冲击地压“能量关键层”确定实验研究

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(山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

近年来，我国煤炭开采工作已逐渐进入深部开采阶段，开采深度达到千米的矿井越来越多。开采深度不断增加，开采广度不断加大，开采速度逐渐加快，地下开采条件愈加复杂，开采环境愈加恶劣，应力环境极不稳定，巷道支护困难，矿井灾害发生的频次和烈度显著增加[1-3]。这些动力灾害中，冲击地压最为严重，由于冲击地压具有突发性、瞬时震动性、巨大破坏性、复杂性等特点，治理困难，治理效果差[4-6]。因此，从根本上防治冲击地压成为亟待解决的关键问题。

针对冲击地压机理，已形成多种冲击理论，如强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、变形失稳理论、三准则理论等[7-10]。其中，能量理论[11-13]以传统理论为基础，从能量角度揭示了冲击机理，受到普遍认可。能量理论认为，矿体与围岩构成了力学平衡系统，在矿山压力作用下积聚大量弹性能，当地下工程造成矿体-围岩平衡系统达到其破坏极限时，即该系统积聚的能量大于破坏消耗的能量时，盈余能量会以动能等形式对外释放，使得破碎的煤岩体向采掘空间喷出，形成冲击地压。能量理论虽然从能量积聚的角度阐述了冲击机理，但并未说明能量的积聚位置。而矿体-围岩系统是由多种软硬不一的岩层相间互层构成的[14-17]，不同性质的岩层能量积聚能力也各不相同，因此能量在矿体-围岩系统中分布不均。能量理论仅仅把围岩系统看作一个整体来研究[18]，没有考虑围岩系统的分层结构，对能量在不同层位积聚情况，缺乏必要认识和论证。因此，探讨能量在不同硬度岩层上的积聚情况，有助于发现能量在纵向层位上的积聚规律，确定能量积聚的关键岩层(“能量关键层”)，进一步揭示冲击机理，从而缩小防冲区域，使防冲工作更具针对性。

国内外许多学者针对煤岩组合体开展了大量研究。Tan等[19]研究了非均质组合体冲击倾向性和声发射特征；Zuo等[20]认为煤岩组合体的破坏主要发生在煤上，同时围压、组合方式、加载条件对组合体失稳破坏也起着重要的作用；刘少虹[21]研究了动静加载下的煤岩组合体冲击效应；姜耀东等[22]对不同轴向载荷下煤岩组合体失稳特性做了研究；王晓南等[23]针对煤层和顶底板构成的煤岩组合体的声发射、微震规律做了研究；付斌等[24]运用RFPA模拟软件模拟了不同倾角下的煤岩组合体的冲击情况。牟宗龙等[25]通过分析煤岩组合体受载过程中参数变化规律，提出了煤岩组合体失稳破坏判据。秦忠诚等[26]研究了组合方式对煤岩组合体的力学特性和冲击效应的影响；Petukhov等[27]分析了二元系统和顶板-煤层系统峰值后的稳定性行为；Vakili等[28]针对顶煤嵌入煤岩组合系统开发了一种新的破坏评价标准；Mohtarami等[29]用稳定性分析的理论模型研究了土体与岩石之间的相互作用。以上专家学者针对组合体力学特性、冲击效应、失稳评价等方面做了大量研究，但针对煤岩组合体失稳破坏前的能量积聚情况却鲜有涉及。

据此，笔者对黑龙江峻德煤矿煤岩单体试件进行了单轴压缩破坏实验，探究了煤岩单体试件破坏前的能量积聚和耗散情况，并以此为基础，自主设计了煤岩组合体实验方案，探究了组合体破坏前能量在各组分的积聚和耗散释放情况，发现能量积聚、耗散规律，从而确定冲击地压“能量关键层”，并提出直接释能和间接释能两种防冲思路，以期为冲击地压防治提供理论支撑。

1 煤岩单体实验

1.1 试件加工

实验以黑龙江峻德煤矿17煤层及顶底板为研究对象，17煤层平均煤厚为9.04 m，煤层平均倾角为6°，老顶为坚硬的细砂岩，直接顶为粗砂岩，底板以粉砂岩为主。试件从现场取样到加工成型尽可能保持试件原始状态。试件加工严格按照国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法(GB/T 23561—2009)》执行。

1) 所用试样均取自巷道的同一地点，保证了试样在实验时具有可比性，试样取出后迅速用薄膜包住，放入封闭的木箱中，保证试样不受外部干扰。同时记录采样时间、样品名称、采集地点等。

图1 部分岩样照片Fig.1 A picture of some prepared rock specimens

图2 岩石试验系统图

2) 用取芯机取出直径50 mm的试样，取样时钻头应垂直于试样的纹理。

3) 用切割机切割出长100 mm、直径50 mm的标准试件。

4) 使用磨平机将试件的两端面磨平，防止出现断面不平应力集中。对煤、粗砂岩、细砂岩三种不同硬度的试件加工6个试件，如图1所示。

1.2 实验设备

采用TAW-2000 KN微机控制电液伺服岩石实验系统(图2)对煤岩样进行全过程破坏实验，用引伸计测试件应变。实验系统输出试件的应力应变曲线，以及抗压强度、弹性模量等参数，由应力应变曲线积分可得试件峰前积聚的弹性能、峰后损耗的变形能，计算得到冲击能量指数。

1.3 实验过程与实验数据

实验采用位移加载，加载速率0.005 mm/s。实验得出煤岩样应力应变曲线(图3)，试件破坏形态如图4。

为减小实验误差，对煤(coal，C)、细砂岩(fine sandstone，F)、粗砂岩(gritstone，G)6组参数数据求平均值，如表1所示。由表可知，抗压强度：F>G>C；弹性模量：F>G>C；峰前能量：F>G>C；煤为强冲击，细砂岩和粗砂岩为弱冲击；三种岩石在相同应力的条件下，能量积聚顺序：C>G>F。

图3 试件应力应变曲线

图4 煤岩样破坏形态

试件Rc/MPaE/MPaEs/kJEx/kJKEC12.45968.030.1020.0137.615F125.973 522.4518.2827.8002.344G55.462 384.582.5980.9192.827

注：C—煤；F—细砂岩；G—粗砂岩；Rc—抗压强度；E—弹性模量；Es—峰前能量；Ex—峰后能量；KE—冲击能量指数，下同。

2 煤岩组合体实验研究

2.1 实验方案

图5 不同组合体组合模型

工程实际中，煤与围岩组成的系统在高地应力条件下积聚大量能量，当这些能量迅速释放时，系统瞬间失稳，发生冲击。为简要模拟矿井冲击情况，自主设计了组合方案(图5)，部分组合试件如图6。组合实验要求：

1) 上下岩块为同一种岩层的岩块，中间试件尺寸为标准试件(d=50 mm，l=100 mm)；

2) 为保证轴向压缩时，中间试件首先破坏，面积符合S上/下>(Rc中/Rc上/下)·S中条件。因Rc中、Rc上/下由上述实验已测得，又因中间试件为标准试件，S中=π×252=1 962.5 mm2，可计算S上/下，便于上下试件尺寸切割；

3) 当上下岩块接触面积不同时，为保证岩块之间受力均匀，不出现应力集中，在试件之间架设钢板。

图6 部分组合体试件

2.2 实验结果及分析

实验结果如图7、图8和表2所示。由应力应变曲线(图7)得知，在压密阶段：GCG组合体、FCF组合体、FGCF组合体、GCFG组合体压密阶段比较明显，应力增值较少，但应变较大；其次为CGC组合体、FGF组合体、CFGC组合体；最不明显的为CFC组合体与GFG组合体，这是由煤、粗砂岩、细砂岩的结构特点所导致的，即煤孔隙裂隙最多，细砂岩最少。弹性阶段：CFC组合体与GFG组合体呈现明显的弹性阶段，在该阶段比较稳定，GCG组合体、FCF组合体、FGCF组合体、GCFG组合体在该阶段也相对比较明显。塑性阶段：GCG组合体、FCF组合体、FGCF组合体、GCFG组合体塑性阶段明显，这是煤中裂纹裂隙不断闭合，扩展的结果。

图7 组合试件应力应变曲线

由组合体破坏形态(图8)可知：GCG组合体、FCF组合体、FGCF组合体、GCFG组合体中均有煤试件参与，且煤发生破坏，煤呈“碎状”破坏形态，粒度小，且破坏极不规则，属于完全破碎状态。这是由于煤试件结构特点所致，煤试件中抗压强度小，致密度低，孔隙、裂隙较多，甚至出现隐藏的软弱面，在加载时裂纹裂隙贯通，极易破碎。CGC组合体、FGF组合体、CFGC组合体中均有粗砂岩试件参与，且粗砂岩发生破坏，粗砂岩呈“Y型”破坏形态，破坏不完全，没有表现出碎状破坏形态，这与粗砂岩本身结构特点相一致，结构相对致密，无明显孔隙裂隙出现，但一旦形成破裂面后，孔隙裂隙会沿着破裂面迅速扩展，直至失稳。粗砂岩破坏时剪切特征明显，破碎粒度较大，破碎不完全。CFC组合体与GFG组合体中的细砂岩破坏极不完全，且破坏时间迅速，具有明显的瞬时破坏特征，实验过程中会有岩石向周围弹射，其破坏力度最大，破坏效应最强烈。

图8 部分组合体的破坏形态

为减小实验误差，对各参数取平均值(表2)。由组合体抗压强度可知，GCG组合体、FCF组合体、FGCF组合体、GCFG组合体抗压强度分别为11.11、11.36、10.83和11.27 MPa，比较接近煤试件的抗压强度；CGC组合体、FGF组合体、CFGC组合体抗压强度分别为54.47、53.57和54.95 MPa，比较接近粗砂岩的抗压强度；CFC组合体与GFG组合体的抗压强度分别为128.15和123.07 MPa，比较接近细砂岩的抗压强度。由此可以看出，组合试件的抗压强度接近中间破坏试件的抗压强度，上下试件仅仅起到垫层作用。由组合体冲击能量指数来看：FCF组合体与CFC组合体冲击能量指数较大，为6.020和8.510，属于强冲击等级，FGF组合体、GFG组合体冲击能量指教较小，为2.199和2.798，属于弱冲击等级。由此表明：组合体各组分间硬度差别越大，组合体的冲击效应越强，反之则越弱。

表2 组合试件数据均值

3 冲击防治关键岩层的判定

组合体受力分析如图9，物体间作用力和反作用力大小相等：F1=F2，σ1×S1=σ2×S2。根据组合体的抗压强度(σ2)可以求得中间试件的应力(σ1)，σ1=(σ2×S2) /S1，如图10所示。利用Origin数据处理软件求得中间试件在σ1作用下积聚的能量，记为S(OAε1)，则组合体上下试件积聚的能量E等于组合体总能量S(OBε2)减去中间试件积聚的能量S(OAε1)，如图11，即

E=S(OBε2)-S(OAε1)。

(1)

以GCG组合体为例，计算能量积聚百分比。GCG组合体破坏前积聚的能量为0.126 kJ，GCG组合体的峰值应力为11.11MPa，由σ1×S1=σ2×S2可得中间标准试件(C)所受的应力为11.11 MPa(因为S1=S2，所以σ1=σ2)。根据中间标准试件(C)的应力应变曲线，对11.11 MPa应力曲线与应变围成的面积积分即为C在该应力下积聚的能量(0.090 kJ)；又因为GCG组合体破坏前积聚的能量为0.126 kJ，所以积聚在G上的能量为0.126 kJ-0.090 kJ=0.036 kJ。因此，积聚在C中的能量百分比为0.090 kJ÷0.126 kJ=71.4%，积聚在G上的能量百分比为0.036 kJ÷0.126 kJ=28.6%。图12为组合体各组分积聚能量分布柱状图。

图9 组合体受力分析Fig.9 Force analysis of combined specimen

图10 组合体能量分析Fig.10 Energy calculation of combined specimen

图11 能量计算示意图Fig.11 Schematic diagram of energy calculation

图12 组合体各组分积聚能量柱状图Fig.12 The accumulating energy histogram of components in a combination

1) 二元组合体能量积聚分析：GCG、CGC组合体中，积聚在煤层上的能量分别为0.090和10.250 kJ，占总能量的71.4%和79.6%，粗砂岩占28.6%和20.4%。FCF、CFC组合体中，积聚在煤试件上的能量分别为0.092和68.560 kJ，占总能量的88.5%和79.0%，粗砂岩占11.5%和21.0%。FGF、GFG组合体中，积聚在粗砂岩试件上的能量分别为1.926和52.250 kJ，占总能量的61.2%和76.5%，细砂岩占38.8%和23.5%。煤和粗砂岩上的能量积聚的越多。则耗散或者破坏时释放的越多，因此，从能量耗散角度分析，煤和粗砂岩也是能量耗散的关键试件。

2) 三元组合体能量积聚分析：FGCF、GCFG、CFGC组合体中，积聚在煤层上的能量分别为0.094、0.094和10.640 kJ，占总能量的79.8%、74.0%和76.3%，粗砂岩占12.1%、22.0%和18.8%，细砂岩占8.1%、4.0%和4.9%。由三元组合试件能量分布情况，煤耗散和释放的能量较多，细砂岩中能量的耗散和释放强度较小。

组合试件破坏前，积聚在煤组分上的能量最多，积聚在细砂岩组分上的能量最少。这表明纵向上软弱岩层或层区是引发冲击地压能量的主要载体，主导着冲击地压的发生，而坚硬岩层或层区仅仅起承载和夹持作用，储存能量较少。因此，软弱岩层或由多层软弱岩层构成的层区是冲击地压防治的关键岩层。

利用软弱岩层是引发冲击地压能量的主要载体这一结论，从能量角度防治冲击地压有两种思路：一是直接释能，如把无冲击危险或冲击危险小的软弱煤层作为解放层开采，振动卸压爆破形成的卸载带波及到能量积聚的软弱岩层，煤体钻孔卸压和煤层的注水软化等；二是间接释能，即对承载软弱岩层的坚硬顶板进行定向裂缝、顶板爆破、顶板切割等。这一结论，不仅填补了能量理论在能量具体积聚层位研究上的不足，而且对从能量角度防治冲击地压提供了理论指导。

4 结论

1) 当多种软硬不同的岩层相间互层时，软弱岩层是引发冲击地压能量的主要载体，是冲击地压防治关键层。这一结论弥补了能量理论在能量积聚和耗散方面研究的不足，扩充了能量理论，进一步阐述了冲击地压的发生机理。

2) 组合体的冲击效应受各组分硬度的影响。组合体内单一组分的硬度不能决定组合体的冲击特性，组分间硬度的差异程度才是组合体冲击效应的决定性因素。组分间硬度差别越大，组合体冲击效应越强，反之则越弱。

3) 软弱岩层比坚硬岩层更容易耗散和释放能量，利用这一结论，从能量积聚和耗散的角度，可采用直接释能和间接释能两种防冲思路。