低强度相似材料正交配比试验研究的方案设计

管育春 谢小平 宋义华 张权坤

摘 要：针对“三软”煤层低强度煤岩体的相似材料配比的准确选取，为贵州省六盘水矿区“三软”煤层开采相似材料二维加载模拟试验提供了重要的理论依据，以及提高试验的准确性、缩短相似模拟试验时间。以米箩煤矿110302工作面的现场地质条件为原型，采用正交配比试验的方法，设计了低强度正交配比试验研究的方案，为合理准确的选取相似材料提供了充分的科学依据。

关键词：“三软”煤层;低强度;相似材料;正交配比试验

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.058

1 工程概況

米箩煤矿位于水城县东南部米箩乡，矿井地理坐标为：东经104o  56′49″～105o  01′50″;北纬26o  23′29″～26o  26′06″。米箩矿井井田范围内含可采及大部分可采煤层15层，含煤岩组为二叠系上统宣威组（P3xn），由砂岩、页岩、泥岩及煤层组合，煤层间的顶、底板多为软质岩构成，稳定性较差，单层煤开采形成采空区后，引发直接顶板崩顶、冒落的可能性较大，对煤层开采造成的不利影响较大。主采1号煤层和3号煤层的110302（里段）工作面，浅灰色泥质砂岩为直接底，厚0.3～1.1m，遇水软化;灰色细砂岩为老底;泥质粉砂岩为直接顶;灰色中细砂岩为基本顶。

2 正交配比试验仪器

六盘水师范学院矿业与土木工程学院躬行楼实验楼采矿工程实验室拥有煤岩及混凝土试样加工仪器设备：SHM-200型双端面磨石机、YT-20型液压多功能脱模器、岩石自动取芯机、岩石自动切割机;岩石物理力学测试及二维相似材料模拟的仪器设备：YAW-2000D型四立柱压力机、SAJS-2000型微机控制电液伺服岩石三轴直剪试验机及相似材料二维加载模拟试验台、LYYS-500KN型电脑控制电液伺服岩石拉力试验机，主要设备如图1～图4所示。

3 正交配比试验方案设计

3.1 相似材料选择

米箩煤矿煤岩层强度比较软弱，岩石单轴饱和抗压强度约为10～130kPa，本次正交配比试验选择优质河沙、碳酸钙、石膏为相似材料，考虑影响相似材料强度的因素主要包括砂胶比、胶结物比及相似材料容重，试验依据三因素四水平正交表进行设计，见下表1所示。

3.2 正交配比试验方案设计

为分析相似材料强度与胶结物比例之间的关系，设计了方案1、2、3、4;为分析相似材料强度与砂胶比之间关系，设计了方案 1、5、6、7 和方案4、8、9、10;为分析相似材料强度与容重之间的关系，设计了方案2、11和方案8、12。正交试验设计12组配比方案，见表2所示。

3.3 试件制作

实验室使用Ф50mm×100mm的圆柱钢筒模具，制作试件尺寸为Ф50mm×100mm，圆柱钢筒通过固定螺栓可拆卸成两半，也可以通过底座螺栓把圆柱钢筒和底座拆卸开。制作试件的时候先把圆柱钢筒模具组装好，制作完试件并待试件干燥以后，将圆柱钢筒拆卸开，便于拆模取出试件。本次相似模拟材料选取粒径小于3.35mm的优质河沙、普通石膏粉及碳酸钙粉，将相似材料按设计配比的骨料和胶结相似材料先用搅拌机搅拌均匀，再加入规定量的水继续搅拌，然后将搅拌均匀的混合相似材料放入圆柱钢筒模具中捣实均匀，干燥1～2天后脱模取出试件，进而干燥养护3～5天即可制成标准试件，每个配比号制作3个试件，共36个，分12组进行物理力学性质参数测试。

参考文献：

[1]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[2]李宝富，任永康，齐利伟等.煤岩体的低强度相似材料正交配比试验研究[J].煤炭工程，2011，26（04）：93-95.

[3]刘海亮，王海龙，刘江波等.低强度相似材料正交配比试验[J].辽宁工程技术大学学报，2014，33（02）：189-192.