组合煤岩冲击倾向性特性试验研究.pdf

第 2 3 卷 第 1 期 2 0 0 6年 3月 J o u r n a l 采矿与安全工程学报 o f Mi n i n g S a f e t y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 2 3 No ． 1 M a r ．2 00 6 文 章 编 号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 6 0 1 0 0 4 3 0 4 组合煤岩冲击倾向性特性试验研究 窦林名， 陆菜平， 牟宗龙， 张小涛， 李志华 中国矿业大学 矿山开采与安全教育部重点实验室，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要煤层的冲击矿压危险性与煤岩体的结构特征关系非常密切． 研究顶板一 煤体一 底板所构成的 组合煤岩体试样变形破裂规律及冲击倾向性对于预测冲击矿压具有非常重要 的实践意义． 通过 对组合煤岩的试验研究， 得到组合煤岩试样 中顶板强度越 大， 强度越 强； 组合煤岩试样的弹性模 量 随着煤样百分 比的增加而减小． 组合煤岩试样的冲击能指数随着顶板与煤样高度 比值的增加 而增加 ； 冲击能指数随着煤样百分比的增加 而降低； 弹性能指数随着煤样百分比的增加而呈现增 加 的趋势． 组合煤岩试样 中顶板岩样厚度越厚， 冲击倾向性相应就越强； 组合煤岩试样 中煤层厚 度越 大 ， 则其 弹性 能 指数 就越 大． 关键词冲击矿压 f 组合煤岩样 ；冲击倾 向性；冲击能指数；弹性能指数 中 图分 类号 TD 3 2 4 文献标 识码 A Ro c k Bu r s t Te n d e n c y o f Co a l - Ro c k Co mb i n a t i o n s S a mp l e DOU Li n - mi n g ，LU C a i p i n g，MU Z o n g - l o n g，Z HANG Xi a o t a o，LI Z h i h u a Ke y L a b o r a t o r y o f Mi n i n g S a f e t y o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y 。 Xu z h o u。J i a n g s u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a c t Th e c o a l r o c k b u r s t i s c l o s e l y r e l a t e d wi t h t h e s t r u c t u r e o f c o a l r o c k s t r a t a ．i t i s n e c e s s a r y t o r e s e a r c h i n t o t h e b u r s t f a i l u r e a n d r o c k b u r s t t e n d e n c y o f c o mb i n e d s a mp l e wh i c h i s ma d e u p o f r o o f ，c o a l a n d f l o o r ． Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e l a r g e r t h e r o o f s t r e n g t h i s ，t h e s t r o n g e r t h e s a mp l e i s ．W i t h t h e i n c r e a s e o f t h e c o a l p e r c e n t a g e ，i t s e l a s t i c mo d u l u s d e c r e a s e s ．Th e i n d e x o f b u r s t e n e r g y o f t h e c o mb i n e d s a mp l e i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f h e i g h t r a t i o o f r o o f t o c o a l a n d i t d e c r e a s e s wh i l e t h e r a t i o n o f c o a l a n d o v e r a l l s a mp l e i n c r e a s e s ．I t s e l a s t i c e n e r g y i n d e x i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f p e r c e n t a g e o f c o a 1 ．Th e t h i c k e r t h e c o mb i n e d s a mp l e i s ，t h e s t r o n g e r t h e r o c k b u r s t t e n d e n c y i s ． Me a n wh i l e t h e t h i c k e r t h e c o a l i n t h e c o mb i n e d s a mp l e i s ，t h e g r e a t e r t h e e l a s t i c e n e r g y i n d e x i s ． Ke y wo r d s r o c k b u r s t ；c o a l - r o c k c o mb i n a t i o n s s a mp l e ；r o c k b u r s t t e n d e n c yb u r s t e n e r g y i n d e x；e l a s t i c e n e r g y i n d e x 冲击矿压是一种较为典型的矿山煤岩动力灾 害现象 ， 主要 表现为煤岩体 中所积 聚的弹性能 突 然、 剧烈的释放 ， 其发生 的突然性 和剧烈的破坏特 征对矿山安全构成很大的威胁． 特别是随着煤矿开 采深度 的增加 ， 冲击 矿压问题越来越 突出[ 川． 我 国 的徐州 、 大同、 抚顺 、 北京等矿务局都面临冲击矿压 的威胁 问题 ． 目前 ， 反映煤岩冲击特性的主要指标是煤 的冲 击倾向性， 其中包括通过试验确定的冲击能指数、 弹 性能指数和动态破坏时间． 这里没有考虑煤系地层 收疆 日期 2 0 0 6一 O 1 1 5 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 0 4 7 4 0 6 8 ． 5 0 4 9 0 2 7 3 ， 5 0 0 7 4 0 3 0 } 国家重点基础研究 “ 9 7 3 ” 项 目 2 0 0 5 CB 2 2 1 5 0 4 } 教育部博 士点基 金项 目 2 0 0 3 0 2 9 0 0 1 7 作者简介 窦林名 1 9 6 3 一 ， 男。 青海省平安县人 ， 教授 ， 博士生导师， 博士 ， 从事矿山压力 ， 冲击矿压、 采矿地球物理等方面的研究． E - n l l z l md o u 1 2 6 ． 1 2 0 11 1 T e l l 0 5 1 8 8 3 9 9 5 9 0 4 维普资讯 4 4 采矿与安全工程学 报 第 2 3卷 和煤岩体结构对 冲击倾向性的影响． 而研究表明， 煤 岩层的结构 ， 特别是煤层上方坚硬 、 厚层砂岩顶板是 影响冲击矿压发生的主要 因素之一， 其 主要原因是 坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量弹性能． 在坚硬顶 板破断或滑移失稳过程中， 大量的弹性能突然释放， 形成强烈震动， 导致顶板煤层型 冲击压力型 冲击 矿压或顶板型 冲击型 冲击矿压[ 1 1 1 J ． 因此， 研究坚 硬顶板一 煤体一 底板所构成的组合煤岩体试样变形破 裂规律及 冲击倾 向性对 于预测 预报 煤 岩动力 灾 害 冲击矿压具有非常重要的实践意义． 为了进一步研究清楚坚硬顶板对冲击的影 响 机制 ， 本文进行了不同厚度与强度的顶板组合煤岩 试样冲击破坏实验． 1 组 合煤岩试 样及加载设备 从三河尖、 古城 、 济三及平顶山矿区选取煤 岩 样 ， 通过钻岩 芯的方法把煤岩样加工成 直径为 5 O mm 的标准试样． 将 顶板 岩样 、 煤 样以及 底板岩样 均接不同比例用强力胶水将煤岩样组合成高度 为 1 0 0 mm的标准试样 ， 见图 1 a所示． 其 中三河尖煤 矿顶板岩样为坚硬 中砂岩 ， 底板岩样为粉细砂岩 ， 煤样单轴抗压强度 1 5 MP a ； 古城煤矿顶底板岩样 均为中粗砂岩 ， 煤样单轴抗压强度为 2 1 ． 0 MP a ； 济 三煤矿顶底板岩样均为中砂岩， 煤样单向抗压强度 为 1 5 ． 0 7 MP a ； 平 顶 山煤矿顶 底板 岩样均 为粉 砂 岩， 煤样单轴抗压强度 6 ． 4 3 MP a ． 试验将通过组合 煤岩试样的单轴循环加卸载抗压试验 ， 测定其变形 破裂过程 中的应力一 应 变曲线 ， 求得其基本力学参 数和动态破坏时间 D ， 弹性能量指数 ， 冲击能 量指数 K ， 从而研究岩层结构对冲击矿压的影响． 加载装置采用高精度能控制加载速度及调节油压 的 MT S 8 1 5 伺 服 材料实 验 机． a 破坏前 日 日 b 破坏后 图 1 组合煤岩样形态 F i g ． 1 Th e s h a p e s o f c o a l r o c k c o mb i n a t i o n s 2 组合煤岩样的试验结果 2 ． 1 组合煤岩样的破坏形态 对于强 冲击危险的煤岩样来说 ， 在组合煤岩试 件单向加载受压 的条件下， 破坏主要是发生在煤样 部分． 破坏的形式是煤样部分脆性破坏 ， 而岩样部 分基本上没有破坏 ， 或者破坏成几个大块 ， 见图 1 b 所 示． 2 ． 2组合煤岩的应力应变特征 图 2为组合煤岩加载过程的应力一 应变全程曲 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的斜率陡， 这就说明煤 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 MP a ， 试样 2为 3 0 5 2 MP a ， 试样 3 为 1 1 1 9 MP a 。 曲线 1和 2两种模型强度极限远远 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 2两种模型峰后斜率 比纯煤模型 3的斜率陡 ， 说明煤 岩组合试样 比纯煤 试样破坏猛烈． 曲线 1比 2峰前、 峰后斜率陡， 说明 了模型中顶板岩样越高 ， 弹性模量越高 ， 煤破坏的 越猛烈， 冲击倾向性就越强． 曲线 1比 2 强度极限 高 ， 说明了模 型中顶板岩样越 高， 试样单轴抗压强 度越 高． 图 2 组合煤岩样 的应力应变 曲线 F i g ． 2 S t r e s s - s t r a i n c u r v e s 0 f c o mp o s i t i o n c o a b mc k s a mp l e s 2 ． 3 组合煤岩的单轴抗压强度与煤岩比例之间的 关系 图 3为组合煤岩试样 中煤岩高度 比值 c与单 轴 抗压 强度 之间的关 系曲线． 令f M／ h ， 其 中 董 4 0 3 2 2 4 1 6 8 0 O 图 3 单轴抗压 强度一 煤岩高度 比值关系 曲线 Fi g ． 3 Th e r e l a t i o n c u r v e b e t we e n a x i a l s t r e s s a n d t h e r a t i o n o f c o a l a n d r o c k 謦曩 囊 ． 维普资讯 第 1 期 窦林名等组合煤岩冲击倾向性特性试验研究 4 5 h 为组合煤岩试样 中顶底板 岩样 的高度之和 ； M 为组合煤岩试样 中煤样的高度． 这说 明组合煤岩试 样中顶板强度越大， 则组合煤岩的强度也就越强． 2 ． 4 组 合煤 岩的 弹性 模量 与煤样 百 分 比的关 系 图4所示为组合煤岩试样的弹性模量 E与煤样 百分比b 之间的关系曲线． 令b M／ Hz ， 其中Hz 为组 合煤岩试样高度． 由此可见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． b 图 4 弹性模 量一 煤样百分 比曲线 F i g ． 4 Th e r e l a t i o n c u r v e b e t we e n e l a s t i c i t y mo d u l u s a n d t h e p e r c e n t a g e o f c o a l 3 组合煤岩样的冲击倾 向性分 析 3 ． 1 组合煤岩样冲击倾向性要高于纯煤试样 表 1为组合煤岩试样与其纯煤试样的冲击能 指数 K 的对比分析 ， 其中三河尖矿纯煤试样的冲 击能指数以 9 l 1 2工作面 9 煤试样测定结果为准 ， 即纯煤试样的冲击能指数 K 一2 ． 3 ； 济三矿纯煤试 样的冲击能指数以 6 3 0 3工作面煤试样测定结果为 准 ， 即纯煤试样的冲击能指数 K 2 ． 6 7 ． 从表中可 以发现组合煤岩试样 明显 比纯煤试样 的冲击能量 指数要 大， 三河 尖矿平 均大 2 7 ， 济 三矿平均 大 4 4 ％． 由此说明， 由顶板与煤组成的组合煤岩试样的 冲击倾 向性要高于纯煤试样， 说明坚硬顶板对煤层 的冲击倾 向具有显著影响． 表 1 组合煤岩试样 与纯煤试样 冲击 能指数 KE 值的对比分析 T a b ． 1 Th e c o n t r a s t l v e a n a l y s i s t o o u t b u r s t e n e r g y i n d e x KE b e t we e n c o n F r o c k c o mb i n a t i o n s a n d p u r e c o a l s a mp l e s 组合 3 ． 5 0 3 ． 1 0 2 ． 0 0 3 ． 0 0 1 ． 5 0 1 ． 8 0 2 ． 8 0 8 ． 4 5 9 ． 2 6 3 ． 0 0 组合／ 纯煤 1 ． 3 1 1 ． 1 6 0 ． 7 5 1 ． 1 2 0 ． 5 6 0 ． 6 8 1 ． 0 5 3 ． 1 7 3 ． 4 7 1 ． 1 2 3 ． 2 顶 板 厚度与 冲击 倾 向性之 间的 关 系 图 5为冲击能指数 K 与组合煤岩试 样 中顶 板煤样高度 比值 n之间的关系曲线． 令 n h d ／ M， 其 中h a为组合煤岩试样 中顶板岩样的高度． 从图 中可以看 出组合煤岩 试样 的冲击能指数随着顶板 与煤样高度 比值的增加呈现逐渐增加的趋势． 由此 说明， 组合煤岩试样 中顶板岩样厚度越厚， 则其冲 击倾 向性相应就越强． 图 5 冲击能指数与顶煤高度比值之间的曲线 Fi g ． 5 Th e r e l a t i o n c u r v e b e t we e n o u t b u r s t e n e r g y i n d e x a n d t h e r a t i o n o f r o o f a n d c o a l 3 ． 3 组合煤岩的冲击能指数与煤样百分比之间的 关 系 图 6所示为冲击能指数 K 与组合煤 岩试样 中煤样百分 比 b之间的关系曲线． 由此可知， 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． 但在实际现场 ， 煤样所 占百分 比值均小于 0 ． 4 5 ， 故组合煤 岩试样 的冲击能指数随着煤样百分 比的增加呈现逐渐 降 低的趋势． 当煤样百分 比值 b 大约为 0 ． 4 5时 ， 冲击 能指数达到最小值． 图 6冲击能指数 一 煤样 百分比曲线 Fi g ． 6 Th e r e l a t i o n c u r v e b e t we e n o u t b u r s t e n e r g y i n d e x a n d t h e p e r c e n t a g e o f c o a l 3 ． 4 组合煤岩中煤厚与弹性能指数之间的关系 图 7 所示为组合煤岩试样弹性能指数 w 与 煤样百分比 b之间的关系曲线． 由此说明， 组合煤 岩试样 的弹性能指数随着煤样百分 比的增加而呈 现逐渐增加的趋势． 这就说明组合煤岩试样中煤层 厚度越大 ， 则其弹性能指数就越大． 维普资讯 4 6 采矿与安全工程学报 第 2 3卷 图 7 弹性能指数一 煤样百分比曲线 F i g ． 7 Th e r e l a t i o n c u r v e b e t we e n e l a s t i c e n e r g y i n d e x a n d t h e p e r c e n t a g e o f c o a l 4 结 论 煤系地层和煤 岩体结构对冲击倾 向性有显著 的影响 ， 研究顶板一 煤体一 底板所构成 的组合煤岩体 试样变形破裂规律 及冲击倾向性对于预测 冲击矿 压具有非常重要的实践意义． 通过对组合煤岩的试 验研 究 ， 可 以得 出如下 主要结 论 1 组合煤岩试样中顶板强度越大 ， 强度越强 ； 组合煤岩试样的弹性模量随着煤样百分 比的增加 而逐渐减小． 2 组合煤岩试样的冲击能指数随着顶板 与煤 样高度比值的增加呈现逐渐增加的趋势． 组合煤岩 试样中顶板岩样厚度 越厚 ， 冲击倾 向性相 应就越 强 ； 组合煤岩试样的冲击能指数随着煤样百分 比的 增加呈现逐渐降低 的趋势} 组合煤岩试样的弹性能 指数随著煤样百分 比的增加而呈现逐渐增加 的趋 势 ； 组合煤岩试样中煤层厚度越 大， 则其 弹性 能指 数就越大． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 王淑坤 。 张万斌 ． 复 合模 型力学性 质试验 研究 r J ] ． 矿 山压力与顶板管理 ， 1 9 9 4 ， 1 1 1 5 1 5 4 ． WANG S h u k u n，ZHANG W a n b i n ．Re s e a r c h o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t y t e s t o f c o mp o s i t e mo d e l [ J ] ． Gr o u n d P r e s s u r e a n d S t r a t a Co n t r o l ，1 9 9 4， 1 1 1 5 1 5 4． 曲华， 蒋金泉， 董建军． 煤岩复合模型冲击倾向的数 值试验研究[ J ] ． 矿山压力与顶板管理， 2 0 0 4 ， 2 1 4 9 3 9 5 ． Q u Hu a ， J 1 A NG J i n - q u a n ， D 0NG J i a n - j a n ．Nu me r i c a l e x p e r i me n t a t i o n s t u d y o f i mp a c t t r e n d o f c o a l a n d r o c k c o mp o u n d m o d e l [ J ] 。G r o u n d P r e s s u r e a n d S t r a t a C o n t r o l 。2 0 0 4， 2 1 4 I 9 3 9 5 ． 万志军， 刘长友， 卫建清， 等． 煤层与顶板冲击倾向性 研究[ J ] ． 矿山压力与顶板管理， 1 9 9 9 ， 1 6 4 2 0 8 21 0． WAN Z h i- j u n ，L I U C h a n g y o u ，WE I J i a n - q i n g ，e t a 1 ．Re s e a r c h o n b u r s t t e n d e n c y o f c o a l a n d r o o f [ J ] ． Gr o u n d Pr e s s u r e a n d S t r a t a C o n t r o l ，1 9 9 9， 1 6 4 l 2 0 8 2 1 0 ． [ 4 ] 窦林名， 何学秋． 由煤岩变化破坏引起的电磁辐射 口] ． 清华大学学报 ， 2 0 0 1 ， 4 1 1 2 8 6 8 8 ． DOU L i n mi n g，HE Xu e - q i u ．E l e c t r o ma g n e t i c e mi s s i o n i n r o c k a n d c o a l b u r s t f a i l u r e s [ J ] ．J o u r n a l o f T s i n g h u a Un i v e r s i t y，2 0 0 1 ， 4 1 1 2 8 6 - 8 8 ． [ 5 ] 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 ． [ 6 ] 窦林名 ， 何学秋． 采矿地球物理学[ M] ． 北京 中国科 学文化出版社， 2 0 0 2 ． [ 7 ] 窦林名 ， 何烨， 张卫东． 孤岛工作面冲击矿压危险及 其控制[ J ] ． 岩石力 学与工程 学报， 2 0 0 3 ， 2 2 1 1 1 8 6 6 - 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