1、组合煤岩试样的冲击破坏效应及其应用陆菜平 1 窦林名 1 吴兴荣 2【1. 中国 矿业 大学，江 苏 徐州 221008；2. 徐州三河尖煤 矿 ，江 苏 徐州 221613】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世界难题，其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。本文以不同类型的组合煤岩试样为研究对象，利用 Disp-24 声电测试系统测定组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏过程中的声发射、 电磁辐射信号，揭示了 组合煤岩 试样冲击破坏过程中的声电效应。研究结果表明，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信号的强度之间呈正相关关系，即弱化煤岩
2、体中 顶板的强度及其整体性厚度、煤体的强度就能够降低其冲 击倾向性。以此，提出了冲击矿压强度的弱化控制机理以及治理效果的综合检验技术。并在徐州三河尖煤矿 9202 高冲击危险工作面进行了工程实践，取得了 预期的效果。关键词 采矿工程 组合煤岩 冲击破坏 效应 强度弱化-1 引 言人类的采矿活动必然造成地下岩体应力的重新分布和岩体的破裂损伤，伴随着采动效应，将会诱发矿山煤岩体的震动破坏（即矿震或冲击） 。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
3、间释放，将会导致冲击矿压；如果采动损伤效应造成煤岩体的卸压以及松散，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”阜新矿难突出与矿震冲击相关的确凿证据，该结论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，弱化和控制煤矿冲击矿压的显现强度对于冲击矿压的防治、煤与瓦斯突出（瓦斯爆炸）以及底板突水等其他煤岩动力性灾害具有极其重要的指导意义。以纯煤、顶底板岩石试样作为研究对象对冲击矿压发生的机理进行研究，无法全面地揭示冲击矿压的本质，并且没有考虑到顶板、煤体和底板三者之间的相互作用机制对煤体
4、冲击破坏效应的影响。因此，必须将对冲击矿压发生具有主导作用的煤岩体看作一个系统，全面解释组合煤岩体的冲击破坏效应及其关键影响因素。目前，对于组合煤岩试样冲击倾向性的试验研究，王淑坤 2、万志军 3、潘结男 4、曲华 5、刘波 6、 J. -A. Wang 7 和 Linkov, A.M8等人都已经开展了一些研究工作。但只是定性描述了组合煤岩试样的冲击倾向性随顶板的强度及厚度的变化情况，并没有深入研究组合煤岩试样的冲击倾向性与煤样强度、顶板强度及其整体性厚度、岩石高度所占比例之间的定量关系及其演化规律。此外，为利用电磁辐射以及微震系统监测预警冲击矿压强度，以及对卸压爆破解危的效果进行检验，需要研
5、究组合煤岩试样变形破裂，特别是冲击破坏过程中的电磁辐射与声发射效应规律。文献资料检索结果表明，对于组合煤岩试样变形破裂的电磁辐射与声发射效应规律研究甚少，只有部分学者通过声发射测试手段研究了复合岩石试样变形损伤的力学特性。刘立，邱贤德，刘新荣等 9-11通过声发射测试研究了层状复合岩石试样损伤破坏的特征，认为复合岩石的损伤扩展演变过程明显受各亚层岩石层面倾角、各亚层岩石构成与性质（强度）以及加载情况等的影响。发现各亚层岩石强度越高，则破坏时的声发射峰值越强，而波形相对较窄、集中。但上述研究没有揭示组合煤岩试样的强度以及顶板的尺寸、试样的冲击倾向性与电磁辐射、声发射信号强度之间的关系，也没有研究
6、清楚组合煤岩试样从开始加载到冲击破坏全过程中电磁辐射与声发射的效应规律。因此，本文将以大量不同组合类型的组合煤岩试样为研究对象，利用 Disp-24 声电测试系统实测组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏过程中的声电信号，揭示组合煤岩试样冲击倾向性的演变规律以及冲击破坏过程中的声电效应。以此为基础，提出冲击矿压灾害强度的弱化控制机理，并在徐州三河尖煤矿 9202 高冲击危险工作面进行工程实践。2 组合煤岩试样的冲击破坏效应2.1 冲击倾向性与煤岩力学强度参数的相关性从具有弱、中等以及强冲击倾向性煤层的 5 个矿区（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
7、-煤或顶板-煤-底板等不同组合类型的试样，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。选取济三煤矿的顶底板岩样，煤样分别取自上述 5 个矿区，加工成 5 组“顶-煤-底”高度比值相同或非常接近的组合试样，每组 3 个试件，进行单轴循环加卸载实验。试样的冲击能指数、弹性能指数与抗压强度之间的关系曲线如图 1 所示。c= 3.4008KE + 14.33R2 = 0.8324c= 6.0346WET + 5.7296R2 = 0.97860102030400 1 2 3 4 5 6冲 击 能 指 数 KE与 弹 性 能 指 数 WETc/MPa图 1 冲击能及弹
8、性能指数与抗压强度之间的关系由图可知，随着组合煤岩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试样的冲击倾向性呈正相关关系。在测定组合试样冲击倾向性指数的同时，采集了 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，测试参数为计数率 N。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，两组试样中顶板高度所占百分比均为 60%。两组试样测试的声发射计数率分布如图 2 所示。0 20 40 60 80 100 120 140 16001002003004005006007008009001
9、000数数数数数/s（a ）顶板强度为 169.7 MPa0 20 40 60 80 100 120020406080100120140160180200数数/s数数数（b）顶板强度为 65.2 MPa图 2 试样变形破裂声发射计数率分布由图可知，试样中顶板强度越高，组合煤岩试样变形破裂越猛烈，且呈脆性爆炸式破坏，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 组顶板-煤体高度比值不同的组合试样，每组 3 个试件，进行单轴循环加卸载试验。冲击能指数与顶板煤层高度比值之间的一次线性回归关系曲线如图 3 所示。y =
10、5.4085x - 3.4895R2 = 0.980601234560.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 顶 板 与 煤 样 高 度 比 值冲击能指数图 3 冲击能指数与顶煤高度比值的关系曲线由图可知，当顶板与煤层厚度比值大于 0.75 时，顶板厚度越高，冲击能指数越大，则组合试样的冲击倾向性就越强。综上，组合煤岩试样的冲击效应强度与顶板岩样的强度及其整体性厚度、煤样的强度之间呈正相关关系。2.2 组合煤岩试样冲击破坏声电效应采集的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相关关系曲线如图 4 所示。 E= 508.02c
11、+ 9034R2 = 0.86580.E+002.E+044.E+046.E+048.E+040 20 40 60 80 100 120c/MPaE/mV图 4 电磁辐射最大能量率与抗压强度的关系由图可知，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，说明煤样及顶板岩样的抗压强度越高，则组合试样变形破坏越猛烈，冲击倾向性亦越强。图 5 为古城煤矿组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏全过程的声发射信号能量率分布曲线。其中试样 a 的单轴抗压强度为 27.17MPa，试样 b 的单轴抗压强度为 33.81MPa。040801201600 50 10 150 20 250 30时 间
12、 /s能量率/mV（a）试样 a 的单轴抗压强度为 27.17 MPa015030450600 50 10 150 20 250 30 350时 间 /s能量率/mV（b）试样 b 的单轴抗压强度为 33.81 MPa图 5 试样变形破裂声发射能量率分布由图可知，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。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 a 的顶板高度比例占 69%，试样 b 占 45%，如图 6 所示。（a）顶板所占比例 69%（b）顶板所占比例 45%图 6 组合试样变形破裂的声发射效应由图可
13、知，组合煤岩试样中顶板高度越高，变形破裂的声发射信号越强，则试样的冲击倾向性亦越强。综上，组合煤岩试样变形破裂的声电信号强度与试样的冲击倾向性指数、顶板的强度及其整体性厚度、煤体的强度之间呈正相关关系。因此，弱化煤岩体中顶板的强度及其整体性厚度、煤体的强度就能够降低和控制冲击矿压的显现强度。3 冲击矿压灾害强度的弱化控制3.1 工作面生产地质条件三河尖煤矿 1988 年投产，生产能力 1.6Mt/a，现为徐州矿务集团公司的主力矿井之一。主采煤层为 7、9 煤，开采水平已达-800m 以下。随着开采深度的增加，冲击矿压危险性越来越大。自 1991 年 5 月首次在 7110 工作面材料道发生冲击
14、矿压以来，累计发生破坏性冲击矿压 25 次之多，仅在西翼坚硬顶板区域就发生冲击矿压 19 次，破坏巷道 1700m。冲击矿压已成为威胁该矿安全生产的主要灾害之一。三河尖煤矿 9202 工作面位于井田西部，其开采水平已达-850m，上覆有 7 煤 7202 工作面残留的不规则煤柱区，应力集中程度相当严重。上部的 7 煤及 9112 工作面已回采结束。7 煤的护巷煤柱距 9202 工作面轨道巷 13m，7 煤残留的煤柱处于 9202 工作面轨道巷上部，距切眼 160m。9202 工作面平面示意图如图 7 所示。图 7 9202 工作面掘进平面图3.2 工作面冲击矿压的主要影响因素通过组合煤岩试样的
15、冲击倾向性鉴定，发现 9 煤具有强冲击倾向性，且变形破坏表现为瞬间的脆性爆裂。测定的声发射信号无论是计数率还是能量率在冲击破坏之前，显现不明显，信号较弱。当冲击破坏时，信号强度达到极值，且非常集中。冲击破坏之后，信号产生突降，保持较低水平。通过纯煤试样以及组合煤岩试样冲击倾向性以及声电效应的测试，发现煤层上方砂岩顶板的抗压强度对 9 煤的冲击破坏产生显著影响。同时对不同顶板厚度比例的组合试样冲击效应的测试结果，发现组合试样中顶板越厚，则变形破裂声电信号的计数率和能量率越高，冲击倾向性则越强。另外，7202 工作面残留的不规则煤柱区对 9202 工作面产生了大范围的高应力集中。图 8 所示为 9
16、202 工作面从进入 7202 煤柱区边缘、正下方以及出 7202 煤柱区等三个阶段模拟的垂直应力。（a）进煤柱区边缘（b）煤柱区正下方（c）出煤柱区边缘图 8 工作面不同回采阶段垂直应力分布模拟结果表明，煤柱区最大应力集中系数高达 12.45，尤其在出煤柱区边缘时，最大垂直应力梯度值达到 5.15MPa/m。现场矿震监测表明，区域最大垂直应力梯度越高，矿震信号越强，冲击矿压危险性亦越高。综上，9 煤层的强冲击倾向性、砂岩顶板的强度及其厚度、残留煤柱形成的高应力集中对于 9202 工作面的冲击矿压危险性产生显著影响。3.3 工作面冲击矿压灾害强度的弱化控制根据 9202 工作面冲击效应的主要影
17、响因素，决定在过 7202 煤柱区期间，采用煤体与顶板的深孔卸压爆破弱化煤岩体的强度以及顶板的整体性厚度，使得应力高峰区向煤体的深部转移，以达到降低冲击危险性的目的。3.3.1 煤体深孔卸压爆破（1）爆破参数炮眼深度为 68m，炮眼间距为 56m ，装药量为每孔装药 1520 卷（2.253.0Kg ） 。炮眼布置在煤层内，垂直于煤壁、平行于工作面，炮眼距底板 0.61.0m。（2）施工工艺采用 MSZ1.2 型煤电钻或 QFZ-22 轻型钻机打眼。采用直径 3842mm 、长 1000mm 的麻花钻杆和直径 42mm 的麻花钻头及 MFB-200 型放炮器。3.3.2 顶板深孔卸压爆破（1）
18、爆破参数炮眼深度为 56m，炮眼间距为 2.5m，装药量为每孔需装药 2226 卷，平均为 24 卷（3.6Kg） 。表 1、表 2 为 9202 工作面采空区悬顶以及轨道巷顶板深孔卸压爆破的参数表。表 1 采空区顶板卸压爆破参数项目 参数 项目 参数位置 采空区 装药长度 4.2m，24 卷间距 2.5m 封孔长度 1.5m深度 5.70m 装药方式 正向装药角度 75 联线方式 孔内并联，孔间串联数量 60 个 爆破方式 10 孔一组爆破表 2 轨道巷顶板卸压爆破参数项目 参数 项目 参数位置 轨道巷 装药长度 4.2m，24 卷间距 2.5m 封孔长度 1.4m，黄泥封孔深度 5.70m
19、 装药方式 正向装药角度 75 联线方式 孔内并联，孔间串联数量 86 个 爆破方式 10 孔一组爆破（2）施工工艺顶板卸压爆破采用气动锚杆钻机打眼，六方钻杆直径为 28mm，每根长度为1000mm，配直径 30mm 的旋转式金刚石钻头和 MFB-200 型放炮器。顶板卸压爆破的范围： 自工作面上端头向下沿切顶线 40m 范围作为爆破区域，第一次放炮在走向方向上距切眼煤壁 12m 处，以后每隔 10m 进行一次，工作面倾斜方向每隔 2.5m 布置卸压爆破孔，卸压爆破孔与顶板夹角为 75，孔深5m ； 在轨道巷内沿巷道上帮（紧贴上帮） ，每隔 2.53m 布置一个卸压爆破孔，卸压爆破孔与巷道顶板
20、的夹角为 75，孔深5m ； 在煤柱区边缘，沿轨道巷顶板对煤柱下方的岩石，按钻孔与 9202 轨道巷顶板夹角75施工卸压爆破孔，孔间距 2.53m ，孔深5m 。3.4 冲击矿压灾害强度的弱化效果检验9202 工作面整个回采过程中，从进入 7202 区段煤柱区边缘，到完全出 7202 煤柱区域，共进行煤层与顶板深孔卸压爆破 428 次。每一次卸压爆破之后，都进行效果检验，尤其工作面在 7202 煤柱区正下方回采阶段。本文提出了基于钻屑法、电磁辐射法以及爆破孔钻孔窥视相结合的卸压爆破效果的综合检验技术。图 9（a）为 2003 年 7 月 15 日早班在工作面上出口向下 6m、11m、20m 三
21、个地点卸压爆破前检测的煤粉量曲线。早班对老塘和上出口材料道顶板进行卸压爆破，引爆 9 个孔，面上 6 个，材料道 3 个，装药 160 卷。同时对面上部 40m 范围的煤帮进行煤粉量检测和卸压爆破，共钻孔 7 个，孔深达 5.7m。7 月 16 日早班对上述地点进行煤粉量检测，结果如图 9（b）所示。0123452 3 4 5 6孔 深 /m煤粉量(Kg/m) 6m 10m 20m（a）卸压爆破前煤粉量00.511.522.532 3 4 5 6孔 深 /m煤粉量(Kg/m) 6m 1m 20m（b）卸压爆破后煤粉量图 9 卸压爆破前后监测的煤粉量曲线由图可知，顶板与煤层卸压爆破之后，监测的煤
22、粉量显著降低。尤其是工作面上出口向下 6m 处，当钻孔达到 6m 时，煤粉量从 3.8Kg 降到 1.7Kg，说明煤层与顶板卸压爆破起到了很好的卸压效果。图 10 所示为 9202 工作面回采期间于 2004 年 7 月 115 日在面上出口向外 30m 处观测的电磁辐射幅值变化曲线。期间，对工作面材料道顶板以及煤层进行了深孔卸压爆破。0120240360480600幅值/mV5月 1 5月 2 5月 3 5月 4 5月 5 5月 6 5月 7 5月 8 5月 9 5月 10 5月 11 5月 12 5月 13 5月 14 5月 15图 10 面上出口向外 30m 处卸压爆破前后电磁辐射幅值由
23、图可知，当监测到电磁辐射幅值有剧烈波动时，就采用顶板与煤层深孔卸压爆破的手段，释放积聚在顶板与煤层中的大量弹性能，每次卸压爆破后，电磁辐射幅值均产生突降，说明煤岩体中的应力集中得到降低，冲击危险性减弱。图 11 为距爆破孔 2.5m 的位置，位于 9202 工作面材料道的检验钻孔中（3m 、4.4m）处的裂隙分布情况。检测结果表明，在与爆破孔相邻的钻孔内，纵向裂缝很多，约有 45条。3000mm4400mm图 11 与爆破钻孔相邻孔中的裂隙分布通过相邻钻孔中的裂隙分布，可知深孔卸压爆破破坏了坚硬顶板的致密性和完整性，弱化了坚硬顶板的强度，缩短了其垮落步距，降低了顶板垮落时释放的冲能，使得诱发冲
24、击矿压的危险性和强度明显减弱。4 结 论通过大量不同组合类型的组合煤岩试样冲击倾向性以及声电效应的测试研究，发现组合煤岩试样的冲击倾向性、声电信号的强度与顶板的强度及其整体性厚度、煤体的强度之间呈正相关关系，以此，提出了煤矿冲击矿压灾害强度的弱化控制机理，并在徐州三河尖煤矿 9202 高冲击危险工作面进行了工程实践，并取得了预期的效果。目前，该机理及其技术已在我国 10 多个具有冲击危险的矿区进行了推广应用，取得了较为明显的经济效益和社会效益。参考文献1李世愚，和雪松，张少泉，等. 矿山地震监测技术的进展及最新成果 J. 地球物理学进展，2004，19(4)：853859.2王淑坤，张万斌煤层
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