模拟煤体的材料选择及力学参数

张梦丽， 陈 真

(1.河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454002； 2.中建八局一公司， 山东 济南 250000)

目前，我国主要能源消耗仍然以煤炭为主，煤炭作为我国主要能源的地位在很长一段时间内不会发生本质性改变[1]。随着我国总体经济的不断进步，对煤炭的需求逐渐增多，以至于对各种煤岩体的开挖深度也越来越深，导致煤体所处位置的应力状态和内部介质裂隙分布情况不同，造成煤体空间结构的不均匀性。煤体内部的不均匀性，不利于对煤体进行高压气体冲击致裂的机理研究。因此，逐渐形成了一种模型试验，模型试验结果的好坏取决于相似材料的成分和配比。

1 煤体物理性质及分类

1.1 煤体物理性质

综合大量研究成果发现，煤在逐渐形成岩体后内部介质具有多样性，通过形态各异、大小不同的颗粒积聚形成，且介质内包含大量的细微孔洞和微小裂纹，再加上纹理等软弱结构层的存在，原生煤是一类具有大量初始损伤的非均质岩体[2]。另外，由于煤自身层理结构材料组分的多样化，造成物理力学特性有较大差别，强度和弹性模量的离散性较大；煤体纵波波速实测值相差较大，且具有一定程度的离散性。

根据文献资料显示，煤体各项基本物理力学参数分别为：抗压强度1～35 MPa；抗拉强度0.2～2.5 MPa；弹性模量3～10 GPa；泊松比0.14～0.3；纵波速度1.5～2.4 km/s；容重1.3～1.65 g/cm3；空隙度0.4%[3-4]。

1.2 煤体分类

从基坑支护、煤岩体爆破等现场技术方面，一般把煤体分为软煤、中硬煤和坚硬煤3大类[5-6]。但是，煤体的软硬程度本身就是相对的，截止到目前并没有得到标准的划分。本文基于原生煤体的基本物理力学特性和结构，利用工程分类和试验相结合的方法确定出模拟煤体各类组合材料及其配比，为爆破冲击致裂煤岩体提高煤层气的渗透性提供基础依据，具有非常重要的实用意义。

按照工程方法对煤体进行划分，利用围岩分类的相关国家标准为参考，充分依据煤体的单轴抗压强度、抗剪强度、弹性模量、波速等基本物理力学特性[7]。以煤体爆破冲击致裂的难易程度为工作导向，与煤体现场工程应用相结合，将煤体分为5类，即特硬煤(TY)、坚硬煤(JY)、硬煤(YM)、中硬煤(ZY)和软煤(RM)，如表1所示。

表1 煤体类别参数

2 模拟煤体材料配比

为了使模拟煤体试验达到实际煤体的效果并分析前人对煤体物理力学参数测试的成果[8]，本试验采用水泥、河砂、石膏粉作为基础材料控制模拟煤体的强度，以珍珠粒、云母片和发泡剂作为辅助料控制模拟煤体介质上的微小裂隙、细微孔洞以及结构内部吸附一些游离瓦斯等特点。本次试验分成2次开展，第1次试验根据理论分析对模拟煤体进行基本物理力学特性测试，观察不同材料配比对试验结果的影响；第2次测试在第1次测试数据的基础上，对比模拟煤体试块参数和原生煤体基本物理力学特性参数，再继续将第1次试验材料用量进行对应调整，最终确定出模拟煤体材料配比，材料配比如表2所示。

表2 模拟煤体材料配比

3 煤体力学参数的测试

模拟试验需要将煤体试块的基本物理力学特性参数进行分别测试，即：弹性模量、单轴抗压强度、抗剪强度、波速、密度等。通过测试结果对应研究模拟煤体试块的强度和结构特性[9-10]。单轴抗压强度采用微机控制电液伺服万能试验机进行测量，同时可以记录过程中的应力-应变曲线和计算弹性模量；单轴抗剪强度通过利用岩石弱面剪切试验机进行测试；纵波波速的测试通过采用非金属超声波检测仪量测。

3.1 煤体抗剪强度的测试

模拟煤体抗剪强度试验采用直径50 mm、高度100 mm的圆柱体，通过岩石弱面剪切试验机进行抗剪强度测试，该试验机通过控制横向、纵向负荷速率大小进行调节。最后将测试的结果通过EHC-3100型万能机测试系统进行保存，抗剪试验如图1所示。

(a) (b)

3.2 煤体弹性模量的测试

通过对煤体试块进行单轴压缩测试(如图2所示)，测定出煤体试块的应力-应变全过程曲线。试验利用微机控制电液伺服万能试验机试验系统，该系统通过全自动化数字计算机全程控制。

模拟煤体弹性模量计算公式为：

E=σ/ε

(1)

(a) (b)

通过应力-应变曲线计算模拟煤体的弹性模量，研究煤体试块在竖向压应力作用下的变化过程和变化特性，并同真实煤体进行对比分析，测得的部分应力-应变结果如图3所示。

(a) (b)

3.3 纵波波速的测试

煤体试块纵波波速能够客观反映出煤体自身的强度、孔隙率、密度以及内部结构，在受到冲击荷载作用后产生损伤及裂纹，致使声波传输过程中产生一定程度的绕射、反射等物理现象。本次超声波检测使用的仪器为NM-4A非金属超声波检测分析仪，接收信号采用P50KHZ激发接收探头进行超声波波速测试如图4所示。纵波波速计算公式如为：

V=L/T

(2)

式中：V表示煤体中纵波波速；L表示煤体前后距离长度；T表示煤体中传播时间。

(a) (b)

4 试验结果分析

根据试验结果，对模拟煤体试块进行基本物理力学性能参数统计，如表2所示。从煤体试块的密度、纵波波速、抗剪强度、抗压强度、弹性模量等物理力学参数方面，分析出各类模拟材料的量值对试块基本特性的影响，利用统计试块的相关结果与真实煤体进行对比比较，挑选出与煤体特性最相关的模拟材料和配比。通过对煤体试块测试得到的基本物理力学参数分析，试块的强度和密度最接近真实煤体；纵波波速和弹模正常情况下较真实煤体稍大一点，这和在实验室试块制作过程中，各种材料是否搅拌均匀以及后期养护条件有关。因此，在材料的选择和配比方面，要更加注意添加料的用量才是最关键的。

表3 模拟煤体材料配比

5 结 语

在煤体工程性质分析的基础上，选择煤体试块抗压强度、纵波波速、弹性模量等参数对煤体进行工程分类。通过相似理论区分，选择的模拟材料以水泥、河砂、石膏粉作为基础材料控制模拟煤体的抗剪强度和抗压强度，以珍珠粒、云母片和发泡剂作为辅助料控制模拟煤体介质上的微小裂隙、细微孔洞以及结构内部吸附一些游离瓦斯等特点。最后开展了模拟材料选择测试，对煤体试块的强度、波速、密度和弹性模量等物理力学特性进行测试，且充分研究各组煤体试块的结构特点。将试块测试结果同真煤进行比较最后选出煤体的相似材料和配比，为后期模拟煤体高压气体冲击试验提供依据。