破碎煤体钻孔触探法原位强度测试与分析

雷 顺，杨景贺，司林坡，李建忠

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

破碎煤体钻孔触探法原位强度测试与分析

雷 顺1，2，杨景贺1，2，司林坡1，2，李建忠1，2

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

由于破碎煤体取样效果差，很难获得标准煤样，一般采用现场原位测试煤体强度，而常用的原位测试方法钻孔触探法在测试破碎煤体强度时出现探针跃进不明显问题。在煤体裂隙较发育的新元煤矿进行试验，采用直径分别为6，8，10mm探针对破碎煤体进行钻孔触探法强度测试，对132mm钻孔不同直径探针载荷与油压测试数据进行拟合分析，直径6mm探针两者相关性差，随着探针直径增大，探针载荷与油压拟合度提高，直径10mm探针两者相关关系明显增强。对56mm钻孔测试，两类尺寸钻孔测试数据均表明增大探针直径能够显著提高探针跃进现象，测试数据有效率增长速率由大变小，此外受钻孔直径影响，大直径钻孔比小直径钻孔测试有效率高约10%。

破碎煤体；钻孔触探法；临界载荷；探针；煤体强度

煤体抗压强度是岩体力学中最基本的参数，是矿井开拓部署、巷道布置与支护、煤炭开采及冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害防治必不可少的基础参数[1-2]。煤的单轴抗压强度是研究和分析其力学性质的重要指标，小到煤柱的稳定性，大到研究整个采场覆岩内部的移动规律，都离不开这一指标。国际岩石力学学会ISRM以及国标《煤和岩石物理力学性质测定方法》都对单轴抗压强度的测试有具体要求和规定，根据测试要求将煤块制成标准试样(容易出现煤块存在裂隙无法满足取样要求尺寸)，此外，制备标准试样易出现试样断裂、不完整，如图1所示。原因在于：一是由于煤体较破碎，现场能满足尺寸的煤块不易取到；二是由于煤块中节理裂隙发育，导致取样效果差，取芯率低。

图1 现场和实验室煤样

无论是现场原位测试还是实验室试验，在探究煤岩体强度测试方法和装置仪器方面，国内外学者做了大量研究。如：BPI(Block punch index)测试是一个相对较新的压缩指数测试方法，对样品的核心区域进行增加负荷至试样中部穿孔，测试角度对测试结果影响较大[3]；施密特锤(Schmidt hammer)是一个快速测定岩石强度和变形特性的测试方法，主要应用于混凝土的测试[4]；针式贯入器(Needle Penetrometer)主要是为了在历史遗址、纪念碑和建筑物等特殊的岩石工程研究中进行强度测定而选用的一种新的便携式轻量级测试装置[5]。而钻孔触探法是一种比较适合煤矿井下煤岩体强度的测量方法，它具有以下优点：测定结果比较接近岩体；能够原位测量井下煤岩体强度；能够测量钻孔不同深度、不同层位煤岩体的强度及分布；测量过程简单，可实现快速测量；与现场原位大尺寸压剪试验相比经济得多[6-8]。但是对于破碎煤体钻孔触探法测试过程中出现探针跃进不明显，无法直接测出探针实际输出载荷。因此，本文采用现场试验和统计分析方法，提出探针改进方案并对现场破碎煤体进行强度测试，分析破碎煤体钻孔触探法探针适用性。

1 试验内容及方法

1.1 试验地点

新元煤矿开采3号煤，煤层埋深约550～600m之间，煤层厚度2.7～3.10m，平均2.90m，倾角1～4°，平均3°，煤层粘结强度低，裂隙较发育，以小型裂隙和微裂隙为主，现场取样效果很差，取芯率低。本文试验地点选在该矿31004辅助进风巷道煤帮。

1.2 原位测试改进

原有钻孔触探法围岩强度测试仪器是采用直径为54mm探头在56mm钻孔中进行围岩强度测定[8]。探头内的探针直径为5mm，随着探针伸出与孔壁接触，当探针压力到达钻孔孔壁岩石的临界压力时，探针位移会出现突然跃进现象，孔壁岩石发生破坏同时会伴随破坏产生的劈裂声，这些特征可以用来判断探针压力的临界点[9-11]。

而对于破碎煤体现场测试过程中采用直径为5mm探针跃进现象不明显，探针缓慢插入煤体，无法判断探针压力的临界点。因此，为了解决上述问题，以及准确获得探针处的压力值，在原来钻孔触探仪测试基础上，调整探针直径且在探针前端增设压力传感器，排除管路阻力和系统损失导致测试的煤体强度与实际结果偏差等问题。为满足整体外形尺寸要求将钻孔直径扩大至132mm，改进后钻孔触探仪探头结构如图2所示。

1—探头；2—衬块；3—垫板；4—微型压力传感器；5—可变换探针头；6—紧固螺栓；7—连接杆图2 钻孔触探仪探头改进结构

1.3 现场测试数据

在新元煤矿31004辅助进风巷道煤帮进行打孔试验，先打设直径56mm钻孔，孔内测试点径向以120°布置测试3个点分别对应直径6，8，10mm探针，轴向由里往外间隔为50mm，测试完毕后在直径56mm钻孔位置套取直径132mm大孔。

在56mm钻孔内采用钻孔触探法测试不同直径探针油压值，测试数据见表1。

表1 不同探针直径钻孔触探法测试数据(钻孔直径56mm)

注：“*”为测试点无跃进现象；“-”为测试无效点标记。

在扩孔后的132mm钻孔内采用图2所示改进后的钻孔触探仪探头测试油压和探针载荷值，由于煤体破碎，1号孔扩孔时出现塌孔，故测试2～5号孔不同直径探针油压和探针载荷值，见表2。

表2 不同探针直径钻孔触探法测试数据(钻孔直径132mm)

注：“*”为测试点无跃进现象；“-”为测试无效点标记；“()”中为测试点探针载荷值；不带“()”为测试点油压值。

2 测试数据分析

2.1 钻孔触探法探针载荷与油压的关系

在直径为132mm钻孔内采用不同直径探针进行钻孔触探法测试其探针载荷与油压，对测试数据进行拟合分析得到曲线(图3)、回归方程以及对应相关系数(表3)。

从图3可以看出，直径6mm探针载荷与油压有效数据点为9个且两者相关性差，直径10mm探针载荷与油压有效数据点为22个且两者有中度相关关系。随着探针直径增大，探针载荷与油压拟合度也提高，两者相关性明显增强。

图3 不同直径探针载荷与油压拟合曲线

2.2 探针直径适用性分析

将现场直径为56，132mm钻孔内采用不同直径探针进行钻孔触探法测试，对得到的数据统计分析，具体统计参数见表4。

表3 不同直径探针载荷与油压拟合方程

表4 两类钻孔不同直径探针测试数据统计

注：“/”左右数据分别表示钻孔触探法测试点个数和有跃进现象点个数。

由于煤体结构存在大小不一的裂隙采用钻孔触探法测试时需要根据测试煤体的完整性选择合适的探针，而对于破碎煤体从表4可以看出，无论钻孔直径是56mm或132mm，随着探针直径的增大，探针测试有效率明显提高即测试点有明显跃进现象。从图4可以看出，随着探针直径的增大，测试数据有效率增长速率由大变小，此外受钻孔直径影响，大直径钻孔比小直径钻孔测试有效率高。通过上述对测试数据统计与分析，采用增大探针直径方法进行现场破碎煤体钻孔触探法测试取得明显效果，大大提高了数据有效性和之前探针跃进不明显现象，解决了钻孔触探法在破碎煤体测试中出现的问题。

图4 两类钻孔不同直径探针与测试点有效率折线

3 结论与讨论

通过现场试验建立了破碎煤体钻孔触探法探针载荷与油压的关系，并研究了破碎煤体钻孔触探法探针直径对其强度测试适用性。主要结论与不足：

(1)相比之前的钻孔触探仪，本文在直径132mm钻孔内通过改变探针直径进行现场适用性测试，建立了不同直径探针载荷与油压的关系，随着探针直径增大，探针载荷与油压拟合度也提高，从测试结果看出直径10mm探针相比6mm探针载荷与油压两者的相关关系显著提高。

(2)在现场直径为56，132mm钻孔内采用不同直径探针进行钻孔触探法测试，由数据统计分析可得，通过增大探针直径能够显著提高探针跃进现象，钻孔直径132mm、探针直径10mm测试有效率可达到78.6%，有利于准确判断和分析测试煤体临界载荷，解决了钻孔触探法在破碎煤体测试中探针跃进不明显问题。

(3)随着探针直径的增大，测试数据有效率增长速率由大变小，此外受钻孔直径影响，大直径钻孔比小直径钻孔测试有效率高约10%。

由于测试受各种因素影响，通过现场钻孔触探法试验获得探针载荷与油压值往往呈现一定的随机性。此外，只基于直径为6，8，10mm 3种探针进行测试和数据分析，对于其他直径的探针还需进一步测试分析研究。

[1]康红普.煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制中的应用[M].科学出版社，2013.

[2]康红普，林 健.我国巷道围岩地质力学测试技术新进展[J].煤炭科学技术，2001，29(7):27-30.

[3]Roghanchi P，Kallu R R.Block punch index (BPI) test—a new consideration on validity and correlations for basalt and rhyolite rock types[J].Journal of Mining Science，2014，50(3):475-483.

[4]Schmidt E.A non-destructive concrete tester[J].Concrete，1951，59(8):34-35.

[5]Ulusay R，Erguler Z A.Needle penetration test：Evaluation of its performance and possible uses in predicting strength of weak and soft rocks[J].Engineering Geology，2012，149(4):47-56.

[6]康红普，司林坡.深部矿区煤岩体强度测试与分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28(7):1312-1320.

[7]王 凯，俞启香.钻孔法测定煤体强度的研究[J].煤炭学报，1998，23(6):601-605.

[8]司林坡.小孔径钻孔触探法围岩强度测试原理研究及应用[D].北京：煤炭科学研究总院，2006.

[9]鲍海山，杨厚柱.WQCZ-1型围岩强度测定装置[J].煤炭科学技术，1988(4):27-29.

[10]司林坡，康红普.钻孔触探法围岩强度原位测试[J].煤矿开采，2006，11(4):10-12.

[11]司林坡.煤矿井下空心包体应力解除法地应力测量层位选择方法[J].煤矿开采，2015，20(4):18-22.

[责任编辑：林健]

AnalysisandDrillingIn-situPenetrationStrengthMeasurementofBrokenCoal

LEI Shun1,2，YANG Jing-he1,2,SI Lin-po1,2，LI Jian-zhong1,2

(1.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Standard coal sample was hardly obtained as worse sampling of broken coal sample，and coal strength was tested by field In-situ measurement in field，but the problem that probe leaped forward unapparent appeared during broken coal strength testing with drilling in-situ penetration method.An experiment was done in Xinyuan coal mine,where coal fractures developmental，and drilling in-situ test with different diameter probes were tested，the diameter were 6,8 and 10mm，respectively，fitting analysis of different diameter probe loading and oil pressure data in drill hole was done，which diameter is 132mm，the relativity of two was worse as diameter was 6mm，the fitting degree increased with probe diameter increased，and the relativity of two increased obviously as diameter was 10mm.And the test also done in drill hole that diameter was 56mm，the testing data showed that probe leaped forward could be improved with probe diameter increased,but the rising rate of testing data effectively rate，and the results also influenced by hole diameter，the testing effectively rate in large diameter hole improved about 10% than in small diameter hole.

broken coal；drilling penetration method；critical load；probe；coal strength

TD313.3

A

1006-6225(2017)05-0013-04

2017-06-21

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.004

“十三五”国家科技重大专项(01101002)；天地科技创新基金项目(KJ-2015-TDKC-06)

雷顺(1993-)，男，山西平遥人，在读硕士研究生，研究方向为巷道矿压理论和支护技术。

雷 顺，杨景贺，司林坡，等.破碎煤体钻孔触探法原位强度测试与分析[J].煤矿开采，2017，22(5)：13-16.