屈振祖 王海龍 張東，3

（1.彬縣水簾洞煤炭有限責(zé)任公司，陜西 彬州 713500；2.山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 新泰 271200；3.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

不同煤巖體之間固有的物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異，在同樣的采動(dòng)、地質(zhì)條件下，這種差異可能會(huì)致使煤巖體出現(xiàn)沖擊地壓，因此這種性質(zhì)被稱(chēng)為煤巖體的沖擊傾向性，是礦井安全生產(chǎn)的潛在威脅。煤巖體的沖擊傾向性劃分了不同區(qū)域沖擊傾向的強(qiáng)弱程度，當(dāng)這些沖擊傾向性指標(biāo)超過(guò)某一閾值時(shí)，沖擊地壓發(fā)生的可能性就會(huì)極大地升高。

彬州市水簾洞煤礦地處彬長(zhǎng)區(qū)南塬，距城區(qū)5 km，離312 國(guó)道大概1.5 km，距東南部的西安市大約175 km。煤系地層形態(tài)為略微向北傾斜的單斜構(gòu)造，整體大概呈東西走向，局部區(qū)域有較小起伏，地層傾角一般5°～7°。本區(qū)含煤地層平均厚49.55 m，主要可采煤層一層（4 煤），可采平均厚度8.44 m，可采系數(shù)17%。煤系地層沉積韻律明顯，可采煤層層位、間距比較穩(wěn)定，變化不大。煤層開(kāi)采作業(yè)超400 m 深度，達(dá)到我國(guó)沖擊地壓礦井的采深標(biāo)準(zhǔn)，在開(kāi)采過(guò)程中需預(yù)防出現(xiàn)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)甚至沖擊地壓現(xiàn)象，確保煤礦的安全作業(yè)。為了預(yù)防4號(hào)煤在開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象，本文將通過(guò)沖擊能量指數(shù)等多個(gè)沖擊傾向性指標(biāo)以及綜合模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)4 號(hào)煤層進(jìn)行沖擊傾向性研究[1-10]，為判定開(kāi)采煤層是否具有沖擊傾向提供一定依據(jù)。

1 研究方法與流程

1.1 試樣制作

本次試驗(yàn)所需煤樣均采集于三采區(qū)的ZF3808工作面，如圖1。煤層的取樣方法為鎬刨，采煤樣三組，一組靠近煤層頂板，一組為煤層中部，一組靠近煤層底板，取樣尺寸為：長(zhǎng)×寬×高≥300 mm×300 mm×300 mm。采樣后對(duì)其進(jìn)行包裝，運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行參數(shù)測(cè)定。將采取的煤巖樣用切割機(jī)加工為50 mm×50 mm×100 mm 的方柱體試件，試件表面應(yīng)光滑。

圖1 取樣地點(diǎn)

1.2 測(cè)定依據(jù)

在試驗(yàn)中對(duì)煤試樣的動(dòng)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)度指標(biāo)分別進(jìn)行測(cè)定，并根據(jù)測(cè)定結(jié)果對(duì)水簾洞礦4 號(hào)煤層的沖擊傾向性進(jìn)行分析判斷。煤的沖擊傾向性的測(cè)定是按照《沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法 第2 部分：煤的沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法》（GB/T 25217.2-2010）進(jìn)行的。煤層沖擊傾向性的判定標(biāo)準(zhǔn)，共包括4 個(gè)指數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)定的4 個(gè)指數(shù)對(duì)煤層沖擊傾向性強(qiáng)弱進(jìn)行一個(gè)綜合的衡量判定。煤層沖擊傾向性按其指數(shù)范圍一共分三類(lèi)，見(jiàn)表1。當(dāng)4 個(gè)指數(shù)發(fā)生矛盾時(shí)，一般可采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。4 個(gè)指數(shù)一共有34種組合測(cè)試結(jié)果，模糊綜合評(píng)判結(jié)果見(jiàn)附錄。

表1 煤層沖擊傾向性判別標(biāo)準(zhǔn)

1.3 測(cè)定方法

（1）煤的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT的測(cè)定方法

煤的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT是指煤試件在常規(guī)單軸抗壓試驗(yàn)條件下，從極限載荷到完全破壞所經(jīng)歷的時(shí)間。

采用方柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，在常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)條件下，以0.5～1.0 MPa/s 的速率加載直至煤樣破壞，測(cè)定煤樣從極限載荷過(guò)渡到完全破壞所需時(shí)間，從而根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)繪制動(dòng)態(tài)破壞應(yīng)力-時(shí)間曲線（如圖2），對(duì)單個(gè)試件的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間以及每組試件動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間均值進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)公式（1）對(duì)每組試件動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間取均值（結(jié)果保留整數(shù)部分）：

圖2 動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間示意圖

式中：DTS為動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間均值，ms；DTi為試件i的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間，ms；n為每組試件的個(gè)數(shù)。

（2）煤的彈性能量指數(shù)WET的測(cè)定方法

煤的彈性能量指數(shù)WET指的是煤試件在單軸壓縮狀態(tài)下，受力達(dá)到破壞前某一數(shù)值時(shí)卸載，其彈性能與塑性能之間的比值。

采用方柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，在常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)條件下，測(cè)定煤樣破壞前所積蓄的變形能、產(chǎn)生塑性變形消耗的能量（圖3），計(jì)算單個(gè)試件的彈性能量指數(shù)和每組試件指數(shù)均值，如公式（2）。

圖3 彈性能量指數(shù)計(jì)算示意圖

式中：WET為彈性能量指數(shù)；φSE為彈性應(yīng)變能（即卸載曲線（正下方）與橫軸之間的面積），J；φSP為塑性應(yīng)變能（值為加載曲線、卸載曲線與橫軸所圍成區(qū)域面積），J。

（3）煤的沖擊能量指數(shù)KE的測(cè)定方法

煤沖擊能量指數(shù)KE指的是應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線的上升段面積AS與下降段面積AX之比（圖4）。采用方柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，在常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)條件下，測(cè)定煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前所積聚的變形能（圖4 中的AS）、峰后所消耗的變形能（圖4 中的AX），根據(jù)公式（3）計(jì)算單個(gè)試件和每組試件的沖擊能量指數(shù)的算術(shù)平均值。

圖4 沖擊能量指數(shù)計(jì)算示意圖

式中：KE為沖擊能量指數(shù)；AS為峰前積聚變形能，J/m3；AX為峰后積聚變形能，J/m3。

2 煤層沖擊傾向性測(cè)定

2.1 4 號(hào)煤層動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間測(cè)定

對(duì)4 號(hào)煤層上中下的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間測(cè)定試驗(yàn)共進(jìn)行了15 個(gè)試樣的測(cè)定，根據(jù)公式（1）取每組試件的平均動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。上部5個(gè)試樣的平均動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間為5190 ms，中部5 個(gè)試樣的平均動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間為9690 ms，下部5 個(gè)試樣的平均動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間為2105 ms。根據(jù)表1 動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間判定標(biāo)準(zhǔn)，判斷4 號(hào)煤無(wú)沖擊傾向。

表2 4 號(hào)煤動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間表

2.2 4 號(hào)煤層彈性能量指數(shù)測(cè)定

4 號(hào)煤層的彈性能量指數(shù)測(cè)試共進(jìn)行了三組15個(gè)試樣的測(cè)試。將測(cè)試數(shù)據(jù)帶入公式（3）中進(jìn)行處理，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)4 號(hào)煤三組煤樣測(cè)試結(jié)果，上部5 個(gè)試樣的平均彈性能量指數(shù)為0.672，中部平均彈性能量指數(shù)為1.311，下部5 個(gè)試樣的平均彈性能量指數(shù)為0.923。根據(jù)煤的彈性能量指數(shù)判別方法，判斷4 號(hào)煤層無(wú)沖擊傾向。

表3 4 號(hào)彈性能量指數(shù)測(cè)定結(jié)果

2.3 4 號(hào)煤層沖擊能量指數(shù)測(cè)定

4 號(hào)煤層的沖擊能量指數(shù)共進(jìn)行了三組15 個(gè)試樣的測(cè)試，在此基礎(chǔ)上依據(jù)公式（3）計(jì)算煤的沖擊能量指數(shù)。測(cè)試處理結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 4 號(hào)煤沖擊能量指數(shù)表

根據(jù)水簾洞礦4 號(hào)煤層煤體測(cè)試結(jié)果，上部5個(gè)試樣的平均沖擊能量指數(shù)為4.31，中部5 個(gè)試樣的平均沖擊能量指數(shù)為4.39，下部5 個(gè)試樣的平均沖擊能量指數(shù)為4.62。根據(jù)煤層沖擊能量指數(shù)判別方法，判斷4 號(hào)煤層具有弱沖擊傾向性。

2.4 4 號(hào)煤層單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定

4 號(hào)煤層單軸抗壓強(qiáng)度共進(jìn)行了三組15 個(gè)試樣的測(cè)試。測(cè)試各項(xiàng)取均值，最終結(jié)果見(jiàn)表5。根據(jù)4 號(hào)煤層單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果，煤層上部5 個(gè)試樣的RC（單軸抗壓強(qiáng)度）平均值為8.95 MPa，中部5 個(gè)試樣的RC平均值為8.97 MPa，下部5 個(gè)試樣的Rc平均值為11.35 MPa。根據(jù)煤沖擊傾向性的單軸抗壓強(qiáng)度RC判別方法，判斷4 號(hào)煤層具有弱沖擊傾向性。

表5 4 號(hào)煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果

2.5 4 號(hào)煤層沖擊傾向性綜合判定

參考上述表1 的判別標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合基于綜合模糊評(píng)價(jià)方法的沖擊傾向性評(píng)判結(jié)果，根據(jù)水簾洞礦4號(hào)煤層的動(dòng)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)度四個(gè)指數(shù)的測(cè)定結(jié)果，判定水簾洞礦4 號(hào)煤層具有弱沖擊傾向性，見(jiàn)表6。

表6 4 號(hào)煤沖擊傾向性鑒定結(jié)果

3 結(jié)論

水簾洞礦4 號(hào)煤上、中、下部的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間分別為5190 ms、9690 ms、2105 ms，彈性能量指數(shù)分別為0.67、1.31、0.92，沖擊能量指數(shù)分別為4.31、4.39、4.62，單軸抗壓強(qiáng)度分別為8.95 MPa、8.97 MPa、11.35 MPa，綜合衡量以上結(jié)果，可以準(zhǔn)確地判定4 號(hào)煤的上、中、下部煤層的沖擊傾向。因此，綜合分析判定水簾洞煤礦的4 號(hào)煤層具有弱沖擊傾向性。