譚椏杰，程豪杰，杜曉峰，趙國安，張興會

(1.陽城縣陽泰集團實業(yè)有限公司，山西 晉城 048100；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；3.陜西永明煤礦有限公司，陜西 延安 717300；4.中赟國際工程有限公司，鄭州 450007；5.銅川市永紅煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 銅川 727015)

隨著開采深度的增加，煤礦面臨的動力災(zāi)害問題越來越突出，嚴重威脅煤礦的安全開采。煤層沖擊傾向性是煤層的固有特征，對其進行研究是評價煤層是否具有潛在沖擊地壓風(fēng)險的重要手段之一。

沖擊地壓判定“三準則”之一的沖擊傾向準則對沖擊地壓潛在危險性判定具有十分重要的意義[1]，大量學(xué)者對其展開了深入研究并取得了顯著進展。眾多沖擊地壓發(fā)生機理及防沖技術(shù)都包含沖擊傾向性的相關(guān)研究。齊慶新等[2-4]從煤巖層結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，認為沖擊地壓的發(fā)生取決于煤巖的內(nèi)在性質(zhì)，探討了內(nèi)在因素、力源因素以及結(jié)構(gòu)因素對產(chǎn)生沖擊地壓的影響。其中內(nèi)在因素就包括煤層沖擊傾向這一固有屬性。代樹紅等[5]分析了模量指數(shù)與單軸抗壓強度等沖擊傾向性指標的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)采用模量指數(shù)評價煤層沖擊傾向性是可行的。左建平等[6]研究了煤巖組合體的沖擊傾向性指標，分析了煤體與巖體的力學(xué)特性差異，認為峰值彈性密度差和失穩(wěn)持續(xù)時間的比值作為評價其沖擊傾向性的指標更有效。吳學(xué)明等[7]建立了單軸壓縮條件下考慮殘余強度的本構(gòu)模型，提出將殘余能指數(shù)變化率作為新的沖擊傾向性指標。高保彬等[8]建立了含瓦斯煤的單軸壓縮試驗系統(tǒng)，測定了含瓦斯煤的沖擊傾向指標，發(fā)現(xiàn)了瓦斯壓力的改變會明顯影響沖擊傾向指標值的大小。盧志國等[9]提出了將有效彈性能釋放速率指數(shù)作為評價煤巖體沖擊傾向的指標，驗證了通過此指標得到的結(jié)果更符合實際。宮鳳強等[10]提出了基于線性儲能規(guī)律的剩余彈性能沖擊傾向指標及其判別準則，提高了傳統(tǒng)能量沖擊指數(shù)的判別準確率。盡管對評價沖擊傾向性指標的研究取得了顯著的進展，但國家標準要求測試的煤巖樣沖擊傾向性指標更全面，且其中模糊綜合評判法在各個指標發(fā)生矛盾時適用性更強[11]。鑒于煤層沖擊傾向性研究對沖擊礦壓評價的重要性，在此針對永紅煤礦4-2號煤層進行了沖擊傾向性鑒定，為后續(xù)礦井沖擊地壓區(qū)域性評價提供依據(jù)。

1 礦井及4-2號煤層概況

永紅煤業(yè)位于陜西省銅川市印臺區(qū)玉華鎮(zhèn)，南距銅川市約37 km，交通較為方便。礦井核定生產(chǎn)能力15萬t，屬國家安全質(zhì)量標準化礦井。礦井可采煤層為3-2號和4-2號煤層，開采方式為井工開采。其主采煤層為4-2號煤層，該煤層位于侏羅系中統(tǒng)延安組下部一、二段，主要由泥巖、粉砂巖、細砂巖、砂巖為主，局部發(fā)育有礫巖、含礫粗砂巖及煤層。4-2號煤層厚度為0.70～18.40 m，平均厚度9.47 m。煤厚變化規(guī)律為礦井西南部較薄，東北部逐漸變厚，為大部可采的穩(wěn)定煤層。4-2號煤層的煤類為不黏煤，以暗煤、亮煤為主，煤類單一，含矸0～2層，結(jié)構(gòu)簡單，煤層埋深0～450 m，煤層一般埋深300 m。

2 試件制備及測試要求

2.1 試件制備

在永紅煤業(yè)4-2號煤層的4202工作面進行取樣，4-2號煤層埋深300 m，煤樣最小尺寸約為25 cm×25 cm×20 cm，沒有明顯裂隙，采樣30塊。根據(jù)相關(guān)標準和試驗需要，采用φ50 mm×100 mm的圓柱體煤樣試件。由于該煤層較厚，試樣分別取自上、中、下3層煤，故分為3組且以A、B、C命名，每組取5個試樣。現(xiàn)場取得煤塊后，采用保鮮膜包裝，運回試驗室后進行加工制備，試樣加工精度滿足工程巖體試驗方法標準[12]的要求，共制得煤樣50個，多余煤樣備用。

2.2 測定標準

煤層的沖擊傾向指數(shù)主要包括動態(tài)破壞時間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)及單軸抗壓強度4個指標[11]。根據(jù)煤的沖擊傾向指數(shù)值的大小，煤層沖擊傾向性可分為無、弱、強3類，詳情見表1。當(dāng)所測定的沖擊傾向指數(shù)值發(fā)生矛盾時，可采用模糊綜合評判方法判定煤層的沖擊傾向性。

表1 煤的沖擊傾向性分類

2.3 測定方法

將試件制備后放入底部有水且干燥的容器中保存，放置1～2 d，且試件不接觸水面，使其保持一定的濕度。采用微機控制電液伺服萬能試驗機對制備的試樣進行單軸壓縮試驗。

1)動態(tài)破壞時間。采用0.5～1.0 MPa/s的速度進行應(yīng)力加載直至試件破壞，通過計算峰值強度到殘余強度之間的時間獲得動態(tài)破壞時間。按式(1)計算動態(tài)破壞時間：

(1)

式中：tDs為動態(tài)破壞時間的平均值，ms；tDi為第i個試件的動態(tài)破壞時間，ms；n為試件個數(shù)。

2)沖擊能量指數(shù)。采用0.5×10-5～1.0×10-5mm/s的速度進行準靜態(tài)加載直至試件破壞，按式(2)計算沖擊能量指數(shù)：

(2)

式中：KE和KES分別為沖擊能量指數(shù)及其平均值；ESi，EXi分別為第i個試件峰值前后的變形能；KEi為第i個試件的沖擊能量指數(shù)；n為試件個數(shù)。

3)彈性能量指數(shù)。采用循環(huán)加卸載試驗研究彈性能量指數(shù)。采用0.5～1.0 MPa/s的速度進行應(yīng)力加載，循環(huán)加卸載的起始上限和下限范圍分別為單軸強度均值的75%～85%和1%～5%，然后保持同樣的加載速率對試件進行再次加載，依次提高加載上限直至破壞。按式(3)計算彈性能量指數(shù)：

(3)

式中：WETS為彈性能量指數(shù)的平均值；WETi為第i個試件的彈性能量指數(shù)；WET為彈性能量指數(shù)；ESEi為彈性應(yīng)變能；ESPi為塑性應(yīng)變能；n為試件個數(shù)。

4)單軸抗壓強度。采用0.5～1.0 MPa/s的速度進行應(yīng)力加載，峰值出現(xiàn)3～5 s后停止加載，無峰值出現(xiàn)時，軸向應(yīng)變達15%～20%時停止加載。按式(4)計算單軸抗壓強度：

(4)

式中：σc為試件單軸抗壓強度，MPa；F為試件破壞荷載，kN；A為試件初始承壓面積，cm2。

3 煤層沖擊性試驗結(jié)果及分析

3.1 沖擊傾向性指數(shù)數(shù)據(jù)有效性分析

此次試驗是為了消除煤樣組成造成的差異，因此對多個部位的煤樣進行了大量的試驗。為了篩除異常值，需要采用格拉布斯準則對每個沖擊傾向性指標的試驗數(shù)據(jù)進行檢驗[13]。同時需要將Xp篩除。試驗結(jié)果見表2。

表2 格拉布斯準則檢驗

|dp|=|Xp-X|>G(α,n)S.

(5)

式中：Xp為被檢驗的數(shù)據(jù)；X為數(shù)據(jù)的均值；dp為檢驗結(jié)果值；G(a,n)為格拉布斯檢驗結(jié)果臨界值；S為標準偏差；α為顯著性水平，取0.05；n為數(shù)據(jù)個數(shù)。

單軸抗壓強度、動態(tài)破壞時間、沖擊能量指數(shù)和彈性能量指數(shù)的分布曲線，如圖1所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),單軸抗壓強度、沖擊能量指數(shù)和彈性能量指數(shù)呈正態(tài)分布。將測試每個沖擊傾向指數(shù)的試樣分別作為不同的樣本，單軸抗壓強度的樣本均值為10.96 MPa，樣本標準差為4.27 MPa，抽樣平均誤差為0.81 MPa，當(dāng)取0.95為置信度值時，樣本置信區(qū)間為[8.64，11.81]；動態(tài)破壞時間的樣本均值為1 479.6 ms，樣本標準差為892.38 ms，抽樣平均誤差為230.41 ms，當(dāng)取0.95為置信度值時，樣本置信區(qū)間為[440.78，1 343.98]；沖擊能量指數(shù)的樣本均值為2.24，樣本標準差為0.44，抽樣平均誤差為0.11，當(dāng)取0.95為置信度值時，樣本置信區(qū)間為[2.02，2.46]；彈性能量指數(shù)的樣本均值為1.2，樣本標準差為0.48，抽樣平均誤差為0.15，當(dāng)取0.95為置信度值時，樣本置信區(qū)間為[0.91，1.49]。經(jīng)分析本次試驗數(shù)據(jù)中樣本的置信區(qū)間跨度都較小，比較集中。同時當(dāng)置信度較高時，置信區(qū)間依然在樣本均值附近，離散性小，說明本次試驗的結(jié)果準確合理。

(a)單軸抗壓強度正態(tài)分布曲線

3.2 沖擊傾向性判定結(jié)果分析

3.2.1單軸抗壓強度和動態(tài)破壞時間測試

煤樣單軸抗壓強度及動態(tài)破壞時間測試結(jié)果如表3所示。部分煤樣單軸抗壓強度和動態(tài)破壞時間測試應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。從圖2可以看出,煤試樣在單軸壓縮時，與其他巖樣相同，都經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服及破壞階段，在達到峰值后應(yīng)力值急劇下降，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以獲得單軸抗壓強度及動態(tài)破壞時間。表3中，3組煤樣的平均單軸抗壓強度分別為10.02 MPa、7.45 MPa和13.20 MPa，極值范圍為4.35～16.69 MPa，所有試樣的平均單軸抗壓強度為10.23 MPa，這些煤樣中大部分測得的單軸抗壓強度值比較接近平均值。測試結(jié)果顯示,煤樣單軸抗壓強度變化較大，這是因為煤層較厚，不同層位的煤強度差異較大。由于煤的單軸抗壓強度值在7～14 MPa時，屬弱沖擊傾向性，故根據(jù)單軸抗壓強度判定3組煤樣皆為弱沖擊傾向。動態(tài)破壞時間的范圍為532～3 734 ms，3組的平均動態(tài)破壞時間分別為1 039.60 ms、1 626.40 ms、1 772.80 ms，所有試件的平均動態(tài)破壞時間為1 318.57 ms。由于煤的動態(tài)破壞時間值在大于500 ms時，屬無沖擊傾向性,因此，根據(jù)動態(tài)破壞時間判定該煤層均為無沖擊傾向性。

表3 單軸抗壓強度及動態(tài)破壞時間測試結(jié)果

圖2 單軸抗壓強度及動態(tài)破壞時間測試曲線

3.2.2沖擊能量指數(shù)測試

部分煤樣的沖擊能量指數(shù)測試結(jié)果如表4所示。部分煤樣沖擊能量指數(shù)測試應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示?？梢钥闯鰣D3和圖2類似，都表現(xiàn)出煤試樣顯著的脆性特征。通過對表4中沖擊能量指數(shù)的計算，發(fā)現(xiàn)該煤層沖擊能量指數(shù)具有以下特征。該類煤樣的3組平均沖擊能量指數(shù)分別為2.51、2.34、1.88，沖擊能量指數(shù)極值范圍為1.48～3.01，所有試件的平均沖擊能量指數(shù)為2.24。由于煤的沖擊能量指數(shù)在1.5～5.0范圍時，屬弱沖擊傾向性。因此，根據(jù)沖擊能量指數(shù)判定該煤層均為弱沖擊傾向性。

表4 沖擊能量指數(shù)測試結(jié)果

圖3 沖擊能量指數(shù)測試曲線

3.2.3彈性能量指數(shù)測試

煤樣彈性能量指數(shù)測試結(jié)果如表5所示。部分煤樣循環(huán)加卸載測試應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，煤試樣的循環(huán)加卸載曲線的外包絡(luò)線與單調(diào)加載的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎吻合，但其加卸載路徑不能完全重合[14]。在應(yīng)力較低時，加卸載曲線幾乎重合；在應(yīng)力較高時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線并不能完全回到原點，存在一定的殘余應(yīng)變。從表5中計算所得的彈性能量指數(shù)可以發(fā)現(xiàn),該類煤樣的彈性能量指數(shù)極值范圍為0.39～2.18，所有試件的平均彈性能量指數(shù)為1.20,3組平均彈性能量指數(shù)分別為1.09、1.54、0.98。由于當(dāng)彈性能量指數(shù)小于7時，屬無沖擊傾向性。因此，根據(jù)彈性能量指數(shù)判定該煤層均為無沖擊傾向性。

表5 彈性能量指數(shù)測試結(jié)果

圖4 循環(huán)加卸載測試曲線

4 結(jié)論

1)通過對永紅煤業(yè)4-2號煤層煤樣單軸抗壓試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，根據(jù)格拉布斯準則,發(fā)現(xiàn)單軸抗壓強度和動態(tài)破壞時間各存在一個可疑數(shù)據(jù)，對剩余數(shù)據(jù)進行離散性分析后，發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)中樣本的置信區(qū)間跨度均較小，比較集中。同時當(dāng)置信度較高時，置信區(qū)間依然在樣本均值附近，離散性小，從統(tǒng)計學(xué)上驗證了試驗數(shù)據(jù)的科學(xué)性和可靠性。

2)根據(jù)《煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》標準，得到永紅煤業(yè)4-2號煤層沖擊能量指數(shù)測試結(jié)果平均值為2.24，屬弱沖擊傾向；動態(tài)破壞時間測試結(jié)果平均值為1 318.57 ms，屬無沖擊傾向；彈性能量指數(shù)測試結(jié)果平均值為1.20，屬無沖擊傾向；單軸抗壓強度測試結(jié)果平均值為10.23 MPa，屬弱沖擊傾向。

3)根據(jù)試驗結(jié)果和《沖擊傾向性綜合評判結(jié)果表》，永紅煤業(yè)4-2號煤層判定結(jié)果在沖擊傾向性綜合評判結(jié)果中屬于77號，采用綜合判定方法判定永紅煤業(yè)4-2號煤層沖擊傾向性屬于難以綜合判定的情況，故采用測量值與其臨近界定值進行比較的方法綜合判斷沖擊傾向性，考慮到單軸抗壓強度和沖擊能量指數(shù)均臨近下限界定值，因此綜合判定為永紅煤業(yè)4-2號煤層無沖擊傾向性。