山西煤運集團四通煤礦四、五采區煤巖體沖擊傾向性研究

杜春林

（山西省煤炭地質144勘查院，山西洪洞041600）

沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍煤（巖）體由于彈性變形能的瞬時釋放而產生的突然、劇烈破壞的動力現象，常伴有煤（巖）體瞬間位移、拋出、巨響及氣浪等。沖擊地壓是一種較為典型的礦山煤巖動力災害現象，對礦山安全構成很大的威脅，特別是隨著煤礦開采深度的增加，沖擊地壓問題越來越突出。

煤層開采時，軟弱煤層和堅硬巖層組合，在采空條件下，煤、巖體固有的物理力學性質，持續發生改變，積聚變形能并且具有沖擊破壞的性質稱為煤巖體沖擊傾向性。

《煤礦安全規程》（2016版）第二百二十六條規定，有下列情況之一的，應當進行煤巖沖擊傾向性鑒定：（一）有強烈震動、瞬間底（幫）鼓、煤巖彈射等動力現象的；（二）埋深超過400m的煤層，且煤層上方100m范圍內存在單層厚度超過10m、單軸抗壓強度大于60MPa的堅硬巖層；（三）相鄰礦井開采的同一煤層發生過沖擊地壓的；（四）沖擊地壓礦井開采新水平、新煤層。

四通煤業2號煤層四、五采區鉆孔揭露上組2號煤層埋深436.64～522.19m,頂板100m范圍內存在單層厚度8.80～12.80m的細粒砂巖，頂板30m范圍有完整的堅硬細粒砂巖巖層，測得其單軸抗壓強度57.7MPa。五采區2504順槽，掘進期間巷道每掘進300m需起底一次，底鼓0.40m,人工起底；順槽掘進完成后整體由掘進機起底一次，起底厚度平均1m。四采區2402工作面回采期間，2402兩順槽隨回采平均底鼓1.50m，幫縮1.20m，隨回采進行起底。本礦有兩項符合《煤礦安全規程》（2016版）第二百二十六條規定。

通過煤巖體沖擊傾向性測試及分析，不僅能夠科學地認識四、五采區煤巖體物理力學性質，而且對四通煤業今后沖擊地壓預測、監測和綜合防治工作，安全高效生產，提供必要的科學依據。

1 礦井、地質概況

1.1 礦井概況

四通煤礦位于山西省臨汾市堯都區，行政區劃屬堯都區河底鄉管轄。井田位于河東煤田南部東側，面積22.6721km2，批準開采煤層為2、3、10號煤層，礦井生產能力為1.50Mt/a。礦井共劃分為2個煤組進行開采（上組：2上、2中、2下和3號煤層；下組：10號煤層），2上、2中、2下總稱為2號煤層，其中礦井上組煤共劃分為7個采區。首采區為五采區和四采區。五采區傾向長約0.65km，走向長約2～2.5km，面積約1.50km2；四采區傾向長約1.1km，走向長約1.8～2.4km，面積約2.30km2。在五采區2中、2下煤層間距較小，部分合并，2中、2下煤層合并開采，布置一個中厚煤層綜采工作面，平均采高3.5m；在四采區2上煤層布置一個薄煤層綜采工作面，平均采高1.5m。采用長壁式采煤法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。井田內10號煤層目前沒有開采。

1.2 地質概況

1.2.1 煤層

表1 可采煤層特征一覽表

1.2.2 構造

井田總體構造為走向北東、傾向北西的單斜構造，地層傾角一般3°～13°，斷層稀少，無巖漿巖侵入，構造復雜程度簡單。

2 煤樣、巖樣采取

煤巖樣從2號煤層四、五采區煤層及頂板中采取，采樣標準按照中華人民共和國標準GB/T23561.1-2009《采樣一般規定》，煤層厚度3.5m以下采一組煤樣。煤樣取樣地點為四采區4206工作面與五采區5202工作面，見圖1。按照相關技術標準要求，煤的沖擊傾向性取1層進行鑒定，煤塊的規格不小于長×寬×高=30cm×30cm×30cm，其高度方位垂直煤、巖層的層理面，所采集的煤樣無明顯裂隙。

在2號煤層上方30m范圍內的頂板巖層進行鉆孔取樣，因30m中頂部10m為砂泥互層，鉆孔取芯深度取20m。頂板巖樣取樣地點：1號鉆孔位于四采區輔助運輸巷935m處，2號鉆孔位于五采區輔助運輸巷101m處，3號鉆孔位于五采區輔助運輸巷83m處，4號鉆孔位于四采區回風巷257m處，具體位置見圖1。圖2和表2為4個取芯鉆孔柱狀圖及統計結果。取樣巖層從下往上依次為砂質泥巖、泥巖和細粒砂巖共3類巖層。每個取樣地點往頂板巖層中打?68mm取芯鉆孔，每類巖層取長度超過30mm巖芯各5塊，長度超過130mm巖芯各5塊。煤巖樣采出后，立即用塑料薄膜及膠帶封裹、密封并運送至實驗室。

表2 頂板鉆孔巖層厚度統計表

圖1 煤巖樣取樣鉆孔位置分布圖

3 試樣加工標準和測試儀器

試件加工依照國家標準《沖擊地壓測定、監測與防治方法》GB/T 25217-2010和《煤和巖石物理力學性質測定方法》GB/T 23561-2009，并參照國際巖石力學學會實驗室和現場試驗標準化委員會編制的《巖石力學試驗建議方法》。測試儀器電子萬能試驗機（205DTS）、油電混合伺服壓力試驗機（306E）。

4 測試內容

密度、抗拉強度、單軸抗壓強度、動態破壞時間、彈性能量指數、沖擊能量指數、彎曲能量指數。

5 評價依據與標準

5.1 依據

依據中華人民共和國標準《煤和巖石物理力學性質測定方法》和《沖擊地壓測定、監測與防治方法》等，具體包括：

（1）中華人民共和國國家標準GB/T 23561.1-2009《采樣一般規定》；

（2）中華人民共和國國家標準GB/T 23561.3-2009《煤和巖石塊體密度測試方法》；

（3）中華人民共和國國家標準GB/T 23561.7-2009《單軸抗壓強度測定及軟化系數計算方法》；

（4）中華人民共和國國家標準GB/T 23561.8-2009《煤和巖石變形參數測定方法》；

（5）中華人民共和國國家標準GB/T 23561.10-2010《煤和巖石抗拉強度測定方法》；

（6）中華人民共和國國家標準GB/T 25217.1-2010《沖擊地壓測定、監測與防治方法第1部分：頂板巖層沖擊傾向分類及指數的測定方法》；

（7）中華人民共和國國家標準GB/T 25217.2-2010《沖擊地壓測定、監測與防治方法第2部分：煤的沖擊傾向分類及指數的測定方法》。

5.2 標準

（1）煤層沖擊傾向性測定標準。煤層沖擊傾向性為煤體所具有的積蓄變形能并產生沖擊式破壞的性質。煤層沖擊傾向性的強弱鑒定，按照《沖擊地壓測定、監測與防治方法第2部分：煤的沖擊傾向分類及指數的測定方法》GB/T 25217.2-2010，用四個指數衡量，即動態破壞時間DT（ms），彈性能量指數WET、沖擊能量指數KE和單軸抗壓強度RC（MPa）。煤層沖擊傾向性分為無沖擊傾向性、弱沖擊傾向性和強沖擊傾向性。當上述4個指標矛盾時，采用模糊綜合評判方法，確定煤的沖擊傾向性。

（2）頂底板巖層沖擊傾向性測定標準。彎曲能量指數是在均布載荷作用下，單位寬的懸臂巖梁達到極限跨度積蓄的彎曲能量，單位kJ，用UWQs表示。按照《沖擊地壓測定、監測與防治方法第1部分：頂板巖層沖擊傾向分類及指數的測定方法》GB/T 25217.1-2010，該指數作為巖石沖擊傾向性，分為強沖擊傾向性、弱沖擊傾向性、無沖擊傾向性。

6 分析結果

6.1 煤層沖擊傾向性

2號煤層四、五采區煤樣動態破壞時間DT、彈性能量指數WET、沖擊能量指數KE、單軸抗壓強度RC測定。

在4206和5206工作面，每個參數取5個樣品試件，共采取20個樣品試件。

動態破壞時間測試：試件尺寸，樣直徑48.40～49.30mm、長度97.66～102.80mm，動態破壞時間560～2140ms，平均動態破壞時間1110ms。

彈性能量指數測試：試件尺寸，樣直徑48.16～49.16mm、長度98.14～102.80mm，卸載值5.0kN，彈性變形能ΦSE0.473～0.596，塑形變形能ΦSP0.163～0.275，彈性能量指數1.99～2.91，平均彈性能量指數2.36。

沖擊能量指數測試：試件尺寸，樣直徑48.50～49.00mm、長度97.20～101.20mm，峰值前積聚的變形能0.76～7.27，峰值后耗損的變形能0.81～6.03，沖擊能量指數0.33～1.25，平均沖擊能量指數0.87。

單軸抗壓強度測試：試件尺寸，樣直徑48.40～49.08mm、長 度97.08～103.14mm，破 壞 載荷2.53～6.74kN，單軸抗壓強度1.32～3.60MPa，平均單軸抗壓強度2.35MPa。

根據2號煤層四、五采區煤樣動態破壞時間、彈性能量指數、沖擊能量指數和單軸抗壓強度的測定結果，依據GB/T25217.2-2010給定標準，可綜合評判2號煤層四、五采區煤沖擊傾向性類別為Ⅰ類，無沖擊傾向性。分析結果見表3。

表3 煤沖擊傾向性統計分析

6.2 頂板巖層沖擊傾向性分析

（1）2號煤層四、五采區，頂板巖樣密度、單軸抗壓強度、彈性模量測定。在鉆孔中3類巖樣各采取5個樣，共采取15個進行測試樣。

細粒砂巖測試：試件尺寸，樣直徑66.48～66.90mm、長度125.88～132.92mm；密度2.58～2.67g/cm3,平均2.64g/cm3；自然含水率條件下的單軸抗壓強度37.57～82.30MPa，平均60.37MPa；彈性模量5.00～18.97GPa，平均9.51GPa。

泥巖測試：試件尺寸，樣直徑66.64～67.36mm、長度131.00～133.72mm；密 度2.59～2.62g/cm3,平 均2.62g/cm3；自然含水率條件下的單軸抗壓強度17.71～47.00MPa，平均29.20MPa；彈性模量2.27～7.10GPa，平均4.88GPa。

砂質泥巖測試：試件尺寸，樣直徑67.20～67.76mm、長度131.94～133.90mm；密度2.61～2.72g/cm3,平均2.67g/cm3；自然含水率條件下的單軸抗壓強度22.29～82.17MPa，平均54.53MPa；彈性模量2.96～11.48GPa，平均6.74GPa。

（2）2號煤層四、五采區頂板巖樣抗拉強度測定。在鉆孔中3類巖樣各采取5個樣，共采取15個樣進行測試。

細類砂巖測試：試件尺寸，樣直徑66.16～67.26mm、長 度32.16～33.14mm；破 壞 載 荷3.31～14.67kN；抗拉強度0.94～4.14MPa，平均2.26MPa。

泥巖測試：試件尺寸，樣直徑66.50～67.26mm、長度32.00～34.10mm；破壞載荷4.98～9.31kN；抗拉強度1.43～2.68MPa，平均2.26MPa。

砂質泥巖測試：件尺寸，樣直徑66.20～66.76mm、長度33.20～33.68mm；破壞載荷8.57～14.47kN；抗拉強度2.81～4.13MPa，平均3.50MPa。

通過計算可知，2號煤層四、五采區第1層頂板砂質泥巖彎曲能量指數為7.45kJ，第2層頂板泥巖彎曲能量指數為6.06kJ，第3層頂板細粒砂巖彎曲能量指數為1.40kJ。因此，四通煤業2號煤層四、五采區復合頂板彎曲能量指數，即取第1層至第3層的彎曲能力指數結果之和，計算可得14.91kJ，小于15kJ，理論上已接近臨界值。根據對四通煤業2號煤層四、五采區頂板巖樣的抗拉強度、塊體密度、彈性模量、彎曲能量指數的測定，依據給定的標準GB/T25217.1-2010，可以判定2號煤層四、五采區頂板巖層的沖擊傾向性為Ⅰ類，無沖擊傾向性，詳見表4。

表4 頂板巖層沖擊傾向性統計分析表

7 結論

（1）根據送檢煤樣測定的數據，依據國家標準GB/T 25217.2-2010《沖擊地壓測定、監測與防治方法第2部分：煤的沖擊傾向性分類及指數的測定方法》，四通煤礦2號煤層四、五采區煤的沖擊傾向性屬于Ⅰ類，無沖擊傾向性。

（2）根據送檢巖樣測定的數據，依據國家標準GB/T 25217.1-2010《沖擊地壓測定、監測與防治方法第1部分：頂板巖層沖擊傾向分類及指數的測定方法》，四通煤礦2號煤層四、五采區頂板巖層的沖擊傾向性為Ⅰ類，無沖擊傾向性。