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(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

近年來，我國煤炭開采工作已逐漸進(jìn)入深部開采階段，開采深度達(dá)到千米的礦井越來越多。開采深度不斷增加，開采廣度不斷加大，開采速度逐漸加快，地下開采條件愈加復(fù)雜，開采環(huán)境愈加惡劣，應(yīng)力環(huán)境極不穩(wěn)定，巷道支護(hù)困難，礦井災(zāi)害發(fā)生的頻次和烈度顯著增加[1-3]。這些動(dòng)力災(zāi)害中，沖擊地壓最為嚴(yán)重，由于沖擊地壓具有突發(fā)性、瞬時(shí)震動(dòng)性、巨大破壞性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，治理困難，治理效果差[4-6]。因此，從根本上防治沖擊地壓成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

針對沖擊地壓機(jī)理，已形成多種沖擊理論，如強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向理論、變形失穩(wěn)理論、三準(zhǔn)則理論等[7-10]。其中，能量理論[11-13]以傳統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，從能量角度揭示了沖擊機(jī)理，受到普遍認(rèn)可。能量理論認(rèn)為，礦體與圍巖構(gòu)成了力學(xué)平衡系統(tǒng)，在礦山壓力作用下積聚大量彈性能，當(dāng)?shù)叵鹿こ淘斐傻V體-圍巖平衡系統(tǒng)達(dá)到其破壞極限時(shí)，即該系統(tǒng)積聚的能量大于破壞消耗的能量時(shí)，盈余能量會以動(dòng)能等形式對外釋放，使得破碎的煤巖體向采掘空間噴出，形成沖擊地壓。能量理論雖然從能量積聚的角度闡述了沖擊機(jī)理，但并未說明能量的積聚位置。而礦體-圍巖系統(tǒng)是由多種軟硬不一的巖層相間互層構(gòu)成的[14-17]，不同性質(zhì)的巖層能量積聚能力也各不相同，因此能量在礦體-圍巖系統(tǒng)中分布不均。能量理論僅僅把圍巖系統(tǒng)看作一個(gè)整體來研究[18]，沒有考慮圍巖系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，對能量在不同層位積聚情況，缺乏必要認(rèn)識和論證。因此，探討能量在不同硬度巖層上的積聚情況，有助于發(fā)現(xiàn)能量在縱向?qū)游簧系姆e聚規(guī)律，確定能量積聚的關(guān)鍵巖層(“能量關(guān)鍵層”)，進(jìn)一步揭示沖擊機(jī)理，從而縮小防沖區(qū)域，使防沖工作更具針對性。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對煤巖組合體開展了大量研究。Tan等[19]研究了非均質(zhì)組合體沖擊傾向性和聲發(fā)射特征；Zuo等[20]認(rèn)為煤巖組合體的破壞主要發(fā)生在煤上，同時(shí)圍壓、組合方式、加載條件對組合體失穩(wěn)破壞也起著重要的作用；劉少虹[21]研究了動(dòng)靜加載下的煤巖組合體沖擊效應(yīng)；姜耀東等[22]對不同軸向載荷下煤巖組合體失穩(wěn)特性做了研究；王曉南等[23]針對煤層和頂?shù)装鍢?gòu)成的煤巖組合體的聲發(fā)射、微震規(guī)律做了研究；付斌等[24]運(yùn)用RFPA模擬軟件模擬了不同傾角下的煤巖組合體的沖擊情況。牟宗龍等[25]通過分析煤巖組合體受載過程中參數(shù)變化規(guī)律，提出了煤巖組合體失穩(wěn)破壞判據(jù)。秦忠誠等[26]研究了組合方式對煤巖組合體的力學(xué)特性和沖擊效應(yīng)的影響；Petukhov等[27]分析了二元系統(tǒng)和頂板-煤層系統(tǒng)峰值后的穩(wěn)定性行為；Vakili等[28]針對頂煤嵌入煤巖組合系統(tǒng)開發(fā)了一種新的破壞評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；Mohtarami等[29]用穩(wěn)定性分析的理論模型研究了土體與巖石之間的相互作用。以上專家學(xué)者針對組合體力學(xué)特性、沖擊效應(yīng)、失穩(wěn)評價(jià)等方面做了大量研究，但針對煤巖組合體失穩(wěn)破壞前的能量積聚情況卻鮮有涉及。

據(jù)此，筆者對黑龍江峻德煤礦煤巖單體試件進(jìn)行了單軸壓縮破壞實(shí)驗(yàn)，探究了煤巖單體試件破壞前的能量積聚和耗散情況，并以此為基礎(chǔ)，自主設(shè)計(jì)了煤巖組合體實(shí)驗(yàn)方案，探究了組合體破壞前能量在各組分的積聚和耗散釋放情況，發(fā)現(xiàn)能量積聚、耗散規(guī)律，從而確定沖擊地壓“能量關(guān)鍵層”，并提出直接釋能和間接釋能兩種防沖思路，以期為沖擊地壓防治提供理論支撐。

1 煤巖單體實(shí)驗(yàn)

1.1 試件加工

實(shí)驗(yàn)以黑龍江峻德煤礦17煤層及頂?shù)装鍨檠芯繉ο螅?7煤層平均煤厚為9.04 m，煤層平均傾角為6°，老頂為堅(jiān)硬的細(xì)砂巖，直接頂為粗砂巖，底板以粉砂巖為主。試件從現(xiàn)場取樣到加工成型盡可能保持試件原始狀態(tài)。試件加工嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法(GB/T 23561—2009)》執(zhí)行。

1) 所用試樣均取自巷道的同一地點(diǎn)，保證了試樣在實(shí)驗(yàn)時(shí)具有可比性，試樣取出后迅速用薄膜包住，放入封閉的木箱中，保證試樣不受外部干擾。同時(shí)記錄采樣時(shí)間、樣品名稱、采集地點(diǎn)等。

圖1 部分巖樣照片F(xiàn)ig.1 A picture of some prepared rock specimens

圖2 巖石試驗(yàn)系統(tǒng)圖

2) 用取芯機(jī)取出直徑50 mm的試樣，取樣時(shí)鉆頭應(yīng)垂直于試樣的紋理。

3) 用切割機(jī)切割出長100 mm、直徑50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。

4) 使用磨平機(jī)將試件的兩端面磨平，防止出現(xiàn)斷面不平應(yīng)力集中。對煤、粗砂巖、細(xì)砂巖三種不同硬度的試件加工6個(gè)試件，如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用TAW-2000 KN微機(jī)控制電液伺服巖石實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖2)對煤巖樣進(jìn)行全過程破壞實(shí)驗(yàn)，用引伸計(jì)測試件應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸出試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，以及抗壓強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)，由應(yīng)力應(yīng)變曲線積分可得試件峰前積聚的彈性能、峰后損耗的變形能，計(jì)算得到?jīng)_擊能量指數(shù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)采用位移加載，加載速率0.005 mm/s。實(shí)驗(yàn)得出煤巖樣應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖3)，試件破壞形態(tài)如圖4。

為減小實(shí)驗(yàn)誤差，對煤(coal，C)、細(xì)砂巖(fine sandstone，F(xiàn))、粗砂巖(gritstone，G)6組參數(shù)數(shù)據(jù)求平均值，如表1所示。由表可知，抗壓強(qiáng)度：F>G>C；彈性模量：F>G>C；峰前能量：F>G>C；煤為強(qiáng)沖擊，細(xì)砂巖和粗砂巖為弱沖擊；三種巖石在相同應(yīng)力的條件下，能量積聚順序：C>G>F。

圖3 試件應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 煤巖樣破壞形態(tài)

試件Rc/MPaE/MPaEs/kJEx/kJKEC12.45968.030.1020.0137.615F125.973 522.4518.2827.8002.344G55.462 384.582.5980.9192.827

注：C—煤；F—細(xì)砂巖；G—粗砂巖；Rc—抗壓強(qiáng)度；E—彈性模量；Es—峰前能量；Ex—峰后能量；KE—沖擊能量指數(shù)，下同。

2 煤巖組合體實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

圖5 不同組合體組合模型

工程實(shí)際中，煤與圍巖組成的系統(tǒng)在高地應(yīng)力條件下積聚大量能量，當(dāng)這些能量迅速釋放時(shí)，系統(tǒng)瞬間失穩(wěn)，發(fā)生沖擊。為簡要模擬礦井沖擊情況，自主設(shè)計(jì)了組合方案(圖5)，部分組合試件如圖6。組合實(shí)驗(yàn)要求：

1) 上下巖塊為同一種巖層的巖塊，中間試件尺寸為標(biāo)準(zhǔn)試件(d=50 mm，l=100 mm)；

2) 為保證軸向壓縮時(shí)，中間試件首先破壞，面積符合S上/下>(Rc中/Rc上/下)·S中條件。因Rc中、Rc上/下由上述實(shí)驗(yàn)已測得，又因中間試件為標(biāo)準(zhǔn)試件，S中=π×252=1 962.5 mm2，可計(jì)算S上/下，便于上下試件尺寸切割；

3) 當(dāng)上下巖塊接觸面積不同時(shí)，為保證巖塊之間受力均勻，不出現(xiàn)應(yīng)力集中，在試件之間架設(shè)鋼板。

圖6 部分組合體試件

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8和表2所示。由應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖7)得知，在壓密階段：GCG組合體、FCF組合體、FGCF組合體、GCFG組合體壓密階段比較明顯，應(yīng)力增值較少，但應(yīng)變較大；其次為CGC組合體、FGF組合體、CFGC組合體；最不明顯的為CFC組合體與GFG組合體，這是由煤、粗砂巖、細(xì)砂巖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所導(dǎo)致的，即煤孔隙裂隙最多，細(xì)砂巖最少。彈性階段：CFC組合體與GFG組合體呈現(xiàn)明顯的彈性階段，在該階段比較穩(wěn)定，GCG組合體、FCF組合體、FGCF組合體、GCFG組合體在該階段也相對比較明顯。塑性階段：GCG組合體、FCF組合體、FGCF組合體、GCFG組合體塑性階段明顯，這是煤中裂紋裂隙不斷閉合，擴(kuò)展的結(jié)果。

圖7 組合試件應(yīng)力應(yīng)變曲線

由組合體破壞形態(tài)(圖8)可知：GCG組合體、FCF組合體、FGCF組合體、GCFG組合體中均有煤試件參與，且煤發(fā)生破壞，煤呈“碎狀”破壞形態(tài)，粒度小，且破壞極不規(guī)則，屬于完全破碎狀態(tài)。這是由于煤試件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所致，煤試件中抗壓強(qiáng)度小，致密度低，孔隙、裂隙較多，甚至出現(xiàn)隱藏的軟弱面，在加載時(shí)裂紋裂隙貫通，極易破碎。CGC組合體、FGF組合體、CFGC組合體中均有粗砂巖試件參與，且粗砂巖發(fā)生破壞，粗砂巖呈“Y型”破壞形態(tài)，破壞不完全，沒有表現(xiàn)出碎狀破壞形態(tài)，這與粗砂巖本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相一致，結(jié)構(gòu)相對致密，無明顯孔隙裂隙出現(xiàn)，但一旦形成破裂面后，孔隙裂隙會沿著破裂面迅速擴(kuò)展，直至失穩(wěn)。粗砂巖破壞時(shí)剪切特征明顯，破碎粒度較大，破碎不完全。CFC組合體與GFG組合體中的細(xì)砂巖破壞極不完全，且破壞時(shí)間迅速，具有明顯的瞬時(shí)破壞特征，實(shí)驗(yàn)過程中會有巖石向周圍彈射，其破壞力度最大，破壞效應(yīng)最強(qiáng)烈。

圖8 部分組合體的破壞形態(tài)

為減小實(shí)驗(yàn)誤差，對各參數(shù)取平均值(表2)。由組合體抗壓強(qiáng)度可知，GCG組合體、FCF組合體、FGCF組合體、GCFG組合體抗壓強(qiáng)度分別為11.11、11.36、10.83和11.27 MPa，比較接近煤試件的抗壓強(qiáng)度；CGC組合體、FGF組合體、CFGC組合體抗壓強(qiáng)度分別為54.47、53.57和54.95 MPa，比較接近粗砂巖的抗壓強(qiáng)度；CFC組合體與GFG組合體的抗壓強(qiáng)度分別為128.15和123.07 MPa，比較接近細(xì)砂巖的抗壓強(qiáng)度。由此可以看出，組合試件的抗壓強(qiáng)度接近中間破壞試件的抗壓強(qiáng)度，上下試件僅僅起到墊層作用。由組合體沖擊能量指數(shù)來看：FCF組合體與CFC組合體沖擊能量指數(shù)較大，為6.020和8.510，屬于強(qiáng)沖擊等級，F(xiàn)GF組合體、GFG組合體沖擊能量指教較小，為2.199和2.798，屬于弱沖擊等級。由此表明：組合體各組分間硬度差別越大，組合體的沖擊效應(yīng)越強(qiáng)，反之則越弱。

表2 組合試件數(shù)據(jù)均值

3 沖擊防治關(guān)鍵巖層的判定

組合體受力分析如圖9，物體間作用力和反作用力大小相等：F1=F2，σ1×S1=σ2×S2。根據(jù)組合體的抗壓強(qiáng)度(σ2)可以求得中間試件的應(yīng)力(σ1)，σ1=(σ2×S2) /S1，如圖10所示。利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件求得中間試件在σ1作用下積聚的能量，記為S(OAε1)，則組合體上下試件積聚的能量E等于組合體總能量S(OBε2)減去中間試件積聚的能量S(OAε1)，如圖11，即

E=S(OBε2)-S(OAε1)。

(1)

以GCG組合體為例，計(jì)算能量積聚百分比。GCG組合體破壞前積聚的能量為0.126 kJ，GCG組合體的峰值應(yīng)力為11.11MPa，由σ1×S1=σ2×S2可得中間標(biāo)準(zhǔn)試件(C)所受的應(yīng)力為11.11 MPa(因?yàn)镾1=S2，所以σ1=σ2)。根據(jù)中間標(biāo)準(zhǔn)試件(C)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，對11.11 MPa應(yīng)力曲線與應(yīng)變圍成的面積積分即為C在該應(yīng)力下積聚的能量(0.090 kJ)；又因?yàn)镚CG組合體破壞前積聚的能量為0.126 kJ，所以積聚在G上的能量為0.126 kJ-0.090 kJ=0.036 kJ。因此，積聚在C中的能量百分比為0.090 kJ÷0.126 kJ=71.4%，積聚在G上的能量百分比為0.036 kJ÷0.126 kJ=28.6%。圖12為組合體各組分積聚能量分布柱狀圖。

圖9 組合體受力分析Fig.9 Force analysis of combined specimen

圖10 組合體能量分析Fig.10 Energy calculation of combined specimen

圖11 能量計(jì)算示意圖Fig.11 Schematic diagram of energy calculation

圖12 組合體各組分積聚能量柱狀圖Fig.12 The accumulating energy histogram of components in a combination

1) 二元組合體能量積聚分析：GCG、CGC組合體中，積聚在煤層上的能量分別為0.090和10.250 kJ，占總能量的71.4%和79.6%，粗砂巖占28.6%和20.4%。FCF、CFC組合體中，積聚在煤試件上的能量分別為0.092和68.560 kJ，占總能量的88.5%和79.0%，粗砂巖占11.5%和21.0%。FGF、GFG組合體中，積聚在粗砂巖試件上的能量分別為1.926和52.250 kJ，占總能量的61.2%和76.5%，細(xì)砂巖占38.8%和23.5%。煤和粗砂巖上的能量積聚的越多。則耗散或者破壞時(shí)釋放的越多，因此，從能量耗散角度分析，煤和粗砂巖也是能量耗散的關(guān)鍵試件。

2) 三元組合體能量積聚分析：FGCF、GCFG、CFGC組合體中，積聚在煤層上的能量分別為0.094、0.094和10.640 kJ，占總能量的79.8%、74.0%和76.3%，粗砂巖占12.1%、22.0%和18.8%，細(xì)砂巖占8.1%、4.0%和4.9%。由三元組合試件能量分布情況，煤耗散和釋放的能量較多，細(xì)砂巖中能量的耗散和釋放強(qiáng)度較小。

組合試件破壞前，積聚在煤組分上的能量最多，積聚在細(xì)砂巖組分上的能量最少。這表明縱向上軟弱巖層或?qū)訁^(qū)是引發(fā)沖擊地壓能量的主要載體，主導(dǎo)著沖擊地壓的發(fā)生，而堅(jiān)硬巖層或?qū)訁^(qū)僅僅起承載和夾持作用，儲存能量較少。因此，軟弱巖層或由多層軟弱巖層構(gòu)成的層區(qū)是沖擊地壓防治的關(guān)鍵巖層。

利用軟弱巖層是引發(fā)沖擊地壓能量的主要載體這一結(jié)論，從能量角度防治沖擊地壓有兩種思路：一是直接釋能，如把無沖擊危險(xiǎn)或沖擊危險(xiǎn)小的軟弱煤層作為解放層開采，振動(dòng)卸壓爆破形成的卸載帶波及到能量積聚的軟弱巖層，煤體鉆孔卸壓和煤層的注水軟化等；二是間接釋能，即對承載軟弱巖層的堅(jiān)硬頂板進(jìn)行定向裂縫、頂板爆破、頂板切割等。這一結(jié)論，不僅填補(bǔ)了能量理論在能量具體積聚層位研究上的不足，而且對從能量角度防治沖擊地壓提供了理論指導(dǎo)。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)多種軟硬不同的巖層相間互層時(shí)，軟弱巖層是引發(fā)沖擊地壓能量的主要載體，是沖擊地壓防治關(guān)鍵層。這一結(jié)論彌補(bǔ)了能量理論在能量積聚和耗散方面研究的不足，擴(kuò)充了能量理論，進(jìn)一步闡述了沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理。

2) 組合體的沖擊效應(yīng)受各組分硬度的影響。組合體內(nèi)單一組分的硬度不能決定組合體的沖擊特性，組分間硬度的差異程度才是組合體沖擊效應(yīng)的決定性因素。組分間硬度差別越大，組合體沖擊效應(yīng)越強(qiáng)，反之則越弱。

3) 軟弱巖層比堅(jiān)硬巖層更容易耗散和釋放能量，利用這一結(jié)論，從能量積聚和耗散的角度，可采用直接釋能和間接釋能兩種防沖思路。