中煤新集公司王顺——《基于煤岩层试件力学试验在冲击倾向性分析应用实践》

 

摘要：板集煤矿5煤煤层平均厚度6.55m，根据煤层厚度，分上、中、下取三组煤样，并制作成标准试件，在岛津AG-X250试验机上实验获取单轴抗压强度、动态破坏时间、加卸载应力-应变曲线、单轴压缩应力-应变曲线，并计算出煤层弹性能量指数、煤层冲击能量指数。顶、底板岩石拉伸试验获取抗拉强度。顶、底板岩石单轴压缩试验获取单轴抗压强度（）、弹性模量（E）。根据煤层冲击倾向性分类标准、《冲击地压测定、监测与防治方法》（GB/T 25217-2010）附录A冲击倾向性综合评判结果，判定为板集煤矿5煤层及顶、底板无冲击倾向性。

关键词：冲击倾向性；单轴抗压强度；弹性能量指数；单轴压缩试验；拉伸试验

 

一、引言

冲击地压是矿山开采中的严重灾害，源于煤体或岩体在集中应力作用下，弹性应变能突然释放导致的爆裂性断裂与抛出。这一现象不仅造成巨大损失，还严重威胁矿山安全。其形成与发生受内在煤岩冲击倾向性和外在因素的综合影响。本次分析板集煤矿5煤煤层及其顶、底板冲击倾向性，旨在为预测和防治冲击地压提供科学依据。

二、工程概况

板集井田坐落于阜阳市颍东区、利辛县与颍上县的交汇地带，隶属于利辛县。主要开采的煤层为5煤和8煤。其中，5煤层厚度达到6.55m，呈现黑色，半暗至半亮的色泽，粉末状，带有黑褐色条痕，具有沥青和玻璃般的光泽，质地疏松，易于松散，且易于沾染手部。其直接底部由0.65m厚的粉砂岩构成，颜色为浅灰色，中厚层状，粉粒状结构，质地均匀，并夹有少量透镜状的泥质条带。顶部则覆盖着0.2m的泥岩层，含有少量黄铁矿，并产出少量植物根、茎化石。向上延伸30m的顶板范围内，依次分布着泥岩和细砂岩，而直接顶部为2.0m厚的暗灰色泥岩，呈薄层状，泥质结构，质地均匀且柔软，上部可见滑动擦痕，夹有炭质泥岩条带，下部则含有中等量的黄铁矿，并产出少量植物化石。

三、煤层冲击倾向性分析方法

煤层冲击倾向性的评估通常基于四个关键指数：动态破坏时间（DT）、弹性能量指数（WET）、冲击能量指数（KE）以及单轴抗压强度（RC）。这些指数的权重分配如下：DT占0.3，WET占0.2，KE占0.2，RC占0.3。通过综合这些指数，可以准确判定煤层的冲击倾向性[1]。煤层的冲击倾向性分类详见表1。

表1  煤层冲击倾向性分类

根据表1，对5煤层进行取样，在岛津AG-X250试验机上分别测定，并分析5煤煤层冲击倾向性。

四、顶底板岩层冲击倾向性测定方法

按弯曲能量指数的大小，顶底板岩层冲击倾向性分3类，如表2：

表2  顶底板岩层冲击倾向性分类及指数

测定顶底板岩层冲击倾向性需要测定其抗拉强度、块体密度、弹性模量，以计算其弯曲能量指数及复合岩层弯曲能量指数[2]。

1.上覆岩层载荷计算

               （3-1）

若第n+1层对第一层的载荷不大于第n层对第一层的载荷，取第n层计算结果。

式中：Ei —上覆第i岩层的弹性模量，MPa；

ρi —上覆第i岩层的密度，kg/m3；

hi —上覆第i岩层的厚度，m；

g—重力常数，N/kg。

2.弯曲能量指数计算

单一顶板弯曲能量指数按式（3-2）计算：

                       （3-2）

式中：—试件抗拉强度，MPa；

—顶板厚度，m；

—弹性模量，MPa。

复合顶板弯曲能量指数为各分层弯曲能量指数之和，按式（3-3）计算：

                          （3-3）

五、取样制件

鉴于5煤煤层厚度为6.55m，我们将其分为上、中、下三层取样，共取三组煤样。同时，针对5煤层的顶板岩层，采集了四组岩样，涵盖泥岩和细砂岩。伪底为粉砂岩，平均厚0.65m；直接底为砂泥岩互层，平均厚1.8m，故对底板岩层采集两组岩样。所有取样均在提料斜巷（四）进行。

为测定各项指数，各取5个试件，单轴抗压试验则各取3个试件。煤样通过镐刨法取得，尺寸不小于300mm×300mm×300mm。顶板岩层采用钻取岩芯方式，而底板岩层受限于现场条件，采用镐刨法，同样保证尺寸要求，并标注岩性[3]。

样品运至实验室后，加工成标准试件，包括煤、岩单轴压缩试验试件（φ50×100mm）和拉伸试验试件（φ50×25mm），确保外观尺寸符合岩石试验规范标准[3]。试件类型涵盖顶底板岩石试件和煤试件，如图1所示。

图1  部分煤、岩标准试件

六、煤层冲击倾向性测定

（一）煤层单轴抗压强度试验

为测定板集煤矿5煤层的单轴抗压强度，试验以0.5～1MPa/s的速率加载试件。在岛津AG-X250试验机上，煤试件以1.25kN/s的加载速度直至破坏，所得单轴抗压强度数据详见表3。

图2  煤试件单轴抗压试验图

（二）煤层动态破坏时间试验

为获得板集煤矿5煤层动态破坏时间，试验机以0.5MPa/s～1.0MPa/s的速度对试件进行加载至破坏。加载速率为1.25kN/s，在试件即将破坏时以10kHz频率采集和存储测试数据。试验得到煤试件动态破坏时间见表3  该查重。

（三）煤层弹性能量指数试验

为测定板集煤矿5煤层的弹性能量指数，我们采用试验机以1.25kN/s的恒定速率对煤试件进行加载。加载过程分为几个阶段：首先，加载至同采样点试件平均破坏载荷的75%至85%区间；随后，以相同的速率进行卸载，直至达到平均破坏载荷的1%至5%区间；接着，再次以相同速率重新加载直至试件完全破坏。通过这一过程，我们获得了单轴加卸载应力-应变曲线。利用特定的计算公式（式5-1），我们计算出了煤层的弹性能量指数。经过数据处理，最终得到的煤试件弹性能量指数详见表3。

                    （5-1）

式中：—总应变能；

—弹性应变能；

—塑性应变能。

（四）煤层冲击能量指数试验

为测定板集煤矿5煤层的冲击能量指数，本次试验以1.0×10-5 mm/s的加载速率对试件进行单轴压缩加载。在获取试件的单轴压缩应力-应变曲线后，依据计算公式（式4-2和式4-3）对煤层冲击能量指数进行了计算。经过精确的数据处理，得到5煤层试件的冲击能量指数，具体数据详见表3。

                          （5-2）

式中：

—试件峰值前积聚的变形能；

—试件峰值后消耗的变形能。

对于一组试件，其平均冲击能量取平均值：

                           （5-3）

图3 部分煤试件破坏照片

（五）煤层冲击倾向性判定

将送检煤试件试验测得的各项冲击倾向性指标进行汇总分析，根据表1、《冲击地压测定、监测与防治方法》（GB/T 25217-2010）附录A冲击倾向性综合评判结果，对板集煤矿5煤层冲击倾向性进行综合判定，判定结果见表3。

表3  煤层冲击倾向性判定

煤岩名称	试件 编号	抗压强度/MPa	冲击倾向分类	试件 编号	冲击能 量指数	冲击倾 向分类	试件 编号	动态破坏 时间/ms	冲击倾 向分类	试件 编号	弹性能 量指数	冲击倾 向分类	判定 结果
5煤上	B-1	13-18	II	J-1	1.26	I	B-1	1131	I	F-1	0.76	I	无冲击倾向性
	B-2	13.42	II	J-2	0.88	I	B-2	1760	I	F-2	0.98	I
	B-3	13.10	II	J-3	1.47	I	B-3	1548	I	F-3	0.58	I
	B-4	10.69	II	J-4	1.13	I	B-4	5307	I	F-4	1.42	I
	B-5	12.514	II	J-5	0.94	I	B-5	5367	I	F-5	1.72	I
	平均	13-18	II	平均	1.136	I	平均	3022.6	I	平均	1.092	I
5煤中	C-1	13.47	II	K-1	1.06	I	C-1	1339	I	G-1	1.87	I	无冲击倾向性
	C-2	13-13	II	K-2	1.26	I	C-2	2034	I	G-2	0.56	I
	C-3	13.43	II	K-3	0.98	I	C-3	652	I	G-3	0.46	I
	C-4	13.96	II	K-4	1.43	I	C-4	3955	I	G-4	0.69	I
	C-5	12.01	II	K-5	1.20	I	C-5	3004	I	G-5	1.75	I
	平均	13.14	II	平均	1.186	I	平均	2196.8	I	平均	1.066	I
5煤下	D-1	11.89	II	1.10	I	1.10	D-1	1760	I	H-1	1.19	I	无冲击倾向性
	D-2	12.67	II	1.19	I	1.19	D-2	1993	I	H-2	1.05	I
	D-3	13.25	II	1.39	I	1.39	D-3	270	II	H-3	1.23	I
	D-4	12.14	II	1.04	I	1.04	D-4	228	II	H-4	0.62	I
	D-5	12.30	II	1.31	I	1.31	D-5	1973	I	G-5	1.06	I
	平均	12.45	II	1.206	I	1.206	平均	1244.8	I	平均	1.03	I

从表3可知，5煤层送检试件的冲击能量指数、动态破坏时间和弹性能力指数这三个指标测试结果显示煤层无冲击倾向性，单轴抗压强度测试结果显示具有弱冲击倾向性。根据《冲击地压测定、监测与防治方法》（GB/T 25217-2010）附录A冲击倾向性综合评判结果[2]，综合判定5煤层无冲击倾向性。

七、顶底板岩层冲击倾向性测定

（一）顶、底板岩石拉伸试验

根据岩层冲击倾向性测定需要，对板集煤矿5煤层顶、底板岩层试样进行巴西劈裂实验。试验按照岩石试样标准进行，顶、底板岩层试样分别加工巴西圆盘试件5个，试验在岛津AG-X250试验机上进行，加载速率为0.05kN/s。

顶板岩石试件的破坏主要是沿着裂隙面或者节理面劈裂破坏，因此其抗拉强度相对偏低。

图4  拉伸破坏后的部分试件

板集煤矿5、8煤层顶板岩石试件单轴拉伸试验结果见表4。

表4 5煤层顶板岩石抗拉试验结果

（二）顶、底板岩石单轴压缩试验

根据测定试验需要，对板集煤矿5煤顶板岩石试件进行单轴压缩试验。试验按照岩石试样标准进行，顶、底板岩石分别加工测试圆柱形标准试件3个，加载速度为1.25kN/s。进行试验过程中，通过计算机同步采集，可以获得试件的单轴抗压强度（）、弹性模量（E）。板集煤矿5煤层顶、底板岩石单轴压缩试验结果见表5。

表5 5煤层顶板岩石单轴压缩试验结果

 

图5为部分5煤层顶板岩石试件单轴压缩破坏照片，试样呈混合式破坏，即沿着裂隙面剪切破坏和劈裂破坏。

图5 5煤层部分顶板岩石单轴压缩破坏图

（三）顶板岩层冲击倾向性分析

1.5煤层顶板冲击倾向性分析

根据试验结果，按公式（3-1）计算：

由于第三层对第一层的载荷小于第二层的载荷，取第二层的计算结果。

根据公式（3-2），计算结果如下：

①5煤顶1弯曲能量指数：

②5煤顶2弯曲能量指数：

③5煤顶3弯曲能量指数：

④5煤顶4弯曲能量指数：

计算可得，由公式（3-3）可知板集煤矿5煤层复合顶板弯曲能量指数，根据表2顶板岩层冲击倾向性评判标准，判定5煤层顶板无冲击倾向性。

2.5煤层底板冲击倾向性分析

5煤层伪底为粉砂岩，平均厚度为0.65m，平均单轴抗拉强度为2.248MPa，平均弹性模量为5834.77MPa；直接底为砂泥岩互层，平均厚度为1.80m，平均单轴抗拉强度为0.912MPa，平均弹性模量为4816.77 MPa。根据公式（3-1）、（3-2），以取得送检底板岩石试件的测试结果计算底板的弯曲能量指数：

①5煤底1弯曲能量指数：

②5煤底2弯曲能量指数：

计算可得，由公式（3-3）可知板集煤矿5煤层复合底板弯曲能量指数。根据表2顶底板岩层冲击倾向性评判标准，判定5煤底板岩层无冲击倾向性。

八、结论

针对板集煤矿5煤层，进行了包括单轴抗压强度、动态破坏时间、弹性能量指数和冲击能量指数在内的多项测定试验。结果显示：5煤层（上、中、下）的平均单轴抗压强度分别为13-18MPa、13.14MPa和12.45MPa，显示出弱冲击倾向性；而冲击能量指数、动态破坏时间和弹性能量指数则表明该煤层无显著冲击倾向性。对5煤层的顶、底板岩层进行了单轴压缩和拉伸试验，并计算了复合顶、底板的弯曲能量指数，分别为4.663kJ和0.677kJ。

根据国家标准《冲击地压测定、监测与防治方法》（GB/T 25217.1-2010），这些测试数据表明5煤层的顶、底板岩层无冲击倾向性。

 

参考文献

[1]陈绍杰，郭惟嘉，等.煤层冲击倾向性试验研究.矿业安全与环保，2006年7月（第32卷，第2期）.

[2]陈绍杰，郭惟嘉，等.软岩地层巷道顶底板管理技术研究.能源技术与管理，2020年5月（第45卷，第6期）.

[3]中华人民共和国国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法》（GB/T 23561-2009）.

作者简介：王 顺（1977--），男，汉族，安徽淮南人，高级采矿工程师，现任中煤新集公司板集煤矿安全副总，主要从事煤矿安全生产技术管理研究，在国家刊物上发表多篇论文。