煤岩物理力学性质与冲击倾向性关系

李宏艳

（1.煤炭科学研究总院,北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 （煤炭科学研究总院）,北京 100013）

煤岩物理力学性质与冲击倾向性关系

李宏艳1,2

（1.煤炭科学研究总院,北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 （煤炭科学研究总院）,北京 100013）

冲击倾向性是煤岩介质的固有属性,是发生冲击矿压的必要条件,物理力学参数表征煤岩介质的性质,基于大量煤岩介质物理力学参数数据及冲击倾向性结果,分析了煤岩物理力学性质中吸水性、强度参数、变形参数与冲击倾向性之间的定量或定性关系。试验研究及理论分析结果表明,随着煤岩介质吸水性增强,其动态破坏时间越长,冲击能量指数越低,冲击倾向性程度越低;煤岩介质随着单轴抗压强度的增强,受载过程中积蓄的弹性应变能增大而耗散的永久变形能减少,冲击倾向性增加;弹性模量大于 9GPa时,冲击倾向性类别只为强冲击。

冲击倾向性;物理力学参数;动态破坏时间;冲击能量指数;弹性能量指数

煤岩作为典型的脆性岩石赋存于复杂的地质环境中,煤岩介质的物理力学性质更趋于复杂化,尤其是具有积蓄变形能并产生冲击式破坏的性质,即冲击倾向性,冲击倾向性是煤岩介质固有属性。煤岩介质冲击倾向性是引发煤矿冲击矿压等煤岩动力灾害的必要条件。因此,准确把握煤岩介质冲击倾向性的强弱,是控制冲击矿压等煤矿突发性灾害的重要前提。针对煤岩介质冲击倾向性实验、指标、判别,国内外学者作了大量研究工作,从不同角度对冲击倾向性的影响因素进行了分析,从而提出了一系列冲击倾向性评价指标,例如弹性能指标（WET）[1-3]、能量指标 （PES）[2]、脆性指标修正值（B IM）[4]、能量耗散指标 （K）[5]、动态破坏时间（DT）[6]、有效释放率 （B ER）[3,7]、脆性指标（B）[8],能量释放率 （ERR）[9]、有效冲击能[10]等。指标的提出为冲击倾向性评价奠定了基础,同时也为冲击矿压的预测预报提供了依据。而影响煤岩介质冲击倾向性的因素较多,主要分为内在因素与外部因素。内在因素以煤岩属性 （矿物成分、碎屑含量、颗粒大小、岩石结构、颗粒接触方式、胶结物成分、胶结类型）为主要影响因素的研究主要包括煤岩介质矿物成分及细观结构对冲击倾向性的影响[11-12]。外部因素主要体现在对煤岩体生成条件、赋存环境、围岩应力、围岩性质 （顶底板条件）以及密度、温度和湿度等的影响,如对组合煤岩结构冲击倾向性的试验研究[13-14],探讨含水量对煤岩冲击倾向性的影响的研究[15]。煤岩介质内在属性是决定煤岩介质冲击倾向性的内在因素,通过煤岩介质的物理力学参数加以定量表征,因此以煤岩物理力学参数为媒介,探讨冲击倾向性与物理力学参数 （吸水性参数、强度参数、变形参数）之间的定量关系,为煤岩介质冲击倾向性评价指标的制定提供依据。本文利用近十年来积累的山东 36个矿井实验室数据为依托,探讨煤岩物理力学参数与冲击倾向性之间的定性、定量关系,并为煤岩介质冲击倾向性指标确定提供依据。

1 冲击倾向性判别依据

目前国内外从煤岩积蓄的能量、破坏时间、变形和刚度等方面提出了多种冲击倾向性评价指数,并提出了相应的判别指标[1-2,6]。我国现行行业标准的冲击倾向性指标主要有弹性能量指数WET、冲击能量指数 KE和动态破坏时间 DT。

弹性能量指数表征煤试件在单轴压缩状态下,受力达到某一值 （平均破坏载荷的 75%～85%）时卸载,其弹性能ΦSE与塑性能 （耗损变形能）ΦSP之比[16]。该指数越大说明积蓄的弹性能越大,其冲击倾向性越强。

冲击能量指数为应力 -应变全过程曲线的上升段面积与下降段面积之比[16],表征试件蓄能和耗能之比,比值越大剩余能量越大,冲击倾向性越强。冲击能量指数把变形能的积累和消耗密切联系起来,较好地反映了煤岩破裂过程中煤岩内能量转换关系,对于揭示冲击矿压机理具有重要意义。

动态破坏时间是指煤岩在常规单轴抗压试验条件下,从极限载荷到完全破坏所经历的时间[16]。该指数说明煤岩破坏所需时间的长短。剩余能量一定,动态破坏时间越短,其冲击倾向性越强烈。

2 物理力学参数与冲击倾向性关系分析

2.1 吸水性与冲击倾向性关系分析

众所周知煤层注水是防治冲击矿压的手段之一,而煤冲击倾向性对其吸水率敏感性是煤层注水法防治冲击矿压的理论基础。因此,深入探讨吸水性与冲击倾向性关系尤为重要。表 1为山东韩庄、汶南、古城、东滩、三河口煤层物理力学参数及冲击倾向性判定指标测定结果,获得含水率、自然吸水率与冲击倾向性之间关系。

表1 煤层物理力学参数及冲击倾向性判定指标测定结果

从表 1可知,对于同一煤矿的同一煤层含水率差异较小,自然吸水率具有一定的差异性,例如韩庄煤矿 6号煤层含水率在 3.09%～3.41%之间,但吸水比例差值最大达到了 2.23%,对应于吸水性的冲击倾向性判别指标也存在相应的差异。从表中的结果来看,原始含水率对冲击倾向性指标的影响没有确定的规律性,而煤岩介质自身的吸水性却与动态破坏时间具有一定的定性关系,从表中可知吸水性越强其动态破坏时间越长,其冲击能量指数越低,冲击倾向性程度越低,吸水性对于弹性能量指数的敏感性不明显。

表1中视密度与真密度之差产生的密度差值,实际上间接表征了煤岩介质孔隙及微裂隙所占体积,密度差值越大说明煤岩介质孔隙与微裂隙所占比例越大,其吸水性越强,例如韩庄煤矿 6号煤层 3号煤样最大吸水性为 2.23%,对应于密度最大差值 73。而原始含水率与密度差值没有对应关系,可说明原含水率与孔隙及微裂隙所占空间无关,自然吸水率与孔隙及微裂隙所占空间正相关,因此,煤岩介质的吸水性是影响其冲击倾向性的重要指标,同时也是注水防治冲击矿压的技术机理。

以上结论可通过煤岩浸水软化试验来验证,山东鲍店煤矿 3号煤层煤岩浸水软化试验结果见表2,从表中可看出由于煤岩介质的非均匀性,煤岩介质的软化率并不是完全的呈线性变化,但随着浸水时间的增加,煤岩介质的抗压强度降低,说明煤岩介质饱水后其强度性能有所降低,甚至软化率达到57%。

表2 山东鲍店煤矿煤岩浸水试验结果

2.2 强度参数与冲击倾向性关系分析

在常规煤岩介质物理力学参数之中表征强度的参数主要包含单轴抗压强度、单轴抗拉强度。因此在探讨强度参数与冲击倾向性关系时,主要包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度以及拉压比。

通过大量实验数据的分析,单轴抗压强度与动态破坏时间判定冲击倾向性类别以及冲击能量指数判定的冲击倾向性类别具有相似的统计规律 （图1,图 2）:当单轴抗压强度低于 7MPa时,该类煤岩介质的冲击倾向性类别为无;当单轴抗压强度在7～14MPa时,煤岩介质的冲击倾向性类别为弱;当单轴抗压强度大于 14MPa时,煤岩介质的冲击倾向性类别为强。弹性能量指标的单轴抗压强度敏感性不强,没有明确的定量关系,但从图 1（c）,也可发现单轴抗压强度越大,其弹性能量指标集中于强冲击。这说明,煤岩介质强度增强,受载过程中积蓄的弹性应变能增大而耗散的永久变形能减少,冲击倾向性增加。

图1 单轴抗压强度参数与冲击倾向性关系

图2 单轴抗拉强度参数与冲击倾向性关系

单轴抗拉强度与动态破坏时间及弹性能量指数判定冲击倾向性类型具有相似规律:当单轴抗拉强度低于 0.5MPa时,冲击倾向性类别表现为无或弱,当单轴抗拉强度处于 0.5～1.5MPa时,冲击倾向性类别表现为弱和强,当单轴抗拉强度大于1.5MPa时,冲击倾向性类别基本上表现为强冲击。

由于煤岩介质中微裂隙、孔隙等缺陷的存在,致使煤岩等脆性介质具有抗压不抗拉的特性。有学者认为也许抗压不抗拉是脆性岩石的固有属性[17],因此,提出拉压比来表征岩石这一属性。但通过现有数据的统计分析,拉压比对于煤岩介质冲击倾向性的影响并没有呈现出某种规律,见图 3。

图3 拉压比与冲击倾向性关系

2.3 变形参数与冲击倾向性关系分析

常规煤岩介质物理力学参数中表征介质变形参数包括弹性模量及泊松比,弹性模量是介质弹性变形难易程度的表征参数。大量实验的统计分析结果表明弹性模量与弹性能量指数之间具有一定的统计规律,当弹性模量小于 4GPa时,由弹性能量指标判定的冲击倾向性类别从无冲击到强冲击都有分布,当弹性模量大于 9GPa时,冲击倾向性类别只为强冲击,见图 4。弹性模量与冲击能量指标以及动态破坏时间通过统计分析,并不存在定性或定量规律。

图4 弹性模量与冲击倾向性关系

弹性体的变形势能可用下式表示:

在变形一定的条件下,弹性模量越大,介质的变形势能越大,说明介质积聚的弹性能量越大,从而揭示了弹性模量与弹性能量指数间的关系。

泊松比表征的是横向应变与纵向应变之比,从实验数据统计来看,泊松比的分布与冲击倾向性判别指标间的规律性不明显,如图 5所示。

图5 泊松比与冲击倾向性之间关系

3 结论

基于大量煤岩介质物理力学参数数据及冲击倾向性测定结果,分析了煤岩介质吸水性、强度参数、变形参数与冲击倾向性之间的关系,通过统计分析得到以下结论:

（1）煤岩介质孔隙率对冲击倾向性无规律性影响,吸水性对动态破坏时间及冲击能量指数具有一定影响,随着吸水性增强煤岩介质动态破坏时间增加,冲击能量指数降低,煤岩介质的冲击倾向性减弱,吸水性对于弹性能量指标无规律性影响。

（2）强度参数中的单轴抗压强度与动态破坏时间以及冲击能量指数判定的冲击倾向性类别具有相似的统计规律:当单轴抗压强度低于 7MPa时,该类煤岩介质的冲击倾向性类别为无,当单轴抗压强度在 7～14MPa时,煤岩介质的冲击倾向性类别为弱,当单轴抗压强度大于 14MPa时,煤岩介质的冲击倾向性类别为强。而弹性能量指标的单轴抗压强度敏感性不强。当单轴抗拉强度低于 0.5MPa时,冲击倾向性类别表现为无或弱,当单轴抗拉强度处于 0.5～1.5MPa时,冲击倾向性类别表现为弱和强,当单轴抗拉强度大于 1.5MPa时,冲击倾向性类别基本上表现为强冲击。拉压比对于煤岩介质冲击倾向性的影响并没有呈现出某种规律。

（3）弹性模量只与弹性能量指数间具有一定的统计规律,当弹性模量小于 4GPa时,由弹性能量指标判定的冲击倾向性类别从无冲击到强冲击都有分布,当大于 9GPa时,冲击倾向性类别只为强冲击。弹性模量与冲击能量指标及动态破坏时间通过统计分析,并不存在定性或定量规律。泊松比的分布与冲击倾向性判别指标间的规律性不明显。

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Physical and Mechanical Property of Coal and Rock and Its Relationship with Rock-burst Liability

LIHong-yan1,2
（1.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;
2.State KeyLaboratory of Coal Resources High-efficiencyMining and Clean Utilization,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China）

Rock-burst liability is innerproperty of coal and rock body and is necessary condition of rock-burst.Physical andmechanical parameters represent coal and rock body’s property.Based on amount of exper imental data of physical,mechanical parameter and rockburst liability of coal and rock body,the qualitative and quantitative relationships ofwater absorbability,strength,defor mation module and rock-burst liabilitywere analyzed.Results showed thatwith absorbability of coal and rock body increasing,its dynamic damage time increased,rock-burst energy index reduced and rock-burst liability decreased.W ith uniaxial compression strength increased,elastic energy accumulated in loading procedure increased and released permanent defor mation energy reduced,so rock-burst liability increased.When elastic module was larger than 9GPa,rock-burst liability of all sampleswas strong.

rock-burst liability;physical and mechanical parameter;dynamic damage time;rock-burst energy index;elastic energy index

TU45

A

1006-6225（2011）03-0043-04

2011-02-25

国家重点基础研究发展计划 （973计划）课题 （2010226801）

李宏艳 （1978-）,女,河北唐山人,博士后,高级工程师,主要从事矿山岩石力学与煤岩动力灾害防治相关研究工作。

[责任编辑:邹正立 ]