基于彎曲能量法的煤層底板沖擊傾向性研究

李乃錄 屈振祖 史 鑫

（1.彬縣水簾洞煤炭有限責(zé)任公司，陜西 彬州 713500；2. 山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 新泰 271200；3.霍州煤電集團(tuán)沁安煤電有限責(zé)任公司，山西 霍州 046500）

1 序言

煤巖體材料自身所固有的性質(zhì)包含了煤巖體本身的物理力學(xué)性質(zhì)以及其沖擊傾向性。不同煤巖體固有的力學(xué)性質(zhì)之間存在較大的差異，在相同的采動(dòng)以及地質(zhì)條件下，恰恰是這差異可能會(huì)導(dǎo)致煤巖體發(fā)生沖擊地壓，危及井下安全生產(chǎn)作業(yè)。煤巖體的這種可能導(dǎo)致沖擊地壓的固有屬性被稱為沖擊傾向性。目前沖擊地壓區(qū)域的沖擊傾向程度強(qiáng)弱一般通過煤巖體沖擊傾向指標(biāo)來進(jìn)行判定，當(dāng)沖擊傾向性的判定指標(biāo)值超出臨界閾值時(shí)，就存在有發(fā)生沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)。

彬縣水簾洞煤礦坐落在彬長區(qū)南塬附近，根據(jù)衛(wèi)星圖像顯示該礦區(qū)呈不規(guī)則的長條狀，整體東西走向長約5.1 km，南北橫跨0.6～1.6 km，黃土高原地貌是當(dāng)?shù)亻_采范圍內(nèi)的主要地貌。該礦區(qū)開采的侏羅紀(jì)延安組4 號(hào)煤，厚度平均為8.44 m，煤系為單斜構(gòu)造形態(tài)，整體向北傾斜，呈東西走向，地層傾角較為平緩，一般5°～7°。礦井采深超過400 m，已經(jīng)超出我國規(guī)定的沖擊地壓礦井臨界開采深度，為了保證安全生產(chǎn)，需要對(duì)礦井進(jìn)行沖擊地壓防治。為預(yù)防開采4 號(hào)煤過程中底板出現(xiàn)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)甚至沖擊地壓現(xiàn)象，需對(duì)該煤層底板進(jìn)行沖擊地壓傾向性研究，為礦井開采和沖擊地壓防治提供參考。

2 研究方法與流程

2.1 試樣采集

本次試驗(yàn)所需底板巖樣的采集地點(diǎn)為三采區(qū)（ZF3808 回風(fēng)順槽、ZF3808 運(yùn)輸順槽）2 處，如圖1 所示，采用鉆取方法對(duì)煤層底板的巖樣進(jìn)行取樣，并對(duì)所取巖樣的巖性進(jìn)行標(biāo)注，此處4 號(hào)煤層底板巖性為砂質(zhì)泥巖。采樣后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)包裝，運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室通過巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及相關(guān)軟件對(duì)水簾洞煤礦4 號(hào)煤層底板巖樣相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

圖1 取樣地點(diǎn)

2.2 測(cè)定依據(jù)

鑒于底板巖層沖擊傾向性鑒定尚無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，其測(cè)定方法與判定依據(jù)參考頂板巖層沖擊傾向性評(píng)判方法與標(biāo)準(zhǔn)。判定巖層沖擊傾向性主要通過彎曲能量指數(shù)來衡量，因此判定4 號(hào)煤層底板沖擊傾向需要對(duì)該4 號(hào)煤層底板巖層的單軸抗拉強(qiáng)度、塊體密度及其彈性模量進(jìn)行測(cè)定，從而計(jì)算底板的彎曲能量指數(shù)，以此來衡量底板沖擊傾向性的強(qiáng)弱。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T25217 對(duì)底板巖層的沖擊傾向性強(qiáng)弱來進(jìn)行判斷，判定指標(biāo)如表1 所示。

表1 巖層沖擊傾向性判定指標(biāo)

2.3 測(cè)定方法

通過試驗(yàn)對(duì)4 號(hào)煤層底板的單軸抗拉強(qiáng)度、塊體密度以及彈性模量進(jìn)行測(cè)定，并由此得出其彎曲能量指數(shù)。計(jì)算公式以單層頂板的能量指數(shù)計(jì)算為依據(jù)。

底板的彎曲能量指數(shù)通過公式（1）計(jì)算：

式中：UWQ為彎曲能量指數(shù)，kJ；Rt為巖石試件抗拉強(qiáng)度，MPa；h為厚度，m；q為巖層載荷，MPa；E為巖石試件的彈性模量，MPa。

3 頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性測(cè)定

3.1 4 號(hào)煤層底板巖層塊體密度測(cè)定

4 號(hào)煤層底板巖層塊體密度共進(jìn)行了五組試樣的測(cè)試，測(cè)定結(jié)果如表2 所示。測(cè)試表明，4 號(hào)煤層底板泥巖層塊體密度平均值為2 607.18 kg/m3。

表2 4 號(hào)煤層底板巖層塊體密度測(cè)定結(jié)果

3.2 4 號(hào)煤層底板巖層抗拉強(qiáng)度測(cè)定

4 號(hào)煤層底板巖層抗拉強(qiáng)度共進(jìn)行了五組試樣的測(cè)試，測(cè)定結(jié)果如表3 所示。

表3 4 號(hào)煤層底板巖層抗拉強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果

3.3 4 號(hào)煤層底板巖層彈性模量測(cè)定

4 號(hào)煤層底板巖層彈性模量共進(jìn)行了五組試樣測(cè)試，測(cè)定結(jié)果如表4 所示。

表4 4 號(hào)煤層底板巖層彈性模量測(cè)定結(jié)果

4 底板巖層彎曲能量指數(shù)計(jì)算

4.1 4 號(hào)煤層底板巖層彎曲能量指數(shù)計(jì)算

據(jù)底板彎曲能量的計(jì)算方法，將試驗(yàn)測(cè)定參數(shù)代入到公式（1）中，則有4 號(hào)煤層底板彎曲能量：

式中：q取值為1.045 MPa，h取值為4.09 m。

4.2 沖擊傾向性判斷

依據(jù)巖層沖擊傾向性判別指標(biāo)，當(dāng)UWQ小于等于15 kJ 時(shí)，巖層表現(xiàn)為無沖擊傾向；當(dāng)UWQ大于15 kJ 且不高于120 kJ 時(shí)，巖層表現(xiàn)為具有弱沖擊傾向，需進(jìn)行沖擊地壓防治；當(dāng)UWQ超過120 kJ 時(shí)，巖層表現(xiàn)為具有強(qiáng)沖擊傾向，需加強(qiáng)礦區(qū)的沖擊地壓防治工作。根據(jù)上述計(jì)算，水簾洞煤礦4 號(hào)煤層底板的UWQ值為1.423 kJ，判定為無沖擊傾向性。

5 結(jié)論

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定及計(jì)算，水簾洞煤礦4 號(hào)煤層底板巖層彈性模量為 3213 MPa，底板巖層的平均抗拉強(qiáng)度為1.493 MPa，彎曲能量指數(shù)低于閾值15 kJ，為1.423 kJ，因此4 號(hào)煤層底板沖擊傾向性屬于Ⅰ類：無沖擊傾向性。