坚硬煤岩组合条件下冲击矿压发生机理.pdf

第 1 1卷 第 4期 总第 7 1期 2 0 0 6年 8月 煤 矿 开 采 Co M Mi ni n g Te c h no l o g y V o 1 ． 1 1 N o ． 4 S e ri e s N o ． 7 1 Au g us t 20 0 6 坚硬煤岩组合条件下冲击矿 压发生机 理 吴兴荣 ，窦林名 1 ．徐州矿务集团三河尖矿 ，江苏 沛县 2 2 1 6 1 3 ；2 ．中国矿业大学 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 [ 摘要] 顶板岩层结构中的厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一，而目前作为 煤层冲击倾 向鉴定 的主要依据是煤层 自身 的冲击倾 向的实验室鉴定结果，这 一结果 与实际现场有 的反 差较大 。三河尖矿采用主采煤层组合煤岩进行 了冲击倾 向性试验，为三河尖煤 矿高冲 击危险 区工作 面 冲 击矿压监测及 治理提供 了基础参数。 [ 关键词] 坚硬顶板；冲击矿压；冲击倾向；防治 [ 中图分类号]T D 3 2 4 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 6 0 4 - 0 0 7 0 - 0 3 M e c ha ni s m o f Ro c k Bu r s t un de r t h e Co mbi n e d Co n d i t i O I l S of Ha r d Co a l a n d Ha r d Ro c k W U Xi n g ． r o n g ．DOU L i n． mi n g 2 1 ． S a n h e j i a n C o l l i e r y ， X u z h o u Mi n i n g G r o u p ，P e i x i a n 2 2 1 6 1 3 ，C h i n a ； 2 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i c k s a n d s t o n e r o o f i n t l l e r o o f s t r a t a c o n s t r u c t i o n i s o n e o f t h e ma i n i n fl u e n c e f a c t o r s o f r o c k b u r s t ．T h e ma i n i d e n t i f y i n g b a s e of t h e t e n d e n c y o f r ock b u rst i s f r o m l a b o r a t o r y r e s u l t a n d t h e r e s u l t i s d i ff e r e n t f r o m f a c t w i d e l y ．Co mb i n e d c o a l a n d r ock f r o m m a i n mi n i n g c o a l s e a m i n S a n h i an C o l l i e ry i s u s e d t o t e s t the t e n d e n c y o f r ock b u rs t and t h e r e s ult s p r o v i d e b a s i c p a r a m e t e rs f o r t l l e r ock b u rs t m o n i t o ri n g a n d p r e v e n t i o n and c o n t rol i n mi n i n g f a c e wit h h iIg h t e n d e n c y o f r ock b u rst i n S a n h e j i a n C o l l i e ry． Ke y wor d s h a r d r o o f ； r oc k b urst ；t e n d en c y o f r oc k bu rst ； p r e v e n t i o n a n d c o n t rol 三河尖矿 自1 9 9 1年 5月首次在 7 l l 0材料道发 生冲击矿压后 ，累计 发生 破坏性 冲击矿压 2 5次 ， 仅在西翼坚硬顶板区域发生冲击矿压 1 8次，尤其 是 7煤中的 7 2 0 4 ． 3工作 面仅推进 1 2 5 i n ，就先后发 生 5次冲击矿压事故。此后 ，于 1 9 9 8年 1 2月 6日 发生的冲击矿压事故 ，破坏范围达 5 0 0 i n ，迫使工 作面停采。在恢复生产过程中，通过采取综合防治 措施 ，先后诱发过 3 8次冲击矿压 ，因此 7煤当属 强冲击煤层，但在实验室测定 结果却为弱 冲击煤 层 。为了研究清楚坚硬顶板诱发冲击矿压机理 ，进 行 了组合煤岩冲击倾向性测试与分析。 1 试验方案 在西二采区和南翼区域选取具有代表性的顶底 板岩样和煤样，由北京开采所与中国矿业大学分别 加工成标准的组合煤 岩试样 ，顶板． 煤体． 底板组合 试样的尺寸为 c b 5 O mm X l O O m m，加工成 1 0组不同 煤岩 比例的组合煤岩试样，进行单轴压缩循环加卸 载抗压试验。测试 内容如下 1 测定组合煤岩试样变形 破裂 ，特别是 发 生 冲击破坏时的力学特性参数，如轴向应力 、轴 向 应变 、环向应变以及单轴抗压强度等。同时测定组 合煤岩试样的冲击倾向性指标参数 ，如动态破坏时 间 、弹性能量指数 冲击能量指数 等。 2 测定组合煤岩试样变形 破裂，特别是发 生冲击破坏前兆的电磁辐射规律 ，尤其是发生冲击 时的电磁辐射脉冲数与能量率。 2 试验结果及分析 2 ． 1 冲击倾 向性指标测定 煤层发生冲击矿压 ，与其特殊 的物理力学性质 有关 ，即煤的冲击倾向性 。它是煤 的固有属性 ，也 是产生冲击矿压的内在因素。 我国 冲击矿压煤层安全开采暂行规定 ，根 据 D ， 和 值的大小 ，将煤层的冲击倾 向性 分为 3类 强烈 冲击 、弱冲击 和无冲击 。该 矿 7 ， 9层煤经实验室测定的冲击倾向指标参见表 1 。 表 1 7 ，9煤层冲击倾 向性各项指数测定结果 为了研究清楚坚硬顶板诱发冲击矿压机理 ，该 [ 收稿 日期]2 0 0 6 0 l 一2 0 [ 作者简介]昊兴荣 1 9 6 3一 。男。江苏涟水人。高级工程师。长期从事采矿工艺及冲击矿压的现场研究工作。 现任三河尖矿总工程师。 7 0 维普资讯 吴兴荣等 坚硬煤岩组合条件下冲击矿压发生机 理 2 0 0 6年第 4期 矿在 7 ，9煤层中选取 相应 的煤岩样进行 了冲击倾 向性测试，其测试结果见表 2 。 表 2 7 。9组合煤岩冲击倾 向性各项指数测定结果 由表 1 ，表 2对 比表明 三河尖矿主采煤层组 合试件比纯煤试件均有不同程度上升 ，尤其是 7煤 的组合试件较纯煤试件的变化极为明显 ，7煤 的组 合试件测试结果说明了 7煤顶板作用的结果。 2 ． 2 冲击倾 向性指标与煤岩结构效应之 间的关系 为 了搞清坚硬顶板对煤层发生 冲击 的影响机 理 ，因此需要研究 “ 坚硬顶板一 煤层一 底板” 组合煤 岩结构的冲击倾向指标与顶板结构效应之间的相互 关系及其变化规律 。 2 ． 2 ． 1 冲击能指数与顶煤高度 比值关 系 图 I所示为冲击能指数与组合煤岩试样中顶煤 高度比值 顶板与煤样高度之 比之间的关 系曲 线 ，从中可 以看出组合煤岩试样的冲击能指数随着 顶、煤高度比值的增加呈现先逐渐减小 、后逐渐增 加的趋势。当顶 、煤高度 比值约为 0 ． 6时 ，冲击能 指数达到最小值。 图 1 冲击能指数一 顶 、煤高度 比值 曲线 2 ． 2 ． 2冲击能指数与煤样 百分比关系 图2所示为冲击能指数与组合煤岩试样中煤样 百分比之间的关系曲线 ，从中可以看出组合煤岩试 样的冲击能指数随着煤样百分比的增加呈现先逐渐 减小 、后逐渐增加 的趋 势。当煤 样百分 比大 约为 4 5 ％时 ，冲击能指数达到最小值。 薹 6 冀 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 煤样 百 分比％ 图 2 冲击能指数一 煤样百分 比 曲线 2 ． 2 ． 3 弹性模 量与煤 样 百分 比关 系 图 3为组合煤岩试样的弹性模量与煤样百分比 之间的关系曲线 ，可以看 出组合煤岩试样的弹性模 量随着煤样百分比的增加而呈现逐渐减小 的趋势。 5 xx r 4 0 0 0 } 3 I I 】} ＼ 2 0 O 0 L ’ 1 0 0 0 } 0L L L 上 一 0．2 5 3 0． 3 5 - 4 0 ． 4 5 5 0 ． 5 5 煤样百分比％ 图 3 弹性模量一 煤 样百分比 曲线 2 ． 2 ． 4弹性能指数与煤样百分比曲线 图4所示为组合煤岩试样弹性能指数与煤样百 分 比之间的关系曲线 ，从中可以看出组合煤岩试样 的弹性能指数随着煤样百分 比的增加而呈逐渐增加 的趋势。 2 ． 0 r 『 ．．一一一 1 2 J 一 0 ．8} 0 ．4} 0 ． 0 c - - - - - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ‘ 。 。 ‘ - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ‘ 。 ‘ ‘ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ‘ ’ ’ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 2 5 3 0 3 5 40 4 5 5 0 5 5 煤样百分比％ 图4弹性能指数与煤样 百分比 曲线 2 ． 2 ． 5 组 合煤 岩试样 变形特 性 图5所示为组合煤 岩试样加载过程 的应力一 应 变全过程 曲线 ，图中曲线①是煤岩 比为 0 ． 3 0 7 2的 组合试样；曲线②是煤岩比为0 ． 4 7 3 0的组合试样； 曲线③是纯煤试样。从试验结果可知，曲线①和曲 线②两种模型峰前斜率比纯煤模型③的斜率大，这 说 明煤岩组合试样的弹性模量 比纯煤的高 ，经计算 统计，试样①为4 4 6 1 M P a ，试样②为 3 0 5 2 M P a ，试 样③为 1 1 1 9 M P a ；曲线①和曲线②两种模型强度极 限远高于纯煤模型③，说明煤岩体组合试样单轴抗 压强度比纯煤试样要高；曲线①和曲线②两种模型 峰后斜率比纯煤模型③的斜率大，说明煤岩组合试 样比纯煤试样破坏猛烈；曲线①比曲线②峰前、峰 后斜率大 ，说 明模 型中岩样越高，弹性模量越大 ， 破坏越猛烈；曲线①比曲线②强度极限高，说明模 型中岩样越高 ，试样单轴抗压强度越大。 舯 霎 0 0 ．0 0 4 0 ．0 0 8 0 ．0 1 2 0 ．0 1 6 应变 图5 组合煤岩模 型应力一 应 变全程 曲线 2 ． 3 电磁辐射指标与顶板结构效应之 间的关系 2 ． 3 ． 1 组合煤岩结构变形破裂电磁辐射 总体规律 理论研究和实验证实煤岩变形破裂过程中会产 生宽频带的电磁辐射信号 ，因此研究 “ 坚硬顶板一 煤体一 底板”所构成 的组合煤岩结构变形破裂，特 71 日 粤～ 霎豪 维普资讯 总第7 l 期 煤矿 开采 2 0 0 6年第4期 别是发生冲击破坏前兆的电磁辐射特性及其规律对 于预测预报冲击矿压具有重要的实践意义 。图6分 别表示组合煤岩结构在载荷作用下变形破坏的载荷 P与时间 t曲线 、电磁辐射 强度 E不 同时间分布 图。 5 0 6 0 曩 辐 0 ■ ■ 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0 3 6 O s b a 载荷 P与时间 t 曲线 ； b 电磁辐射强度 E分布 图 6 测试结果 试验研究结果表明 1 组合煤岩结构在载荷作用下 ，产生变形 、 冲击破坏时 ，有 电磁辐射信号产生。 2 在组合煤岩结构受载变形破裂过程的峰 前阶段 ，电磁辐射强度基本上 随着 载荷增大而增 强 ，随着加载及变形速率 的增加而增强。 3 组合煤岩结 构在 发生 冲击性 破坏 以前 ， 电磁辐射强度增幅与载荷增幅呈正相关关系 ，而在 冲击破坏前兆 ，电磁辐射强度 突然增加 至最大值 ； 冲击破坏后 ，电磁辐射强度又突降为正常值 。 2 ． 3 ． 2不同顶板 百分比组合煤岩结构 变形破 裂电 磁 辐射规 律 试验测试了 2组不同顶板百分比的组合煤岩结 构在加载过程的电磁辐射规律 ，测试参数为脉冲数 Ⅳ与能量率 E 。两组试样 的顶板所 占百分 比 分别为 5 8 ． 8 0 ％ ，4 6 ． 8 7 ％ ，均大于4 5 ％。图 7 、图 8分别为两组试样测试电磁辐射 的脉冲数与强度的 分布图。 从 图7、图 8可以看 出，电磁辐射脉冲数 随着 顶板百分 比的增加而呈现逐渐增加的趋势 ；电磁辐 射能量率是反映煤岩变形破 裂的强烈程度 即反 映煤岩试样 的冲击倾向性 ，随着顶板百分比的增 加 ，亦呈逐渐增加的趋势。综上可知，随着顶板所 占百分比的逐渐增加 ，组合煤岩体的冲击倾 向性逐 7 2 姜 * 删 拦 1 50 1 0 0 籁 蒸5 0 0 J 图7 组合煤岩试样 电磁辐射脉冲数与能量率分布 顶板所 占百分 比为 5 8 ． 8 0 ％ 暑 静 由l 麓 2 1 ． 8 1 ‘ 6 1 -4 1 2 1 昭 ％ 02 0 0 5 0 1 Q 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 ∞ s 图8 组合煤岩试样电磁辐射脉冲数与能量率分布 顶板所 占百分 比为 4 6 ． 8 7 ％ 渐增强 。这与前面所测试的冲击倾 向性指标参数与 顶板百分比的关系是完全一致 的。 4结论 ． 三河尖矿对组合煤岩进行了冲击倾向鉴定，同 时还对其变形破裂所产生的电磁辐射进行 了测定 ． 最终试验得到如下结论 1 三河尖矿组合煤 岩试样综合 属于强冲击 危险倾向，说明了近年来该矿 7煤 中所开采工作面 之所 以频繁发生冲击矿压的原 因。 2 组合煤 岩试样 的冲击 能指 数 随着顶 、煤 高度比值的增加呈现先逐渐减小、后逐渐增加的趋 势。即组合煤岩试样 中顶板岩样越厚，则 冲击倾向 下转9 9页 柏 如 ；q 加 m 5 0 乏妪是鸶 维普资讯 乔木应用统计学方法分析计算用户满意度 2 0 0 6年第4期 f l 1 3 ／ 1 6 0 ． 8 1 2 5 1 ／1 60． 0 62 5 0／1 60 2 ／1 60．1 2 5 f 4 ． 1 8 7 5 X 0 ． 8 1 2 5 3 ． 6 8 7 5 X 0 ． 0 6 2 5 4 ． 4 3 7 5 X0 ． 1 2 5 ／ 14 ． 1 8 7 5 c 计算权重系数 A l fl ／ X 4 ． 1 8 7 5 X 0 ． 8 1 2 5 ／ 4 ． 1 8 7 5 0． 81 2 5 A2 ／ X 3． 68 75 X0． 0 62 5 ／4．1 8 7 5 0 ． 0 5 5 A3X ／ X 3． 25 XO ／ 4 ．1 8 7 5 0 A4 ／ X 4． 43 7 5 X0． 1 2 5 ／4．1 8 7 5 0．1 3 2 5 d 测评指标的用户满意度值 Sl6 7 ／8 0 0 ． 8 3 7 5 8 3． 7 5％ S 25 9 ／8 0 0 ． 7 3 7 5 7 3． 7 5％ S 35 2 ／8 0 0． 6 5 6 5％ 71 ／8 0 0． 8 8 7 5 8 8． 7 5％ e 用户对 产品 的设 计质量 、图纸 报告 交付时间、技术支持、业务人员素质的满意度及4 项测评指标对整个用户的满意度影响的权重系数见 表 5 。 表 5 权重系数与满意度值 f 用户的总体满意度值为 S A l S l A 2 S 2 A 3 S 3 A 4 X 1 0 0 ％ 0． 81 2 5 8 3 ． 7 5％ 0 ． 0 5 5 X 7 3． 7 5％0 X 6 5％ 0 ．1 3 2 5 8 8 ． 7 5％ 8 3． 8 7 ％ 上接 6 7页 通过质量管理中的西格玛水平换算表 ，在用户 满意度 达 到 8 3 ． 8 7 ％ 时 ，每 百 万 机 会 的 缺 陷 数 O P i O 1 6 8 3 0 0，西格玛水平为 2 ． 4 8 。 1 ． 4改进控制 综上所述可以看出，公司现有的西格玛水平只 有 2 ． 4 8 ，离现代很多知名大企业质量管理所追求 的 6西格玛水 平相距 甚远。而在这 4项测评项 目 中，用户对图纸 报 告 的设计 质量和业务人员 的素质的满意度较高，相 比之下，用户对技术支持 和图纸 报告交付时间的满意度较低。因此， 本公司在技术支持方面 ，应加强对业务人员的业务 培训，其次是缩短图纸 报告交付的时间，使 用户达到完全满意 。 2结论 满足用户的实际需求和期望是一个连续积累的 过程，随着用户的实际需求和期望不断的被满足 ， 用户满意程度会越高，其接受企业产品或服务 的可 能性也会越大，就越有可能变为企业的长久用户并 给企业带来长久的利益。因此 ，针对用户的需求和 期望，一切以用户满意为出发点，通过建立实施质 量管理体 系并持续不断地改进体系、过程和产品质 量 ，把企业的行为、理念和产 品有机地融 为一体 ， 在用户心 目中树立 良好的经营形象 ，以真挚诚实的 态度、适宜的产品价格 、用户期望的产品质量取信 于每一个用户。和用户建立长久的互惠互利和相互 信任的合作关系 ，形成支持企业发展的内部事业群 体和用户群体 ，这样才能体现 以用户为关 注焦点 、 增强用户满意的内涵 ，企业才能长久生存和发展。 [ 责任编辑邹正立 】 [ 参考文献1 [ 1 ]何满潮，袁 和生 ，靖洪文 ，等 ．中国煤矿 锚杆支 护理论 与实 践 [ M]．北 京科学出版社 ，2 0 0 4 ． [ 2 ]谢和 平，陈 忠 辉 ．岩 石 力 学 [ M]．北 京 科 学 出 版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ]孙训方 ，方孝淑 ，关来泰 ．材料力学 第 四版 [ M]．北京 高等教育出版社 ，2 0 0 2 ． [ 4 ]樊克恭 ，翟德元 ．巷道 围岩弱结构破坏失稳 分析与非均称控制 机理 [ M]．北京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 4 ． [ 责任编辑 邹正立 ] 上接 7 2页 性越强，说明顶板岩样对煤层 的冲击倾 向具有显著 影响 ，揭示不同采高冲击矿压发生不一致 的原因。 3 组合煤岩试样 中顶板 岩样增 加，变形破 裂产生的电磁辐射脉冲数与能量率亦逐渐增加 。进 一 步说明电磁辐射预测技术在现场运用的可靠性。 [ 参 考文献 】 [ 1 ]钱鸣高 ， 刘听成 ．矿 山压力及其控制 [ M]．徐州 中国矿业 大学出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ]窦林名 ，何学秋 ．冲击矿压防治理论与技术 [ M]．徐州 中 国矿 业大学 出版社 ．2 0 0 1 ． [ 3 ]吴兴荣 ， 郭海泉，黄修黄，等．坚硬顶板冲击矿压的预测与 防治 [ J ] ．矿 山压力与顶板管理 ，1 9 9 4 3～4 2 1 1 - 2 1 4 ． [ 4 ]窦林名 ，何学秋，王恩元 ．电磁 辐射监 测冲击 矿压灾 害危险 [ J ]．煤矿开采 ，2 O O 4 ，9 1 1 - 3 ，6 【 责任■辑 毛德兵 】 9 9 维普资讯