沖擊地壓“能量關鍵層”確定實驗研究

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(山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590)

近年來，我國煤炭開采工作已逐漸進入深部開采階段，開采深度達到千米的礦井越來越多。開采深度不斷增加，開采廣度不斷加大，開采速度逐漸加快，地下開采條件愈加復雜，開采環境愈加惡劣，應力環境極不穩定，巷道支護困難，礦井災害發生的頻次和烈度顯著增加[1-3]。這些動力災害中，沖擊地壓最為嚴重，由于沖擊地壓具有突發性、瞬時震動性、巨大破壞性、復雜性等特點，治理困難，治理效果差[4-6]。因此，從根本上防治沖擊地壓成為亟待解決的關鍵問題。

針對沖擊地壓機理，已形成多種沖擊理論，如強度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向理論、變形失穩理論、三準則理論等[7-10]。其中，能量理論[11-13]以傳統理論為基礎，從能量角度揭示了沖擊機理，受到普遍認可。能量理論認為，礦體與圍巖構成了力學平衡系統，在礦山壓力作用下積聚大量彈性能，當地下工程造成礦體-圍巖平衡系統達到其破壞極限時，即該系統積聚的能量大于破壞消耗的能量時，盈余能量會以動能等形式對外釋放，使得破碎的煤巖體向采掘空間噴出，形成沖擊地壓。能量理論雖然從能量積聚的角度闡述了沖擊機理，但并未說明能量的積聚位置。而礦體-圍巖系統是由多種軟硬不一的巖層相間互層構成的[14-17]，不同性質的巖層能量積聚能力也各不相同，因此能量在礦體-圍巖系統中分布不均。能量理論僅僅把圍巖系統看作一個整體來研究[18]，沒有考慮圍巖系統的分層結構，對能量在不同層位積聚情況，缺乏必要認識和論證。因此，探討能量在不同硬度巖層上的積聚情況，有助于發現能量在縱向層位上的積聚規律，確定能量積聚的關鍵巖層(“能量關鍵層”)，進一步揭示沖擊機理，從而縮小防沖區域，使防沖工作更具針對性。

國內外許多學者針對煤巖組合體開展了大量研究。Tan等[19]研究了非均質組合體沖擊傾向性和聲發射特征；Zuo等[20]認為煤巖組合體的破壞主要發生在煤上，同時圍壓、組合方式、加載條件對組合體失穩破壞也起著重要的作用；劉少虹[21]研究了動靜加載下的煤巖組合體沖擊效應；姜耀東等[22]對不同軸向載荷下煤巖組合體失穩特性做了研究；王曉南等[23]針對煤層和頂底板構成的煤巖組合體的聲發射、微震規律做了研究；付斌等[24]運用RFPA模擬軟件模擬了不同傾角下的煤巖組合體的沖擊情況。牟宗龍等[25]通過分析煤巖組合體受載過程中參數變化規律，提出了煤巖組合體失穩破壞判據。秦忠誠等[26]研究了組合方式對煤巖組合體的力學特性和沖擊效應的影響；Petukhov等[27]分析了二元系統和頂板-煤層系統峰值后的穩定性行為；Vakili等[28]針對頂煤嵌入煤巖組合系統開發了一種新的破壞評價標準；Mohtarami等[29]用穩定性分析的理論模型研究了土體與巖石之間的相互作用。以上專家學者針對組合體力學特性、沖擊效應、失穩評價等方面做了大量研究，但針對煤巖組合體失穩破壞前的能量積聚情況卻鮮有涉及。

據此，筆者對黑龍江峻德煤礦煤巖單體試件進行了單軸壓縮破壞實驗，探究了煤巖單體試件破壞前的能量積聚和耗散情況，并以此為基礎，自主設計了煤巖組合體實驗方案，探究了組合體破壞前能量在各組分的積聚和耗散釋放情況，發現能量積聚、耗散規律，從而確定沖擊地壓“能量關鍵層”，并提出直接釋能和間接釋能兩種防沖思路，以期為沖擊地壓防治提供理論支撐。

1 煤巖單體實驗

1.1 試件加工

實驗以黑龍江峻德煤礦17煤層及頂底板為研究對象，17煤層平均煤厚為9.04 m，煤層平均傾角為6°，老頂為堅硬的細砂巖，直接頂為粗砂巖，底板以粉砂巖為主。試件從現場取樣到加工成型盡可能保持試件原始狀態。試件加工嚴格按照國家標準《煤和巖石物理力學性質測定方法(GB/T 23561—2009)》執行。

1) 所用試樣均取自巷道的同一地點，保證了試樣在實驗時具有可比性，試樣取出后迅速用薄膜包住，放入封閉的木箱中，保證試樣不受外部干擾。同時記錄采樣時間、樣品名稱、采集地點等。

圖1 部分巖樣照片Fig.1 A picture of some prepared rock specimens

圖2 巖石試驗系統圖

2) 用取芯機取出直徑50 mm的試樣，取樣時鉆頭應垂直于試樣的紋理。

3) 用切割機切割出長100 mm、直徑50 mm的標準試件。

4) 使用磨平機將試件的兩端面磨平，防止出現斷面不平應力集中。對煤、粗砂巖、細砂巖三種不同硬度的試件加工6個試件，如圖1所示。

1.2 實驗設備

采用TAW-2000 KN微機控制電液伺服巖石實驗系統(圖2)對煤巖樣進行全過程破壞實驗，用引伸計測試件應變。實驗系統輸出試件的應力應變曲線，以及抗壓強度、彈性模量等參數，由應力應變曲線積分可得試件峰前積聚的彈性能、峰后損耗的變形能，計算得到沖擊能量指數。

1.3 實驗過程與實驗數據

實驗采用位移加載，加載速率0.005 mm/s。實驗得出煤巖樣應力應變曲線(圖3)，試件破壞形態如圖4。

為減小實驗誤差，對煤(coal，C)、細砂巖(fine sandstone，F)、粗砂巖(gritstone，G)6組參數數據求平均值，如表1所示。由表可知，抗壓強度：F>G>C；彈性模量：F>G>C；峰前能量：F>G>C；煤為強沖擊，細砂巖和粗砂巖為弱沖擊；三種巖石在相同應力的條件下，能量積聚順序：C>G>F。

圖3 試件應力應變曲線

圖4 煤巖樣破壞形態

試件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—細砂巖；G—粗砂巖；Rc—抗壓強度；E—彈性模量；Es—峰前能量；Ex—峰后能量；KE—沖擊能量指數，下同。

2 煤巖組合體實驗研究

2.1 實驗方案

圖5 不同組合體組合模型

工程實際中，煤與圍巖組成的系統在高地應力條件下積聚大量能量，當這些能量迅速釋放時，系統瞬間失穩，發生沖擊。為簡要模擬礦井沖擊情況，自主設計了組合方案(圖5)，部分組合試件如圖6。組合實驗要求：

1) 上下巖塊為同一種巖層的巖塊，中間試件尺寸為標準試件(d=50 mm，l=100 mm)；

2) 為保證軸向壓縮時，中間試件首先破壞，面積符合S上/下>(Rc中/Rc上/下)·S中條件。因Rc中、Rc上/下由上述實驗已測得，又因中間試件為標準試件，S中=π×252=1 962.5 mm2，可計算S上/下，便于上下試件尺寸切割；

3) 當上下巖塊接觸面積不同時，為保證巖塊之間受力均勻，不出現應力集中，在試件之間架設鋼板。

圖6 部分組合體試件

2.2 實驗結果及分析

實驗結果如圖7、圖8和表2所示。由應力應變曲線(圖7)得知，在壓密階段：GCG組合體、FCF組合體、FGCF組合體、GCFG組合體壓密階段比較明顯，應力增值較少，但應變較大；其次為CGC組合體、FGF組合體、CFGC組合體；最不明顯的為CFC組合體與GFG組合體，這是由煤、粗砂巖、細砂巖的結構特點所導致的，即煤孔隙裂隙最多，細砂巖最少。彈性階段：CFC組合體與GFG組合體呈現明顯的彈性階段，在該階段比較穩定，GCG組合體、FCF組合體、FGCF組合體、GCFG組合體在該階段也相對比較明顯。塑性階段：GCG組合體、FCF組合體、FGCF組合體、GCFG組合體塑性階段明顯，這是煤中裂紋裂隙不斷閉合，擴展的結果。

圖7 組合試件應力應變曲線

由組合體破壞形態(圖8)可知：GCG組合體、FCF組合體、FGCF組合體、GCFG組合體中均有煤試件參與，且煤發生破壞，煤呈“碎狀”破壞形態，粒度小，且破壞極不規則，屬于完全破碎狀態。這是由于煤試件結構特點所致，煤試件中抗壓強度小，致密度低，孔隙、裂隙較多，甚至出現隱藏的軟弱面，在加載時裂紋裂隙貫通，極易破碎。CGC組合體、FGF組合體、CFGC組合體中均有粗砂巖試件參與，且粗砂巖發生破壞，粗砂巖呈“Y型”破壞形態，破壞不完全，沒有表現出碎狀破壞形態，這與粗砂巖本身結構特點相一致，結構相對致密，無明顯孔隙裂隙出現，但一旦形成破裂面后，孔隙裂隙會沿著破裂面迅速擴展，直至失穩。粗砂巖破壞時剪切特征明顯，破碎粒度較大，破碎不完全。CFC組合體與GFG組合體中的細砂巖破壞極不完全，且破壞時間迅速，具有明顯的瞬時破壞特征，實驗過程中會有巖石向周圍彈射，其破壞力度最大，破壞效應最強烈。

圖8 部分組合體的破壞形態

為減小實驗誤差，對各參數取平均值(表2)。由組合體抗壓強度可知，GCG組合體、FCF組合體、FGCF組合體、GCFG組合體抗壓強度分別為11.11、11.36、10.83和11.27 MPa，比較接近煤試件的抗壓強度；CGC組合體、FGF組合體、CFGC組合體抗壓強度分別為54.47、53.57和54.95 MPa，比較接近粗砂巖的抗壓強度；CFC組合體與GFG組合體的抗壓強度分別為128.15和123.07 MPa，比較接近細砂巖的抗壓強度。由此可以看出，組合試件的抗壓強度接近中間破壞試件的抗壓強度，上下試件僅僅起到墊層作用。由組合體沖擊能量指數來看：FCF組合體與CFC組合體沖擊能量指數較大，為6.020和8.510，屬于強沖擊等級，FGF組合體、GFG組合體沖擊能量指教較小，為2.199和2.798，屬于弱沖擊等級。由此表明：組合體各組分間硬度差別越大，組合體的沖擊效應越強，反之則越弱。

表2 組合試件數據均值

3 沖擊防治關鍵巖層的判定

組合體受力分析如圖9，物體間作用力和反作用力大小相等：F1=F2，σ1×S1=σ2×S2。根據組合體的抗壓強度(σ2)可以求得中間試件的應力(σ1)，σ1=(σ2×S2) /S1，如圖10所示。利用Origin數據處理軟件求得中間試件在σ1作用下積聚的能量，記為S(OAε1)，則組合體上下試件積聚的能量E等于組合體總能量S(OBε2)減去中間試件積聚的能量S(OAε1)，如圖11，即

E=S(OBε2)-S(OAε1)。

(1)

以GCG組合體為例，計算能量積聚百分比。GCG組合體破壞前積聚的能量為0.126 kJ，GCG組合體的峰值應力為11.11MPa，由σ1×S1=σ2×S2可得中間標準試件(C)所受的應力為11.11 MPa(因為S1=S2，所以σ1=σ2)。根據中間標準試件(C)的應力應變曲線，對11.11 MPa應力曲線與應變圍成的面積積分即為C在該應力下積聚的能量(0.090 kJ)；又因為GCG組合體破壞前積聚的能量為0.126 kJ，所以積聚在G上的能量為0.126 kJ-0.090 kJ=0.036 kJ。因此，積聚在C中的能量百分比為0.090 kJ÷0.126 kJ=71.4%，積聚在G上的能量百分比為0.036 kJ÷0.126 kJ=28.6%。圖12為組合體各組分積聚能量分布柱狀圖。

圖9 組合體受力分析Fig.9 Force analysis of combined specimen

圖10 組合體能量分析Fig.10 Energy calculation of combined specimen

圖11 能量計算示意圖Fig.11 Schematic diagram of energy calculation

圖12 組合體各組分積聚能量柱狀圖Fig.12 The accumulating energy histogram of components in a combination

1) 二元組合體能量積聚分析：GCG、CGC組合體中，積聚在煤層上的能量分別為0.090和10.250 kJ，占總能量的71.4%和79.6%，粗砂巖占28.6%和20.4%。FCF、CFC組合體中，積聚在煤試件上的能量分別為0.092和68.560 kJ，占總能量的88.5%和79.0%，粗砂巖占11.5%和21.0%。FGF、GFG組合體中，積聚在粗砂巖試件上的能量分別為1.926和52.250 kJ，占總能量的61.2%和76.5%，細砂巖占38.8%和23.5%。煤和粗砂巖上的能量積聚的越多。則耗散或者破壞時釋放的越多，因此，從能量耗散角度分析，煤和粗砂巖也是能量耗散的關鍵試件。

2) 三元組合體能量積聚分析：FGCF、GCFG、CFGC組合體中，積聚在煤層上的能量分別為0.094、0.094和10.640 kJ，占總能量的79.8%、74.0%和76.3%，粗砂巖占12.1%、22.0%和18.8%，細砂巖占8.1%、4.0%和4.9%。由三元組合試件能量分布情況，煤耗散和釋放的能量較多，細砂巖中能量的耗散和釋放強度較小。

組合試件破壞前，積聚在煤組分上的能量最多，積聚在細砂巖組分上的能量最少。這表明縱向上軟弱巖層或層區是引發沖擊地壓能量的主要載體，主導著沖擊地壓的發生，而堅硬巖層或層區僅僅起承載和夾持作用，儲存能量較少。因此，軟弱巖層或由多層軟弱巖層構成的層區是沖擊地壓防治的關鍵巖層。

利用軟弱巖層是引發沖擊地壓能量的主要載體這一結論，從能量角度防治沖擊地壓有兩種思路：一是直接釋能，如把無沖擊危險或沖擊危險小的軟弱煤層作為解放層開采，振動卸壓爆破形成的卸載帶波及到能量積聚的軟弱巖層，煤體鉆孔卸壓和煤層的注水軟化等；二是間接釋能，即對承載軟弱巖層的堅硬頂板進行定向裂縫、頂板爆破、頂板切割等。這一結論，不僅填補了能量理論在能量具體積聚層位研究上的不足，而且對從能量角度防治沖擊地壓提供了理論指導。

4 結論

1) 當多種軟硬不同的巖層相間互層時，軟弱巖層是引發沖擊地壓能量的主要載體，是沖擊地壓防治關鍵層。這一結論彌補了能量理論在能量積聚和耗散方面研究的不足，擴充了能量理論，進一步闡述了沖擊地壓的發生機理。

2) 組合體的沖擊效應受各組分硬度的影響。組合體內單一組分的硬度不能決定組合體的沖擊特性，組分間硬度的差異程度才是組合體沖擊效應的決定性因素。組分間硬度差別越大，組合體沖擊效應越強，反之則越弱。

3) 軟弱巖層比堅硬巖層更容易耗散和釋放能量，利用這一結論，從能量積聚和耗散的角度，可采用直接釋能和間接釋能兩種防沖思路。