煤矿冲击矿压强度的弱化控制机理

技术研究石家庄中煤杯参评论文煤矿冲击矿压强度的弱化控制机理陆菜平1,2窦林名1,2[1-中国矿业大学矿业工程学院；2-中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221116]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难题，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。论文以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、TDS-6微震采集系统、FLAC数值模拟软件的Dynamic模块以及理论建模的综合研究方法，研究了组合煤岩试样冲击倾向性的演变规律，揭示了组合煤岩试样冲击破坏过程中的声电以及微震效应，模拟分析了影响组合煤岩体冲击效应的关键因素。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以及微震信号的强度之间呈正相关关系。即组合煤岩体中顶底板以及煤样的强度、顶板的整体性厚度以及矿震的扰动能量对于煤岩体的冲击效应具有显著影响。依据煤岩体变形破坏的冲能原理，建立了冲击矿压强度的弱化控制原理。该原理已经在我国10多个具有冲击危险的矿区进行了应用，取得了预期的效果。关键词采矿工程冲击矿压组合煤岩弱化控制机理----------------------------------------------------------------------------------------------------------引言人类的采矿活动必然造成煤岩体应力的重新分布和破裂损伤，伴随着采动效应，将会诱发煤岩体的震动破坏（矿震）。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，将会诱发冲击矿压；如果采动损伤效应造成煤岩体的卸压，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”阜新矿难瓦斯突出与矿震冲击相关的确凿证据，结论被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，弱化和控制冲击矿压的强度对于矿震的治理、煤与瓦斯突出（瓦斯爆炸）以及煤矿突水等其他动力性灾害的防治具有重要的借鉴意义。目前，岩石力学与工程界对于冲击矿压的研究主要集中在三个领域：冲击矿压的机理、冲击矿压的预测预报以及治理技术。对于冲击矿压机理的研究，最初Obert和Duvall认为冲击矿压的发生是应力超过岩石的抗压强度。Cook[2]、Vardoulakis[3]、Dyskin[4]、Z.H.CHEN[5]等人分别从构造应力、煤岩体微裂纹的扩展以及变形破裂过程中的声发射效应等角度进行了探索。但上述机理的研究对象均为单一的煤（岩）试样，无法全面地揭示冲击矿压的本质，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效应的影响。对于冲击矿压的预测，目前主要采用如微震、声发射系统及电磁辐射等无损监测手段。受载岩体产生低能级声发射在1930年首次被两位美国煤炭工业局的研究人员Obert和Duvall[6]所发现。受载材料断裂产生电磁辐射在1933年首次被观测到。许多其他研究人员相继进行了该项研究。目的就是揭示不同的电磁辐射特征。何学秋、窦林名以及王恩元等[7-9]先后将电磁辐射应用于煤与瓦斯突出及冲击矿压等煤岩动力灾害的预测预报。但无论微震、声发射还是电磁辐射系统都面临冗长监测数据的有效识别与分析、背景噪声的有效过滤，特别是单一监测手段预测准确率较低的难题，很难真正实现冲击矿压的预测。当前，对于冲击矿压的治理进行了大量的研究，如BaoYaoTang[10]提出了深井硬岩冲击矿压的评估和控制问题，开发了三维有限元程序模拟工作面卸压爆破引起的破裂区域，用来评估卸压爆破的治理效果。李成全[11]提出了冲击矿压防治的高压水射流煤层割缝卸压新技术，实现工作面煤体的超前卸压。高明仕[12]基于震动波在不同介质中传播的衰减规律，提出了冲击性巷道的强弱强控制机理。窦林名等[13]提出了煤岩体的强度弱化减冲原理。但上述研究并没有从影响煤岩体冲击效应的关键因素以及强度弱化前后冲能的演变规律，建立冲击矿压强度的弱化控制理论模型，特别是没有建立弱化效果的综合检验技术。综上，冲击矿压作为一种特殊的矿压显现，准确预测其发生的时间非常困难，就像地震预报一样。在任何情况下，必须强调时间只是冲击矿压预测的一个部分，更重要的是要监测潜在的危险区域，以及弱化解危。在绝大多数情况下，更需要控制潜在的冲击矿压强度，实现从预测到减冲的重要突破。本文以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、TDS-6微震采集系统，研究组合煤岩试样冲击倾向性的演变规律，揭示组合煤岩试样冲击破坏过程中的声电以及微震效应，模拟分析影响组合煤岩体冲击效应的关键因素。依据煤岩体变形破坏的冲能原理，最终建立冲击矿压强度的弱化控制机理。1组合煤岩试样的冲击破坏效应1.1冲击倾向性与煤岩力学强度参数的相关性从海孜煤矿、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-底板等组合方式的试样，总共加工了近100个试件，进行单轴压缩循环加卸载实验测定其冲击倾向性指数。图1所示为组合煤岩试样的实物照片。图2所示为Disp-24声电测试系统。图1试样照片图2Disp-24声电系统选取济三煤矿的顶底板岩样，煤样取自上述5个矿区，加工成5组“顶-煤-底”高度比值相同的组合试样，每组3个试件，测定冲击倾向性。图3所示为冲击能指数、弹性能指数与抗压强度之间的关系。图3冲击能及弹性能指数与抗压强度之间的关系图中，随着组合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煤岩试样的冲击倾向性呈正相关关系。实验测定了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，参数为计数率。两组试样中顶板的单轴抗压强度分别为169.7MPa和65.2MPa，底板均为粉细砂岩，试样中顶板高度所占百分比均为60%。图4所示为试样测定的声发射计数率分布。（a）顶板强度169.7MPa（b）顶板强度65.2MPa图4试样变形破裂声发射计数率分布图中，顶板强度越高，组合煤岩试样变形破裂越猛烈，且呈脆性爆裂式破坏，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-煤”高度比值不同的组合试样，每组3个试件，测定冲击倾向性。图5所示为冲击能指数与顶-煤高度比值之间的关系曲线。图5冲击能指数与顶煤高度比值的关系由图可知，当组合试样中顶板与煤层的厚度比值大于0.75时，顶板试样越厚，冲击能指数越大，则组合煤岩试样的冲击倾向性就越强。综上，组合煤岩试样的冲击破坏效应与煤样的强度、顶板的强度及其整体性厚度呈正相关。1.2组合煤岩试样冲击破坏声电及微震效应图6为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关系曲线。图6电磁辐射最大能量率与抗压强度的关系图中，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，说明煤样及顶底板岩样的抗压强度越高，则试样变形破坏越猛烈，冲击倾向性就越强。图7所示为古城煤矿组合煤岩试样变形破裂过程中测定的声发射信号能量率分布。其中试样的单轴抗压强度分别为27.17MPa、33.81MPa。（a）试样强度27.17MPa（b）试样强度33.81MPa图7试样变形破裂声发射能量率分布图中，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。图8所示为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。其中试样的顶板高度比例分别为69%、45%。（a）顶板高度比例69％（b）顶板高度比例45％图8试样变形破裂声发射计数率分布图中，组合煤岩试样中顶板厚度越高，变形破裂产生的声发射信号越强，则冲击倾向性就越强。图9所示为三河尖煤矿组合煤岩试样循环加卸载过程中测定的微震信号的最大振幅与试样冲击倾向性之间的关系曲线。图9微震信号的最大振幅与冲击倾向性的关系由图可知，组合煤岩试样的冲击倾向性越高，则变形破裂产生的微震信号越强。即微震信号的强度可以反映组合煤岩试样的冲击破坏效应。综上，组合煤岩试样变形破裂的声电以及微震信号强度与试样的冲击倾向性呈正相关关系，且能够反映组合煤岩体冲击效应的强弱。2组合煤岩体冲击效应的数值模拟2.1数值模拟模型的建立模型根据徐州三河尖煤矿9202工作面实际生产地质条件确定，各煤系岩层见表1所示。模型底边界垂直位移固定，左右边界水平方向位移固定。煤系岩层力学性质根据实际情况而定，材料本构模型为摩尔-库伦模型。模型长300m高、126m，划分成300×126共计37800个基本单元。受计算容量所限，在模型顶部加18MPa的等效载荷。初始模型见图10所示。图10数值模拟模型模型的计算过程如下：建立初始模型→初始化应力场→原岩应力平衡→开采7202工作面→开采7110工作面→开采9112工作面→开挖9202轨道巷→施加冲击动载→模拟结束。2.2模型参数设置以实际地质条件为基础，模拟过程中调整震源能量以及煤岩层物理力学参数，得到不同能级的冲击动载、不同强度及厚度的顶板岩层、不同强度的煤体对上覆残留煤柱区影响下的煤层巷道冲击效应的影响规律，模拟参数为垂直应力、变形量、变形速度以及加速度等。模型的参数如表1所示。表1初始模型模拟参数岩层性质B/e9PaG/e9Paf/°C/e6PaH/m中粗砂岩5.34.0372.030砂岩4.23.3351.520中细砂岩5.34.0372.014粉砂岩3.83.0331.237煤层1.50.8270.82粉砂岩3.83.0331.24中砂岩4.53.6351.59砂岩互层3.83.0331.22中砂岩*4.53.6351.59粉砂泥岩3.62.0321.319煤层1.50.8270.82泥岩2.51.5301.01粉细砂岩5.34.0372.01细砂岩4.53.6351.828注：中砂岩*表示模拟需要调整物理力学参数的岩层2.3模拟方案及步骤（1）模拟方案根据震源的统计，把震源设置在7煤上方厚度为14m的中细砂岩顶板中较为合理。在9202工作面轨道巷顶板正中间设置监测点，监测该点的垂直应力、变形量、变形速度以及加速度。①通过对工作面及巷道的开挖，模拟不同震源能量(5×105J、1×106J、5×106J)情况下，监测点的垂直应力、变形量、变形速度以及加速度的变化；②变换9煤上方中砂岩老顶的抗压强度(30MPa、60MPa、120MPa)，模拟相同震源能量、不同顶板强度的条件下，监测点的垂直应力、变形量、变形速度以及加速度的变化规律；③变换9煤上方中砂岩老顶的整体性厚度(9m、15m、25m)，保证震源距巷道的垂直距离不变。模拟相同震源能量、不同厚度顶板的条件下，监测点的垂直应力、变形量、变形速度以及加速度的变化；④变换9煤层的单轴抗压强度(20MPa、30MPa、40MPa)，模拟相同震源能量、不同煤层强度的条件下，监测点的垂直应力、变形量、变形速度以及加速度的变化规律。（2）模拟步骤①建立初始模型，设定震源能量为5×105J，9煤层上方的中砂岩老顶厚度为9m，单轴抗压强度为30MPa，9煤层的单轴抗压强度为20MPa；②首次计算至原岩应力平衡，然后开挖工作面和巷道，并施加冲击动载，再次计算至应力平衡；③变换震源的能量，模拟监测点的垂直应力、变形量、变形速度以及加速度。依次变换9煤层上方中砂岩顶板的整体性厚度、抗压强度、以及9煤层的抗压强度等参数，重复上述步骤（2）。2.4结果及其分析（1）矿震对巷道的冲击破坏效应图11所示能量分别为5×105J、1×106J、5×106J，9煤上方的中砂岩顶板厚度为9m，抗压强度为30MPa，9煤层抗压强度为20MPa时，监测点的变形量、变形速度以及加速度的变化情况。图11不