煤柱強度與變形特征的實驗室試驗研究

張新榮

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院，北京 100013;2.內(nèi)蒙古伊泰集團有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 045000)

煤柱強度與變形特征的實驗室試驗研究

張新榮1，2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院，北京 100013;2.內(nèi)蒙古伊泰集團有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 045000)

按照寬高比和完整性設(shè)計2種實驗方案，采用實驗室試驗的方法研究煤柱強度與變形特征。實驗結(jié)果表明:寬高比增加肯定能夠提高煤樣的變形能力，因受完整性影響其強度提高具有不確定性，說明寬高比增大對煤樣變形具有明確的正面影響，但對其強度影響不確定;不論煤樣的完整程度如何，其整體變形能力隨寬高比增大而提高，煤樣強度上限也隨著寬高比增加而增大，但其強度下限值卻呈現(xiàn)參差不齊的特征，表明煤樣完整性對其強度的提高具有不確定性。

煤柱強度;煤柱變形;寬高比;煤樣完整性

煤柱設(shè)計時要確定煤柱載荷，分析煤柱受力狀態(tài)，研究煤柱強度和變形特征?，F(xiàn)場煤柱受力非常復(fù)雜，煤柱強度受多方面因素的影響，如煤層傾角、采區(qū) (工作面)幾何形狀、煤柱蠕變、水和濕度等［1－4］。研究煤柱強度特征主要有理論計算和實驗室試驗2種方法，煤柱強度計算理論上有很多經(jīng)驗公式，但都是建立在一定假設(shè)的前提下，有一定局限性，比如著名的威爾遜煤柱強度設(shè)計公式等［5－8］。而實驗室試驗?zāi)軌虮容^真實地測量出煤樣強度，能較為精確地確定煤樣受力特征，直觀地分析煤柱強度的影響因素，為煤柱設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。本文采用實驗室試驗的方法，研究煤柱強度與受力特征。

1 試驗地點及設(shè)備

試驗選擇在遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦山環(huán)境與災(zāi)害力學(xué)實驗室進(jìn)行。根據(jù)煤樣尺寸的不同及所需破壞載荷大小不同，選取液壓試驗機 (2000kN)和電液伺服試驗機 (600kN)進(jìn)行試驗。其他設(shè)備有:煤樣切割機、磨平機、水平檢測臺、游標(biāo)卡尺、DDS動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)字位移計、應(yīng)變片、導(dǎo)線、球形座、特制壓板等。

2 試驗方案

從煤礦井下工作面取出煤樣，制作成不同寬高比試件，測試不同幾何尺寸煤柱軸向承載能力和變形能力的特征，確定寬高比對煤柱強度和變形能力的影響。由于煤樣試塊在井下隨機選取，按照煤樣中存在的天然裂隙對煤樣進(jìn)行分類，研究煤樣完整程度對煤柱強度和變形能力的影響。

2.1 按照煤樣寬高比設(shè)計

煤樣試驗試件采用正四棱柱體，根據(jù)煤樣橫截面尺寸不同，劃分成4個試驗組，用A，B，C，D分別代表煤樣橫截面邊長為 150mm，100mm，80mm，50mm。在每個實驗組別，保持橫截面尺寸不變，改變試件高度，得到不同寬高比煤樣試件。表1給出加工煤樣的實際尺寸，共制備了17個有效煤樣試件，按照順序用1，2，3…17來表示。

表1 實驗煤樣試件參數(shù)

2.2 按照煤樣完整性設(shè)計

試驗采用的煤樣規(guī)格較大，獲取完整性好的煤樣是非常困難的。為了準(zhǔn)確評估煤樣天然缺陷對強度和變形特征的影響，引入完整性指標(biāo)對不同裂隙煤樣進(jìn)行分類試驗。按照完整性程度分成3種類型:完整性較差，如圖1(a);完整性中等，如圖1(b);完整性較好，如圖1(c)。例舉說明，試塊煤樣A2－1中部分布有垂直裂隙，裂隙面與加載方向垂直，對煤樣的強度有嚴(yán)重影響，歸為完整性較差;煤樣試塊A2－2分布多條局部裂隙，角部有缺陷，歸類為完整性中等;煤樣試塊A3－1不存在明顯的裂隙，角部有輕微的缺陷，歸為完整性較好。剩余煤樣試件完整性描述見表2所示。

表2 實驗煤樣完整性描述

圖1 煤樣試件實物

3 實驗分析

3.1 按煤樣寬高比分析

寬高比為1的煤樣按完整性可分成2類:完整性中等 ～ 好，包括 A1－1，B1－1，B1－2，C1－1，

C1－2，D1－1;完整性較差，包括 A1－2，D1－2。

3.1.1 寬高比為1的煤樣分析

圖2為寬高比為1的所有煤樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線。煤樣在達(dá)到屈服后很快就破壞，屈服后的曲線非常短。為了觀察方便，圖2中的應(yīng)力—應(yīng)變曲線只保留屈服前的部分。本文所有圖中曲線按照表1中煤樣順序用1，2，3…17來表示，例如圖2中A1－1煤樣曲線用1表示。

由圖2可知:

圖2 寬高比為1的所有煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

(1)完整性好的煤樣彈性模量值比較集中，而完整性較差的煤樣彈性模量值離散大。煤樣A1－2完整性較差，屈服時應(yīng)變值低，但彈性模量卻最大，這一結(jié)果比較反常，可能與該煤樣煤質(zhì)有關(guān)。

(2)完整性中等以上煤樣達(dá)到屈服時的應(yīng)變值介于3.3%～4.7%之間。

(3)完整性中等以上煤樣的強度值介于21～33MPa之間。

(4)煤樣的完整性、煤質(zhì)和孔隙率等都會影響到煤樣的強度和變形特性。試驗中采用的煤樣本身是經(jīng)過篩選的，其完整性要高于實際煤體。實際煤柱中存在的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比試驗中遇到的情況復(fù)雜，因此設(shè)計采用的強度值一般遠(yuǎn)低于試驗測試值。

3.1.2 寬高比為2的煤樣分析

寬高比為2的所有煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3。按照完整性可以分成2類:完整性中等～較好，包括 B2－2，C2－1，C2－2，C2－3;完整性較差，只有 B2－1。

圖3 寬高比為2的所有煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖3可知:

(1)與寬高比為1的煤樣相比，寬高比為2的煤樣達(dá)到完全破壞時應(yīng)變值有明顯增加。應(yīng)變值范圍介于6.5%～17%之間。

(2)煤樣強度差異比較明顯，其中完整性中等以上煤樣的強度值介于26.8～43.5MPa之間，這說明不同煤樣的煤質(zhì)可能存在明顯差異。

(3)煤樣達(dá)到峰值強度時的應(yīng)變值比較接近，應(yīng)變值范圍介于5.4%～6.5%之間。

(4)寬高比為2的煤樣顯示出兩種截然不同的破壞模式:C組 (C2－1，C2－2，C2－3)3個煤樣強度高，但具有明顯的脆性破壞特征，屈服后應(yīng)力－應(yīng)變曲線非常短;B組 (B2－1，B2－2)2個煤樣強度低，但具有明顯的塑性破壞特征，屈服后應(yīng)力－應(yīng)變曲線較長。

3.1.3 寬高比大于3的煤樣分析

寬高比大于3的煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖4。按照完整性分成2類:完整性中等～較好，包括A3－1、A3－2 和 A2－2;完整性較差，包括 A2－1。

圖4 寬高比大于3的所有煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線

由圖4可知:

(1)寬高比大于3的所有煤樣呈現(xiàn)明顯的塑性破壞特征，煤樣達(dá)到屈服強度時的應(yīng)變值介于4.3%～6.3%之間，煤樣完全破壞時的應(yīng)變值介于12.8% ～24.5%之間。

(2)完整性較好的煤樣屈服強度最高達(dá)到48.7MPa，而完整性較差的煤樣強度只有24.5MPa。

(3)完整性好的煤樣變形能力強，如A3－2最終應(yīng)變值為24.5%;完整性差的煤樣變形能力差，如A2－1最終應(yīng)變值為12.8%。

3.2 按完整性分析

3.2.1 完整性較好煤樣分析

完整性較好的煤樣共有8個。其中，寬高比為1的有3個 (B1－1，B1－2和D1－1);寬高比為2的有3個 (C2－1，C2－2和C2－3);寬高比大于3的有2個 (A3－1，A3－2)。圖5給出了完整性較好煤樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

圖5 完整性較好煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線

由圖5可知:

(1)寬高比相同的煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線重合度很高，這說明寬高比對煤樣應(yīng)力－應(yīng)變特性的影響是非常明確的。

(2)寬高比為1的3個煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線幾乎重合，彈性模量幾乎相同，強度為30.1～33.1MPa，最大應(yīng)變值為3.9% ～4.2%。

(3)寬高比為2的3個煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線重合度也很好，彈性模量幾乎相同，強度為32.1MPa～35MPa，最大應(yīng)變值為6.5% ～6.7%。

(4)寬高比大于3的2個煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線整體趨勢相同，強度為44.4～48.7MPa，最大應(yīng)變值介于22.4%～22.5%之間。

3.2.2 完整性中等煤樣分析

完整性中等的煤樣共有5個。其中，寬高比為1的有3個 (A1－1，C1－1和C1－2)，寬高比大于2的有2個 (A2－2和B2－2)。圖6給出了完整性中等煤樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。從圖中可以看到寬高比與應(yīng)力－應(yīng)變曲線形態(tài)有比較好的相關(guān)性。

圖6 完整性中等煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線

(1)寬高比相同的煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線趨勢相同，這說明寬高比對煤樣應(yīng)力－應(yīng)變特性的影響是非常明確的。

(2)寬高比為1的3個煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線趨勢相同，彈性模量相差不大，強度為21.8～26.2MPa，最大應(yīng)變值在3.4% ～4.4%之間。

(3)寬高比大于2的2個煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線趨勢相同，彈性模量有一定差異，強度為26.8～33.4MPa，最大應(yīng)變值幾乎相同，約為16.8%。

3.2.3 完整性較差煤樣分析

完整性較差的煤樣共有4個。其中，寬高比為1的有2個 (A1－2和D1－2)，寬高比大于2的有2個 (A2－1和B2－1)。圖7給出了完整性較差煤樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，從圖中可以看到寬高比與應(yīng)力－應(yīng)變曲線形態(tài)有一定的相關(guān)性。

圖7 完整性較差煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線

(1)寬高比相同的煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線趨勢相同，這說明寬高比對煤樣應(yīng)力－應(yīng)變特性的影響是非常明確的。

(2)寬高比為1的2個煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線彈性模量相差比較大，強度為15～22.9MPa，最大應(yīng)變值為1.9%～3.1%。

(3)寬高比大于2的2個煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線趨勢相同，彈性模量有明顯差異，強度13.1～24.5MPa，最大應(yīng)變值10.8% ～12.8%。

4 結(jié)論

(1)按煤樣邊長分4個組，分組分析結(jié)果顯示，寬高比增加可以明顯提高煤樣的變形能力，但對強度提高具有不確定性，主要原因是煤樣的完整性差異比較大。這表明寬高比增加對煤樣變形具有明確的正面影響，但對強度的影響不確定。

(2)按寬高比將煤樣分成3組，分組分析結(jié)果顯示，寬高比大的分組，煤樣整體變形能力明顯高于寬高比小的分組;寬高比大的分組其強度上限值明顯高于寬高比小的分組，但強度下限值卻呈現(xiàn)參差不齊的狀態(tài)。

(3)按完整性將煤樣分成3組，分組分析結(jié)果顯示，完整性較好的一組，寬高比增加可以顯著提高煤樣的強度和變形能力，寬高比相同的煤樣，應(yīng)力－應(yīng)變曲線相似度很高;完整性中等的一組，寬高比增加可以明顯提高煤樣的強度和變形能力，寬高比相同的應(yīng)力－應(yīng)變曲線趨勢相同，但離散性較大;完整性較差的一組，寬高比增加可以顯著提高煤樣變形能力，但對強度的提高存在不確定性。

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Laboratory Test of Coal Pillar Strength and Deformation Characteristic

ZHANG Xin-rong1，2
(1.Coal Mining ＆ Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;2.Inner Mongolian Yitai Group Co.，Ltd，Erdos 045000，China)

With 2 test projections including width-height ratio and integrality design，Laboratory test method was applied to researching coal pillar strength and deformation.Results showed that increasing width-height ratio would improve coal sample’s anti-deformation ability，but influenced by integrality，strength improvement had uncertainty.In spite of the coal integrality，whole anti-deformation ability and upper limit of coal strength rose with width-height ratio increased，but strength lower limit was irregular，which showed that the influence of coal integrality on coal strength was uncertain.

coal pillar strength;coal pillar deformation;width-height ratio;coal sample integrality

TD315.3

A

1006-6225(2012)03-0017-04

2012－05－04

張新榮 (1966－)，男，內(nèi)蒙古東勝人，高級工程師，煤炭科學(xué)研究總院在讀博士研究生，現(xiàn)任伊泰集團副總經(jīng)理，從事煤炭開采方面的研究工作。

［責(zé)任編輯施紅霞］