红阳矿区12#煤层及其顶板冲击倾向性试验研究

王　炯，崔家森，郝育喜，张逸龙，孟志刚，王　浩

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；3.黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

采选技术

红阳矿区12#煤层及其顶板冲击倾向性试验研究

王炯1，2，崔家森1，2，郝育喜1，2，张逸龙3，孟志刚1，2，王浩1，2

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；3.黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

摘要：冲击地压是煤矿深部开采面临的最主要动力灾害之一，红阳矿区主采的12#煤层开采深度已接近1000m，冲击动力灾害愈发严重。为了解冲击动力学灾害发生的机理，依据煤层及顶板岩层冲击倾向性分类及指数的测定方法和标准，通过室内岩石力学试验得出煤样的单轴抗压强度为6.51MPa、冲击能量指数为1.93、弹性能量指数为3.11、动态破坏时间为252ms，煤层顶板弯曲能量指数为101.922kJ，综合判定12#煤层及其顶板均具有弱冲击倾向性。以上述研究结果为基础，结合红阳矿区12#煤层的实际生产条件，为该煤层深部开采延伸工程中的冲击地压预测及防治提供参考依据。

关键词：红阳矿区；冲击倾向性；单轴抗压强度；冲击能量指数；弹性能量指数；动态破坏时间

冲击地压是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈的释放导致岩石破裂并弹射出来的现象已逐步渐成为我国煤矿最为严重的动力灾害之一[1-4]。随着煤矿开采深度的增加，冲击地压等动力灾害发生的频次和影响范围逐年增加，对矿井安全生产带来极大的威胁[5]。煤岩冲击倾向性为煤岩体具有的积聚变形能并产生冲击破坏的性质，是决定冲击地压发生的一个重要内在因素，是冲击地压机理研究的重要组成部分，同时也是冲击地压预测预报及防范治理最根本和必要的技术工作[6]。

国际上受煤矿冲击危害的一些国家，提出多种煤岩冲击倾向性指标，其中具有代表性的有弹性能量指数、脆性系数、弹性变形指数、冲击能量指数、含水量指数、单轴抗压强度、极限能比、破坏速度指数等。国内相关学者和科研机构对我国煤矿冲击地压发生的特点进行研究并制定了煤岩冲击倾向性标准，将单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性能量指数、动态破坏时间作为煤的冲击倾向性综合评定指标，将顶板弯曲能量指数作为岩层冲击倾向性指标[7]。

冲击倾向性研究是研究冲击地压预测和防治的基础且在冲击地压机制中占有重要地位[8]。红阳矿区开采深度接近1000m，在开采深度超过800m以后，矿区开始出现冲击动力现象，其中12#煤层在开采过程中出现了多次一些非线性动力学现象，诸如岩爆、矿震、片帮、围岩大变形等，并且随着采深的不断增加，冲击动力学现象发生的频次在不断增大，给工人生命和矿井安全生产带来了巨大的危害，因此有必要对所开采的12#煤层进行冲击倾向性试验研究，为冲击地压的防治提供基础依据，本文针对红阳矿区最为典型的一个矿井深部采区，进行煤岩冲击倾向性试验研究。

1样品采集与制备

1.1取样地点的地质概况

本次试验样品取自红阳矿区12#煤层西二采区，为该矿最深采区，最大采深接近1000m，为红阳矿区典型的深部采区。煤层平均厚度为3.5m，平均倾角为2°，直接顶板为11.2m均匀致密泥岩，基本顶为粉砂岩均厚为2.8m，其上为中砂岩均厚4.2 m。

1.2现场取样

根据国标煤和岩石物理力学性质测定方法中采样的一般规定[9]，在西二采区取12#煤层及其直接顶板泥岩、基本顶板粉砂岩及其上覆岩层至第一层厚硬顶板岩层，煤岩样品选择完整规整、无明显裂隙，采样后立即采用保鲜膜进行包裹封闭，运至地面，然后采用蜡封方法进一步封闭岩样，减少风化变性，并妥善装箱运至相关实验室。根据相关试验试样加工标准，最终加工成直径为50mm，长度为100mm的标准煤岩试样，其中采用劈裂法测试拉伸强度的试样加工成直径为50mm，厚度为25mm的试样。

2煤层冲击倾向性试验

将加工好的12#煤试样分为四组，每组5块，分别标号。利用RMT-100型岩石力学试验机进行试验，根据国标《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》的规定，分别测试煤的单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性能量指数和动态破坏时间[10]。试验前进行试样尺寸的精确测量，并对试样编号核准、形貌、裂隙和缺陷的描述，记录试验时间。

2.1单轴抗压强度测定

煤的单轴抗压强度UCS指标为2010年修订的冲击倾向性测定标准新增指标，表示试件在不受测压的作用下承受单位面积压力的大小。首先按照要求放置好已制备试样，调整好各传感器。试验采用位移控制，加载速率为0.005mm/s，在计算机控制下进行加载直至试样破坏。经过测试得到其平均单轴抗压强度为6.51MPa。根据伺服机采集数据可以绘制出试样全应力应变曲线图，12#煤试样典型应力应变曲线见图1。

图1典型应力应变曲线

2.2冲击能量指数

冲击能量指数KE是指煤样在单轴加载过程中储蓄的总能量和破坏过程中释放能量的比值。根据煤样单轴压缩的应力-应变全过程曲线确定[11]，它表征煤岩破坏过程中剩余能量的大小，从能量方面揭示煤岩的冲击倾向性[12]，当加载过程中聚集的能量大于岩体破坏消耗的能量时，多余的能量就会以动能等其他形式释放出来，表现为动力现象。通过试验测定得到典型的应力应变曲线见图2。

图2典型冲击能量指数试验曲线

冲击能量指数按式(1)计算。

(1)

式中：AS为峰值前积聚的变形能；AX为峰值后耗损变形能；KE为冲击能量指数。AS的值等于加载曲线下的面积，AX的值等于卸载曲线下的面积。

按照标准规定，本次试验通过测定5个试样，分别计算取其平均值，确定该采区12#煤冲击能量指数为1.93。

2.3弹性能量指数

弹性能量指数WET是指煤试件在单轴压缩状态下，加载至峰值强度70%～80%后完全卸载，把加载过程积蓄的弹性应变能与塑性变形能(耗损变形能)之比[12]。在煤试样加卸载试验中，试样受外功作用而变形，在变形过程中，外力所作的功转变为储存于固体内的能量，变形能有因弹性变形而储存能量称为弹性变形能或应变能，当外力逐渐减小或解除，试样变形逐渐恢复一定量，岩体会释放出部分能量而做功，这部分能量即为加载过程中储存的弹性能，即对应于加卸载曲线的卸载曲线下的面积，而在加卸载试验中消耗掉的能为塑性变形能对应于加卸载曲线中加载和卸载曲线包围的面积[13]。弹性能量指标表征煤岩体在储存并释放弹性能量的能力，单位体积下存储弹性能愈多，释放越猛烈，就越具有发生冲击的倾向。试验机以0.5 MPa/s的速率对试件加载。当加载到平均破坏载荷的75%～85%时，以相同的速率卸载至平均破坏载荷的1%。以此方式反复对同一煤样加载、卸载，每一次重复加载的最大值应比上一次提高平均破坏载荷的5%，直至煤样破坏。选取卸载强度为破坏强度的80%或其附近的加卸载曲线，如图3所示，为本次试验典型的弹性能指数测试曲线。

弹性能量指数按式(2)和式(3)计算。

(2)

(3)

式中：WET为弹性能量指数；ΦSE为弹性应变能，其值为卸载曲线下的面积；ΦC为总应变能，其值为加载曲线下的面积；ΦSP为塑性应变能，其值为加载曲线和卸载曲线所包络的面积。

通过试验测试得到该矿取样地点煤的弹性能量指数平均为3.11。

2.4动态破坏时间

动态破坏时间DT是指煤岩试样在单轴压缩试验条件下，从煤样承受的极限载荷到完全失去承载能力所经历的时间，表征煤岩试样达到强度峰值后即聚集能量到最大值以后，释放能量所需要的时间，从时间方面体现煤岩的冲击倾向性的内在规律，但是没有考虑能量释放速率。将伺服机数据采集频率，以不小于10kHz频率采集和储存测试数据，试验结束得到测试数据，如图4所示为本次试验典型动态破坏时间测试曲线，经过5个试样的测试，得到平均动态破坏时间为252ms。

图3典型弹性能量指数试验曲线

图4典型动态破坏时间试验曲线

通过试验测试和计算分别得到红阳矿区12#煤冲击倾向性各项指标见表1。

对比国家标准《煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》中分类判断方法和分类指标如表2所示，可以得到该矿深部采区12#煤的冲击倾向性为弱冲击倾向性。

3顶板岩层冲击倾向性测定

岩石的冲击倾向性是指岩石积蓄变形能并发生冲击式破坏的性质，规程规定采用弯曲能指标进行分类，测定方法岩石试样在均布载荷作用下，单位宽的悬臂梁达到极限跨度积蓄的弯曲能量[14]。

按照《顶板岩层冲击倾向性分类及指数的测定方法》规定，测定煤层及其顶板冲击倾向性的基础是通过实验确定煤层顶板各层岩石的视密度、抗拉强度及弹性模量等。根据标准要求，上覆岩层载荷自煤层顶板起，自下而上，按式(4)计算。

(4)

式中：q为单位宽度上覆岩层载荷，MPa；Ei(i=l，2，…，n)为上覆各岩层的弹性模量，MPa；Hi(i=l，2，…，n)为上覆各岩层的厚度，m；ρi(i=l，2，…，n)为上覆各岩层的块体密度，kg/m3；g为重力加速度，N/kg。

当n+l层对第1层的载荷小于第n层对第1层的载荷时，计算终止，取第n层的计算结果。

根据煤层顶板赋存情况及计算分析，n取3，具体参数见表3所示。

表1　12#煤测试结果

表2　煤的冲击倾向性分类

表3　顶板岩层参数

单层顶板弯曲能量指数计算见式(5)。

(5)

式中：UWQ为单一顶板岩层弯曲能量指数，kJ；Rt为岩石试件的抗拉强度，MPa；h为单一顶板岩层厚度，m；E为岩石试件的弹性模量，MPa；q为单一顶板岩层上覆岩层荷载，MPa，计算见式(5)。

复合顶板弯曲能量指数按式(6)计算。

(6)

式中：UWQS为复合顶板弯曲能量指数，kJ；UWQi为第i层弯曲能量指数，kJ；n为顶板分层数，取值按照式(4)计算结果取值。

计算得到其顶板总弯曲总能量为101.922kJ，对比顶板冲击顶板岩层冲击倾向性分类及指数，如表4所示，可知该矿深部采区12#煤层顶板岩层具有弱冲击倾向性。

表4　顶板岩层冲击倾向性分类及指数

4结论

通过红阳矿区12#煤层的冲击倾向性试验研究，取得如下结论。

1)12#煤层单轴抗压强度为6.51MPa、冲击能量指数为1.93、弹性能量指数为3.11、动态破坏时间为252ms，根据煤的冲击倾向性的分类判定，该煤层属于弱冲击倾向性。

2)通过计算，12#煤层顶板弯曲能量指数为101.922kJ，对比煤层及顶板岩层冲击倾向性分类指标可知，顶板岩层具有弱冲击倾向性。

3)结合12#煤层的实际开采情况，为红阳煤田该煤层的深部延伸开采中的冲击地压预测及防治提供参考依据，同时对类似工况下的冲击倾向性研究也具有很好的借鉴意义。

参考文献

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Experiment study on bursting liability of 12#coal and roof rock of Hongyang coal mine

WANG Jiong1，2，CUI Jia-sen1，2，HAO Yu-xi1，2，ZHANG Yi-long3，MENG Zhi-gang1，2，WANG Hao1，2

(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;2.School of Mechanics & Civil Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；3.School of Mining Engineering of Hust，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，China)

Abstract:Rockburst is a facing one of the most natural disasters in deep mining；the main mining of 12# coal seam of Hongyang coal mine，which the depth has been closed to 1000 meters at present.The dynamic disaster phenomena are most serious.In order to understand the principle of dynamic phenomena，according to the classification of coal seam and roof rock impact proneness and index determinative methods and standards.Through the laboratory rock mechanics experiment results show that uniaxial compressive strength of coal seam，impact energy index，elastic energy index，dynamic destructive time and bending energy index of roof is 6.51 MPa，1.93，3.11，252 milliseconds，101.922kJ respectively，which indicate the 12#coal seam and roof rock have both weak bursting proneness.Using the above test results and in combination with the practical production conditions of the 12# coal seam，the production process should be strengthened the prediction work of rock burst to ensure the safety of mine production.

Key words：Hongyang coal mine；bursting liability；uniaxial compressive strength；impact energy index；elastic energy index；dynamic destructive time

收稿日期：2015-06-15

基金项目：国家自然科学基金项目资助(编号：51404278；51479195)；中央高校基本科研业务费专项基金项目资助(编号：2011QL07)

作者简介：王炯(1984-)，男，安徽蒙城人，博士，主要从事深井软岩巷道支护方面的研究。E-mail：wangjiong0216@163.com。

中图分类号：TD324

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)05-0070-04