不同煤体结构煤岩抗拉强度测试

黄楷， 吴基文， 翟晓荣， 毕尧山

(安徽理工大学 地球与环境学院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

煤岩抗拉强度是煤岩在单轴拉应力作用下达到破坏时所承受的最大拉应力[1]，是重要的煤岩力学参数之一。由于煤体结构的特殊性，煤岩抗拉强度的获得较困难。许多学者开展了煤岩抗拉强度测试研究：张泽天等[2]对原煤试件进行单轴直接拉伸试验，测得煤抗拉强度；刘荣茂[3]通过原位水压致裂法获得的煤抗拉强度较实验室数据大10倍以上；颜志丰[4]、许多等[5]通过巴西劈裂试验对煤岩抗拉强度进行了测试；赵毅鑫等[6]采用半圆弯拉试验和巴西劈裂试验对煤样抗拉强度进行了对比测试；吴基文等[7]对煤块波速及其抗拉强度进行了测试和分析，建立了波速-抗拉强度关系式，通过原位的波速测试，即可根据关系式确定煤体抗拉强度；苏承东等[8]采用巴西劈裂试验、点荷载试验及捣碎法等对煤样抗拉强度进行了测试，得到了不同测试方法之间的转换系数；吴基文等[9]、翟晓荣等[10]采用套筒致裂法测定煤抗拉强度；陈江峰等[11]分析了不同煤岩抗拉强度测试方法及其存在问题。以上研究主要针对结构完整、容易制样的煤岩进行抗拉强度测试；但煤岩作为一种特殊的沉积岩，本身强度较低，在形成后大多会经历多期构造运动，导致煤岩构造裂隙、节理或层面发育，煤体结构受到不同程度破坏，造成煤体结构的多样性，很难直接采用某一种方法进行不同煤体结构煤岩抗拉强度测试[12-14]。因此，本文以淮北矿业(集团)有限责任公司孙疃煤矿10煤为研究对象，分别采用巴西劈裂试验和点荷载试验对不同煤体结构煤岩进行抗拉强度和点荷载强度测试，建立点荷载强度与抗拉强度的转换关系式，获得不同煤体结构煤岩抗拉强度，可达到定量分析煤岩抗拉强度的目的，为获得结构破碎煤岩抗拉强度提供了途径。

1 研究区概况

孙疃煤矿含煤地层为石炭系、二叠系，其中石炭系煤层薄而不可采，二叠系煤层下石盒子组为主要含煤地层、山西组次之。矿井内主采煤层有5层，其中10煤层为主采煤层之一，煤层厚度为0～5.38 m，平均厚度为2.67 m。矿井处于淮北煤田南部童亭背斜东翼，总体上为一走向近于南北、向东倾斜的单斜构造，倾角为10～20°，平均倾角约为16°。矿井内大中型断层较发育，-800 m以浅共揭露落差≥5 m的断层347条，其中正断层346条，逆断层1条。

2 煤样采集及煤体结构特征

对孙疃煤矿10煤进行取样，采样点为1011工作面和1047工作面。在中小型断裂构造密集发育区域和煤田大型断层两侧因受局部应力场影响，煤层破碎程度大，主要发育碎粒煤和糜棱煤；在断层稀疏区域，煤体结构基本保持原生状态，主要发育原生结构煤和碎裂煤。不同煤体结构煤样如图1所示。原生结构煤基本未发生构造变形破坏，原生结构保存较好，主要呈完整块状或板状，煤体致密坚硬，难以捏碎，宏观煤岩组分清晰可见，构造裂隙基本不发育，主要发育内生裂隙(图1(a))；碎裂煤受构造变形程度较轻，煤体结构较完整，主要呈块裂状，煤质较坚硬，不易捏碎，煤体构造裂隙和外生裂隙、继承性裂隙较发育(图1(b))；碎粒煤受构造应力作用明显，原生结构基本遭到破坏，层理难以辨认，常见揉皱和滑面，煤体破碎、疏松，多被构造裂隙切割成碎块(图1(c))；糜棱煤煤体破碎程度最高，原生结构遭受严重破坏，完整性极差，多呈鳞片状和揉皱状，构造裂隙密集发育，局部揉皱变形明显，手捏易破碎成粉粒(图1(d))。

(a) 原生结构煤

3 试验设备及方案

原生结构煤和碎裂煤结构较完整，煤体较坚硬，满足制作标准样的要求，因此采用巴西劈裂试验对原生结构煤和碎裂煤进行抗拉强度测试。煤样经过取芯和机器打磨，制作成直径约为50 mm、厚度为25～50 mm的标准样。试验仪器采用美国RMT万能材料试验机。测试及计算过程依据GB/T 23561.10—2010《煤和岩石物理力学性质测定方法 第10部分：煤和岩石抗拉强度测定方法》。

针对结构破碎、煤体松软的碎粒煤和糜棱煤，无法直接测得抗拉强度。因此对原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤进行点荷载强度测试。试验仪器采用STDZ-3型数显点荷载仪。测试及计算过程依据GB/T 23561.13—2010《煤和岩石物理力学性质测定方法 第13部分：煤和岩石点荷载强度指数测定方法》。

不同煤体结构煤样数量及编号见表1。

表1 煤样数量及编号

4 试验结果及分析

4.1 巴西劈裂试验结果

巴西劈裂试验结果见表2。原生结构煤抗拉强度为0.963～1.562 MPa，经计算可得平均抗拉强度为1.174 MPa，离散系数为0.141；碎裂煤抗拉强度为0.517～0.881 MPa，经计算可得平均抗拉强度为0.710 MPa，离散系数为0.151；原生结构煤和碎裂煤抗拉强度离散系数均较小，表明试验结果较稳定。

表2 巴西劈裂试验结果

4.2 点荷载试验结果

点荷载试验结果见表3。原生结构煤点荷载强度为0.272～0.496 MPa，经计算可得平均点荷载强度为0.368 MPa，离散系数为0.190；碎裂煤点荷载强度为0.205～0.288 MPa，经计算可得平均点荷载强度为0.248 MPa，离散系数为0.099；碎粒煤点荷载强度为0.052～0.151 MPa，经计算可得平均点荷载强度为0.112 MPa，离散系数为0.255；糜棱煤点荷载强度为0.023～0.066 MPa，经计算可得平均点荷载强度为0.041 MPa，离散系数为0.364；原生结构煤和碎裂煤离散系数均较小，表明试验结果较稳定；碎粒煤和糜棱煤点荷载强度离散系数相对较大，表明试验结果稳定性较差；随着煤体结构破坏程度增加，离散系数总体呈增大趋势，主要是由于碎粒煤、糜棱煤受构造应力作用较强，结构破坏严重，煤体内部构造裂隙发育，影响强度变化。

表3 点荷载试验结果

4.3 点荷载强度与抗拉强度的相关性

巴西劈裂试验测得的原生结构煤抗拉强度为碎裂煤的1.65倍，点荷载试验测得的原生结构煤点荷载强度为碎裂煤的1.48倍，说明原生结构煤和碎裂煤之间抗拉强度及点荷载强度下降趋势较一致，也间接说明了使用巴西劈裂试验结果和点荷载试验结果进行拟合的可行性。将原生结构煤和碎裂煤抗拉强度与点荷载强度试验数据进行线性拟合，得到抗拉强度与点荷载强度的关系曲线，如图2所示，可看出点荷载强度和抗拉强度之间具有较好的线性相关性。拟合公式为

图2 点荷载强度与抗拉强度关系曲线

Rt=3.08Is(50)

(1)

式中：Rt为抗拉强度；Is(50)为点荷载强度。

由式(1)可知，抗拉强度是点荷载强度的3.08倍，相关系数为0.958，表明曲线拟合度高，通过点荷载强度计算抗拉强度是可行的。因此，针对结构破碎、无法直接测试抗拉强度的碎粒煤和糜棱煤，可依据式(1)进行强度转换，得到两者抗拉强度，见表4。碎粒煤抗拉强度为0.160～0.465 MPa，经计算可得平均抗拉强度为0.345 MPa；糜棱煤抗拉强度为0.071～0.203 MPa，经计算可得平均抗拉强度为0.126 MPa。

表4 碎粒煤与糜棱煤抗拉强度计算结果

4.4 不同煤体结构煤岩抗拉强度特征

由表2和表4可知，不同煤体结构煤岩抗拉强度呈以下特征：原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤平均抗拉强度分别为1.174，0.710，0.345，0.126 MPa，即随着煤体结构破坏程度增加，煤岩抗拉强度显著降低；原生结构煤抗拉强度是碎裂煤的1.65倍，碎裂煤抗拉强度是碎粒煤的2.06倍，碎粒煤抗拉强度是糜棱煤的2.74倍，即从原生结构煤到碎裂煤、碎粒煤再到糜棱煤，煤岩抗拉强度下降幅度呈逐渐增大趋势，这是由于随着煤岩受到构造应力的增强，煤体结构基本遭到破坏，致使构造裂隙极其发育，从而大大降低了煤岩抗拉强度。

5 结论

(1) 通过巴西劈裂试验测得原生结构煤、碎裂煤平均抗拉强度分别为1.174，0.710 MPa；通过点荷载试验测得原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤平均点荷载强度分别为0.368，0.248，0.112，0.041 MPa。

(2) 煤的点荷载强度与抗拉强度具有较好的线性相关性，对点荷载强度与抗拉强度测试结果进行线性拟合，获得点荷载强度与抗拉强度的转换关系式，进而根据关系式计算得到碎粒煤、糜棱煤平均抗拉强度分别为0.345，0.126 MPa。

(3) 从原生结构煤到碎裂煤、碎粒煤再到糜棱煤，即随着煤体结构破坏程度增加，煤岩抗拉强度显著降低，且下降幅度呈逐渐增大趋势。