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1962020 年第 9 期 不同放煤工序煤岩体破断机理试验研究 段志旭 （同煤集团虎龙沟煤业公司，山西 朔州 038300） 摘 要 为研究煤岩体放煤过程中采动应力规律及破坏机理，分析了在不同放煤工序下煤体的破断过程和规律以及煤岩 体的力学强度及破坏模式。结果表明，顺序放煤时，在煤岩峰值应力附近出现了较大的变形，而间隔放煤和两端向中间放 煤加载变形前期能量耗散较少，峰值后阶段的灾变破坏动能储备充分，易发生猛烈突然的能量急剧释放与破坏。 关键词 三轴试验 放煤工序 应力 - 应变 破断机理 中图分类号 TD823.49 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.09.073 Experimental Study on Breaking Mechanism of Coal Rock in Different Coal Discharge Process Duan Zhixu Datong Coal Mine Group Hulonggou Coal Industry Company, Shanxi Shuozhou 038300 Abstract In order to study the mining stress law and failure mechanism in coal discharge process of coal rock mass, this paper simulates and analyzes the breaking process and law of coal mass under different coal discharge processes, and analyzes the mechanical strength and failure mode of coal rock mass. The results show that large deation occurs near the peak stress of coal and rock during sequential caving, while energy dissipation is less in the early stage of deation with interval caving and loading from both ends to the middle coal caving, and the kinetic energy reserve of catastrophic damage is sufficient in the post peak stage, which is prone to violent and sudden energy release and damage. Key words triaxial test coal discharging process stress-strain breaking mechanism 收稿日期 2020-03-01 作者简介 段志旭（1989），男，助理工程师，采煤专业，学 士学位，现就职于同煤集团挖金湾虎龙沟煤业公司安监部。 在放煤过程中，对工作面顶煤应力状态的研究 甚少，而矿下采煤工作面是距离作业人员最近的地 方，也是瓦斯集中涌出危险最大的部位，因此对工 作面顶煤应力状态的研究显得尤为重要 [1-3]。采用室 内三轴力学试验，通过轴压来模拟支承压力，围压 模拟水平应力，便可模拟煤岩体放煤过程中采动应 力规律及破坏机理 [4]。本文正是通过三轴试验来模 拟顺序、间隔和两端向中间放煤过程中的顶煤破断 机理。 1 试验基本参数的选取 在试验过程中，如何确定顶煤煤岩体峰值应力 大小及轴向和环向应力比例十分关键。在放顶煤开 采过程中，煤岩在三种不同放煤方式下的应力集中 系数 K 值不同，且煤层厚度及顶煤的部位不同，K 值也存在差异。通过数值模拟分析，7 m、11 m 及 19 m 煤层“危险区域”分别位于顶煤中部、下部和 下部。7 m 薄煤层在顺序、间隔和两端向中间放煤 过程中，K 值分别为 1.83、2.21、2.53；11 m 较厚 煤层下部在顺序、间隔和两端向中间放煤过程中， K 值分别为 1.78、1.81、2.08；19 m 特厚煤层下部 “危险区域”在顺序、间隔和两端向中间放煤过程 中，K 值分别为 1.84、1.87、2.19。因此，在顶板 及煤层物理力学性质相似的情况下，顺序放煤工作 面顶煤应力集中系数概化为 1.501.80，而间隔放煤 为 1.802.10，两端向中间放煤为 2.102.50。 2 试验测试设备及试验方案 2.1 试验设备 本次试验使用的试验设备是 MTS815 Flex Text GT 岩石力学测试系统，如图 1 所示。设备主要技 术指标如下 （1）静力学试验 轴 向 荷 载4600 kN（ 压 缩）、2300 kN（ 拉 伸）；轴向位移0100 mm（50 mm）；围压 140 MPa；温度室温 020℃。 1972020 年第 9 期 段志旭不同放煤工序煤岩体破断机理试验研究 （2）动力学试验 振动频率最大达 5 Hz 以上；相位差02π 任意设定。 （3）主要测量技术性能指标 轴向荷载04600 kN（压缩）、02300 kN（拉 伸） ；轴向位移0100 mm （50 mm） ；轴向变形 4 mm（单轴双桥测量）、-2.5 mm5.0 mm（三轴 高温高压双桥测量）；横向变形-2.5 mm 12.5 mm（单轴）、-2.5 mm 8.0 mm（三轴高温高压）。 2.2 试验方案 本次试验的试样来自 26 号煤块，共选取了 6 个试样 M26-3、M26-4、M26-7、M26-8、 M26-9、 M26-10 进行模拟试验。M26-3 试件表示该试件是 钻取自 26 号煤块的第 3 个试件。试件尺寸、质量 等基本信息参见表 1。 图 1 MTS815 岩石力学测试系统 表 1 试样基本信息表 试件 编号 直径 /mm 高度 /mm 试件体积 /cm3 试件质量 /g 试件密度 / （g/cm3） 初始应力 /MPa 试验 类型 26-347.66 99.77 177.88 270.30 1.52 12.00 破坏全 过程 26-947.68 101.16 180.53 270.32 1.50 12.00 26-447.79 98.83 177.18 270.11 1.52 12.00 26-747.65 100.52 179.15 278.96 1.56 12.00 26-847.67 102.15 182.21 277.63 1.52 12.00 26-1047.70 100.14 178.82 270.52 1.51 12.00 试验过程中，通过升高轴压的同时卸载围压， 来模拟顶煤垂直应力升高和水平应力降低的变化， 对应具体模拟试验步骤如下 （1）静水压力阶段以 3 MPa/min 的加载速 率施加围压压力至 12 MPa，即图 2 中 OA 段； （2）卸压加载阶段3 种不同放煤工序条件下， 煤岩体受采动应力影响均由静水压力状态逐渐变化 至对应轴向应力集中系数，煤岩体在顺序放煤、间 隔放煤、两端向中间放煤等 3 种典型放煤工序条件 下破坏时分别等于1.5、 2.0、 2.5， 轴向应力差 （σ1 -σ 3） 增加和横向应力 σ3卸载之比分别为 1.6251、2.251、 2.8751，分别对应图 2 中 AB 段、AC 段、AD 段。 3 试验结果分析 3.1 力学强度 试验煤样应力～轴向应变、环向应变及体变 曲线见图 3。由图可知，在顺序、间隔及两头向中 间这三种放煤方式下，煤岩试件峰值应力分别为 19.21 MPa，25.3 MPa 和 27.69 MPa，煤岩体应力集 中系数 K 值分别为 1.61、2.10 和 2.31，与 7 m 薄煤 层中部“危险区域”在顺序、间隔和两端向中间放 煤过程中的应力集中系数较为接近。比较不同放煤 方式的应力应变曲线可知，轴向变形、横向变形和 体积变形在峰值应力时突然下跌，顺序放煤体积出 现了破坏阶段的体积膨胀，而其他放煤方式未出现 体积膨胀。 图 2 不同放煤工序试验加载路径示意图 段志旭不同放煤工序煤岩体破断机理试验研究 1982020 年第 9 期 （1）26-3 应力应变曲线（顺序放煤） （2）26-9 应力应变曲线（顺序放煤） （3）26-4 应力应变曲线（间隔放煤） （4）26-7 应力应变曲线（间隔放煤） （5）26-8 应力应变曲线（两端向中间放煤） （6）26-10 应力应变曲线（两端向中间放煤） 图 3 不同放煤方式下煤岩体应力 - 应变曲线 3.2 破坏模式 各试件在试验前后的外观对比见图 4。可以看 到，不同放煤工序条件下，均发生剪切破坏，破裂 面都是沿着试件内部“薄弱”层理面发生扩展，且 试件破坏时发生比较显著的变形，这主要是煤岩内 部裂纹产生、扩展和汇聚的结果。试验过程中，应 力首先在试件端部层理处急剧增加，并开始出现裂 纹，逐渐沿着层理方向扩展和汇聚，在围压降到某 个临界值时，试件内部微小裂纹沿主应力方向贯通。 试验测试前 加载破坏后 M 26-3（顺序放煤） M26-9（顺序放煤） M26-4（间隔放煤） 1992020 年第 9 期 段志旭不同放煤工序煤岩体破断机理试验研究 M26-7（间隔放煤） M26-8（两端向中间放煤） M26-10（两端向中间放煤） 图 4 煤样试验前后形貌对比 虽然三种放煤方式下煤岩试件都是剪切破坏， 但煤岩体破坏特征存在差异，具体表现为煤岩试 件端部起裂点的部位、破坏面的大小、破坏面与轴 向的夹角及整个破坏过程的速率不同。表 2 为三种 不同放煤方式下破坏面与轴向的夹角统计表，可以 看到，三种放煤方式下破坏面与轴向的夹角逐渐增 大。另从试件破坏形态可以看到，三种放煤方式下， 试件端部起裂点的位置也存在差异。主要体现为 顺序放煤时，起裂点主要位于试件直径方向的端点 处；间隔放煤时，试件端部的起裂点稍微远离端点； 在两端向中间放煤时，起裂点靠近试件端部的圆心 处。这表明，放煤方式不同，煤岩试件内部起裂点 的位置存在差异，是一个试件端部逐渐向着圆心靠 近的过程。 另从试件破坏形态还可以看到，三种放煤方式 下，煤岩体破坏发生的时间存在差异，即破坏速率 不同。顺序放煤时，由于轴向应力差（σ1 -σ 3）增加 和横向应力 σ3卸载之比在三种放煤方式中最小，其 破坏过程较为缓慢。而相对顺序放煤，后两者煤岩 试件在达到峰值应力后迅速发生破坏，是一个相对 快速激烈的过程。表明间隔放煤和两端向中间放煤 时煤岩试样显著的扩容破坏将发生于峰值后期，宏 观裂纹的迅速扩展与破坏阶段。可以推测，在间隔 和两端向中间放煤时，如果煤岩所处初始地应力环 境较高，且煤岩体材料本身坚硬完整，内部将会聚 集大量的弹性应变能；如果考虑坚硬顶底板、坚硬 煤层的三硬条件，那么在放顶煤开采过程中，采用 间隔及两端向中间放煤时，顶煤煤岩在采动应力的 影响下，可能导致弹性应变能的突然猛烈释放，同 时顶煤煤岩体内部将会产生大量的裂隙，这将为瓦 斯的集中涌出提供通道，影响煤炭的安全开采。 表 3 不同放煤工序下煤样破坏面与轴向的夹角统计表 试件编号放煤工序 破坏面与轴向的夹角 /（） 平均值 /（） 26-3 顺序放煤 27.0 28.4 26-930.0 26-4 间隔放煤 36.0 34.0 26-732.0 26-8 两头向中间 放煤 42.0 38.4 26-1035.0 综合以上试验分析可知，顺序放煤时，顶煤对 应的应力最小，间隔放煤其次，两端向中间放煤对 应的应力最大，是最危险的一种放煤方式。因此建 议在进行不同厚度煤岩的开采时，首先应该选用合 理的放煤方式。 4 结论 （1）顺序放煤时，煤样的破坏是一个“缓慢” 的过程，在煤岩峰值应力附近出现了较大的变形， 对应的体积变形出现了体积膨胀。间隔及两端向中 间放煤，煤岩试件在达到峰值应力后迅速发生破坏， 是一个相对快速激烈的过程。 （2）在顺序放煤过程中，煤样裂纹缓慢有序 地扩展连通，而间隔放煤和两端向中间放煤时，煤 样材料的情况与其相反，加载变形前期能量耗散较 少，而峰值后阶段的灾变破坏动能储备充分，易发 生猛烈突然的能量急剧释放与破坏。 【参考文献】 ［1］ 蒋银华，梁峰，李志华 . 近距离煤层合并综放开 采放煤工艺优化研究 [J]. 中国煤炭，2019，45 （10）81-86. 2002020 年第 9 期 从表 1 和表 2 可以看出，沉降量是随着时间的 推移普遍增大的，但沉降量增加幅度又存在着差异。 其主要原因在于不同的采区开采时间不同，同一采 区不同工作面的开采时间也存在着差异，从而沉降 量在不同位置存在差异。 为了更直观表示沉降量，可将上表数据用折线 图的形式展示，得到相应的沉降曲线图，如图 2、 图 3 所示。 图 2 L7 线监测点沉降量曲线 图 3 L9 线监测点沉降量曲线 3.3 沉降速率分析 沉降速率是用来衡量随着时间的推移沉降快慢 的值，由于研究矿区已经关井闭坑，所以沉降速率 可以用来预测未来的沉降趋势。 选取 L7 监测线上的 GC-72 监测点进行沉降速 率分析。具体的沉降数值见表 3，曲线如图 4 所示。 表 3 GC-72 监测点累积沉降量（单位mm） 监测 点号 2 月 15 日 3 月 15 日 4 月 15 日 5 月 15 日 6 月 15 日 7 月 15 日 GC-723.8-0.511.718.218.919.4 由上表可以得到图 4。 由图 4 可以看出，随着时间推移，沉降速率大 体上呈现降低的趋势，直至沉降量达到一定的稳态。 根据同样的方法可以得到整个监测区的监测点 沉降情况。 图 4 GC-72 监测点累积沉降量曲线 4 结论与展望 整个研究区在本文选取的研究时间段内最大沉 降量为26.9 mm， 平均最大沉降速率约为0.148 mm/d。 六个月内的下沉值不超过 30 mm 即可认定为采煤塌 陷区进入衰退稳定期。据此，整个研究区的沉降量 在半年内均小于 30 mm，研究区进入了稳沉阶段。 同时，该研究区的沉降观测还在继续，通过接下来 的工作也可以进一步来说明未来研究区的沉降情况， 同时也能进一步验证本文研究的准确性。 本文通过对基于测量技术获取的采煤塌陷地沉 降数据的整理，进行了采煤塌陷地沉降量及沉降速 率的分析，进而完成了采煤塌陷地沉陷进程的研究。 这对于了解掌握采煤塌陷地的沉陷过程，掌握后续 的采煤塌陷地的稳沉具有非常重要的数据事实依 据，同时对于尽快进行采煤塌陷地的复垦工作的时 间节点具有重要的指导意义。 【参考文献】 ［1］ 李红慧 . 精密水准测量在常武地区地面沉降监测 中的应用[J].测绘与空间地理信息， 2019， 42 （10） 194-198. ［2］ 李健 .GPS 水准在矿区测量中的应用探讨 [J]. 矿产 与地质，2019，33（05）941-944. ［3］ 王少卿，蔡德水，李新举 . 采煤塌陷地动态监测 管理系统的设计[J].山东国土资源， 2019， 35 （02） 58-63. ［4］ 倪杰 . 济宁市采煤塌陷区动态监测与综合治理研 究 [D]. 济南山东师范大学，2017. ［2］ 王晓 . 近距离煤层同采下组煤放煤顺序的确定 [J]. 煤炭技术，2018，37（10）29-30. ［3］ 刘闯 . 综放工作面多放煤口协同放煤方法及煤岩 识别机理研究 [D]. 焦作河南理工大学，2018. ［4］ 张亚宁，解立赫，张岱岳 . 综放工作面端头放煤 研究进展与展望 [J]. 煤炭工程，2017，49（10） 35-3742. （上接第 188 页） 监测日期 监测日期