潤東煤礦3#煤層及頂?shù)装鍥_擊傾向性研究

龐彩龍 武東雷 范澤軍

（晉能控股集團(tuán)晉圣公司潤東煤業(yè)，山西 晉城 048103）

潤東煤業(yè)有限公司位于山西省晉城市陽城縣潤城鎮(zhèn)，批準(zhǔn)開采3#、9#、15#煤層，井田面積為9.105 7 km2，開采深度為+628～+350 m 標(biāo)高，生產(chǎn)規(guī)模90 萬t/a，目前正開采3#煤層一盤區(qū)1307 工作面。隨著開采深度的增加，有可能發(fā)生沖擊地壓事故。為了預(yù)防沖擊地壓事故，對(duì)潤東礦井3#煤層及頂?shù)装鍘r層的沖擊傾向性進(jìn)行測試分析，為潤東礦井綠色高效安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

1 概況

潤東礦井3#煤層位于山西組，賦存標(biāo)高在+590～+430 m，埋深20～455 m，煤層厚2.20～7.15 m，平均6.04 m，面積為8.579 1 km2，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。3#煤層北部煤層厚度較大，南部局部區(qū)域煤層變薄，煤層厚度的變異系數(shù)為17.66，可采性指數(shù)為1.00。煤層結(jié)構(gòu)簡單，含有1～4 層夾矸，夾矸厚0.03～0.45 m。3#煤層直接頂下部有0.1～0.3 m的碳質(zhì)泥巖及灰色泥巖偽頂，老頂巖性為泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的泥巖和細(xì)粒砂巖互層，底板巖性為泥巖和粉砂巖[1]。3#煤層巖性如圖1。

圖1 3#煤層實(shí)測柱狀

2 采樣與測試工作

本次對(duì)3#煤層及頂?shù)装鍘r層進(jìn)行了現(xiàn)場采樣，頂?shù)装宀捎勉@探取樣，煤層采樣鎬刨取樣，取樣尺寸的長×寬×高≥300 mm×300 mm×300 mm，采樣后現(xiàn)場塑封包裝。試樣加工和測試工作在河南理工大學(xué)，用立式取芯機(jī)將試樣加工出高×直徑為50 mm×30 mm、50 mm×100 mm 的圓柱體，在磨石機(jī)上將圓柱狀煤巖的兩端磨平，確保圓柱狀煤巖的上下面不平行度小于0.05 mm，中線軸的偏差小于0.25°。圓柱狀煤巖試樣的三軸松弛測試、三軸壓縮測試、三軸蠕變測試、煤巖孔隙水測試等測試分析工作均在TAW-2000 型電液伺服儀上完成。

3 物理力學(xué)參數(shù)測試

3#煤的上、中、下層，煤層頂1、頂2、頂3 和煤層底板位置均取了3 個(gè)樣品進(jìn)行煤巖物理力學(xué)參數(shù)測試。試驗(yàn)結(jié)果顯示，3#煤上、3#煤中、3#煤下、3#煤頂3、3#煤頂2、3#煤頂1、3#煤底的自然塊體密度分別為1 424.02 kg/m3、1 467.80 kg/m3、1 468.30 kg/m3、2 712.05 kg/m3、2 714.52 kg/m3，單軸抗壓強(qiáng)度分別為13.36 MPa、14.05 MPa、13.26 MPa、61.13 MPa、48.43 MPa、46.55 MPa、40.44 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度分別為0.74 MPa、0.72 MPa、1.04 MPa、6.32 MPa、3.00 MPa、3.19 MPa、2.70 MPa，彈性模量分別為4.55 GPa、4.96 GPa、5.45 GPa、10.62 GPa、12.10 GPa、12.26 GPa、12.57 GPa，泊松比分別為0.32、0.37、0.33、0.31、0.28、0.27、0.30。

4 煤層沖擊傾向性評(píng)價(jià)分析

4.1 3#煤巖層沖擊傾向性評(píng)價(jià)分析

沖擊傾向性是評(píng)價(jià)煤巖體沖擊地壓危險(xiǎn)性的重要判別依據(jù)，可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試分析。根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院制定的國家標(biāo)準(zhǔn)《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法 第2 部分：煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》（GB/T 25217.2-2010），煤巖層沖擊傾向性分為強(qiáng)沖擊傾向性、弱沖擊傾向性、無沖擊傾向性3 類，分類標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 煤巖的沖擊傾向性分類標(biāo)準(zhǔn)

頂板巖層的沖擊傾向性判別指數(shù)為彎曲能量指數(shù)，彎曲能量指數(shù)由彈性模量、單軸抗拉強(qiáng)度、自然塊體密度和上覆巖層載荷計(jì)算得到，根據(jù)彎曲能量指數(shù)可將頂板巖層沖擊傾向性劃分為無沖擊傾向性、弱沖擊傾向性和強(qiáng)沖擊傾向性3 類，詳見表2。

表2 頂板巖層沖擊傾向性分類標(biāo)準(zhǔn)

4.2 3#煤層的沖擊傾向性測定結(jié)果

1）煤巖的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間

根據(jù)3#煤樣動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的測試數(shù)據(jù)，3#煤上、煤中和煤下測試樣品的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間最大值分別為2328 ms、1660 ms 和2548 ms，最小值分別為1448 ms、1356 ms 和1392 ms，3#煤上、煤中和煤下煤樣的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間均大于500 ms，沖擊傾向性分類均屬于I 類，無沖擊傾向性。

2）3#煤的彈性能量指數(shù)

根據(jù)3#煤樣彈性能量指數(shù)的測試數(shù)據(jù)，3#煤上、煤中和煤下測試樣品的彈性能量指數(shù)最大值分別為1.71、2.18 和1.98，最小值分別為0.63、1.52 和1.70，3#煤上、煤中和煤下測試樣的彈性能量指數(shù)均小于2，沖擊傾向性均屬于I 類，無沖擊傾向性。

3）3#煤的沖擊能量指數(shù)

根據(jù)3#煤樣沖擊能量指數(shù)的測試數(shù)據(jù)，3#煤上、煤中和煤下測試樣品的沖擊能量指數(shù)最大值分別為1.49、1.285 和1.49，最小值分別為1.051、0.623和1.34，3#煤上、煤中和煤下測試樣的沖擊能量指數(shù)均小于1.5，沖擊傾向性均屬于I 類，無沖擊傾向性。

4）3#煤的單軸抗壓強(qiáng)度

根據(jù)3#煤樣單軸抗壓強(qiáng)度的測試數(shù)據(jù)，3#煤上、煤下測試樣品的單軸抗壓強(qiáng)度最大值分別為14.11 MPa、13.66 MPa，最小值分別為12.76 MPa、12.87 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度大于7 MPa 而小于14 MPa，沖擊傾向性屬于Ⅱ類，弱沖擊傾向性。3#煤中測試樣品的單軸抗壓強(qiáng)度最大值為15.56 MPa，最小值為14.01 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度大于14 MPa，沖擊傾向性屬于Ⅲ類，強(qiáng)沖擊傾向性。

5）煤樣沖擊傾向性測定結(jié)果

根據(jù)沖擊能量指數(shù)、彈性能量指數(shù)、單軸抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間4 個(gè)判別指標(biāo)，綜合判定3#煤上、煤中和煤下測驗(yàn)樣品均不具有沖擊傾向性。3#煤層沖擊傾向性判定結(jié)果表詳見表3。

表3 3#煤層沖擊傾向性判定結(jié)果表

4.3 3#煤頂?shù)装鍘r層的沖擊傾向性鑒定結(jié)果

根據(jù)頂板巖層的彈性模量、單軸抗拉強(qiáng)度、自然塊體密度和上覆巖層載荷，計(jì)算獲得3#煤層頂板巖層的彎曲能量指數(shù)為13.73 kJ （表4），小于15 kJ，屬I 類，無沖擊傾向性。

表4 煤層沖擊傾向性測定結(jié)果

目前，還沒有底板巖層沖擊傾向性的判別標(biāo)準(zhǔn)，因此本文底板巖層沖擊傾向性判別時(shí)，參考《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法 第2 部分：煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》（GB/T 25217.2-2010）中頂板巖層的沖擊傾向性判別標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算獲得3#煤層底板巖層的彎曲能量指數(shù)為9.15 kJ，小于15 kJ，屬I 類，無沖擊傾向性。

5 結(jié)論

沖擊地壓事故是煤礦生產(chǎn)中的重大災(zāi)害事故之一，常發(fā)生在硬脆煤巖層的高地應(yīng)力區(qū)域，導(dǎo)致回采工作面嚴(yán)重破壞和人員傷亡，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。沖擊傾向性是判別煤礦是否發(fā)生沖擊地壓事故的重要指標(biāo)[4-6]。根據(jù)沖擊傾向性綜合判斷指標(biāo)，得出以下結(jié)論：

1）通過沖擊能量指數(shù)、彈性能量指數(shù)、單軸抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間4 個(gè)沖擊傾向性判別指標(biāo)，綜合判定3#煤層無沖擊傾向性。

2）通過彈性模量、單軸抗拉強(qiáng)度、自然塊體密度和上覆巖層載荷計(jì)算獲得3#煤頂板和底板巖層的彎曲能量指數(shù)均小于15 kJ，3#煤頂?shù)装鍩o沖擊傾向性。

3）隨著煤層開采深度的增加，3#煤層及頂?shù)装鍘r層將變?yōu)槿鯖_擊傾向性，煤礦要提前做好防沖措施。