紅陽礦區(qū)12#煤層及其頂板沖擊傾向性試驗研究

王　炯，崔家森，郝育喜，張逸龍，孟志剛，王　浩

(1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；3.黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

采選技術(shù)

紅陽礦區(qū)12#煤層及其頂板沖擊傾向性試驗研究

王炯1，2，崔家森1，2，郝育喜1，2，張逸龍3，孟志剛1，2，王浩1，2

(1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；3.黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

摘要：沖擊地壓是煤礦深部開采面臨的最主要動力災害之一，紅陽礦區(qū)主采的12#煤層開采深度已接近1000m，沖擊動力災害愈發(fā)嚴重。為了解沖擊動力學災害發(fā)生的機理，依據(jù)煤層及頂板巖層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法和標準，通過室內(nèi)巖石力學試驗得出煤樣的單軸抗壓強度為6.51MPa、沖擊能量指數(shù)為1.93、彈性能量指數(shù)為3.11、動態(tài)破壞時間為252ms，煤層頂板彎曲能量指數(shù)為101.922kJ，綜合判定12#煤層及其頂板均具有弱沖擊傾向性。以上述研究結(jié)果為基礎，結(jié)合紅陽礦區(qū)12#煤層的實際生產(chǎn)條件，為該煤層深部開采延伸工程中的沖擊地壓預測及防治提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：紅陽礦區(qū)；沖擊傾向性；單軸抗壓強度；沖擊能量指數(shù)；彈性能量指數(shù)；動態(tài)破壞時間

沖擊地壓是一種巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下突然猛烈的釋放導致巖石破裂并彈射出來的現(xiàn)象已逐步漸成為我國煤礦最為嚴重的動力災害之一[1-4]。隨著煤礦開采深度的增加，沖擊地壓等動力災害發(fā)生的頻次和影響范圍逐年增加，對礦井安全生產(chǎn)帶來極大的威脅[5]。煤巖沖擊傾向性為煤巖體具有的積聚變形能并產(chǎn)生沖擊破壞的性質(zhì)，是決定沖擊地壓發(fā)生的一個重要內(nèi)在因素，是沖擊地壓機理研究的重要組成部分，同時也是沖擊地壓預測預報及防范治理最根本和必要的技術(shù)工作[6]。

國際上受煤礦沖擊危害的一些國家，提出多種煤巖沖擊傾向性指標，其中具有代表性的有彈性能量指數(shù)、脆性系數(shù)、彈性變形指數(shù)、沖擊能量指數(shù)、含水量指數(shù)、單軸抗壓強度、極限能比、破壞速度指數(shù)等。國內(nèi)相關(guān)學者和科研機構(gòu)對我國煤礦沖擊地壓發(fā)生的特點進行研究并制定了煤巖沖擊傾向性標準，將單軸抗壓強度、沖擊能量指數(shù)、彈性能量指數(shù)、動態(tài)破壞時間作為煤的沖擊傾向性綜合評定指標，將頂板彎曲能量指數(shù)作為巖層沖擊傾向性指標[7]。

沖擊傾向性研究是研究沖擊地壓預測和防治的基礎且在沖擊地壓機制中占有重要地位[8]。紅陽礦區(qū)開采深度接近1000m，在開采深度超過800m以后，礦區(qū)開始出現(xiàn)沖擊動力現(xiàn)象，其中12#煤層在開采過程中出現(xiàn)了多次一些非線性動力學現(xiàn)象，諸如巖爆、礦震、片幫、圍巖大變形等，并且隨著采深的不斷增加，沖擊動力學現(xiàn)象發(fā)生的頻次在不斷增大，給工人生命和礦井安全生產(chǎn)帶來了巨大的危害，因此有必要對所開采的12#煤層進行沖擊傾向性試驗研究，為沖擊地壓的防治提供基礎依據(jù)，本文針對紅陽礦區(qū)最為典型的一個礦井深部采區(qū)，進行煤巖沖擊傾向性試驗研究。

1樣品采集與制備

1.1取樣地點的地質(zhì)概況

本次試驗樣品取自紅陽礦區(qū)12#煤層西二采區(qū)，為該礦最深采區(qū)，最大采深接近1000m，為紅陽礦區(qū)典型的深部采區(qū)。煤層平均厚度為3.5m，平均傾角為2°，直接頂板為11.2m均勻致密泥巖，基本頂為粉砂巖均厚為2.8m，其上為中砂巖均厚4.2 m。

1.2現(xiàn)場取樣

根據(jù)國標煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法中采樣的一般規(guī)定[9]，在西二采區(qū)取12#煤層及其直接頂板泥巖、基本頂板粉砂巖及其上覆巖層至第一層厚硬頂板巖層，煤巖樣品選擇完整規(guī)整、無明顯裂隙，采樣后立即采用保鮮膜進行包裹封閉，運至地面，然后采用蠟封方法進一步封閉巖樣，減少風化變性，并妥善裝箱運至相關(guān)實驗室。根據(jù)相關(guān)試驗試樣加工標準，最終加工成直徑為50mm，長度為100mm的標準煤巖試樣，其中采用劈裂法測試拉伸強度的試樣加工成直徑為50mm，厚度為25mm的試樣。

2煤層沖擊傾向性試驗

將加工好的12#煤試樣分為四組，每組5塊，分別標號。利用RMT-100型巖石力學試驗機進行試驗，根據(jù)國標《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》的規(guī)定，分別測試煤的單軸抗壓強度、沖擊能量指數(shù)、彈性能量指數(shù)和動態(tài)破壞時間[10]。試驗前進行試樣尺寸的精確測量，并對試樣編號核準、形貌、裂隙和缺陷的描述，記錄試驗時間。

2.1單軸抗壓強度測定

煤的單軸抗壓強度UCS指標為2010年修訂的沖擊傾向性測定標準新增指標，表示試件在不受測壓的作用下承受單位面積壓力的大小。首先按照要求放置好已制備試樣，調(diào)整好各傳感器。試驗采用位移控制，加載速率為0.005mm/s，在計算機控制下進行加載直至試樣破壞。經(jīng)過測試得到其平均單軸抗壓強度為6.51MPa。根據(jù)伺服機采集數(shù)據(jù)可以繪制出試樣全應力應變曲線圖，12#煤試樣典型應力應變曲線見圖1。

圖1典型應力應變曲線

2.2沖擊能量指數(shù)

沖擊能量指數(shù)KE是指煤樣在單軸加載過程中儲蓄的總能量和破壞過程中釋放能量的比值。根據(jù)煤樣單軸壓縮的應力-應變?nèi)^程曲線確定[11]，它表征煤巖破壞過程中剩余能量的大小，從能量方面揭示煤巖的沖擊傾向性[12]，當加載過程中聚集的能量大于巖體破壞消耗的能量時，多余的能量就會以動能等其他形式釋放出來，表現(xiàn)為動力現(xiàn)象。通過試驗測定得到典型的應力應變曲線見圖2。

圖2典型沖擊能量指數(shù)試驗曲線

沖擊能量指數(shù)按式(1)計算。

(1)

式中：AS為峰值前積聚的變形能；AX為峰值后耗損變形能；KE為沖擊能量指數(shù)。AS的值等于加載曲線下的面積，AX的值等于卸載曲線下的面積。

按照標準規(guī)定，本次試驗通過測定5個試樣，分別計算取其平均值，確定該采區(qū)12#煤沖擊能量指數(shù)為1.93。

2.3彈性能量指數(shù)

彈性能量指數(shù)WET是指煤試件在單軸壓縮狀態(tài)下，加載至峰值強度70%～80%后完全卸載，把加載過程積蓄的彈性應變能與塑性變形能(耗損變形能)之比[12]。在煤試樣加卸載試驗中，試樣受外功作用而變形，在變形過程中，外力所作的功轉(zhuǎn)變?yōu)閮Υ嬗诠腆w內(nèi)的能量，變形能有因彈性變形而儲存能量稱為彈性變形能或應變能，當外力逐漸減小或解除，試樣變形逐漸恢復一定量，巖體會釋放出部分能量而做功，這部分能量即為加載過程中儲存的彈性能，即對應于加卸載曲線的卸載曲線下的面積，而在加卸載試驗中消耗掉的能為塑性變形能對應于加卸載曲線中加載和卸載曲線包圍的面積[13]。彈性能量指標表征煤巖體在儲存并釋放彈性能量的能力，單位體積下存儲彈性能愈多，釋放越猛烈，就越具有發(fā)生沖擊的傾向。試驗機以0.5 MPa/s的速率對試件加載。當加載到平均破壞載荷的75%～85%時，以相同的速率卸載至平均破壞載荷的1%。以此方式反復對同一煤樣加載、卸載，每一次重復加載的最大值應比上一次提高平均破壞載荷的5%，直至煤樣破壞。選取卸載強度為破壞強度的80%或其附近的加卸載曲線，如圖3所示，為本次試驗典型的彈性能指數(shù)測試曲線。

彈性能量指數(shù)按式(2)和式(3)計算。

(2)

(3)

式中：WET為彈性能量指數(shù)；ΦSE為彈性應變能，其值為卸載曲線下的面積；ΦC為總應變能，其值為加載曲線下的面積；ΦSP為塑性應變能，其值為加載曲線和卸載曲線所包絡的面積。

通過試驗測試得到該礦取樣地點煤的彈性能量指數(shù)平均為3.11。

2.4動態(tài)破壞時間

動態(tài)破壞時間DT是指煤巖試樣在單軸壓縮試驗條件下，從煤樣承受的極限載荷到完全失去承載能力所經(jīng)歷的時間，表征煤巖試樣達到強度峰值后即聚集能量到最大值以后，釋放能量所需要的時間，從時間方面體現(xiàn)煤巖的沖擊傾向性的內(nèi)在規(guī)律，但是沒有考慮能量釋放速率。將伺服機數(shù)據(jù)采集頻率，以不小于10kHz頻率采集和儲存測試數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束得到測試數(shù)據(jù)，如圖4所示為本次試驗典型動態(tài)破壞時間測試曲線，經(jīng)過5個試樣的測試，得到平均動態(tài)破壞時間為252ms。

圖3典型彈性能量指數(shù)試驗曲線

圖4典型動態(tài)破壞時間試驗曲線

通過試驗測試和計算分別得到紅陽礦區(qū)12#煤沖擊傾向性各項指標見表1。

對比國家標準《煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》中分類判斷方法和分類指標如表2所示，可以得到該礦深部采區(qū)12#煤的沖擊傾向性為弱沖擊傾向性。

3頂板巖層沖擊傾向性測定

巖石的沖擊傾向性是指巖石積蓄變形能并發(fā)生沖擊式破壞的性質(zhì)，規(guī)程規(guī)定采用彎曲能指標進行分類，測定方法巖石試樣在均布載荷作用下，單位寬的懸臂梁達到極限跨度積蓄的彎曲能量[14]。

按照《頂板巖層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》規(guī)定，測定煤層及其頂板沖擊傾向性的基礎是通過實驗確定煤層頂板各層巖石的視密度、抗拉強度及彈性模量等。根據(jù)標準要求，上覆巖層載荷自煤層頂板起，自下而上，按式(4)計算。

(4)

式中：q為單位寬度上覆巖層載荷，MPa；Ei(i=l，2，…，n)為上覆各巖層的彈性模量，MPa；Hi(i=l，2，…，n)為上覆各巖層的厚度，m；ρi(i=l，2，…，n)為上覆各巖層的塊體密度，kg/m3；g為重力加速度，N/kg。

當n+l層對第1層的載荷小于第n層對第1層的載荷時，計算終止，取第n層的計算結(jié)果。

根據(jù)煤層頂板賦存情況及計算分析，n取3，具體參數(shù)見表3所示。

表1　12#煤測試結(jié)果

表2　煤的沖擊傾向性分類

表3　頂板巖層參數(shù)

單層頂板彎曲能量指數(shù)計算見式(5)。

(5)

式中：UWQ為單一頂板巖層彎曲能量指數(shù)，kJ；Rt為巖石試件的抗拉強度，MPa；h為單一頂板巖層厚度，m；E為巖石試件的彈性模量，MPa；q為單一頂板巖層上覆巖層荷載，MPa，計算見式(5)。

復合頂板彎曲能量指數(shù)按式(6)計算。

(6)

式中：UWQS為復合頂板彎曲能量指數(shù)，kJ；UWQi為第i層彎曲能量指數(shù)，kJ；n為頂板分層數(shù)，取值按照式(4)計算結(jié)果取值。

計算得到其頂板總彎曲總能量為101.922kJ，對比頂板沖擊頂板巖層沖擊傾向性分類及指數(shù)，如表4所示，可知該礦深部采區(qū)12#煤層頂板巖層具有弱沖擊傾向性。

表4　頂板巖層沖擊傾向性分類及指數(shù)

4結(jié)論

通過紅陽礦區(qū)12#煤層的沖擊傾向性試驗研究，取得如下結(jié)論。

1)12#煤層單軸抗壓強度為6.51MPa、沖擊能量指數(shù)為1.93、彈性能量指數(shù)為3.11、動態(tài)破壞時間為252ms，根據(jù)煤的沖擊傾向性的分類判定，該煤層屬于弱沖擊傾向性。

2)通過計算，12#煤層頂板彎曲能量指數(shù)為101.922kJ，對比煤層及頂板巖層沖擊傾向性分類指標可知，頂板巖層具有弱沖擊傾向性。

3)結(jié)合12#煤層的實際開采情況，為紅陽煤田該煤層的深部延伸開采中的沖擊地壓預測及防治提供參考依據(jù)，同時對類似工況下的沖擊傾向性研究也具有很好的借鑒意義。

參考文獻

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Experiment study on bursting liability of 12#coal and roof rock of Hongyang coal mine

WANG Jiong1，2，CUI Jia-sen1，2，HAO Yu-xi1，2，ZHANG Yi-long3，MENG Zhi-gang1，2，WANG Hao1，2

(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;2.School of Mechanics & Civil Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；3.School of Mining Engineering of Hust，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，China)

Abstract:Rockburst is a facing one of the most natural disasters in deep mining；the main mining of 12# coal seam of Hongyang coal mine，which the depth has been closed to 1000 meters at present.The dynamic disaster phenomena are most serious.In order to understand the principle of dynamic phenomena，according to the classification of coal seam and roof rock impact proneness and index determinative methods and standards.Through the laboratory rock mechanics experiment results show that uniaxial compressive strength of coal seam，impact energy index，elastic energy index，dynamic destructive time and bending energy index of roof is 6.51 MPa，1.93，3.11，252 milliseconds，101.922kJ respectively，which indicate the 12#coal seam and roof rock have both weak bursting proneness.Using the above test results and in combination with the practical production conditions of the 12# coal seam，the production process should be strengthened the prediction work of rock burst to ensure the safety of mine production.

Key words：Hongyang coal mine；bursting liability；uniaxial compressive strength；impact energy index；elastic energy index；dynamic destructive time

收稿日期：2015-06-15

基金項目：國家自然科學基金項目資助(編號：51404278；51479195)；中央高校基本科研業(yè)務費專項基金項目資助(編號：2011QL07)

作者簡介：王炯(1984-)，男，安徽蒙城人，博士，主要從事深井軟巖巷道支護方面的研究。E-mail：wangjiong0216@163.com。

中圖分類號：TD324

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0070-04