李乃錄 屈振祖 史 鑫

（1.彬縣水簾洞煤炭有限責任公司，陜西 彬州 713500；2. 山東能源新汶礦業(yè)集團有限責任公司，山東 新泰 271200；3.霍州煤電集團沁安煤電有限責任公司，山西 霍州 046500）

1 序言

煤巖體材料自身所固有的性質(zhì)包含了煤巖體本身的物理力學性質(zhì)以及其沖擊傾向性。不同煤巖體固有的力學性質(zhì)之間存在較大的差異，在相同的采動以及地質(zhì)條件下，恰恰是這差異可能會導致煤巖體發(fā)生沖擊地壓，危及井下安全生產(chǎn)作業(yè)。煤巖體的這種可能導致沖擊地壓的固有屬性被稱為沖擊傾向性。目前沖擊地壓區(qū)域的沖擊傾向程度強弱一般通過煤巖體沖擊傾向指標來進行判定，當沖擊傾向性的判定指標值超出臨界閾值時，就存在有發(fā)生沖擊地壓的風險。

彬縣水簾洞煤礦坐落在彬長區(qū)南塬附近，根據(jù)衛(wèi)星圖像顯示該礦區(qū)呈不規(guī)則的長條狀，整體東西走向長約5.1 km，南北橫跨0.6～1.6 km，黃土高原地貌是當?shù)亻_采范圍內(nèi)的主要地貌。該礦區(qū)開采的侏羅紀延安組4 號煤，厚度平均為8.44 m，煤系為單斜構造形態(tài)，整體向北傾斜，呈東西走向，地層傾角較為平緩，一般5°～7°。礦井采深超過400 m，已經(jīng)超出我國規(guī)定的沖擊地壓礦井臨界開采深度，為了保證安全生產(chǎn)，需要對礦井進行沖擊地壓防治。為預防開采4 號煤過程中底板出現(xiàn)強礦壓顯現(xiàn)甚至沖擊地壓現(xiàn)象，需對該煤層底板進行沖擊地壓傾向性研究，為礦井開采和沖擊地壓防治提供參考。

2 研究方法與流程

2.1 試樣采集

本次試驗所需底板巖樣的采集地點為三采區(qū)（ZF3808 回風順槽、ZF3808 運輸順槽）2 處，如圖1 所示，采用鉆取方法對煤層底板的巖樣進行取樣，并對所取巖樣的巖性進行標注，此處4 號煤層底板巖性為砂質(zhì)泥巖。采樣后進行現(xiàn)場包裝，運輸至實驗室通過巖石力學試驗機、計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及相關軟件對水簾洞煤礦4 號煤層底板巖樣相關參數(shù)進行測定。

圖1 取樣地點

2.2 測定依據(jù)

鑒于底板巖層沖擊傾向性鑒定尚無相應標準，其測定方法與判定依據(jù)參考頂板巖層沖擊傾向性評判方法與標準。判定巖層沖擊傾向性主要通過彎曲能量指數(shù)來衡量，因此判定4 號煤層底板沖擊傾向需要對該4 號煤層底板巖層的單軸抗拉強度、塊體密度及其彈性模量進行測定，從而計算底板的彎曲能量指數(shù)，以此來衡量底板沖擊傾向性的強弱。根據(jù)行業(yè)標準GB/T25217 對底板巖層的沖擊傾向性強弱來進行判斷，判定指標如表1 所示。

表1 巖層沖擊傾向性判定指標

2.3 測定方法

通過試驗對4 號煤層底板的單軸抗拉強度、塊體密度以及彈性模量進行測定，并由此得出其彎曲能量指數(shù)。計算公式以單層頂板的能量指數(shù)計算為依據(jù)。

底板的彎曲能量指數(shù)通過公式（1）計算：

式中：UWQ為彎曲能量指數(shù)，kJ；Rt為巖石試件抗拉強度，MPa；h為厚度，m；q為巖層載荷，MPa；E為巖石試件的彈性模量，MPa。

3 頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性測定

3.1 4 號煤層底板巖層塊體密度測定

4 號煤層底板巖層塊體密度共進行了五組試樣的測試，測定結果如表2 所示。測試表明，4 號煤層底板泥巖層塊體密度平均值為2 607.18 kg/m3。

表2 4 號煤層底板巖層塊體密度測定結果

3.2 4 號煤層底板巖層抗拉強度測定

4 號煤層底板巖層抗拉強度共進行了五組試樣的測試，測定結果如表3 所示。

表3 4 號煤層底板巖層抗拉強度測定結果

3.3 4 號煤層底板巖層彈性模量測定

4 號煤層底板巖層彈性模量共進行了五組試樣測試，測定結果如表4 所示。

表4 4 號煤層底板巖層彈性模量測定結果

4 底板巖層彎曲能量指數(shù)計算

4.1 4 號煤層底板巖層彎曲能量指數(shù)計算

據(jù)底板彎曲能量的計算方法，將試驗測定參數(shù)代入到公式（1）中，則有4 號煤層底板彎曲能量：

式中：q取值為1.045 MPa，h取值為4.09 m。

4.2 沖擊傾向性判斷

依據(jù)巖層沖擊傾向性判別指標，當UWQ小于等于15 kJ 時，巖層表現(xiàn)為無沖擊傾向；當UWQ大于15 kJ 且不高于120 kJ 時，巖層表現(xiàn)為具有弱沖擊傾向，需進行沖擊地壓防治；當UWQ超過120 kJ 時，巖層表現(xiàn)為具有強沖擊傾向，需加強礦區(qū)的沖擊地壓防治工作。根據(jù)上述計算，水簾洞煤礦4 號煤層底板的UWQ值為1.423 kJ，判定為無沖擊傾向性。

5 結論

經(jīng)試驗測定及計算，水簾洞煤礦4 號煤層底板巖層彈性模量為 3213 MPa，底板巖層的平均抗拉強度為1.493 MPa，彎曲能量指數(shù)低于閾值15 kJ，為1.423 kJ，因此4 號煤層底板沖擊傾向性屬于Ⅰ類：無沖擊傾向性。