基于多指标综合评判法的厚煤层冲击倾向研究

屈振祖 王海龙 张东，3

（1.彬县水帘洞煤炭有限责任公司，陕西 彬州 713500；2.山东能源新汶矿业集团有限责任公司，山东 新泰 271200；3.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201）

不同煤岩体之间固有的物理力学性质存在较大差异，在同样的采动、地质条件下，这种差异可能会致使煤岩体出现冲击地压，因此这种性质被称为煤岩体的冲击倾向性，是矿井安全生产的潜在威胁。煤岩体的冲击倾向性划分了不同区域冲击倾向的强弱程度，当这些冲击倾向性指标超过某一阈值时，冲击地压发生的可能性就会极大地升高。

彬州市水帘洞煤矿地处彬长区南塬，距城区5 km，离312 国道大概1.5 km，距东南部的西安市大约175 km。煤系地层形态为略微向北倾斜的单斜构造，整体大概呈东西走向，局部区域有较小起伏，地层倾角一般5°～7°。本区含煤地层平均厚49.55 m，主要可采煤层一层（4 煤），可采平均厚度8.44 m，可采系数17%。煤系地层沉积韵律明显，可采煤层层位、间距比较稳定，变化不大。煤层开采作业超400 m 深度，达到我国冲击地压矿井的采深标准，在开采过程中需预防出现强矿压显现甚至冲击地压现象，确保煤矿的安全作业。为了预防4号煤在开采过程中出现冲击地压现象，本文将通过冲击能量指数等多个冲击倾向性指标以及综合模糊评价方法对4 号煤层进行冲击倾向性研究[1-10]，为判定开采煤层是否具有冲击倾向提供一定依据。

1 研究方法与流程

1.1 试样制作

本次试验所需煤样均采集于三采区的ZF3808工作面，如图1。煤层的取样方法为镐刨，采煤样三组，一组靠近煤层顶板，一组为煤层中部，一组靠近煤层底板，取样尺寸为：长×宽×高≥300 mm×300 mm×300 mm。采样后对其进行包装，运输至实验室进行参数测定。将采取的煤岩样用切割机加工为50 mm×50 mm×100 mm 的方柱体试件，试件表面应光滑。

图1 取样地点

1.2 测定依据

在试验中对煤试样的动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度指标分别进行测定，并根据测定结果对水帘洞矿4 号煤层的冲击倾向性进行分析判断。煤的冲击倾向性的测定是按照《冲击地压测定、监测与防治方法 第2 部分：煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》（GB/T 25217.2-2010）进行的。煤层冲击倾向性的判定标准，共包括4 个指数，并根据试验所测定的4 个指数对煤层冲击倾向性强弱进行一个综合的衡量判定。煤层冲击倾向性按其指数范围一共分三类，见表1。当4 个指数发生矛盾时，一般可采用模糊综合评判法对其进行分类。4 个指数一共有34种组合测试结果，模糊综合评判结果见附录。

表1 煤层冲击倾向性判别标准

1.3 测定方法

（1）煤的动态破坏时间DT的测定方法

煤的动态破坏时间DT是指煤试件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。

采用方柱体标准试件，在常规单轴压缩试验条件下，以0.5～1.0 MPa/s 的速率加载直至煤样破坏，测定煤样从极限载荷过渡到完全破坏所需时间，从而根据测定数据绘制动态破坏应力-时间曲线（如图2），对单个试件的动态破坏时间以及每组试件动态破坏时间均值进行计算。通过公式（1）对每组试件动态破坏时间取均值（结果保留整数部分）：

图2 动态破坏时间示意图

式中：DTS为动态破坏时间均值，ms；DTi为试件i的动态破坏时间，ms；n为每组试件的个数。

（2）煤的弹性能量指数WET的测定方法

煤的弹性能量指数WET指的是煤试件在单轴压缩状态下，受力达到破坏前某一数值时卸载，其弹性能与塑性能之间的比值。

采用方柱体标准试件，在常规单轴压缩试验条件下，测定煤样破坏前所积蓄的变形能、产生塑性变形消耗的能量（图3），计算单个试件的弹性能量指数和每组试件指数均值，如公式（2）。

图3 弹性能量指数计算示意图

式中：WET为弹性能量指数；φSE为弹性应变能（即卸载曲线（正下方）与横轴之间的面积），J；φSP为塑性应变能（值为加载曲线、卸载曲线与横轴所围成区域面积），J。

（3）煤的冲击能量指数KE的测定方法

煤冲击能量指数KE指的是应力应变全过程曲线的上升段面积AS与下降段面积AX之比（图4）。采用方柱体标准试件，在常规单轴压缩试验条件下，测定煤样全应力-应变曲线峰前所积聚的变形能（图4 中的AS）、峰后所消耗的变形能（图4 中的AX），根据公式（3）计算单个试件和每组试件的冲击能量指数的算术平均值。

图4 冲击能量指数计算示意图

式中：KE为冲击能量指数；AS为峰前积聚变形能，J/m3；AX为峰后积聚变形能，J/m3。

2 煤层冲击倾向性测定

2.1 4 号煤层动态破坏时间测定

对4 号煤层上中下的动态破坏时间测定试验共进行了15 个试样的测定，根据公式（1）取每组试件的平均动态破坏时间，测试结果见表2。上部5个试样的平均动态破坏时间为5190 ms，中部5 个试样的平均动态破坏时间为9690 ms，下部5 个试样的平均动态破坏时间为2105 ms。根据表1 动态破坏时间判定标准，判断4 号煤无冲击倾向。

表2 4 号煤动态破坏时间表

2.2 4 号煤层弹性能量指数测定

4 号煤层的弹性能量指数测试共进行了三组15个试样的测试。将测试数据带入公式（3）中进行处理，测试结果见表3。根据4 号煤三组煤样测试结果，上部5 个试样的平均弹性能量指数为0.672，中部平均弹性能量指数为1.311，下部5 个试样的平均弹性能量指数为0.923。根据煤的弹性能量指数判别方法，判断4 号煤层无冲击倾向。

表3 4 号弹性能量指数测定结果

2.3 4 号煤层冲击能量指数测定

4 号煤层的冲击能量指数共进行了三组15 个试样的测试，在此基础上依据公式（3）计算煤的冲击能量指数。测试处理结果见表4。

表4 4 号煤冲击能量指数表

根据水帘洞矿4 号煤层煤体测试结果，上部5个试样的平均冲击能量指数为4.31，中部5 个试样的平均冲击能量指数为4.39，下部5 个试样的平均冲击能量指数为4.62。根据煤层冲击能量指数判别方法，判断4 号煤层具有弱冲击倾向性。

2.4 4 号煤层单轴抗压强度测定

4 号煤层单轴抗压强度共进行了三组15 个试样的测试。测试各项取均值，最终结果见表5。根据4 号煤层单轴抗压强度测定结果，煤层上部5 个试样的RC（单轴抗压强度）平均值为8.95 MPa，中部5 个试样的RC平均值为8.97 MPa，下部5 个试样的Rc平均值为11.35 MPa。根据煤冲击倾向性的单轴抗压强度RC判别方法，判断4 号煤层具有弱冲击倾向性。

表5 4 号煤单轴抗压强度测定结果

2.5 4 号煤层冲击倾向性综合判定

参考上述表1 的判别标准，结合基于综合模糊评价方法的冲击倾向性评判结果，根据水帘洞矿4号煤层的动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度四个指数的测定结果，判定水帘洞矿4 号煤层具有弱冲击倾向性，见表6。

表6 4 号煤冲击倾向性鉴定结果

3 结论

水帘洞矿4 号煤上、中、下部的动态破坏时间分别为5190 ms、9690 ms、2105 ms，弹性能量指数分别为0.67、1.31、0.92，冲击能量指数分别为4.31、4.39、4.62，单轴抗压强度分别为8.95 MPa、8.97 MPa、11.35 MPa，综合衡量以上结果，可以准确地判定4 号煤的上、中、下部煤层的冲击倾向。因此，综合分析判定水帘洞煤矿的4 号煤层具有弱冲击倾向性。