青云煤业10 号煤层开采冲击倾向性研究

柳 晶 李根威

（吕梁学院矿业工程系，山西 吕梁 033000）

冲击地压的发生主要决定于煤岩体本身的地质条件和开采技术条件。煤岩体中的初始应力状态和结构特性，会在采动应力影响下形成高应力而造成高能量积聚，最后能量瞬间释放造成冲击地压，冲击地压等灾害严重威胁着矿井的安全生产[1-3]。冲击地压发生时会释放大量的能量，造成煤岩体破坏，严重影响着井下的人员安全。因此“顶板-煤层-底板”的组合煤岩结构模型的建立对冲击危险性评判有重要意义。为此，展开了对不同煤层厚度的“顶板-煤层-底板”模型的力学性质演化规律和冲击倾向性的研究。国内外学者已对煤岩组合体有了大量的研究。CHEN Y L 等[4]通过室内试验和数值模拟相结合研究了煤岩组合体的变形破坏特征等。

综上所述，国内外学者已对煤岩组合体的力学特性、声发射特征、冲击倾向性、能量耗散等做出了大量研究，但对于结合实际地质条件，分析煤层厚度对“顶板-煤层-底板”结构模型力学性质改变所引起的能量演化和冲击倾向性研究还较少。故对此展开研究，同时也期望对井下尤其深井煤层开采所引起的倾向性提供判定依据及为之后避免冲击地压提供相应措施。

1 工程概况

青云煤业位于山西介休，其10 号煤层埋深350～500 m，地质条件相对复杂，深部应力集中、断层多，煤层起伏大、厚度变化大，厚度从3 ～5 m不等，煤层底板30 m 左右存在奥灰系承压水带。直接顶为3.8～6.1 m 不等的泥岩、碳质泥岩互层，直接底为3.7～6.2 m 不等的泥岩、铝土泥岩、砂质泥岩互层。再加上煤质较为坚硬，采动时诱发煤岩体变形能瞬间释放，极易造成冲击地压危险。故从100402 工作面取岩样和煤样对不同厚度的煤岩组合体冲击倾向性展开研究。

2 试件制备及试验方案

2.1 试件制作

制作圆柱形标准试件（直径50 mm，高度100 mm），A 组试件为纯煤3 个，记为M；B 组为砂质泥岩3 个，记为R；C 组为煤岩组合体，煤层厚度分别为20 mm、30 mm、40 mm，每种煤厚各3 个，记为RMR20、RMR30、RMR40。其中，煤岩组合体交界面处使用AB 胶粘接。

2.2 试验方案

将制备好的试件进行纵波波速测定，超声波纵波波速测量设置为：发射电压500 V，采样周期0.4 μs，其纵波波速取每组3 个试件的平均值。之后进行单轴压缩试验，力学试验的单轴压缩加载系统为STYE-2000 kN 微机控制电液伺服岩石试验系统，最大试验荷载达2000 kN，采用位移加载，加载速率为0.12 mm/min，每组试样对3 个试件分别加载。为保证试验的准确性，数据处理时，其纵波波速、抗压强度、弹性模量均取3 个试件结果的平均值。

3 力学特征分析

3.1 纵波波速分析

岩石可看为弹性体，故可用弹性波在岩石中的传播特性来反映岩石的弹性能强弱。在均匀各向介质中，纵波波速越大，说明岩石弹性模量越大，即弹性势能越大。

式中：f为公式系函数。

由图1 可知，砂质泥岩的纵波波速最大，随着煤岩组合体中煤厚的增加，纵波波速逐渐降低，一直到纯煤试件纵波波速为最低：R ＞RMR20 ＞RMR30 ＞RMR40 ＞M。随着煤厚增加，在受压到破坏时其弹性势能的积聚和释放逐渐减小的趋势。

图1 试件纵波波速图

3.2 抗压强度分析

从图2 中可以看出，在顶底板岩石不变时，随着煤厚的增加，单轴抗压强度逐渐降低，变化趋势与 y=Ae-x/t+y0函数形式保持较高的拟合度，在煤层较薄时与砂岩抗压强度接近。之后，随着煤层厚度的增加，抗压强度呈缓慢减少趋势。煤厚为30～40 mm 时为突变段，组合体抗压强度急剧下降，随着煤层厚度的增加直至与煤的抗压强度相接近。

图2 不同厚度煤岩组合体抗压强度

3.3 弹性模量分析

由图3 可知，在“顶板-煤层-底板”型煤岩组合体结构中，随着煤层厚度的增加，组合体的弹性模量逐渐降低，弹性模量在煤厚为30～40 mm 时降幅明显，降低趋势与 y=Ae-x/t+y0函数形式保持较高的拟合度。说明其弹性能与煤层厚度呈负相关关系，这也与之前的纵波波速测定分析结果相印证。

图3 不同厚度煤岩组合体弹性模量

4 能量积聚及冲击倾向性

4.1 煤岩组合体能量分析

根据热力学第一定律，设组合体在单轴受压时与外界没有热量交换，单轴压缩加载系统对试件做的功第一部分是岩石与煤体自身的耗散能之和为U3，第二部分是岩石部分聚集的弹性势能与煤体自身聚集的弹性势能之和为U1，第三部分是组合试件破坏消耗的能U2。组合体应力应变曲线如图4。

图4 组合体应力应变曲线

其中，通过积分思想，可求得U1、U2、U3：

煤岩组合体发生破坏时释放的能量基本来自组合试件的弹性势能，岩体中的弹性能会在卸载后释放作用于煤体，对煤体的破坏产生加剧作用。因此，煤岩组合试件破坏时在顶底板弹性能作用下，释放能量更剧烈，煤体破坏程度更加剧烈，破碎程度更大。

4.2 煤岩组合体冲击倾向性

为了研究煤岩组合体的冲击倾向性，岩石部分积聚弹性应变能在组合试样发生破坏时对煤体的能量可参考表1。从能量的角度对煤岩体破坏进行研究。煤岩体在单压压缩破坏时：

式中：WET为弹性应变能指数；WK为冲击能量指数。

表1 分析可得，“顶板-煤层-底板”煤岩组合体结构要比单岩体结构更容易失稳破坏，所需外界输入的能量更少，但释放能量小；比单煤体结构较难失稳，但失稳时释放能量大。煤岩高比越小，煤岩越不容易发生失稳破坏，在破坏时动力越发剧烈。在煤层厚度从0 ～30 mm 时逐渐容易失稳，动力显现剧烈，但属于较难失稳情况；煤层厚度由30 mm 向40 mm 过渡时，是相对失稳破坏发生冲击危险时所需输入能量较低但动力显现相对较高的时候；而在煤层厚度再逐渐增大时，虽然更容易发生失稳，但是动压显现就不那么明显了。故此，青云煤业100402 工作面开采时，在顶板、煤层、底板厚度比达到7:6:7 之前是冲击能量激增区间，应减少采掘强度引起的采动应力影响，避免造成冲击危害；顶板、煤层、底板厚度比从7:6:7（即35 cm、30 cm、35 cm） 到3:4:3（ 即30 cm、40 cm、30 cm）开始过渡时，能量聚集降低，但是极易开始失稳，故从这个区间段开始应加强巷道支护，避免变形失稳破坏造成设备及人员损伤。

表1 煤岩体冲击倾向性

5 结论

（1）随煤厚的增加，煤岩组合体的纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低，组合煤岩试样中应变能密度和弹性能密度随煤高度占比增加而减小。

（2）随煤岩高比的增大，煤岩组合体破坏失稳时所需要外界输入的能量逐渐减小，发生失稳破坏更容易，但是动压显现逐渐微弱。

（3）“顶板-煤层-底板”型煤岩组合体的顶板、煤层、底板厚度比达到7:6:7 和3:4:3 之间时，其弹性应变能指数、冲击能量指数有明显变化，这是一个冲击矿压易发且能量释放较大的转折点，可为矿井安全生产应对冲击矿压时提供重要依据和借鉴。