山西煤运集团四通煤矿四、五采区煤岩体冲击倾向性研究

杜春林

（山西省煤炭地质144勘查院，山西洪洞041600）

冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围煤（岩）体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤（岩）体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等。冲击地压是一种较为典型的矿山煤岩动力灾害现象，对矿山安全构成很大的威胁，特别是随着煤矿开采深度的增加，冲击地压问题越来越突出。

煤层开采时，软弱煤层和坚硬岩层组合，在采空条件下，煤、岩体固有的物理力学性质，持续发生改变，积聚变形能并且具有冲击破坏的性质称为煤岩体冲击倾向性。

《煤矿安全规程》（2016版）第二百二十六条规定，有下列情况之一的，应当进行煤岩冲击倾向性鉴定：（一）有强烈震动、瞬间底（帮）鼓、煤岩弹射等动力现象的；（二）埋深超过400m的煤层，且煤层上方100m范围内存在单层厚度超过10m、单轴抗压强度大于60MPa的坚硬岩层；（三）相邻矿井开采的同一煤层发生过冲击地压的；（四）冲击地压矿井开采新水平、新煤层。

四通煤业2号煤层四、五采区钻孔揭露上组2号煤层埋深436.64～522.19m,顶板100m范围内存在单层厚度8.80～12.80m的细粒砂岩，顶板30m范围有完整的坚硬细粒砂岩岩层，测得其单轴抗压强度57.7MPa。五采区2504顺槽，掘进期间巷道每掘进300m需起底一次，底鼓0.40m,人工起底；顺槽掘进完成后整体由掘进机起底一次，起底厚度平均1m。四采区2402工作面回采期间，2402两顺槽随回采平均底鼓1.50m，帮缩1.20m，随回采进行起底。本矿有两项符合《煤矿安全规程》（2016版）第二百二十六条规定。

通过煤岩体冲击倾向性测试及分析，不仅能够科学地认识四、五采区煤岩体物理力学性质，而且对四通煤业今后冲击地压预测、监测和综合防治工作，安全高效生产，提供必要的科学依据。

1 矿井、地质概况

1.1 矿井概况

四通煤矿位于山西省临汾市尧都区，行政区划属尧都区河底乡管辖。井田位于河东煤田南部东侧，面积22.6721km2，批准开采煤层为2、3、10号煤层，矿井生产能力为1.50Mt/a。矿井共划分为2个煤组进行开采（上组：2上、2中、2下和3号煤层；下组：10号煤层），2上、2中、2下总称为2号煤层，其中矿井上组煤共划分为7个采区。首采区为五采区和四采区。五采区倾向长约0.65km，走向长约2～2.5km，面积约1.50km2；四采区倾向长约1.1km，走向长约1.8～2.4km，面积约2.30km2。在五采区2中、2下煤层间距较小，部分合并，2中、2下煤层合并开采，布置一个中厚煤层综采工作面，平均采高3.5m；在四采区2上煤层布置一个薄煤层综采工作面，平均采高1.5m。采用长壁式采煤法，综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板。井田内10号煤层目前没有开采。

1.2 地质概况

1.2.1 煤层

表1 可采煤层特征一览表

1.2.2 构造

井田总体构造为走向北东、倾向北西的单斜构造，地层倾角一般3°～13°，断层稀少，无岩浆岩侵入，构造复杂程度简单。

2 煤样、岩样采取

煤岩样从2号煤层四、五采区煤层及顶板中采取，采样标准按照中华人民共和国标准GB/T23561.1-2009《采样一般规定》，煤层厚度3.5m以下采一组煤样。煤样取样地点为四采区4206工作面与五采区5202工作面，见图1。按照相关技术标准要求，煤的冲击倾向性取1层进行鉴定，煤块的规格不小于长×宽×高=30cm×30cm×30cm，其高度方位垂直煤、岩层的层理面，所采集的煤样无明显裂隙。

在2号煤层上方30m范围内的顶板岩层进行钻孔取样，因30m中顶部10m为砂泥互层，钻孔取芯深度取20m。顶板岩样取样地点：1号钻孔位于四采区辅助运输巷935m处，2号钻孔位于五采区辅助运输巷101m处，3号钻孔位于五采区辅助运输巷83m处，4号钻孔位于四采区回风巷257m处，具体位置见图1。图2和表2为4个取芯钻孔柱状图及统计结果。取样岩层从下往上依次为砂质泥岩、泥岩和细粒砂岩共3类岩层。每个取样地点往顶板岩层中打∅68mm取芯钻孔，每类岩层取长度超过30mm岩芯各5块，长度超过130mm岩芯各5块。煤岩样采出后，立即用塑料薄膜及胶带封裹、密封并运送至实验室。

表2 顶板钻孔岩层厚度统计表

图1 煤岩样取样钻孔位置分布图

3 试样加工标准和测试仪器

试件加工依照国家标准《冲击地压测定、监测与防治方法》GB/T 25217-2010和《煤和岩石物理力学性质测定方法》GB/T 23561-2009，并参照国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会编制的《岩石力学试验建议方法》。测试仪器电子万能试验机（205DTS）、油电混合伺服压力试验机（306E）。

4 测试内容

密度、抗拉强度、单轴抗压强度、动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数、弯曲能量指数。

5 评价依据与标准

5.1 依据

依据中华人民共和国标准《煤和岩石物理力学性质测定方法》和《冲击地压测定、监测与防治方法》等，具体包括：

（1）中华人民共和国国家标准GB/T 23561.1-2009《采样一般规定》；

（2）中华人民共和国国家标准GB/T 23561.3-2009《煤和岩石块体密度测试方法》；

（3）中华人民共和国国家标准GB/T 23561.7-2009《单轴抗压强度测定及软化系数计算方法》；

（4）中华人民共和国国家标准GB/T 23561.8-2009《煤和岩石变形参数测定方法》；

（5）中华人民共和国国家标准GB/T 23561.10-2010《煤和岩石抗拉强度测定方法》；

（6）中华人民共和国国家标准GB/T 25217.1-2010《冲击地压测定、监测与防治方法第1部分：顶板岩层冲击倾向分类及指数的测定方法》；

（7）中华人民共和国国家标准GB/T 25217.2-2010《冲击地压测定、监测与防治方法第2部分：煤的冲击倾向分类及指数的测定方法》。

5.2 标准

（1）煤层冲击倾向性测定标准。煤层冲击倾向性为煤体所具有的积蓄变形能并产生冲击式破坏的性质。煤层冲击倾向性的强弱鉴定，按照《冲击地压测定、监测与防治方法第2部分：煤的冲击倾向分类及指数的测定方法》GB/T 25217.2-2010，用四个指数衡量，即动态破坏时间DT（ms），弹性能量指数WET、冲击能量指数KE和单轴抗压强度RC（MPa）。煤层冲击倾向性分为无冲击倾向性、弱冲击倾向性和强冲击倾向性。当上述4个指标矛盾时，采用模糊综合评判方法，确定煤的冲击倾向性。

（2）顶底板岩层冲击倾向性测定标准。弯曲能量指数是在均布载荷作用下，单位宽的悬臂岩梁达到极限跨度积蓄的弯曲能量，单位kJ，用UWQs表示。按照《冲击地压测定、监测与防治方法第1部分：顶板岩层冲击倾向分类及指数的测定方法》GB/T 25217.1-2010，该指数作为岩石冲击倾向性，分为强冲击倾向性、弱冲击倾向性、无冲击倾向性。

6 分析结果

6.1 煤层冲击倾向性

2号煤层四、五采区煤样动态破坏时间DT、弹性能量指数WET、冲击能量指数KE、单轴抗压强度RC测定。

在4206和5206工作面，每个参数取5个样品试件，共采取20个样品试件。

动态破坏时间测试：试件尺寸，样直径48.40～49.30mm、长度97.66～102.80mm，动态破坏时间560～2140ms，平均动态破坏时间1110ms。

弹性能量指数测试：试件尺寸，样直径48.16～49.16mm、长度98.14～102.80mm，卸载值5.0kN，弹性变形能ΦSE0.473～0.596，塑形变形能ΦSP0.163～0.275，弹性能量指数1.99～2.91，平均弹性能量指数2.36。

冲击能量指数测试：试件尺寸，样直径48.50～49.00mm、长度97.20～101.20mm，峰值前积聚的变形能0.76～7.27，峰值后耗损的变形能0.81～6.03，冲击能量指数0.33～1.25，平均冲击能量指数0.87。

单轴抗压强度测试：试件尺寸，样直径48.40～49.08mm、长 度97.08～103.14mm，破 坏 载荷2.53～6.74kN，单轴抗压强度1.32～3.60MPa，平均单轴抗压强度2.35MPa。

根据2号煤层四、五采区煤样动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度的测定结果，依据GB/T25217.2-2010给定标准，可综合评判2号煤层四、五采区煤冲击倾向性类别为Ⅰ类，无冲击倾向性。分析结果见表3。

表3 煤冲击倾向性统计分析

6.2 顶板岩层冲击倾向性分析

（1）2号煤层四、五采区，顶板岩样密度、单轴抗压强度、弹性模量测定。在钻孔中3类岩样各采取5个样，共采取15个进行测试样。

细粒砂岩测试：试件尺寸，样直径66.48～66.90mm、长度125.88～132.92mm；密度2.58～2.67g/cm3,平均2.64g/cm3；自然含水率条件下的单轴抗压强度37.57～82.30MPa，平均60.37MPa；弹性模量5.00～18.97GPa，平均9.51GPa。

泥岩测试：试件尺寸，样直径66.64～67.36mm、长度131.00～133.72mm；密 度2.59～2.62g/cm3,平 均2.62g/cm3；自然含水率条件下的单轴抗压强度17.71～47.00MPa，平均29.20MPa；弹性模量2.27～7.10GPa，平均4.88GPa。

砂质泥岩测试：试件尺寸，样直径67.20～67.76mm、长度131.94～133.90mm；密度2.61～2.72g/cm3,平均2.67g/cm3；自然含水率条件下的单轴抗压强度22.29～82.17MPa，平均54.53MPa；弹性模量2.96～11.48GPa，平均6.74GPa。

（2）2号煤层四、五采区顶板岩样抗拉强度测定。在钻孔中3类岩样各采取5个样，共采取15个样进行测试。

细类砂岩测试：试件尺寸，样直径66.16～67.26mm、长 度32.16～33.14mm；破 坏 载 荷3.31～14.67kN；抗拉强度0.94～4.14MPa，平均2.26MPa。

泥岩测试：试件尺寸，样直径66.50～67.26mm、长度32.00～34.10mm；破坏载荷4.98～9.31kN；抗拉强度1.43～2.68MPa，平均2.26MPa。

砂质泥岩测试：件尺寸，样直径66.20～66.76mm、长度33.20～33.68mm；破坏载荷8.57～14.47kN；抗拉强度2.81～4.13MPa，平均3.50MPa。

通过计算可知，2号煤层四、五采区第1层顶板砂质泥岩弯曲能量指数为7.45kJ，第2层顶板泥岩弯曲能量指数为6.06kJ，第3层顶板细粒砂岩弯曲能量指数为1.40kJ。因此，四通煤业2号煤层四、五采区复合顶板弯曲能量指数，即取第1层至第3层的弯曲能力指数结果之和，计算可得14.91kJ，小于15kJ，理论上已接近临界值。根据对四通煤业2号煤层四、五采区顶板岩样的抗拉强度、块体密度、弹性模量、弯曲能量指数的测定，依据给定的标准GB/T25217.1-2010，可以判定2号煤层四、五采区顶板岩层的冲击倾向性为Ⅰ类，无冲击倾向性，详见表4。

表4 顶板岩层冲击倾向性统计分析表

7 结论

（1）根据送检煤样测定的数据，依据国家标准GB/T 25217.2-2010《冲击地压测定、监测与防治方法第2部分：煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》，四通煤矿2号煤层四、五采区煤的冲击倾向性属于Ⅰ类，无冲击倾向性。

（2）根据送检岩样测定的数据，依据国家标准GB/T 25217.1-2010《冲击地压测定、监测与防治方法第1部分：顶板岩层冲击倾向分类及指数的测定方法》，四通煤矿2号煤层四、五采区顶板岩层的冲击倾向性为Ⅰ类，无冲击倾向性。