并能对试验结果进行定量评价和分类的方法，可为煤体强度分级及煤系地层有关工程设计提供重要参考依据，并对评价煤体强度所占权值以及详细讨论其在围岩分类中的作用具有重要的现实意义和应用价值。 基于此，笔者在收集整理我国主要产煤地区129 座矿井的808 组煤体抗压强度试验数据基础上，采用SPSS 数理统计软件与聚类分析方法，详细分析了煤体单轴抗压强度分布范围及特点，并提出了相应的煤体强度分级方法。

1 煤体单轴抗压强度测试数据整理与统计

1.1 煤体单轴抗压强度测试

单轴抗压强度是实验室煤样试验的最基本参数。 煤体单轴抗压强度指煤样试件在无侧压条件下，受轴向作用力破坏时，单位面积所承受的荷载［12］，即试件破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。

试验所需试样在现场采集完后即进行室内制作，包括煤块切割、打磨等，将煤块加工成标准试件。煤样制作分为粗加工和精加工2 个步骤。 粗加工是将已有的煤心进行切割；精加工则是对试样两端进行打磨。 在进行单轴抗压强度测试时，首先要制作标准试样，标准试件宜采用直径50 mm 的圆柱体，高径比为2，试件两端面不平行度不应大于0.05 mm［12］。 试验设备选用TAW.3000 微机控制电液伺服岩石三轴试验机，试验机以0.5～1.0 MPa ／s 的速度加载，直至破坏，记录此时试验机的峰值载荷，单轴压缩试验流程如图1 所示。

图1 实验室煤体单轴压缩试验Fig.1 Laboratory coal uniaxial compression

1.2 数据筛选及统计

通过统计煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室开采实验室2001—2016 年测试的标准煤岩体单轴抗压强度数据资料，筛选并剔除完整性差等低质量数据，其中煤样测试数据共计808 组，包含山西、山东、内蒙古、陕西、新疆等主要产煤地区129座矿井。 数据库中各省（区、市）数据资料见表1。

表1 各省（区、市）单轴抗压强度测试数据Table 1 Test dates of uniaxialcompressive strength for provinces（regions、cities）

图2 煤样单轴抗压强度分布Fig.2 Distribution of uniaxial compressive strength for standard coal samples

2 煤体强度分级

统计808 组标准煤样单轴抗压强度数据，平均值16.11 MPa，极小值为1.37 MPa，极大值为55.48 MPa，标准差为8.66，方差为75.04，偏度为0.97，峰度为1.70，观测煤体单轴抗压强度数据满足正态分布，如图2 所示。

根据国内外常见的围岩分类分级系统中列出的单轴抗压强度范围，对完整岩石强度进行分级（表2）。 对于煤体而言，其强度分布区别于岩石强度，因此通过建立煤样单轴抗压强度数据库，将808 组单轴抗压强度数据进行统计，采用K-means 算法对其进行聚类分级［13］。

1967 年J.B.Mac Queen 提出的K-means 算法，是广泛应用于科学和工业诸多聚类算法中简单有效的算法之一［15］。 K-means 算法的工作机理是：把n个样本点分为k 个簇，使得各簇内的样本点具有较高的相似性，而各簇间的样本点相似程度较低，相似度的计算是依据1 个簇中样本点的平均值来进行。该算法根据聚类性能指标最小化原则，通常使用的聚类准则函数是簇内的各个样本点到该簇中心的误差平方和最小［15］，算法流程如图3 所示。

表2 完整岩石强度分级［14］Table 2 Classification of strength for intact rock

K-means 算法是通过输入聚类个数5，以及包含808 个数据对象的数据库，最后输出满足方差最小标准的5 个聚类，具体聚类分析结果如图4 所示。

聚类中心从小到大依次为：6.40、13.63、20.69、30.47、49.86 MPa。 考虑到煤体单轴抗压强度划分应用广泛且保证煤体分级简单直观，因此，根据以上5 个聚类中心对应的区间进行取整划分，将煤体单轴抗压强度分为5 级，具体分级参数见表3。

图3 K-means 算法流程Fig.3 Algorithm flow chart of K-means

基于煤体强度测试数据统计分析，将煤体强度分为5 级，煤体UCS 在1～56 MPa 呈正态分布，平均值为15 MPa，对应分值为60 分；UCS 为0，对应为0分；UCS 为25 MPa，对应为80 分；UCS 为60 MPa，对应为100 分；等级与分值划分见表4。

图4 K-means 聚类算法Fig.4 Clustering plot of uniaxial compressive strength obtained by K-means

表3 煤体单轴抗压强度数据聚类分级Table 3 Classification of uniaxial compressive strength maked by K-means clustering for coal

表4 煤体单轴抗压强度分级与评分Table 4 Classification and proportion of uniaxial compressive strength for coal

此外，依据单轴抗压强度分级标准对其进行等级评价，即坚硬程度划分为：Ⅰ（极软）、Ⅱ（软）、Ⅲ（硬）、Ⅳ（中硬）、Ⅴ（极硬）；分值评价：非常差（0 ～10）、差（11 ～20 分）、较差（21 ～40 分）、中（41 ～60分）、较好（61～80 分）、好（81～95 分）、非常好（96～100 分）。 常见的巷道支护、注浆加固、沿空留巷等设计与煤体强度密不可分，尤其在煤体破碎情况下准确把握煤柱侧以及巷道周围煤体力学参数十分重要。 通过对煤体分级划分得出UCS 评分，实现在围岩分类中UCS 的评价建议。

3 煤体强度分级应用

3.1 测试煤矿煤体强度评价

表5 部分煤矿煤体单轴抗压强度分级评价Table 5 Evaluation of uniaxial compressive strength of coal in some coal mines

从统计的129 座矿井中随机抽取山西、山东、陕西、新疆、内蒙古典型矿区的23 家煤矿（表5），绘制其单轴抗压强度分级评价折线图（图5），获得煤层单轴抗压强度得分及评价，同时为煤岩体分类中所占权值提供定量指标。

续表

图5 不同省份煤体单轴抗压强度分级评价Fig.5 Broken line for grading evaluation of uniaxial compressive strength of coal bodies in different provinces

由图5 可得，内蒙古上湾煤矿1-2 号煤层煤样强度为35.4 MPa，强度等级为Ⅳ，属于中硬，评分为90 分，评价为好；山东莲花山煤矿13 号煤层煤样强度为5.1 MPa，强度等级为Ⅰ，属于极软，评分为20分，评价为差。 此外，山东煤体单轴抗压强度分布范围最大，山西主要集中在5 ～15 MPa（极软～软），内蒙古、陕西煤体单轴抗压强度普遍高于15 MPa。

3.2 煤巷支护参数预测

煤体强度受复杂地质条件，包括水、地应力、节理裂隙、风化程度等多种因素的影响，地质条件特别好的巷道其支护形式简单，而对于埋深较深、地质条件复杂的巷道其支护形式较复杂，且同等条件下采用巷道支护-改性-卸压“三位一体”等多重手段来控制［16-17］。 因此，笔者研究的范围为一般条件下巷道开挖所选用的常见支护形式，即预测的支护参数主要为评价结果分布在差、较差、中、较好、好之间的煤体，对于非常好、非常差这2 类其支护参数需另论。

精确的巷道支护设计流程首先需要进行详细的现场地质力学调查与评估，其次通过工程类比、理论计算、数值模拟等方法确定支护参数，然后将井下施工矿压监测数据处理反馈分析支护设计，最终确定支护设计参数与类型［18］。 基于大量统计数据，通过聚类分析进行单轴抗压强度分级研究，在此基础上根据煤体单轴抗压强度等级初步划分煤巷支护采用的支护参数，是简单快捷且能够定量化判断初始支护参数的建议方法，对及时调整开挖支护参数以及精确判断和决定支护参数和支护类型具有参考意义。 根据锚固形式、间排距等的不同，参考煤巷常用的支护形式［1］，结合煤体单轴抗压强度等级列出煤巷支护常见的几类支护参数（表6）。 根据煤巷不同支护参数的支护强度等级，并参照单轴抗压强度分级，得到煤体支护参数与其单轴抗压强度分级评价分布，如图6 所示。

图6 测试煤矿支护参数与煤体单轴抗压强度分级评价Fig.6 Grading evaluation of supporting parameters and uniaxial compressive strength of coal mass

表6 常见煤巷支护参数分类Table 6 Classification table of common coal roadway support parameters

由图6 可得，不同强度等级划分的支护参数主要集中在参数2 和参数4，锚杆索支护集中应用在埋深处于中部区域的煤矿井下巷道中，而锚杆索架棚主要应用于深部煤矿井下巷道支护，这也与现场实际相契合。

根据单轴抗压强度对不同支护参数进行对应分类划分（图6），所提供的支护参数可为煤巷支护基本参数提供参考和预测，对现场工程实践具有一定的指导意义。 考虑到每个地区之间煤层赋存条件不一，差异性导致支护方案选择的多样性，需要结合实际情况并采取现场原位测试结果进行综合判断。 除此之外，对于评价结果相近的，要根据巷道地应力、围岩等实际情况，调整锚固形式、间排距、锚杆索直径及长度、支护构件强度等才能达到因地制宜的优化效果（表7）。

表7 不同支护参数与岩石强度等级Table 7 Different types of support parameters and strength level of rock samples

此外，由于煤层生成和赋存环境的差异性，不同地区煤层的成分、结构及水分和地质构造都会对煤体强度产生影响［19］。 仅对129 座矿井煤层煤样UCS 测试数据统计分析，得出煤体强度与等级之间的关联性，为煤体强度分级评价提供了新思路。 今后仍需搜集不同煤矿的煤块样本进行试验，扩充与完善数据库，提高煤体单轴抗压强度数据的可靠性，得到具有普适性的结论。

4 结 论

1）筛选统计了包含山西、山东、内蒙古、陕西、新疆等主要产煤省份129 座矿井808 组煤样单轴抗压强度数据，其分布范围为1.37 ～55.48 MPa，平均16.11 MPa，标准差为8.66 MPa，且满足正态分布。

2）确定煤体单轴抗压强度分为5 级：Ⅰ（1 ～10 MPa）、Ⅱ（10 ～15 MPa）、Ⅲ（15 ～25MPa）、Ⅳ（25 ～40 MPa）、Ⅴ（40 ～60 MPa）。 并依据单轴抗压强度分级标准对其分值进行评价：非常差（0 ～10 分）、差（11～20 分）、较差（21 ～40 分）、中（41 ～60 分）、较好（61 ～80 分）、好（81 ～95 分）、非常好（96 ～100分）。

3）获得典型矿区23 家煤矿煤层单轴抗压强度等级及评分，其中内蒙古上湾煤矿1-2 号煤层煤样强度为35.4 MPa，强度等级为Ⅳ（中硬），评分为90分（好）；山东莲花山煤矿13 号煤层煤样强度为5.2 MPa，强度等级为Ⅰ（极软），评分为21 分（较差）。此外，根据其煤体强度分级与评价结果初步对煤矿巷道围岩支护参数类型提供参考和预测评估，对现场工程实践具有一定的指导意义。