基于多指標(biāo)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(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、地質(zhì)條件下，這種差異可能會致使煤巖體出現(xiàn)沖擊地壓，因此這種性質(zhì)被稱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)超過某一閾值時，沖擊地壓發(fā)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(qū)南塬，距城區(qū)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(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。煤層開采作業(yè)超400 m 深度，達(dá)到我國沖擊地壓礦井的采深標(biāo)準(zhǔn)，在開采過程中需預(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號煤在開采過程中出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象，本文將通過沖擊能量指數(shù)等多個沖擊傾向性指標(biāo)以及綜合模糊評價方法對4 號煤層進(jìn)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(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×寬×高≥300 mm×300 mm×300 mm。采樣后對其進(jìn)行包裝，運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行參數(shù)測定。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 測定依據(jù)

在試驗(yàn)中對煤試樣的動態(tài)破壞時間、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)行測定，并根據(jù)測定結(jié)果對水簾洞礦4 號煤層的沖擊傾向性進(jìn)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(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》（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 個指數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)所測定的4 個指數(shù)對煤層沖擊傾向性強(qiáng)弱進(jìn)行一個綜合的衡量判定。煤層沖擊傾向性按其指數(shù)范圍一共分三類，見表1。當(dāng)4 個指數(shù)發(fā)生矛盾時，一般可采用模糊綜合評判法對其進(jìn)行分類。4 個指數(shù)一共有34種組合測試結(jié)果，模糊綜合評判結(jié)果見附錄。

表1 煤層沖擊傾向性判別標(biāo)準(zhǔn)

1.3 測定方法

（1）煤的動態(tài)破壞時間DT的測定方法

煤的動態(tài)破壞時間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，測定煤樣從極限載荷過渡到完全破壞所需時間，從而根據(jù)測定數(shù)據(jù)繪制動態(tài)破壞應(yīng)力-時間曲線（如圖2），對單個試件的動態(tài)破壞時間以及每組試件動態(tài)破壞時間均值進(jìn)行計(jì)算。通過公式（1）對每組試件動態(tài)破壞時間取均值（結(jié)果保留整數(shù)部分）：

圖2 動態(tài)破壞時間示意圖

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

（2）煤的彈性能量指數(shù)WET的測定方法

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的測定方法

煤沖擊能量指數(shù)KE指的是應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^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 煤層沖擊傾向性測定

2.1 4 號煤層動態(tài)破壞時間測定

對4 號煤層上中下的動態(tài)破壞時間測定試驗(yàn)共進(jìn)行了15 個試樣的測定，根據(jù)公式（1）取每組試件的平均動態(tài)破壞時間，測試結(jié)果見表2。上部5個試樣的平均動態(tài)破壞時間為5190 ms，中部5 個試樣的平均動態(tài)破壞時間為9690 ms，下部5 個試樣的平均動態(tài)破壞時間為2105 ms。根據(jù)表1 動態(tài)破壞時間判定標(biāo)準(zhǔn)，判斷4 號煤無沖擊傾向。

表2 4 號煤動態(tài)破壞時間表

2.2 4 號煤層彈性能量指數(shù)測定

4 號煤層的彈性能量指數(shù)測試共進(jìn)行了三組15個試樣的測試。將測試數(shù)據(jù)帶入公式（3）中進(jìn)行處理，測試結(jié)果見表3。根據(jù)4 號煤三組煤樣測試結(jié)果，上部5 個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 號煤層無沖擊傾向。

表3 4 號彈性能量指數(shù)測定結(jié)果

2.3 4 號煤層沖擊能量指數(shù)測定

4 號煤層的沖擊能量指數(shù)共進(jìn)行了三組15 個試樣的測試，在此基礎(chǔ)上依據(jù)公式（3）計(jì)算煤的沖擊能量指數(shù)。測試處理結(jié)果見表4。

表4 4 號煤沖擊能量指數(shù)表

根據(jù)水簾洞礦4 號煤層煤體測試結(jié)果，上部5個試樣的平均沖擊能量指數(shù)為4.31，中部5 個試樣的平均沖擊能量指數(shù)為4.39，下部5 個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 號煤層具有弱沖擊傾向性。

2.4 4 號煤層單軸抗壓強(qiáng)度測定

4 號煤層單軸抗壓強(qiáng)度共進(jìn)行了三組15 個試樣的測試。測試各項(xiàng)取均值，最終結(jié)果見表5。根據(jù)4 號煤層單軸抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果，煤層上部5 個試樣的RC（單軸抗壓強(qiáng)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(jù)煤沖擊傾向性的單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度測定結(jié)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(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合基于綜合模糊評價方法的沖擊傾向性評判結(jié)果，根據(jù)水簾洞礦4號煤層的動態(tài)破壞時間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度四個指數(shù)的測定結(jié)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(jié)果

3 結(jié)論

水簾洞礦4 號煤上、中、下部的動態(tài)破壞時間分別為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。