沙吉海煤矿砾岩层砾石粒度及强度特征分析

王晓雷，刘治国，吕晓磊

（1.中国矿业大学（北京），北京 100083;2.河北联合大学，河北唐山 063009;3.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013;4.国网能源和丰煤电有限公司沙吉海煤矿，新疆塔城 834411）

沙吉海煤矿砾岩层砾石粒度及强度特征分析

王晓雷1，2，刘治国3，吕晓磊4

（1.中国矿业大学（北京），北京 100083;2.河北联合大学，河北唐山 063009;3.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013;4.国网能源和丰煤电有限公司沙吉海煤矿，新疆塔城 834411）

沙吉海煤矿煤层直接顶板为砾岩层，由砾石和砂岩胶结而成，给巷道支护带来了很大困难，为了安全高效开采煤层，有必要研究砾岩层中砾石的粒度及强度特征。本文对砾岩层中砾石的粒度特征进行了统计分析，统计分析了不同组别砾石数量及体积所占的百分比;采用点荷载测试法对砾石单轴抗压强度进行了测试，结果表明砾石的单轴抗压强度很大，特别是青黑色砾石，一般都在200MPa以上，最高的甚至可达300MPa以上。

砾石;粒度特征;强度特征;点荷载

图1 砾岩层厚度统计分析

目前该砾岩层中的砾石粒度及强度情况尚未进行过研究，因此，为了安全高效开采煤层，有必要先弄清砾岩层中砾石的粒度及强度特征。此外，在新疆准葛尔盆地和什托洛盖煤田中，这种砾石层广泛存在，本文的分析结果对其他矿山也有很大的借鉴意义。

1 砾石粒度特征统计分析

1.1 砾石粒度统计方法

已揭露的砾石形状各异，一般有球体、扁圆体、扁长体及长圆体等。大多数情况，砾石常顺着一个方向延长，这个方向称为长轴［1］。砾石长轴方位的统计，是研究砾石粒度的首要工作［1－2］，因此，本文砾石粒度统计的方法以各砾石长轴方位的大小作为粒径指标进行统计分析。将不同粒径的砾石划分为粒组，统计分析各粒组砾石的数量、体积及其所占的百分比等特征。按照30mm×30mm，40mm×40mm，50mm×50mm，60mm×60mm，70mm×70mm，80mm×80mm，90mm×90mm，100mm×100mm等规格用钢筋制作了筛子，用于筛分不同粒径的砾石。筛分时，首先用筛子进行粗略筛选，然后再人工按照砾石长轴方位进行细选。

1.2 砾石粒度统计结果分析

共筛分了4717块砾石，筛分统计结果如表1所示。由表1可知:30mm以下粒径砾石的数量最多，100mm以上粒径砾石数量最少，随着粒度的增大，所占的数量百分比逐渐下降;40～50mm粒径砾石体积百分比最大，次之为90～100mm及100mm以上粒径砾石;50mm以下粒径砾石占总数量的 74.07%，60mm以下粒径砾石占总数量的84.21%，70mm以下粒径砾石占总数量的88.57%;70mm以下粒径砾石占总体积的50.43%，80mm以下粒径砾石占总体积的60.15%，90mm以下粒径砾石占总体积的72.13%。

从砾石粒度统计结果可知:30mm以下粒径的砾石数量约占总数量的1/3，在该砾岩层中进行锚杆孔钻进时，曾选用φ28mm的两翼合金钻头，钻头均被砾石严重崩坏，磨损严重，其原因主要为钻头28mm的直径与砾石30mm以下的粒径相匹配，而这些砾石起到破坏钻头的作用。为减小钻头的磨损，在选择钻头直径时，应选择直径大于30mm的钻头，如 φ32mm，φ42mm等。30～40mm粒径、40～50mm粒径砾石数量各约占总数量的1/5。由于砾岩层中钻孔，扩孔效果不明显，所以选择稍大直径钻头可以满足锚杆支护要求。此外，钻头形式上宜选择三翼钻头或球形齿钻头，可以减少卡钻现象的发生。50mm以下粒径砾石占到了总数量的74.08%，则有利于采用中空注浆锚杆通过注浆将其胶结在一起，提高其整体强度，从而有利于巷道的安全掘进。

表1 砾石粒度统计

2 砾石强度特征分析

2.1 砾石单轴抗压强度测试方法

由于砾石的形状不规则，大小不一，很难加工成标准的实验试样，故其单轴抗压强度采用点荷载试验仪进行测试，首先测出砾石的点荷载强度Is和I50，然后换算为单轴抗压强度σc，关于换算系数，很多学者有过研究［3－6］，本文采用国际岩石力学学会的建议值22，即σc=22I50。具体转换公式如下:

式中，Is为未经修正的岩石点荷载强度，MPa;P为破坏荷载，N;De为等价岩心直径，mm;D'为上下锥端发生贯入后，试件破坏瞬间的加荷点间距，mm;W为通过两加荷点最小截面的宽度 （或平均宽度），mm;I50为经尺寸修正后的岩石点荷载强度指数，MPa;F为修正系数;σc为岩石单轴抗压强度，MPa。

2.2 砾石单轴抗压强度测试结果分析

砾石颜色主要有灰白色和青黑色2种，通过初期测试，发现灰白色砾石和青黑色砾石在强度上相差很远，青黑色砾石的单轴抗压强度高出灰白色砾石很多。青黑色砾石在砾岩层中的存在，是造成难以钻进锚杆孔的重要因素之一，故又对青黑色砾石的数量及体积进行了统计分析，青黑色砾石数量占总砾石数量的22.6%，体积占总砾石体积的30%，结果如图2，图3所示。

图2 各粒组中青黑色砾石的数量及体积百分比

图3 各粒组青黑色砾石占总数量及总体积的百分比

随机选择了符合实验要求的灰白色和青黑色砾石各100块进行了点荷载测试，测试结果如图4，表2所示。结果表明，砾石的单轴抗压强度很大，灰白色砾石平均单轴抗压强度在100MPa以上，最高的在200MPa以上;青黑色砾石单轴抗压强度更大，一般都在200MPa以上，最高的甚至可达300MPa以上。

由于砾石的这种强度特征，在进行穿孔时，单纯采用回转式钻机切削破岩，如MQT系列锚杆钻机，钻孔时间长，效率比较低;宜选择冲击回转式钻机，如YT28凿岩机，边冲击边回转，可以将粒径较小的砾石挤开，尤其是青黑色砾石，对于粒径大的砾石，在冲击回转双重作用下，利于破碎，提高钻进效率;针对高强度砾石，普通合金钻头难以满足要求，应选择PDC复合片钻头或者耐磨的球齿钻头。

图4 点荷载压坏的砾石

表2 砾石抗压强度测试

3 结论

（1）对沙吉海煤矿砾岩层中砾石的粒度特征进行了统计分析。按照长轴方位将砾石分成了不同组别，统计分析了不同组别砾石数量及体积所占的百分比。统计结果表明，30mm以下粒径的砾石数量约占总数的1/3，在砾岩层中钻进时宜选择直径大于30mm的钻头;50mm以下粒径砾石占到了总数量的74.07%，则有利于采用中空注浆锚杆通过注浆将其胶结在一起，提高其整体强度，从而有利于巷道的安全掘进。

（2）砾石主要由青黑色和灰白色砾石组成，青黑色砾石数量占总砾石数量的22.6%，体积占总砾石体积的30%，青黑色砾石是造成难以钻进锚杆孔的重要因素之一。

（3）采用点荷载测试法对砾石单轴抗压强度进行了测试，结果表明砾石的单轴抗压强度很大，特别是青黑色砾石，一般都在200MPa以上，最高的甚至可达300MPa以上。选择钻机和钻头时，宜选择冲击回转式钻机，配PDC复合片钻头或者耐磨的球齿钻头，边冲击边回转，提高钻进效率。

［1］吴磊伯，马腾云，沈淑敏.砾石排列方位的分析并论述长沙等地白沙井砾石层的沉积构造 ［J］.地质学报，1958，32（2）:201－231.

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［6］郭曼丽.试论岩石点荷载试验的适用性 ［J］.岩土力学，2003，24（3）:488－494.

Gravel Granularity and Strength Characteristic of Boulder Bed in Shajihai Colliery

WANG Xiao-lei1，2，LIU Zhi-guo3，LV Xiao-lei4
（1.China University of Mining ＆ Technology（Beijing），Beijing 100083，China;2.Hebei Union University，Tangshan 063009，China;3.Tiandi Science ＆Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China;4.Shajihai Colliery，Hefeng Coal＆ Power Co.，Ltd，State Grid Energy，Tacheng 834411，China）

Immediate roof ofcoal-seam is gravel seam bonded with gravel and sandstone in Shajihai Colliery which brings difficulty for roadway supporting.So it is necessary that researching gravel granularity and strength characteristic of boulder bed.Gravel quantity and volume percent was analyzed by statistics.Single-axial compression strength was tested by point load method.Results showed that single-axial compression strength of gravel was very large，especially that of lividity gravel usually was over 200MPa，even reaches over 300MPa.

gravel;granularity characteristic;strength characteristic;point load

TD315

A

1006-6225（2012）02-0026-03

2011－11－20

河北省自然科学基金资助项目 （D2010000921）;唐山市科技局资助项目 （10130212C）

王晓雷 （1979－），男，河北邯郸人，讲师，在读博士研究生，主要从事岩土工程专业，软岩工程与深部灾害控制方向。

［责任编辑:施红霞］