官地礦沿空留巷工作面頂板巖層試樣的力學(xué)特性研究

王振喜

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 官地礦，太原 030024)

我國地域遼闊物產(chǎn)豐富,擁有著豐富的能源,但總的來說我國的資源分布呈現(xiàn)出缺氣、缺油、多煤的態(tài)勢(shì)。隨著我國工業(yè)的進(jìn)步,煤炭資源的消耗日益增大,雖然我國提出了綠色能源代替化石能源的號(hào)召,但仍處在過渡的階段,煤炭資源仍是我國利用最廣的能源[1]。根據(jù)研究顯示,采區(qū)平巷是我國最常見的掘進(jìn)巷道,而采區(qū)平巷多采用留煤柱的方法來維護(hù)巷道的變形,留煤柱的方案造成煤炭資源的大量損失,這顯然不符合現(xiàn)階段的高效、高產(chǎn)、綠色的目標(biāo),所以無煤柱的沿空留巷技術(shù)成為了現(xiàn)階段礦山掘進(jìn)的趨勢(shì)。沿空留巷技術(shù)是一種取消區(qū)段保護(hù)煤柱,減少巷道掘進(jìn)數(shù)的技術(shù)手段,沿空留巷可以有效的提升出煤率和降低巷道的掘進(jìn)時(shí)間,減少巷道的維護(hù)成本[2-3]。此前眾多學(xué)者沿空留巷作出了一定的研究,發(fā)現(xiàn)沿空留巷采空區(qū)受到外部工程擾動(dòng)產(chǎn)生圍巖的變形和頂板下沉等問題[4],并通過爆破切頂卸壓和水力壓裂切頂卸壓[5]在一定程度上解決了以上問題。

官地礦12605工作面就是采用沿空留巷的采煤方法進(jìn)行開采的第一個(gè)工作面。本文通過試驗(yàn)測試的方法對(duì)12605工作面沿空留巷段軟弱頂板進(jìn)行力學(xué)分析和運(yùn)移規(guī)律研究。為西山地區(qū)的沿空留巷技術(shù)研究提供了一定的指導(dǎo)。

1 單軸力學(xué)特性研究

巷道的頂板物理性質(zhì)和運(yùn)移規(guī)律是解決巷道圍巖變形量大、頂板下沉量大的重要因素,所以本文通過對(duì)煤巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)來確定煤巖的密度和應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系。

首先對(duì)12607工作面巷道的煤樣進(jìn)行取樣,對(duì)取樣進(jìn)行打磨處理,切割為標(biāo)準(zhǔn)試樣(50 mm×100 mm),為了減小試驗(yàn)中產(chǎn)生的誤差,本文制備3塊試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。密度測量時(shí),利用試件的體積與質(zhì)量之間的關(guān)系對(duì)試件的密度進(jìn)行測量,計(jì)算公式如下:

(1)

式中:ρ為試件的密度，kg/m3;m為試件的質(zhì)量,kg;A為試件的橫截面面積,m2;H為試件的高度m。

對(duì)試件進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn),先將試件底端放平,然后對(duì)試件施加垂向載荷,研究單位面積上的應(yīng)力分布,記錄試件破碎時(shí)的峰值壓力,計(jì)算公式如下:

(2)

式中:σc為試件的單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;P為試件破壞時(shí)的峰值載荷;A為試件的受力面積,m2。

當(dāng)試件處在應(yīng)力應(yīng)變的彈性階段,默認(rèn)試件的各相同性且質(zhì)地均勻,取試件上的任意倆點(diǎn)A和B,來計(jì)算試件的彈性模量和泊松比。計(jì)算公式如下:

(3)

式中:E為試件的彈性模量;σa為A點(diǎn)的應(yīng)力,MPa;σb為B點(diǎn)的應(yīng)力,MPa;εaz為A點(diǎn)的軸向應(yīng)變;εbz為B點(diǎn)的軸向應(yīng)變;μ為時(shí)間的彈性模量;εax為A點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變;εbx為B點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變。

對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮,試件破壞時(shí)內(nèi)部的裂隙近似的平行于載荷方向,也就是橫截面的垂直方向,煤巖試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 煤巖試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of coal-rock samples

從圖1的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出,隨著應(yīng)變的增加，試件的應(yīng)力呈現(xiàn)出先緩慢增長,隨后快速增加,最后出現(xiàn)斷崖式的掉落。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是試件在開始受到載荷時(shí),試件內(nèi)部的空隙會(huì)進(jìn)行壓密階段,在此階段內(nèi)試件的應(yīng)力會(huì)隨著應(yīng)變緩慢上升;當(dāng)試件內(nèi)部的空隙完全壓密后,試件的應(yīng)力應(yīng)變會(huì)呈現(xiàn)出彈性階段。當(dāng)應(yīng)力超過其屈服極限時(shí),試件發(fā)生破壞,應(yīng)力會(huì)發(fā)生斷崖式掉落。試件在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí),時(shí)間的破壞多呈現(xiàn)出拉伸破壞,剪切破壞不會(huì)對(duì)試件的破壞造成過大的影響,只會(huì)產(chǎn)生輔助破壞的的作用。當(dāng)發(fā)生單斜面的剪切破壞時(shí),試件的破壞主要是由剪切破壞引起的,拉伸破壞起到輔助的作用。由于本文選取的試件存在軟弱夾層,所以會(huì)出現(xiàn)剪切破壞,試件的破壞主要是由剪切破壞引起的。

根據(jù)圖1可以看出,泥質(zhì)砂巖的抗壓強(qiáng)度為35.8 MPa,煤的抗壓強(qiáng)度為7.4 MPa,粉砂巖的抗壓強(qiáng)度為66.8 MPa。

2 三軸物理特性研究

對(duì)試件進(jìn)行三軸的壓縮試驗(yàn),試件的內(nèi)摩擦角α和試件的內(nèi)聚力c分別為:

(4)

實(shí)驗(yàn)給出的三軸壓力下的煤巖的載荷位移曲線,曲線如圖2、圖3所示。

圖2 不同圍壓下煤樣的抗壓強(qiáng)度曲線Fig.2 Compressive strength of coal under different confining pressures

圖3 不同圍壓下泥質(zhì)砂巖的抗壓強(qiáng)度曲線Fig.3 Compressive strength of argillaceous sandstone under different confining pressures

通過文中圖表可以看出隨著三軸圍壓的不斷增大,巖樣的破壞載荷極限呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì),且上升的速度逐漸加快。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)12607沿空留巷工作面巷道進(jìn)行取樣,對(duì)軟巖巷道的煤巖進(jìn)行力學(xué)分析,給出了內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的公式,得出了試樣的彈性模量和泊松比,并給出了如下的結(jié)論:

1)研究試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn),由于選取的試件存在軟弱夾層,所以破壞多為剪切破壞,拉伸破壞起到輔助破壞作用,且得到了泥質(zhì)砂巖的抗壓強(qiáng)度為35.8 MPa,煤的抗壓強(qiáng)度為7.4 MPa,粉砂巖的抗壓強(qiáng)度為66.8 MPa。

2)根據(jù)煤樣的位移隨載荷的變化曲線可以看出,隨著圍壓的不斷增大,煤樣的抗壓強(qiáng)度不斷增加,當(dāng)三軸試驗(yàn)的圍壓加載到7 MPa時(shí),試樣的破壞極限載荷達(dá)到了57 kN。

3)從不同圍巖應(yīng)力下的泥質(zhì)砂巖位移隨載荷的變化曲線可以看出,隨著圍壓的不斷增大,巖樣的破壞極限載荷也在不斷的增大,且隨著三軸圍壓的不斷增大,巖樣的極限破壞載荷的增大幅度也是大幅度的增加。