基于多指標綜合評判法的厚煤層沖擊傾向研究

屈振祖 王海龍 張東，3

（1.彬縣水簾洞煤炭有限責任公司，陜西 彬州 713500；2.山東能源新汶礦業集團有限責任公司，山東 新泰 271200；3.湖南科技大學資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201）

不同煤巖體之間固有的物理力學性質存在較大差異，在同樣的采動、地質條件下，這種差異可能會致使煤巖體出現沖擊地壓，因此這種性質被稱為煤巖體的沖擊傾向性，是礦井安全生產的潛在威脅。煤巖體的沖擊傾向性劃分了不同區域沖擊傾向的強弱程度，當這些沖擊傾向性指標超過某一閾值時，沖擊地壓發生的可能性就會極大地升高。

彬州市水簾洞煤礦地處彬長區南塬，距城區5 km，離312 國道大概1.5 km，距東南部的西安市大約175 km。煤系地層形態為略微向北傾斜的單斜構造，整體大概呈東西走向，局部區域有較小起伏，地層傾角一般5°～7°。本區含煤地層平均厚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17%。煤系地層沉積韻律明顯，可采煤層層位、間距比較穩定，變化不大。煤層開采作業超400 m 深度，達到我國沖擊地壓礦井的采深標準，在開采過程中需預防出現強礦壓顯現甚至沖擊地壓現象，確保煤礦的安全作業。為了預防4號煤在開采過程中出現沖擊地壓現象，本文將通過沖擊能量指數等多個沖擊傾向性指標以及綜合模糊評價方法對4 號煤層進行沖擊傾向性研究[1-10]，為判定開采煤層是否具有沖擊傾向提供一定依據。

1 研究方法與流程

1.1 試樣制作

本次試驗所需煤樣均采集于三采區的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×寬×高≥300 mm×300 mm×300 mm。采樣后對其進行包裝，運輸至實驗室進行參數測定。將采取的煤巖樣用切割機加工為50 mm×50 mm×100 mm 的方柱體試件，試件表面應光滑。

圖1 取樣地點

1.2 測定依據

在試驗中對煤試樣的動態破壞時間、彈性能量指數、沖擊能量指數和單軸抗壓強度指標分別進行測定，并根據測定結果對水簾洞礦4 號煤層的沖擊傾向性進行分析判斷。煤的沖擊傾向性的測定是按照《沖擊地壓測定、監測與防治方法 第2 部分：煤的沖擊傾向性分類及指數的測定方法》（GB/T 25217.2-2010）進行的。煤層沖擊傾向性的判定標準，共包括4 個指數，并根據試驗所測定的4 個指數對煤層沖擊傾向性強弱進行一個綜合的衡量判定。煤層沖擊傾向性按其指數范圍一共分三類，見表1。當4 個指數發生矛盾時，一般可采用模糊綜合評判法對其進行分類。4 個指數一共有34種組合測試結果，模糊綜合評判結果見附錄。

表1 煤層沖擊傾向性判別標準

1.3 測定方法

（1）煤的動態破壞時間DT的測定方法

煤的動態破壞時間DT是指煤試件在常規單軸抗壓試驗條件下，從極限載荷到完全破壞所經歷的時間。

采用方柱體標準試件，在常規單軸壓縮試驗條件下，以0.5～1.0 MPa/s 的速率加載直至煤樣破壞，測定煤樣從極限載荷過渡到完全破壞所需時間，從而根據測定數據繪制動態破壞應力-時間曲線（如圖2），對單個試件的動態破壞時間以及每組試件動態破壞時間均值進行計算。通過公式（1）對每組試件動態破壞時間取均值（結果保留整數部分）：

圖2 動態破壞時間示意圖

式中：DTS為動態破壞時間均值，ms；DTi為試件i的動態破壞時間，ms；n為每組試件的個數。

（2）煤的彈性能量指數WET的測定方法

煤的彈性能量指數WET指的是煤試件在單軸壓縮狀態下，受力達到破壞前某一數值時卸載，其彈性能與塑性能之間的比值。

采用方柱體標準試件，在常規單軸壓縮試驗條件下，測定煤樣破壞前所積蓄的變形能、產生塑性變形消耗的能量（圖3），計算單個試件的彈性能量指數和每組試件指數均值，如公式（2）。

圖3 彈性能量指數計算示意圖

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

（3）煤的沖擊能量指數KE的測定方法

煤沖擊能量指數KE指的是應力應變全過程曲線的上升段面積AS與下降段面積AX之比（圖4）。采用方柱體標準試件，在常規單軸壓縮試驗條件下，測定煤樣全應力-應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），根據公式（3）計算單個試件和每組試件的沖擊能量指數的算術平均值。

圖4 沖擊能量指數計算示意圖

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

2 煤層沖擊傾向性測定

2.1 4 號煤層動態破壞時間測定

對4 號煤層上中下的動態破壞時間測定試驗共進行了15 個試樣的測定，根據公式（1）取每組試件的平均動態破壞時間，測試結果見表2。上部5個試樣的平均動態破壞時間為5190 ms，中部5 個試樣的平均動態破壞時間為9690 ms，下部5 個試樣的平均動態破壞時間為2105 ms。根據表1 動態破壞時間判定標準，判斷4 號煤無沖擊傾向。

表2 4 號煤動態破壞時間表

2.2 4 號煤層彈性能量指數測定

4 號煤層的彈性能量指數測試共進行了三組15個試樣的測試。將測試數據帶入公式（3）中進行處理，測試結果見表3。根據4 號煤三組煤樣測試結果，上部5 個試樣的平均彈性能量指數為0.672，中部平均彈性能量指數為1.311，下部5 個試樣的平均彈性能量指數為0.923。根據煤的彈性能量指數判別方法，判斷4 號煤層無沖擊傾向。

表3 4 號彈性能量指數測定結果

2.3 4 號煤層沖擊能量指數測定

4 號煤層的沖擊能量指數共進行了三組15 個試樣的測試，在此基礎上依據公式（3）計算煤的沖擊能量指數。測試處理結果見表4。

表4 4 號煤沖擊能量指數表

根據水簾洞礦4 號煤層煤體測試結果，上部5個試樣的平均沖擊能量指數為4.31，中部5 個試樣的平均沖擊能量指數為4.39，下部5 個試樣的平均沖擊能量指數為4.62。根據煤層沖擊能量指數判別方法，判斷4 號煤層具有弱沖擊傾向性。

2.4 4 號煤層單軸抗壓強度測定

4 號煤層單軸抗壓強度共進行了三組15 個試樣的測試。測試各項取均值，最終結果見表5。根據4 號煤層單軸抗壓強度測定結果，煤層上部5 個試樣的RC（單軸抗壓強度）平均值為8.95 MPa，中部5 個試樣的RC平均值為8.97 MPa，下部5 個試樣的Rc平均值為11.35 MPa。根據煤沖擊傾向性的單軸抗壓強度RC判別方法，判斷4 號煤層具有弱沖擊傾向性。

表5 4 號煤單軸抗壓強度測定結果

2.5 4 號煤層沖擊傾向性綜合判定

參考上述表1 的判別標準，結合基于綜合模糊評價方法的沖擊傾向性評判結果，根據水簾洞礦4號煤層的動態破壞時間、彈性能量指數、沖擊能量指數和單軸抗壓強度四個指數的測定結果，判定水簾洞礦4 號煤層具有弱沖擊傾向性，見表6。

表6 4 號煤沖擊傾向性鑒定結果

3 結論

水簾洞礦4 號煤上、中、下部的動態破壞時間分別為5190 ms、9690 ms、2105 ms，彈性能量指數分別為0.67、1.31、0.92，沖擊能量指數分別為4.31、4.39、4.62，單軸抗壓強度分別為8.95 MPa、8.97 MPa、11.35 MPa，綜合衡量以上結果，可以準確地判定4 號煤的上、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 號煤層具有弱沖擊傾向性。