王 超

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

基于有效沖擊能量速率的煤層沖擊傾向性指數(shù)研究

王 超

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

煤巖沖擊傾向性的準(zhǔn)確評判對于防治沖擊地壓具有非常重要的意義。在總結(jié)國內(nèi)外煤層沖擊傾向性研究成果的基礎(chǔ)上，針對目前沖擊傾向性指數(shù)未能完全反映煤層實際沖擊傾向性強弱的問題，提出了綜合反映能量積聚、耗散、釋放過程及時間效應(yīng)的有效沖擊能量速率指數(shù)，并給出了評判準(zhǔn)則。有效沖擊能量速率指數(shù)與動態(tài)破壞時間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和單軸抗壓強度等常用指數(shù)均呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。工程應(yīng)用結(jié)果表明，使用該指數(shù)評判沖擊傾向性強弱是科學(xué)合理的。

有效沖擊能量速率；沖擊傾向性；沖擊地壓；評判準(zhǔn)則；相關(guān)性

沖擊地壓由于發(fā)生過程中聚積在煤巖體中的彈性能突然釋放，極具突發(fā)性和災(zāi)難性，因而易造成支架、設(shè)備和井巷的破壞以及人員傷亡等[1]。

煤巖具有沖擊傾向性是發(fā)生沖擊地壓的內(nèi)因和重要條件[2]。多年來，眾多學(xué)者從能量角度、破壞時間、變形、剛度和強度等方面積極探索研究，提出了很多沖擊傾向性指數(shù)和判別方法[3]，包括沖擊能量指數(shù)[4]、脆性指數(shù)[5]、彈性能量指數(shù)[6]、有效釋放率指數(shù)[6]、能量釋放率指數(shù)[7]、脆性指數(shù)修正值[8]、動態(tài)破壞時間[9]等，這些研究為沖擊地壓的預(yù)測預(yù)報及防治奠定了基礎(chǔ)。

本質(zhì)上，煤層沖擊傾向性受時間與能量的雙重影響[17]。而目前沖擊傾向性指標(biāo)大多只考慮時間或能量單個因素，文獻(xiàn)[17]雖然提出了一種同時考慮能量因素和時間效應(yīng)的沖擊能量速度指數(shù)，但計算中未去掉煤樣加載破壞前耗散的塑性能，因此得到的指數(shù)值高于實際值。鑒于此，本文提出經(jīng)過改進(jìn)的有效沖擊能量速率指數(shù)及評判準(zhǔn)則，繼而能更加科學(xué)準(zhǔn)確地評判煤的沖擊傾向性。

1 常用沖擊傾向性指數(shù)對比分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》(GB/T 25217.2-2010)，目前我國常用的煤層沖擊傾向性指數(shù)主要包括動態(tài)破壞時間(DT)、彈性能量指數(shù)(WET)、沖擊能量指數(shù)(KE)和單軸抗壓強度指數(shù)(RC)。這些指數(shù)雖然得到了廣泛應(yīng)用，但也存在一些不足。DT指數(shù)準(zhǔn)確反映了煤巖破壞所需時間，但未反映出煤巖破壞過程中的能量關(guān)系，如果破壞過程中轉(zhuǎn)化成動能的彈性能量有限，即使DT數(shù)值很小，沖擊效應(yīng)也不明顯；WET指數(shù)計算原理科學(xué)、方法簡單，但根據(jù)測試要求，應(yīng)加載到試樣平均破壞載荷的75%～85%，在此區(qū)間取不同值時可能對結(jié)果造成影響；KE指數(shù)簡單易算，較好地揭示了沖擊地壓的發(fā)生機理，但未反映煤巖破壞過程中轉(zhuǎn)化成動能的剩余能量的大小，且沒有考慮塑性變形中的耗散能，是一種過高的估計。

在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25217.2-2010中，一般同時使用以上4個指數(shù)進(jìn)行綜合評判，但常常存在4個指數(shù)實測值分屬不同沖擊傾向等級的現(xiàn)象，雖然國標(biāo)中提出了綜合評判方法并列出了81種不同組合情況下的評判結(jié)果，但該方法對于8種情況不能進(jìn)行綜合判定。而采用模糊數(shù)學(xué)綜合評價法時，當(dāng)某些指數(shù)反映的沖擊傾向性很強而其他指標(biāo)很弱時，會導(dǎo)致綜合評判結(jié)果有失客觀。因此，研究能夠綜合反映能量因素和時間效應(yīng)的指數(shù)非常必要。

2 有效沖擊能量速率理論分析

2.1 有效沖擊能量速率指數(shù)的提出

在外載荷作用下(壓力機輸入能量)，煤巖體能量轉(zhuǎn)化主要由應(yīng)變硬化與應(yīng)變軟化兩種機制驅(qū)動[28]，能量轉(zhuǎn)化過程如圖1所示。應(yīng)變硬化階段主要通過儲存彈性變形能逐漸積聚能量，同時在塑性變形中耗散能量，應(yīng)變軟化階段則主要向外釋放能量，能量大部分轉(zhuǎn)化為造成煤巖發(fā)生動力現(xiàn)象的動能。

圖1 受載煤巖能量轉(zhuǎn)化兩階段[28]

在煤巖單軸壓縮達(dá)到應(yīng)力峰值前，加載系統(tǒng)輸入的能量大部分轉(zhuǎn)化為煤巖耗散的塑性能W12和積聚的彈性能W22，如圖2所示。峰值后的載荷超過煤巖承載能力時，彈性能將釋放出來，當(dāng)釋放能量大于試樣破壞所消耗的能量W3時，破壞過程就會加速進(jìn)行，剩余能量ΔW=W22-W3就以動能的形式釋放出來發(fā)生沖擊現(xiàn)象，其沖擊破壞程度取決于ΔW的大小[2]。

對于W12，W22和W3，由圖2可知：

5.切割后，細(xì)胞將會自己嘗試來修復(fù)DNA, 這樣最終可以使得基因“沉默”。舉例來說，科學(xué)成功地通過該技術(shù)“沉默”了大豆中表達(dá)反式脂肪酸的基因。當(dāng)然，科學(xué)家也可以在DNA中插入新的片段來改變基因的表達(dá)

(1)

(2)

(3)

上式中，W12數(shù)值為OCε2所圍的面積，W22數(shù)值為ε2Cε4所圍的面積，W3數(shù)值為ε4CD所圍的面積。

圖2 煤巖單軸壓縮全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線[15]

(4)

為指導(dǎo)現(xiàn)場工程應(yīng)用，本文結(jié)合大量工程試驗進(jìn)行統(tǒng)計分析，初步確定了WYS的沖擊傾向性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 WYS(s-1)的評判準(zhǔn)則

2.2 指標(biāo)相關(guān)性分析

WYS綜合反映了能量和時間因素，其與常用的沖擊傾向性指數(shù)DT，WET，KE和RC必然存在一定的聯(lián)系。

圖3為WYS與其他4個評判指數(shù)的關(guān)聯(lián)圖(數(shù)據(jù)來自南山礦、峻德礦、木城澗礦、桃山礦和新興礦的沖擊傾向性測試結(jié)果)。從圖中可以看出，WYS與DT存在較好的負(fù)相關(guān)性，即隨著DT的增大，WYS呈逐漸減小趨勢，沖擊傾向性減弱；而WYS與WET，KE，RC3個指數(shù)均呈現(xiàn)出正相關(guān)性。研究表明，使用WYS指數(shù)進(jìn)行沖擊傾向性評判符合沖擊地壓的發(fā)生機理，且該指數(shù)與其他常用沖擊傾向性指數(shù)均具有相關(guān)性，故采用WYS表征沖擊傾向性強弱是科學(xué)合理的。

圖3 WYS與其他指標(biāo)關(guān)聯(lián)性

3 工程應(yīng)用

將本文提出的WYS指數(shù)應(yīng)用到煤層沖擊傾向性評判中，在實驗室分別測試和計算兩處煤層的DT，WET，KE，RC和WYS，計算結(jié)果如表2所示。根據(jù)表1的評判準(zhǔn)則，采用WYS得到?jīng)_擊傾向性判別結(jié)果，與采用GB/T 25217.2-2010中的綜合評判法的結(jié)果一致(表2)，表明WYS可以準(zhǔn)確評判煤的沖擊傾向性。

表2 沖擊傾向性數(shù)據(jù)及評判結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)針對目前沖擊傾向性指數(shù)未能完全反映煤層實際沖擊傾向性等級的問題，提出了一種綜合反映煤樣受載破壞過程中能量積聚、耗散、釋放過程及時間效應(yīng)的有效沖擊能量速率指數(shù)，該指數(shù)越大，沖擊傾向性越強。

(2)相關(guān)性分析表明，有效沖擊能量速率指數(shù)與其他常用沖擊傾向性指數(shù)均呈現(xiàn)相關(guān)性，工程應(yīng)用結(jié)果表明，使用該指數(shù)表征沖擊傾向性強弱是科學(xué)合理的。

(3)本文對有效沖擊能量速率指數(shù)進(jìn)行了初步等級劃分，在后續(xù)研究中還需進(jìn)一步完善評判準(zhǔn)則，并將其與其他指標(biāo)綜合使用，以便更好地指導(dǎo)工程實踐。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

StudyofCoalSeamRockBurstTendencyIndexunderEffectivelyImpactEnergyRate

WANG Chao

(Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China)

The accurately determination of coal and rock impact tendency was importance to rock burst prevention and control.Based on research results of coal seam impact tendency at home and abroad，to the problems that the actual coal seam impact tendency could not be reflected by impact tendency index at present，then an effectively impact energy rate index was put forward，which could be fully reflected energy accumulation，dissipation and releasing process and time effect and so on，then determination criterion was put forward.Some relativity appeared between normal index，which is about effectively impact energy rate，dynamic broken time，elastic energy index,impact energy index and uniaxial compressive strength.The field test showed that impact tendency determined by the index was reasonable.

effectively impact energy rate；rock burst tendency；rock burst；determination criterion；relativity

TD324.1

A

1006-6225(2017)05-0009-04

2017-07-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.003

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0801408)；云南省省級人培資助項目(KKSY2014021030)

王 超(1984-)，男，山東濟(jì)寧人，講師，博士，主要從事礦山煤巖動力災(zāi)害防治方面的研究工作。

王 超.基于有效沖擊能量速率的煤層沖擊傾向性指數(shù)研究[J].煤礦開采，2017，22(5)：9-12.