柳 晶 李根威

（呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系，山西 呂梁 033000）

沖擊地壓的發(fā)生主要決定于煤巖體本身的地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件。煤巖體中的初始應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特性，會在采動應(yīng)力影響下形成高應(yīng)力而造成高能量積聚，最后能量瞬間釋放造成沖擊地壓，沖擊地壓等災(zāi)害嚴重威脅著礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。沖擊地壓發(fā)生時會釋放大量的能量，造成煤巖體破壞，嚴重影響著井下的人員安全。因此“頂板-煤層-底板”的組合煤巖結(jié)構(gòu)模型的建立對沖擊危險性評判有重要意義。為此，展開了對不同煤層厚度的“頂板-煤層-底板”模型的力學(xué)性質(zhì)演化規(guī)律和沖擊傾向性的研究。國內(nèi)外學(xué)者已對煤巖組合體有了大量的研究。CHEN Y L 等[4]通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合研究了煤巖組合體的變形破壞特征等。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者已對煤巖組合體的力學(xué)特性、聲發(fā)射特征、沖擊傾向性、能量耗散等做出了大量研究，但對于結(jié)合實際地質(zhì)條件，分析煤層厚度對“頂板-煤層-底板”結(jié)構(gòu)模型力學(xué)性質(zhì)改變所引起的能量演化和沖擊傾向性研究還較少。故對此展開研究，同時也期望對井下尤其深井煤層開采所引起的傾向性提供判定依據(jù)及為之后避免沖擊地壓提供相應(yīng)措施。

1 工程概況

青云煤業(yè)位于山西介休，其10 號煤層埋深350～500 m，地質(zhì)條件相對復(fù)雜，深部應(yīng)力集中、斷層多，煤層起伏大、厚度變化大，厚度從3 ～5 m不等，煤層底板30 m 左右存在奧灰系承壓水帶。直接頂為3.8～6.1 m 不等的泥巖、碳質(zhì)泥巖互層，直接底為3.7～6.2 m 不等的泥巖、鋁土泥巖、砂質(zhì)泥巖互層。再加上煤質(zhì)較為堅硬，采動時誘發(fā)煤巖體變形能瞬間釋放，極易造成沖擊地壓危險。故從100402 工作面取巖樣和煤樣對不同厚度的煤巖組合體沖擊傾向性展開研究。

2 試件制備及試驗方案

2.1 試件制作

制作圓柱形標準試件（直徑50 mm，高度100 mm），A 組試件為純煤3 個，記為M；B 組為砂質(zhì)泥巖3 個，記為R；C 組為煤巖組合體，煤層厚度分別為20 mm、30 mm、40 mm，每種煤厚各3 個，記為RMR20、RMR30、RMR40。其中，煤巖組合體交界面處使用AB 膠粘接。

2.2 試驗方案

將制備好的試件進行縱波波速測定，超聲波縱波波速測量設(shè)置為：發(fā)射電壓500 V，采樣周期0.4 μs，其縱波波速取每組3 個試件的平均值。之后進行單軸壓縮試驗，力學(xué)試驗的單軸壓縮加載系統(tǒng)為STYE-2000 kN 微機控制電液伺服巖石試驗系統(tǒng)，最大試驗荷載達2000 kN，采用位移加載，加載速率為0.12 mm/min，每組試樣對3 個試件分別加載。為保證試驗的準確性，數(shù)據(jù)處理時，其縱波波速、抗壓強度、彈性模量均取3 個試件結(jié)果的平均值。

3 力學(xué)特征分析

3.1 縱波波速分析

巖石可看為彈性體，故可用彈性波在巖石中的傳播特性來反映巖石的彈性能強弱。在均勻各向介質(zhì)中，縱波波速越大，說明巖石彈性模量越大，即彈性勢能越大。

式中：f為公式系函數(shù)。

由圖1 可知，砂質(zhì)泥巖的縱波波速最大，隨著煤巖組合體中煤厚的增加，縱波波速逐漸降低，一直到純煤試件縱波波速為最低：R ＞RMR20 ＞RMR30 ＞RMR40 ＞M。隨著煤厚增加，在受壓到破壞時其彈性勢能的積聚和釋放逐漸減小的趨勢。

圖1 試件縱波波速圖

3.2 抗壓強度分析

從圖2 中可以看出，在頂?shù)装鍘r石不變時，隨著煤厚的增加，單軸抗壓強度逐漸降低，變化趨勢與 y=Ae-x/t+y0函數(shù)形式保持較高的擬合度，在煤層較薄時與砂巖抗壓強度接近。之后，隨著煤層厚度的增加，抗壓強度呈緩慢減少趨勢。煤厚為30～40 mm 時為突變段，組合體抗壓強度急劇下降，隨著煤層厚度的增加直至與煤的抗壓強度相接近。

圖2 不同厚度煤巖組合體抗壓強度

3.3 彈性模量分析

由圖3 可知，在“頂板-煤層-底板”型煤巖組合體結(jié)構(gòu)中，隨著煤層厚度的增加，組合體的彈性模量逐漸降低，彈性模量在煤厚為30～40 mm 時降幅明顯，降低趨勢與 y=Ae-x/t+y0函數(shù)形式保持較高的擬合度。說明其彈性能與煤層厚度呈負相關(guān)關(guān)系，這也與之前的縱波波速測定分析結(jié)果相印證。

圖3 不同厚度煤巖組合體彈性模量

4 能量積聚及沖擊傾向性

4.1 煤巖組合體能量分析

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，設(shè)組合體在單軸受壓時與外界沒有熱量交換，單軸壓縮加載系統(tǒng)對試件做的功第一部分是巖石與煤體自身的耗散能之和為U3，第二部分是巖石部分聚集的彈性勢能與煤體自身聚集的彈性勢能之和為U1，第三部分是組合試件破壞消耗的能U2。組合體應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4。

圖4 組合體應(yīng)力應(yīng)變曲線

其中，通過積分思想，可求得U1、U2、U3：

煤巖組合體發(fā)生破壞時釋放的能量基本來自組合試件的彈性勢能，巖體中的彈性能會在卸載后釋放作用于煤體，對煤體的破壞產(chǎn)生加劇作用。因此，煤巖組合試件破壞時在頂?shù)装鍙椥阅茏饔孟?，釋放能量更劇烈，煤體破壞程度更加劇烈，破碎程度更大。

4.2 煤巖組合體沖擊傾向性

為了研究煤巖組合體的沖擊傾向性，巖石部分積聚彈性應(yīng)變能在組合試樣發(fā)生破壞時對煤體的能量可參考表1。從能量的角度對煤巖體破壞進行研究。煤巖體在單壓壓縮破壞時：

式中：WET為彈性應(yīng)變能指數(shù)；WK為沖擊能量指數(shù)。

表1 分析可得，“頂板-煤層-底板”煤巖組合體結(jié)構(gòu)要比單巖體結(jié)構(gòu)更容易失穩(wěn)破壞，所需外界輸入的能量更少，但釋放能量??；比單煤體結(jié)構(gòu)較難失穩(wěn)，但失穩(wěn)時釋放能量大。煤巖高比越小，煤巖越不容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，在破壞時動力越發(fā)劇烈。在煤層厚度從0 ～30 mm 時逐漸容易失穩(wěn)，動力顯現(xiàn)劇烈，但屬于較難失穩(wěn)情況；煤層厚度由30 mm 向40 mm 過渡時，是相對失穩(wěn)破壞發(fā)生沖擊危險時所需輸入能量較低但動力顯現(xiàn)相對較高的時候；而在煤層厚度再逐漸增大時，雖然更容易發(fā)生失穩(wěn)，但是動壓顯現(xiàn)就不那么明顯了。故此，青云煤業(yè)100402 工作面開采時，在頂板、煤層、底板厚度比達到7:6:7 之前是沖擊能量激增區(qū)間，應(yīng)減少采掘強度引起的采動應(yīng)力影響，避免造成沖擊危害；頂板、煤層、底板厚度比從7:6:7（即35 cm、30 cm、35 cm） 到3:4:3（ 即30 cm、40 cm、30 cm）開始過渡時，能量聚集降低，但是極易開始失穩(wěn)，故從這個區(qū)間段開始應(yīng)加強巷道支護，避免變形失穩(wěn)破壞造成設(shè)備及人員損傷。

表1 煤巖體沖擊傾向性

5 結(jié)論

（1）隨煤厚的增加，煤巖組合體的縱波波速、單軸抗壓強度、彈性模量逐漸降低，組合煤巖試樣中應(yīng)變能密度和彈性能密度隨煤高度占比增加而減小。

（2）隨煤巖高比的增大，煤巖組合體破壞失穩(wěn)時所需要外界輸入的能量逐漸減小，發(fā)生失穩(wěn)破壞更容易，但是動壓顯現(xiàn)逐漸微弱。

（3）“頂板-煤層-底板”型煤巖組合體的頂板、煤層、底板厚度比達到7:6:7 和3:4:3 之間時，其彈性應(yīng)變能指數(shù)、沖擊能量指數(shù)有明顯變化，這是一個沖擊礦壓易發(fā)且能量釋放較大的轉(zhuǎn)折點，可為礦井安全生產(chǎn)應(yīng)對沖擊礦壓時提供重要依據(jù)和借鑒。