三交河煤矿巷道围岩物理力学性质测试研究.pdf

第 2 1 卷第 5 期 2 0 1 2年 5月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo1 21。NO 5 M ay 2 01 2 三交河煤矿巷道 围岩 物理 力 学性质 测试研 究 李国彪 ， 张新蛮 ( 1 中国矿 业大学( 北京) 力学与建筑工程学院 ，北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 霍 州煤电集团有 限责任公 司，山西 霍 州 0 3 1 4 0 0 ) 摘要：为解决三交河煤矿巷道 围岩支 护设 计问题 ，提供 初始的基础 参数 ，利用实 验室方法 对 围岩 物理力 学性 质进 行了测试和分析 。实验结果表明 ：三交河煤矿 2 _ F煤平均密度 比煤 2 E略大 ；泥岩平均密 度相 差 不 大 ；老 顶 K8中 砂 岩 平 均 密 度 最 大 ，为 2 7 2 7 1 5 k g m 。 。 2 煤 单 轴 抗 压 强 度 平 均 值 为 1 5 5 3 MP a 。2 _F煤单轴抗 压强度平均值为 9 8 9 MP a 。2 煤 和 2 T煤直接顶底均 为泥岩 ，但平 均单轴抗压 强度相差较大 ，分别为 2 6 1 3 MP a 和 5 4 3 2 MP a 。在单轴压 缩试验条件 下 ，围岩应力一 应 变 曲线都 具有 上 凹一 直线一 峰值一 破 坏的变化特征 。 关键词 ： 三交河煤矿 ；巷道 围岩 ；物理性质 ；力学性 质 中图分类号 ：T D 3 2 2 文献标识码 ：A 文章编号 ： 1 0 0 4 4 0 5 1( 2 0 1 2 )O 5 0 O 8 4 一O 4 P h y s ica l a n d me ch a n ica l p r o p e r t ie s t e s t o f r o a d wa y s u r r o u n d in g r o ck in S a n j ia o h e min e co a l LI GU O bia o 一，ZHANG Xin - ma n ( 1 S ch o o l o f Me ch a n ics a n d Civ i l En g i n e e r i n g，Ch i n a Un iv e r s it y o f Mi n i n g a n d Te ch n o l o g y ( Be i j in g ) ， Be i j in g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a ；2 Hu o z h o u Co a l El e ct r i ci t y Gr o u p Co ，Lt d ，Hu o z h o u 0 3 1 4 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a ct ：I n o r d e r t O s o l v e s u p p o r t i n g d e s i g n o f r o a d wa y s u r r o u n d i n g r o ck i n S a n j i a o h e Mi n e Co a l a n d p r o v id e in it ia l p a r a m e t e r s ，p h y s ica l a n d me ch a n ica l p r o p e r t ie s o f r o a d wa y s u r r o u n d in g r o ck we r e t e s t e d a n d a na l y z e d us ing l a bor a t o r y me t ho ds The e xp e r ime n t al r e s ul t s s h ow t ha t a v e r a g e d en s it y of t he l o we r pa r t of 2 co a l is big ge r t ha n t ha t of t he u ppe r p a r t o f 2 co a 1 Ave r a ge de n s it y of t he m u ds t one is s imil a r Th e a v e r a g e d e n s i t y o f s a n d s t o n e K8 i n t h e o l d t o p is ma x i mu m a n d 2 7 2 7 1 5 k g m。 Th e a v e r a g e v a l u e s o f u n i a x i a l comp r e s s iv e s t r e ngt h of t he u ppe r p ar t a n d t he l owe r pa r t o f 2 co a l ar e r e s pe c t iv e l y 1 5 53 M Pa a nd 9 8 9 M P a Bo t h o f t h e d ir e ct t o p a n d b o t t o m a r e mu d s t o n e a n d t h e mu d s t o n e o f t h e d ir e ct t o p a n d b o t t o m a r e r e s p e ct iv e l y 2 6 1 3 M P a a n d 5 4 3 2 M P a Ro ck s t r e s s s t r a in cu r v e s s h o w v a r ia t io n ch a r a ct e r is t ics o f t h e co n ca v e a s t r a ig h t l in e t h e p e a k - t h e d e s t r u ct io n in u n ia x ia l co mp r e s s io n t e s t s Ke y wo r d s ：S a n j i a o h e mi n e co a l ；s u r r o u n d i n g r o ck；p h y s i ca l p r o p e r t y ；me ch a n i ca l p r o p e r t y 巷道 围岩 物 理 力 学 性 质 是 影 响巷 道 稳 定 性 的 关键 因素 ，所 有 关 于巷 道 围 岩 破 坏 机 理 与 支 护 设 计的研究，都毫无例外 地依赖巷道 周围岩石物理 力学 性质 的 测 试 与 分 析 。巷 道 围 岩 物 理 力 学 性 质 测试结果应用 于支护设计 ，可显著提高 支护设计 的合理性和可靠性l_ 】 。 三交 河 煤 矿 没 有 进 行 全 面 、系 统 的巷 道 围岩 地质力学测试 工作 ，相关 的设计计算 基础参数严 重不足。现采 2 煤层巷道支护设计随意性大、可 靠性差、安全程 度得不 到保证。为 了解决 上述 问 题 ，对三交河煤矿 2 煤层进行 了煤岩物理力学参 收 稿 日期 ： 2 0 1 2 0 1 一 l 2 作者 简介 ：李国彪 ( 1 9 6 5 一) ，男 ，山西永济人 ，教授级高级工程师。 数测试 ，为煤层巷道锚杆 支护设计提供 了科学准 确 的基础 参数 。 1 三 交河煤 矿 围岩物 理 力学性 能测 试 内容 及方 法 1 1 样 本布 设 根据 三 交 河 煤 矿 实 际 生 产 情 况 ，巷 道 围 岩 物 理力 学性 质测 试 样 本 点 布 置 如 下 ：在 2 煤 层 取 四 组 3个煤 样 ，在 2 煤 层 直 接 顶 和 老顶 各 取 一 组 3 个岩 样 ，在相 应 的煤层 底板 取 组 3个 岩样 。 1 2 岩石 ( 煤)密度测定 本次密度测 量 ，采用 国家标准规 范 工程 岩 体试验方法标准( GB T 5 2 6 6 9 9 )中推荐的量积 法 。试 件 型 式 ：直 径( 边 长 ) 为 5 0 ram，高 度 为 5 0 mm或 1 0 0 mm 左右的方柱体或 圆柱体。实验使 用的主要 仪器 和设备 有 ：D Q 4型 自动岩 石切 片 第 5 期 李 国彪 ，等 ：三交河煤 矿巷 道围岩物理力学性质测试研究 8 5 机 、Z S 一 5 0型立式钻石机 、砂轮机、物理天平、游 标 卡尺 等 。实验 步 骤 ：加 工标 准 试 件 、设计 实 验 记 录表 格 ； 量 测 试 件 两 端 和 中 间三 个 断 面 上 相 互垂直 的六个 直径( 或边 长) ，精 确至 0 0 1 mm； 量测 端 面周 边对 称 四点 和 中 心 点 的 五个 高 度 值 ， 精 确 至 0 0 1 mm；物 理天 平 称 量试 件 质量 ，精 确 至 0 0 1 g ； 实 验结果 的整理 ，精 确至 0 0 1 。 1 3岩石( 煤 )含 水率 测定 岩 石含水率是 指 岩石 式样 在 1 0 5 1 1 0 温度 烘 至恒量 时 ，失 去 的水分 质 量与 达 到恒 量 时试 样 干 质量的比值，以百分数表示。实验主要仪器设备 ： 分 析 天 平( 称 量 5 0 0 g ，感 量 0 。 0 1 g ) 、烘 箱 、称 量 盒 、干燥器 。实验步骤 ：在室 温条件 下 ，称 清 洁 、 干燥的称量盒质量 mo ；将保持原含水状态的岩石 试样 置于称 量盒 中 ，并称 盒加 试样 之质 量 r Y t ；将 盛 有试样 的称 量 盒放 人烘 箱 ，在 1 0 5 1 1 0 恒 温 下烘干 2 4 h ；从烘箱内取 出称量盒 ，待冷却至室 温后称量盒加试样质量 m ；重复第 3 、4步，直 到 相邻 两次称量 之差不超 过后一 次称量 的 0 1 。 1 4岩石( 煤 )黏 聚力 、内摩擦 角测 定 试验 主 要 仪 器 设 备 ：WE - 3 0 B型液 压 万 能 试 验 机 、锯石机 、磨石机。标准试件采用立方体，规格 为 5 cmX 5 cmX 5 cm。试件 加工 精 度 ：试 件各 边 长偏 差 不得超 过+0 3 mm 和 一0 1 m m；两端 面 不平 行 度 不 大于 0 1 mm。试 验 步骤 ： 核对 岩石 名 称 、岩性 和岩样编号 ；在 4 5 。 6 5 。 范 围内选择 3个剪切角 度进 行压剪 试 验 ； 选择 试 验机 度 盘 ；调 整试 验 机度 盘指针 为零 ，使 试验 机 处 于工 作状 态 ；夹 具 与 试件调 整 好 后 ，以 0 5 MP a s 1 0 MP a s 的 速度 加载直至破坏 ，记录试件 的最终压剪破坏载荷，并 对试 件破坏情 况进行描述 或摄影 。 绘制岩 石强度 曲线 ，将一 系列 的压剪破 坏试 验所得 到数据点( 每点都代表破坏应 力)绘 制在 r d 平面内，然后用数理统计学方法确定其方程 ， 即得到强度 条件 ，煤 岩的黏 聚力 C和 内摩擦 角 即可得 到 ，如 图 1 所 示 。 C 图 1压剪试验确定煤岩 参数 1 5 岩石( 煤)单轴抗压强度 、弹性模量及泊松 比测定 仪器设 备：试 验加工机械 ：钻石 机、锯石 机、磨 石 机 。 检 验 工 具 ：游 标 卡 尺( 精 度 0 0 2 mm) 、直 角 尺 、水 平 检 测 台 、百 分 表 架 及 百 分 表 。加 载设 备 ：MT S 8 1 5岩石 力学 电液伺 服试 验 系 统 。 测 量 变 形 仪 器 ：环 向应 变 计 ；导 线 焊 接工具、应变片和贴片设备。 试 件 规 格 ：采 用 圆 柱 体 为 标 准 试 样 ， 直 径 为 5 0 mm；允 许 变 化 范 围 4 8 5 2 mm；高 度 为 1 0 0 mm；允 许 变 化 范 围 为 9 5 1 0 2 mm。 当 圆柱 体 试 样 制 备 困 难 时 ， 采 用 5 0 mm 5 0 mm 1 0 0 mm 的 方 柱 体 。方 形 截 面 试 件 的 电 阻 应 变 片 粘 贴 。 试 件 加 载 ：开 动 伺 服 机 ， 以 0 5 MP a s 0 8 MP a s的速度 加载 直 至破 坏 。记 录 各级 应 力 下 的轴 向和横 向应 变 及 最 大 破 坏 荷 载 ，并 对 破 坏 后 的试 件进行 描 述和拍 照 。 1 6 岩石( 煤 )抗 拉强 度测定 测试仪器设备 ：试件加工机械与检验工具， 同单轴压缩试验 ；劈裂法专用弧形压模 ；wE 一 6 0 0 B液 压 万 能 材 料 试 验 机 ； 游 标 卡 尺( 精 度 0 0 2mm )。 试件规格：试件为圆饼形 ，规格为 0 mm 2 5 mm，试样 尺 寸允许 变化 范 围不超 过 5 。 2 三交河 煤矿 围岩 物理 力学性 质测试 结 果与分 析 2 1 物理 性质 测试 结果 与分 析 三交河 矿 2 煤 及顶 底 板 岩 石 物理 性 能 测 试 结 果 如 表 1 所 示 。 2 煤 及 顶 底 板 岩 石 平 均 密 度 分 布 如 图 2所 示 。 由 图2 可 以 看 出 ， 2 E煤 平 均 密 度 为 1 3 0 4 0 9 k g m。 ，底 板 砂 质 泥 岩 平 均 密 度 为 2 5 5 0 2 8 k g m。 ， 直 接 顶 泥 岩 平 均 密 度 为 2 5 2 2 6 8 k g m。 ，老 顶 K8 中 砂 岩 平 均 密 度 为 2 7 2 7 1 5 k g m。 。2 下 煤 平 均 密 度 比煤 2 上略 大 ，其 值 为1 3 9 2 a 8 k g m。 ；其 顶 板 泥 岩 平 均 密 度 为 2 5 8 0 9 1 k g m。 ； 其 底 板 泥 岩 平 均 密 度 为 2 5 6 2 7 0 k g m。 。 图 3 表示 2 煤及顶底板岩石平均含水率分布。 由图 3可 以看 出，2 上煤 层平均含水率为 1 1 1 9 6 ， 底板砂质泥岩平均含水率为 0 5 0 ，直接顶泥岩 平均含水率为 0 8 8 ，老顶 K 8中砂岩平均含水率 为 0 4 1 。 2 下煤平均含水率为 1 2 1 ，略高于 2 上 煤 ；其 顶板 泥岩 平 均 含水 率 为 0 6 3 ；2 下煤 底 板 泥岩平均含水率为 0 9 3 。 8 6 中 国 矿 业 第2 1 卷 表 1 2 、2 -F煤顶底板岩石物理性质 实验 结果 吕 稍 露 1 静 如 霉 图 2 2 煤及顶底板岩石 平均密度分布 1 4 0 1 2 O 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 O 0 o 0 图 3 2 煤及顶底板岩石平均含水率分布 2 2 力 学性 质测 试 结果 与分 析 三 交河 矿 2 煤及 顶 底 板 岩 石 力 学 性 能 测 试 结 果 如表 2所 示 。 表 2煤岩力学性质 实验 结果 三交河矿 2 煤层及顶底板岩石平均单轴抗压 强 度 分 布如 图 4所 示 。 由 图 4可 以看 出 ，三 交 河 矿 2 上 煤单轴抗压强度 最大为 2 3 2 7 MP a ，最小 为 9 3 4 MP a ，平 均 值 为 1 5 5 3 MP a 。2 下煤 单 轴 抗 压 强度 最 大 为 1 1 3 1 MP a ，最 小 为 8 9 1 MP a ，平 均 值为 9 8 9 MP a 。2 上煤 和 2 下煤单轴抗 压 强度均 较 高 ；2 上煤平均单轴抗压 强度高于 2 下煤抗压强度 。 2 E 煤 和 2 下煤 直 接 顶 均 为 泥 岩 ，但 平 均 单 轴 抗 压 强度 相 差 较 大 ，分 别 为 2 6 1 3 MP a 和 5 4 3 2 MP a 。 R6 r l q 图 4 2 煤及顶底板岩石 单轴 抗压强度分布 单轴压缩试验在 MTS 8 1 5 0 2电液伺服岩石试 验机 上进 行 ，该 系 统 属 于 刚 性 材 料 试 验 机 ，能 够 绘制出岩石的应力一 应变全过程 曲线 。岩石 的全应 力一 应变 曲线 ，既 能 反 映 岩 石 破 坏 前 的 本 构 关 系 ， 也 能看 出 岩 石 峰 后 特 征 ，为 进 一 步 研 究 岩 石 的 强 度和变形提供了基础资料。 通过 实验 得 到的 三交 河矿 2 上 煤顶 板 泥 岩 全应 力一 应变 曲线 ，如 图 5所 示 。2 上 煤 全 应 力一 应 变 曲 线 ，如 图 6所 示 。2 下煤 全 应 力一 应 变 曲线 ，如 图 7 所示 。 从试 验 的全 应 力一 应 变 曲线 可 以看 出 ，在 单 轴 压缩试验条 件下 ，曲线都具有 上 凹一 直线一 峰值一 破 坏 特征 ，表 明 岩 石 内部 不 同程 度 的 存 在 裂 隙 。 在 第 5 期 李 国彪 ，等 ：三交 河煤 矿巷道围岩物理力学性质测试研究 8 7 轴 向压力作用下 ，初始阶段 ，裂 隙沿着试 件轴 向 逐 渐 压 密 ；然 后 进 入 弹 性 阶 段 ，主 应 力 继 续 增 加 ，试 件 内部 裂 隙 发 生 横 向扩 展 ，岩 石 进 入 塑 性 轴向应变m m l mm 图 5 2 煤 顶 板 泥 岩 应 力一 应 变 曲线 阶段 ；最 后 随着 轴 向力 增 加 裂 隙 进 一 步 扩 展 ，强 度达到峰值 ，试件脆性破坏 。 轴向应变m mlmm 图 6 2 煤应力一 应变 曲线 3 结论 1 )三 交 河 煤 矿 2 下煤 平 均 密 度 比煤 2 上略 大 ； 泥岩 平 均 密 度 相 差 不 大 ；老 顶 K8中 砂 岩 平 均 密 度 最 大 ，为 2 7 2 7 1 5 k g m。 。2 下煤 平 均 含 水 率 最 大 ，为 1 2 1 ，略高于 2 煤 ；泥岩平 均含水 率 次 之 ；老 顶 K8 中 砂 岩 平 均 含 水 率 最 低 ， 为 0 4 1 。 2 )三交河煤矿 2 E煤单 轴抗压强度平均值 为 1 5 5 3 MP a 。2 下 煤 单 轴 抗 压 强 度 平 均 值 为 轴 向应 变mm m m 图 7 2 煤应力一 应变 曲线 9 8 9 MP a 。2 E煤 和 2 下 煤 直 接 顶 底 均 为 泥 岩 ，但 平均 单轴 抗压 强度 相差 较大 ，分别 为 2 6 1 3 MP a和 5 4 3 2 MP a 。在 单轴 压缩试 验 条件 下 ，应 力一 应 变 曲 线都 具有 上 凹一 直线 一 峰值一 破坏 的变 化特 征 。 参考文献 1 黄庆国，徐青云甘庄 矿煤 岩物理力学性质 测试 研究 J 山东煤炭科技 ，2 0 1 0( 6 ) ：1 5 9 1 6 0 2 李府泉 围岩物理力学参数及稳定性分类 J 煤炭工 程， 2 01 1 ( 7 ) ： 8 5 8 9 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 ( 上 接第 8 3页 ) 9 5 o 2 。采用新型捕收剂 D T一 1 ，在保证浮选指标 略好 于 常规捕 收 剂及 捕 收剂 成 本 不 增 加 的 前 提下 ， 浮选 分散 剂 水 玻 璃 的 用 量 较 煤 油 、柴 油 、丁 基 黄 药等传统捕收剂及 YZ捕收剂减少 6 O 以上 ，不仅 减少 了选 矿 成 本 ，而且 还 有 利 于 解 决 后 续 因水 玻 璃用量过大而引起 的尾 矿水沉降速度 慢、回水利 用 困难 的问题 。 _ 参考文献 1 任觉世 工业矿产资源开发利用手册 M 武汉 ：武汉工 业大学出版社，1 9 9 3 2 马晶 ，张文钲 ，等钼矿选矿 E M 北京 ：冶金工 业出版 社 ， 2 0 0 8 3 张文钲 世 界钼业 2 o年 J 中国钼业 ，1 9 9 7 ，6 ( 2 1 ) ： 2 O一 2 3 4 B l o s s o n J WMo l y b d e n u mC h i n B u mi n e s Mi n e r a l F a ct s a n d Pr o b l e ms 1 9 8 5 Ed it io n Bu m in e s B6 7 5 1 9 8 5， 5 2 1 5 3 4 D M a l h o t r a ， R M Ro we a n d A K B ha s in，Ev a l u a t i o n o f co l l e ct o r s f o r mo l y b d e n i t e f l o t a t i o n J Mi n e r M e t a l 1 Pr o c e s s 1 9 8 6， 3 ( 3 )： 1 2 8 1 3 l _ C