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1、组合煤岩试样的冲击破坏效应及其应用陆菜平1 窦林名1 吴兴荣2【1. 中国矿业大学，江苏 徐州 221008；2. 徐州三河尖煤矿，江苏 徐州 221613】摘 要 煤矿冲击矿压的防治是国际岩石力学与工程界的一大世界难题，其主要原因在于缺乏有效的理论指导以及治理效果的综合检验技术。本文以不同类型的组合煤岩试样为研究对象，利用Disp-24声电测试系统测定组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏过程中的声发射、电磁辐射信号，揭示了组合煤岩试样冲击破坏过程中的声电效应。研究结果表明，组合煤岩试样中各组件的力学强度参数、冲击倾向性指数与声电信号的强度之间呈正相关关系，即弱化煤岩体中顶板的强度及其整体性厚度、
2、煤体的强度就能够降低其冲击倾向性。以此，提出了冲击矿压强度的弱化控制机理以及治理效果的综合检验技术。并在徐州三河尖煤矿9202高冲击危险工作面进行了工程实践，取得了预期的效果。关键词 采矿工程 组合煤岩 冲击破坏 效应 强度弱化-1 引 言人类的采矿活动必然造成地下岩体应力的重新分布和岩体的破裂损伤，伴随着采动效应，将会诱发矿山煤岩体的震动破坏（即矿震或冲击）。煤矿煤岩动力灾害的发生往往与已知的人工开挖过程具有特定的联系。如果采动损伤效应极大地改变围岩的渗透性，将会导致顶板、断层带或底板突水并造成安全事故；如果采动损伤效应造成煤岩体内部积聚大量冲能的瞬间释放，将会导致冲击矿压；如果采动损伤效应
3、造成煤岩体的卸压以及松散，将会直接或间接导致煤与瓦斯异常涌出（突出）甚至瓦斯爆炸灾害。例如，国家安全生产监督管理总局通过现场调查取证，获得了2005年“2.14”阜新矿难突出与矿震冲击相关的确凿证据，该结论正式写入孙家湾瓦斯爆炸事件国务院调查专家组的调查报告1。因此，弱化和控制煤矿冲击矿压的显现强度对于冲击矿压的防治、煤与瓦斯突出（瓦斯爆炸）以及底板突水等其他煤岩动力性灾害具有极其重要的指导意义。以纯煤、顶底板岩石试样作为研究对象对冲击矿压发生的机理进行研究，无法全面地揭示冲击矿压的本质，并且没有考虑到顶板、煤体和底板三者之间的相互作用机制对煤体冲击破坏效应的影响。因此，必须将对冲击矿压发生具
4、有主导作用的煤岩体看作一个系统，全面解释组合煤岩体的冲击破坏效应及其关键影响因素。目前，对于组合煤岩试样冲击倾向性的试验研究，王淑坤2、万志军3、潘结男4、曲华5、刘波6、J. -A. Wang 7 和Linkov, A.M8等人都已经开展了一些研究工作。但只是定性描述了组合煤岩试样的冲击倾向性随顶板的强度及厚度的变化情况，并没有深入研究组合煤岩试样的冲击倾向性与煤样强度、顶板强度及其整体性厚度、岩石高度所占比例之间的定量关系及其演化规律。此外，为利用电磁辐射以及微震系统监测预警冲击矿压强度，以及对卸压爆破解危的效果进行检验，需要研究组合煤岩试样变形破裂，特别是冲击破坏过程中的电磁辐射与声发射
5、效应规律。文献资料检索结果表明，对于组合煤岩试样变形破裂的电磁辐射与声发射效应规律研究甚少，只有部分学者通过声发射测试手段研究了复合岩石试样变形损伤的力学特性。刘立，邱贤德，刘新荣等9-11通过声发射测试研究了层状复合岩石试样损伤破坏的特征，认为复合岩石的损伤扩展演变过程明显受各亚层岩石层面倾角、各亚层岩石构成与性质（强度）以及加载情况等的影响。发现各亚层岩石强度越高，则破坏时的声发射峰值越强，而波形相对较窄、集中。但上述研究没有揭示组合煤岩试样的强度以及顶板的尺寸、试样的冲击倾向性与电磁辐射、声发射信号强度之间的关系，也没有研究清楚组合煤岩试样从开始加载到冲击破坏全过程中电磁辐射与声发射的效
6、应规律。因此，本文将以大量不同组合类型的组合煤岩试样为研究对象，利用Disp-24声电测试系统实测组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏过程中的声电信号，揭示组合煤岩试样冲击倾向性的演变规律以及冲击破坏过程中的声电效应。以此为基础，提出冲击矿压灾害强度的弱化控制机理，并在徐州三河尖煤矿9202高冲击危险工作面进行工程实践。2 组合煤岩试样的冲击破坏效应2.1 冲击倾向性与煤岩力学强度参数的相关性从具有弱、中等以及强冲击倾向性煤层的5个矿区（海孜煤矿、古城煤矿、星村煤矿、济宁三号煤矿以及三河尖煤矿）选取煤岩样，加工成标准的顶板-煤或顶板-煤-底板等不同组合类型的试样，总共加工了近100个试件，进行单轴
7、压缩循环加卸载实验，测定其冲击倾向性指数。选取济三煤矿的顶底板岩样，煤样分别取自上述5个矿区，加工成5组“顶-煤-底”高度比值相同或非常接近的组合试样，每组3个试件，进行单轴循环加卸载实验。试样的冲击能指数、弹性能指数与抗压强度之间的关系曲线如图1所示。图1 冲击能及弹性能指数与抗压强度之间的关系由图可知，随着组合煤岩试样单轴抗压强度的增加，则冲击能和弹性能指数亦随之增加，且呈一次线性回归关系，说明煤样的单轴抗压强度与组合试样的冲击倾向性呈正相关关系。在测定组合试样冲击倾向性指数的同时，采集了2组不同强度顶板的组合试样在加载过程中的声发射信号，测试参数为计数率N。两组试样中顶板的单轴抗压强度分
8、别为169.7MPa和65.2MPa，底板均为粉细砂岩，两组试样中顶板高度所占百分比均为60%。两组试样测试的声发射计数率分布如图2所示。（a）顶板强度为169.7 MPa（b）顶板强度为65.2 MPa图2 试样变形破裂声发射计数率分布由图可知，试样中顶板强度越高，组合煤岩试样变形破裂越猛烈，且呈脆性爆炸式破坏，声发射信号的计数率相对集中且较高，说明顶板的单轴抗压强度越高，则试样的冲击倾向性越强。选取三河尖煤矿的顶底板和煤样，加工成6组顶板-煤体高度比值不同的组合试样，每组3个试件，进行单轴循环加卸载试验。冲击能指数与顶板煤层高度比值之间的一次线性回归关系曲线如图3所示。图3 冲击能指数与顶
9、煤高度比值的关系曲线由图可知，当顶板与煤层厚度比值大于0.75时，顶板厚度越高，冲击能指数越大，则组合试样的冲击倾向性就越强。综上，组合煤岩试样的冲击效应强度与顶板岩样的强度及其整体性厚度、煤样的强度之间呈正相关关系。2.2 组合煤岩试样冲击破坏声电效应采集的组合煤岩试样变形破裂电磁辐射信号最大能量率与试样单轴抗压强度之间的相关关系曲线如图4所示。图4 电磁辐射最大能量率与抗压强度的关系由图可知，电磁辐射信号最大能量率和组合煤岩试样的单轴抗压强度呈一次线性关系，说明煤样及顶板岩样的抗压强度越高，则组合试样变形破坏越猛烈，冲击倾向性亦越强。图5为古城煤矿组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏全过程的声
10、发射信号能量率分布曲线。其中试样a的单轴抗压强度为27.17MPa，试样b的单轴抗压强度为33.81MPa。（a）试样a的单轴抗压强度为27.17 MPa（b）试样b的单轴抗压强度为33.81 MPa图5 试样变形破裂声发射能量率分布由图可知，试样b冲击破坏时的声发射信号能量率明显高于试样a，说明组合煤岩试样的单轴抗压强度越高，则声发射信号就越强。济三煤矿组合煤岩试样循环加载测定的声发射计数率分布。其中试样a的顶板高度比例占69%，试样b占45%，如图6所示。（a）顶板所占比例69%（b）顶板所占比例45%图6 组合试样变形破裂的声发射效应由图可知，组合煤岩试样中顶板高度越高，变形破裂的声发射
11、信号越强，则试样的冲击倾向性亦越强。综上，组合煤岩试样变形破裂的声电信号强度与试样的冲击倾向性指数、顶板的强度及其整体性厚度、煤体的强度之间呈正相关关系。因此，弱化煤岩体中顶板的强度及其整体性厚度、煤体的强度就能够降低和控制冲击矿压的显现强度。3 冲击矿压灾害强度的弱化控制3.1 工作面生产地质条件三河尖煤矿1988年投产，生产能力1.6Mt/a，现为徐州矿务集团公司的主力矿井之一。主采煤层为7、9煤，开采水平已达-800m以下。随着开采深度的增加，冲击矿压危险性越来越大。自1991年5月首次在7110工作面材料道发生冲击矿压以来，累计发生破坏性冲击矿压25次之多，仅在西翼坚硬顶板区域就发生冲
12、击矿压19次，破坏巷道1700m。冲击矿压已成为威胁该矿安全生产的主要灾害之一。三河尖煤矿9202工作面位于井田西部，其开采水平已达-850m，上覆有7煤7202工作面残留的不规则煤柱区，应力集中程度相当严重。上部的7煤及9112工作面已回采结束。7煤的护巷煤柱距9202工作面轨道巷13m，7煤残留的煤柱处于9202工作面轨道巷上部，距切眼160m。9202工作面平面示意图如图7所示。图7 9202工作面掘进平面图3.2工作面冲击矿压的主要影响因素通过组合煤岩试样的冲击倾向性鉴定，发现9煤具有强冲击倾向性，且变形破坏表现为瞬间的脆性爆裂。测定的声发射信号无论是计数率还是能量率在冲击破坏之前，显
13、现不明显，信号较弱。当冲击破坏时，信号强度达到极值，且非常集中。冲击破坏之后，信号产生突降，保持较低水平。通过纯煤试样以及组合煤岩试样冲击倾向性以及声电效应的测试，发现煤层上方砂岩顶板的抗压强度对9煤的冲击破坏产生显著影响。同时对不同顶板厚度比例的组合试样冲击效应的测试结果，发现组合试样中顶板越厚，则变形破裂声电信号的计数率和能量率越高，冲击倾向性则越强。另外，7202工作面残留的不规则煤柱区对9202工作面产生了大范围的高应力集中。图8所示为9202工作面从进入7202煤柱区边缘、正下方以及出7202煤柱区等三个阶段模拟的垂直应力。 （a）进煤柱区边缘 （b）煤柱区正下方（c）出煤柱区边缘图
14、8 工作面不同回采阶段垂直应力分布模拟结果表明，煤柱区最大应力集中系数高达12.45，尤其在出煤柱区边缘时，最大垂直应力梯度值达到5.15MPa/m。现场矿震监测表明，区域最大垂直应力梯度越高，矿震信号越强，冲击矿压危险性亦越高。综上，9煤层的强冲击倾向性、砂岩顶板的强度及其厚度、残留煤柱形成的高应力集中对于9202工作面的冲击矿压危险性产生显著影响。3.3工作面冲击矿压灾害强度的弱化控制根据9202工作面冲击效应的主要影响因素，决定在过7202煤柱区期间，采用煤体与顶板的深孔卸压爆破弱化煤岩体的强度以及顶板的整体性厚度，使得应力高峰区向煤体的深部转移，以达到降低冲击危险性的目的。3.3.1
15、煤体深孔卸压爆破（1）爆破参数炮眼深度为68m，炮眼间距为56m，装药量为每孔装药1520卷（2.253.0Kg）。炮眼布置在煤层内，垂直于煤壁、平行于工作面，炮眼距底板0.61.0m。（2）施工工艺采用MSZ1.2型煤电钻或QFZ-22轻型钻机打眼。采用直径3842mm、长1000mm的麻花钻杆和直径42mm的麻花钻头及MFB-200型放炮器。3.3.2 顶板深孔卸压爆破（1）爆破参数炮眼深度为56m，炮眼间距为2.5m，装药量为每孔需装药2226卷，平均为24卷（3.6Kg）。表1、表2为9202工作面采空区悬顶以及轨道巷顶板深孔卸压爆破的参数表。表1 采空区顶板卸压爆破参数项目参数项目参数位置采空区装药长度4.2m，24卷间距2.5m封孔长度1.5m深度5.70m装药方式正向装药角度75联线方式孔内并联，孔间串联数量60个爆破方式10孔一组爆破表2 轨道巷顶板卸压爆破参数项目参数项目参数位置轨道巷装药长度4.2m，24卷间距2.5m封孔长度1.4m，
