杜春林

（山西省煤炭地質(zhì)144勘查院，山西洪洞041600）

沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍煤（巖）體由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動力現(xiàn)象，常伴有煤（巖）體瞬間位移、拋出、巨響及氣浪等。沖擊地壓是一種較為典型的礦山煤巖動力災(zāi)害現(xiàn)象，對礦山安全構(gòu)成很大的威脅，特別是隨著煤礦開采深度的增加，沖擊地壓問題越來越突出。

煤層開采時(shí)，軟弱煤層和堅(jiān)硬巖層組合，在采空條件下，煤、巖體固有的物理力學(xué)性質(zhì)，持續(xù)發(fā)生改變，積聚變形能并且具有沖擊破壞的性質(zhì)稱為煤巖體沖擊傾向性。

《煤礦安全規(guī)程》（2016版）第二百二十六條規(guī)定，有下列情況之一的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行煤巖沖擊傾向性鑒定：（一）有強(qiáng)烈震動、瞬間底（幫）鼓、煤巖彈射等動力現(xiàn)象的；（二）埋深超過400m的煤層，且煤層上方100m范圍內(nèi)存在單層厚度超過10m、單軸抗壓強(qiáng)度大于60MPa的堅(jiān)硬巖層；（三）相鄰礦井開采的同一煤層發(fā)生過沖擊地壓的；（四）沖擊地壓礦井開采新水平、新煤層。

四通煤業(yè)2號煤層四、五采區(qū)鉆孔揭露上組2號煤層埋深436.64～522.19m,頂板100m范圍內(nèi)存在單層厚度8.80～12.80m的細(xì)粒砂巖，頂板30m范圍有完整的堅(jiān)硬細(xì)粒砂巖巖層，測得其單軸抗壓強(qiáng)度57.7MPa。五采區(qū)2504順槽，掘進(jìn)期間巷道每掘進(jìn)300m需起底一次，底鼓0.40m,人工起底；順槽掘進(jìn)完成后整體由掘進(jìn)機(jī)起底一次，起底厚度平均1m。四采區(qū)2402工作面回采期間，2402兩順槽隨回采平均底鼓1.50m，幫縮1.20m，隨回采進(jìn)行起底。本礦有兩項(xiàng)符合《煤礦安全規(guī)程》（2016版）第二百二十六條規(guī)定。

通過煤巖體沖擊傾向性測試及分析，不僅能夠科學(xué)地認(rèn)識四、五采區(qū)煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)，而且對四通煤業(yè)今后沖擊地壓預(yù)測、監(jiān)測和綜合防治工作，安全高效生產(chǎn)，提供必要的科學(xué)依據(jù)。

1 礦井、地質(zhì)概況

1.1 礦井概況

四通煤礦位于山西省臨汾市堯都區(qū)，行政區(qū)劃屬堯都區(qū)河底鄉(xiāng)管轄。井田位于河?xùn)|煤田南部東側(cè)，面積22.6721km2，批準(zhǔn)開采煤層為2、3、10號煤層，礦井生產(chǎn)能力為1.50Mt/a。礦井共劃分為2個(gè)煤組進(jìn)行開采（上組：2上、2中、2下和3號煤層；下組：10號煤層），2上、2中、2下總稱為2號煤層，其中礦井上組煤共劃分為7個(gè)采區(qū)。首采區(qū)為五采區(qū)和四采區(qū)。五采區(qū)傾向長約0.65km，走向長約2～2.5km，面積約1.50km2；四采區(qū)傾向長約1.1km，走向長約1.8～2.4km，面積約2.30km2。在五采區(qū)2中、2下煤層間距較小，部分合并，2中、2下煤層合并開采，布置一個(gè)中厚煤層綜采工作面，平均采高3.5m；在四采區(qū)2上煤層布置一個(gè)薄煤層綜采工作面，平均采高1.5m。采用長壁式采煤法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。井田內(nèi)10號煤層目前沒有開采。

1.2 地質(zhì)概況

1.2.1 煤層

表1 可采煤層特征一覽表

1.2.2 構(gòu)造

井田總體構(gòu)造為走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般3°～13°，斷層稀少，無巖漿巖侵入，構(gòu)造復(fù)雜程度簡單。

2 煤樣、巖樣采取

煤巖樣從2號煤層四、五采區(qū)煤層及頂板中采取，采樣標(biāo)準(zhǔn)按照中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)GB/T23561.1-2009《采樣一般規(guī)定》，煤層厚度3.5m以下采一組煤樣。煤樣取樣地點(diǎn)為四采區(qū)4206工作面與五采區(qū)5202工作面，見圖1。按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，煤的沖擊傾向性取1層進(jìn)行鑒定，煤塊的規(guī)格不小于長×寬×高=30cm×30cm×30cm，其高度方位垂直煤、巖層的層理面，所采集的煤樣無明顯裂隙。

在2號煤層上方30m范圍內(nèi)的頂板巖層進(jìn)行鉆孔取樣，因30m中頂部10m為砂泥互層，鉆孔取芯深度取20m。頂板巖樣取樣地點(diǎn)：1號鉆孔位于四采區(qū)輔助運(yùn)輸巷935m處，2號鉆孔位于五采區(qū)輔助運(yùn)輸巷101m處，3號鉆孔位于五采區(qū)輔助運(yùn)輸巷83m處，4號鉆孔位于四采區(qū)回風(fēng)巷257m處，具體位置見圖1。圖2和表2為4個(gè)取芯鉆孔柱狀圖及統(tǒng)計(jì)結(jié)果。取樣巖層從下往上依次為砂質(zhì)泥巖、泥巖和細(xì)粒砂巖共3類巖層。每個(gè)取樣地點(diǎn)往頂板巖層中打?68mm取芯鉆孔，每類巖層取長度超過30mm巖芯各5塊，長度超過130mm巖芯各5塊。煤巖樣采出后，立即用塑料薄膜及膠帶封裹、密封并運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。

表2 頂板鉆孔巖層厚度統(tǒng)計(jì)表

圖1 煤巖樣取樣鉆孔位置分布圖

3 試樣加工標(biāo)準(zhǔn)和測試儀器

試件加工依照國家標(biāo)準(zhǔn)《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法》GB/T 25217-2010和《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》GB/T 23561-2009，并參照國際巖石力學(xué)學(xué)會實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會編制的《巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法》。測試儀器電子萬能試驗(yàn)機(jī)（205DTS）、油電混合伺服壓力試驗(yàn)機(jī)（306E）。

4 測試內(nèi)容

密度、抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、動態(tài)破壞時(shí)間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)、彎曲能量指數(shù)。

5 評價(jià)依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

5.1 依據(jù)

依據(jù)中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》和《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法》等，具體包括：

（1）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23561.1-2009《采樣一般規(guī)定》；

（2）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23561.3-2009《煤和巖石塊體密度測試方法》；

（3）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23561.7-2009《單軸抗壓強(qiáng)度測定及軟化系數(shù)計(jì)算方法》；

（4）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23561.8-2009《煤和巖石變形參數(shù)測定方法》；

（5）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23561.10-2010《煤和巖石抗拉強(qiáng)度測定方法》；

（6）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25217.1-2010《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法第1部分：頂板巖層沖擊傾向分類及指數(shù)的測定方法》；

（7）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25217.2-2010《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法第2部分：煤的沖擊傾向分類及指數(shù)的測定方法》。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)

（1）煤層沖擊傾向性測定標(biāo)準(zhǔn)。煤層沖擊傾向性為煤體所具有的積蓄變形能并產(chǎn)生沖擊式破壞的性質(zhì)。煤層沖擊傾向性的強(qiáng)弱鑒定，按照《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法第2部分：煤的沖擊傾向分類及指數(shù)的測定方法》GB/T 25217.2-2010，用四個(gè)指數(shù)衡量，即動態(tài)破壞時(shí)間DT（ms），彈性能量指數(shù)WET、沖擊能量指數(shù)KE和單軸抗壓強(qiáng)度RC（MPa）。煤層沖擊傾向性分為無沖擊傾向性、弱沖擊傾向性和強(qiáng)沖擊傾向性。當(dāng)上述4個(gè)指標(biāo)矛盾時(shí)，采用模糊綜合評判方法，確定煤的沖擊傾向性。

（2）頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性測定標(biāo)準(zhǔn)。彎曲能量指數(shù)是在均布載荷作用下，單位寬的懸臂巖梁達(dá)到極限跨度積蓄的彎曲能量，單位kJ，用UWQs表示。按照《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法第1部分：頂板巖層沖擊傾向分類及指數(shù)的測定方法》GB/T 25217.1-2010，該指數(shù)作為巖石沖擊傾向性，分為強(qiáng)沖擊傾向性、弱沖擊傾向性、無沖擊傾向性。

6 分析結(jié)果

6.1 煤層沖擊傾向性

2號煤層四、五采區(qū)煤樣動態(tài)破壞時(shí)間DT、彈性能量指數(shù)WET、沖擊能量指數(shù)KE、單軸抗壓強(qiáng)度RC測定。

在4206和5206工作面，每個(gè)參數(shù)取5個(gè)樣品試件，共采取20個(gè)樣品試件。

動態(tài)破壞時(shí)間測試：試件尺寸，樣直徑48.40～49.30mm、長度97.66～102.80mm，動態(tài)破壞時(shí)間560～2140ms，平均動態(tài)破壞時(shí)間1110ms。

彈性能量指數(shù)測試：試件尺寸，樣直徑48.16～49.16mm、長度98.14～102.80mm，卸載值5.0kN，彈性變形能ΦSE0.473～0.596，塑形變形能ΦSP0.163～0.275，彈性能量指數(shù)1.99～2.91，平均彈性能量指數(shù)2.36。

沖擊能量指數(shù)測試：試件尺寸，樣直徑48.50～49.00mm、長度97.20～101.20mm，峰值前積聚的變形能0.76～7.27，峰值后耗損的變形能0.81～6.03，沖擊能量指數(shù)0.33～1.25，平均沖擊能量指數(shù)0.87。

單軸抗壓強(qiáng)度測試：試件尺寸，樣直徑48.40～49.08mm、長 度97.08～103.14mm，破 壞 載荷2.53～6.74kN，單軸抗壓強(qiáng)度1.32～3.60MPa，平均單軸抗壓強(qiáng)度2.35MPa。

根據(jù)2號煤層四、五采區(qū)煤樣動態(tài)破壞時(shí)間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度的測定結(jié)果，依據(jù)GB/T25217.2-2010給定標(biāo)準(zhǔn)，可綜合評判2號煤層四、五采區(qū)煤沖擊傾向性類別為Ⅰ類，無沖擊傾向性。分析結(jié)果見表3。

表3 煤沖擊傾向性統(tǒng)計(jì)分析

6.2 頂板巖層沖擊傾向性分析

（1）2號煤層四、五采區(qū)，頂板巖樣密度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量測定。在鉆孔中3類巖樣各采取5個(gè)樣，共采取15個(gè)進(jìn)行測試樣。

細(xì)粒砂巖測試：試件尺寸，樣直徑66.48～66.90mm、長度125.88～132.92mm；密度2.58～2.67g/cm3,平均2.64g/cm3；自然含水率條件下的單軸抗壓強(qiáng)度37.57～82.30MPa，平均60.37MPa；彈性模量5.00～18.97GPa，平均9.51GPa。

泥巖測試：試件尺寸，樣直徑66.64～67.36mm、長度131.00～133.72mm；密 度2.59～2.62g/cm3,平 均2.62g/cm3；自然含水率條件下的單軸抗壓強(qiáng)度17.71～47.00MPa，平均29.20MPa；彈性模量2.27～7.10GPa，平均4.88GPa。

砂質(zhì)泥巖測試：試件尺寸，樣直徑67.20～67.76mm、長度131.94～133.90mm；密度2.61～2.72g/cm3,平均2.67g/cm3；自然含水率條件下的單軸抗壓強(qiáng)度22.29～82.17MPa，平均54.53MPa；彈性模量2.96～11.48GPa，平均6.74GPa。

（2）2號煤層四、五采區(qū)頂板巖樣抗拉強(qiáng)度測定。在鉆孔中3類巖樣各采取5個(gè)樣，共采取15個(gè)樣進(jìn)行測試。

細(xì)類砂巖測試：試件尺寸，樣直徑66.16～67.26mm、長 度32.16～33.14mm；破 壞 載 荷3.31～14.67kN；抗拉強(qiáng)度0.94～4.14MPa，平均2.26MPa。

泥巖測試：試件尺寸，樣直徑66.50～67.26mm、長度32.00～34.10mm；破壞載荷4.98～9.31kN；抗拉強(qiáng)度1.43～2.68MPa，平均2.26MPa。

砂質(zhì)泥巖測試：件尺寸，樣直徑66.20～66.76mm、長度33.20～33.68mm；破壞載荷8.57～14.47kN；抗拉強(qiáng)度2.81～4.13MPa，平均3.50MPa。

通過計(jì)算可知，2號煤層四、五采區(qū)第1層頂板砂質(zhì)泥巖彎曲能量指數(shù)為7.45kJ，第2層頂板泥巖彎曲能量指數(shù)為6.06kJ，第3層頂板細(xì)粒砂巖彎曲能量指數(shù)為1.40kJ。因此，四通煤業(yè)2號煤層四、五采區(qū)復(fù)合頂板彎曲能量指數(shù)，即取第1層至第3層的彎曲能力指數(shù)結(jié)果之和，計(jì)算可得14.91kJ，小于15kJ，理論上已接近臨界值。根據(jù)對四通煤業(yè)2號煤層四、五采區(qū)頂板巖樣的抗拉強(qiáng)度、塊體密度、彈性模量、彎曲能量指數(shù)的測定，依據(jù)給定的標(biāo)準(zhǔn)GB/T25217.1-2010，可以判定2號煤層四、五采區(qū)頂板巖層的沖擊傾向性為Ⅰ類，無沖擊傾向性，詳見表4。

表4 頂板巖層沖擊傾向性統(tǒng)計(jì)分析表

7 結(jié)論

（1）根據(jù)送檢煤樣測定的數(shù)據(jù)，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25217.2-2010《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法第2部分：煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》，四通煤礦2號煤層四、五采區(qū)煤的沖擊傾向性屬于Ⅰ類，無沖擊傾向性。

（2）根據(jù)送檢巖樣測定的數(shù)據(jù)，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25217.1-2010《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法第1部分：頂板巖層沖擊傾向分類及指數(shù)的測定方法》，四通煤礦2號煤層四、五采區(qū)頂板巖層的沖擊傾向性為Ⅰ類，無沖擊傾向性。