润东煤矿3#煤层及顶底板冲击倾向性研究

庞彩龙 武东雷 范泽军

（晋能控股集团晋圣公司润东煤业，山西 晋城 048103）

润东煤业有限公司位于山西省晋城市阳城县润城镇，批准开采3#、9#、15#煤层，井田面积为9.105 7 km2，开采深度为+628～+350 m 标高，生产规模90 万t/a，目前正开采3#煤层一盘区1307 工作面。随着开采深度的增加，有可能发生冲击地压事故。为了预防冲击地压事故，对润东矿井3#煤层及顶底板岩层的冲击倾向性进行测试分析，为润东矿井绿色高效安全生产提供技术保障。

1 概况

润东矿井3#煤层位于山西组，赋存标高在+590～+430 m，埋深20～455 m，煤层厚2.20～7.15 m，平均6.04 m，面积为8.579 1 km2，为全区可采的稳定煤层。3#煤层北部煤层厚度较大，南部局部区域煤层变薄，煤层厚度的变异系数为17.66，可采性指数为1.00。煤层结构简单，含有1～4 层夹矸，夹矸厚0.03～0.45 m。3#煤层直接顶下部有0.1～0.3 m的碳质泥岩及灰色泥岩伪顶，老顶岩性为泥质、钙质胶结的泥岩和细粒砂岩互层，底板岩性为泥岩和粉砂岩[1]。3#煤层岩性如图1。

图1 3#煤层实测柱状

2 采样与测试工作

本次对3#煤层及顶底板岩层进行了现场采样，顶底板采用钻探取样，煤层采样镐刨取样，取样尺寸的长×宽×高≥300 mm×300 mm×300 mm，采样后现场塑封包装。试样加工和测试工作在河南理工大学，用立式取芯机将试样加工出高×直径为50 mm×30 mm、50 mm×100 mm 的圆柱体，在磨石机上将圆柱状煤岩的两端磨平，确保圆柱状煤岩的上下面不平行度小于0.05 mm，中线轴的偏差小于0.25°。圆柱状煤岩试样的三轴松弛测试、三轴压缩测试、三轴蠕变测试、煤岩孔隙水测试等测试分析工作均在TAW-2000 型电液伺服仪上完成。

3 物理力学参数测试

3#煤的上、中、下层，煤层顶1、顶2、顶3 和煤层底板位置均取了3 个样品进行煤岩物理力学参数测试。试验结果显示，3#煤上、3#煤中、3#煤下、3#煤顶3、3#煤顶2、3#煤顶1、3#煤底的自然块体密度分别为1 424.02 kg/m3、1 467.80 kg/m3、1 468.30 kg/m3、2 712.05 kg/m3、2 714.52 kg/m3，单轴抗压强度分别为13.36 MPa、14.05 MPa、13.26 MPa、61.13 MPa、48.43 MPa、46.55 MPa、40.44 MPa，单轴抗拉强度分别为0.74 MPa、0.72 MPa、1.04 MPa、6.32 MPa、3.00 MPa、3.19 MPa、2.70 MPa，弹性模量分别为4.55 GPa、4.96 GPa、5.45 GPa、10.62 GPa、12.10 GPa、12.26 GPa、12.57 GPa，泊松比分别为0.32、0.37、0.33、0.31、0.28、0.27、0.30。

4 煤层冲击倾向性评价分析

4.1 3#煤岩层冲击倾向性评价分析

冲击倾向性是评价煤岩体冲击地压危险性的重要判别依据，可以在实验室内测试分析。根据煤炭科学研究总院开采设计研究分院制定的国家标准《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），煤岩层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3 类，分类标准详见表1。

表1 煤岩的冲击倾向性分类标准

顶板岩层的冲击倾向性判别指数为弯曲能量指数，弯曲能量指数由弹性模量、单轴抗拉强度、自然块体密度和上覆岩层载荷计算得到，根据弯曲能量指数可将顶板岩层冲击倾向性划分为无冲击倾向性、弱冲击倾向性和强冲击倾向性3 类，详见表2。

表2 顶板岩层冲击倾向性分类标准

4.2 3#煤层的冲击倾向性测定结果

1）煤岩的动态破坏时间

根据3#煤样动态破坏时间的测试数据，3#煤上、煤中和煤下测试样品的动态破坏时间最大值分别为2328 ms、1660 ms 和2548 ms，最小值分别为1448 ms、1356 ms 和1392 ms，3#煤上、煤中和煤下煤样的动态破坏时间均大于500 ms，冲击倾向性分类均属于I 类，无冲击倾向性。

2）3#煤的弹性能量指数

根据3#煤样弹性能量指数的测试数据，3#煤上、煤中和煤下测试样品的弹性能量指数最大值分别为1.71、2.18 和1.98，最小值分别为0.63、1.52 和1.70，3#煤上、煤中和煤下测试样的弹性能量指数均小于2，冲击倾向性均属于I 类，无冲击倾向性。

3）3#煤的冲击能量指数

根据3#煤样冲击能量指数的测试数据，3#煤上、煤中和煤下测试样品的冲击能量指数最大值分别为1.49、1.285 和1.49，最小值分别为1.051、0.623和1.34，3#煤上、煤中和煤下测试样的冲击能量指数均小于1.5，冲击倾向性均属于I 类，无冲击倾向性。

4）3#煤的单轴抗压强度

根据3#煤样单轴抗压强度的测试数据，3#煤上、煤下测试样品的单轴抗压强度最大值分别为14.11 MPa、13.66 MPa，最小值分别为12.76 MPa、12.87 MPa，单轴抗压强度大于7 MPa 而小于14 MPa，冲击倾向性属于Ⅱ类，弱冲击倾向性。3#煤中测试样品的单轴抗压强度最大值为15.56 MPa，最小值为14.01 MPa，单轴抗压强度大于14 MPa，冲击倾向性属于Ⅲ类，强冲击倾向性。

5）煤样冲击倾向性测定结果

根据冲击能量指数、弹性能量指数、单轴抗压强度、动态破坏时间4 个判别指标，综合判定3#煤上、煤中和煤下测验样品均不具有冲击倾向性。3#煤层冲击倾向性判定结果表详见表3。

表3 3#煤层冲击倾向性判定结果表

4.3 3#煤顶底板岩层的冲击倾向性鉴定结果

根据顶板岩层的弹性模量、单轴抗拉强度、自然块体密度和上覆岩层载荷，计算获得3#煤层顶板岩层的弯曲能量指数为13.73 kJ （表4），小于15 kJ，属I 类，无冲击倾向性。

表4 煤层冲击倾向性测定结果

目前，还没有底板岩层冲击倾向性的判别标准，因此本文底板岩层冲击倾向性判别时，参考《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）中顶板岩层的冲击倾向性判别标准，计算获得3#煤层底板岩层的弯曲能量指数为9.15 kJ，小于15 kJ，属I 类，无冲击倾向性。

5 结论

冲击地压事故是煤矿生产中的重大灾害事故之一，常发生在硬脆煤岩层的高地应力区域，导致回采工作面严重破坏和人员伤亡，造成重大经济损失[2-3]。冲击倾向性是判别煤矿是否发生冲击地压事故的重要指标[4-6]。根据冲击倾向性综合判断指标，得出以下结论：

1）通过冲击能量指数、弹性能量指数、单轴抗压强度、动态破坏时间4 个冲击倾向性判别指标，综合判定3#煤层无冲击倾向性。

2）通过弹性模量、单轴抗拉强度、自然块体密度和上覆岩层载荷计算获得3#煤顶板和底板岩层的弯曲能量指数均小于15 kJ，3#煤顶底板无冲击倾向性。

3）随着煤层开采深度的增加，3#煤层及顶底板岩层将变为弱冲击倾向性，煤矿要提前做好防冲措施。