CN105021457A

CN105021457A - 一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾向性的测试与评估方法

Info

Publication number: CN105021457A
Application number: CN201510378763.4A
Authority: CN
Inventors: 刘学生; 谭云亮; 宁建国; 顾清恒; 史新帅; 胡浩
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: CN105021457B

Abstract

本发明公开了一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾向性的测试与评估方法，其包括以下步骤：制备标准纯煤试件、标准纯岩试件与标准煤岩组合体试件的步骤；计算标准煤岩组合体试件剩余能量释放速率的步骤；评估标准煤岩组合体试件倾向性的步骤。根据现场坚硬顶板和煤体的实际厚度制作相应比例的标准煤岩组合体试件，通过量化过程，充分反映了煤岩的组合效应和组合体的尺寸效应对冲击倾向性的影响，评价结果的准确性显著提高；而且本发明以煤岩组合体剩余能量释放速率来评价煤层冲击倾向性，充分考虑了煤岩破坏时剩余的能量及破坏过程的时间效应，克服了单纯采用能量指标和破坏时间指标存在的片面性，从根源上解决了对冲击倾向性错判误判的问题。

Description

一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾向性的测试与评估方法

技术领域

本发明涉及一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾向性的测试与评估方法。

背景技术

冲击地压是矿山采动诱发高强度的煤岩变形能瞬时释放，在相应采动空间引起强烈围岩震动和挤出的现象。我国煤矿开采深度以每年约10米的速度增加，冲击地压发生的频率和强度逐渐增大，已成为制约我国矿山安全生产的主要灾害之一。

实践表明，冲击地压并不是在所有矿井均有发生，其发生往往需要煤岩石满足一定的物性条件，即具有冲击倾向性。煤岩石冲击倾向性越大，发生冲击地压的危险性越高。为衡量煤岩是否具有冲击倾向性及冲击倾向性的大小，国内外学者分别从能量、破坏时间和刚度等方面提出了多种指标，如：弹性能指标、冲击能指标、动态破坏时间、单轴抗压强度、刚度比指标等，这些指标极大的推动了冲击倾向性理论的发展，为冲击地压的预测预报及防治奠定了一定的基础。

然而，冲击地压是顶底板、煤层在原岩应力和矿山采动应力共同作用下，力与能量不连续传递而导致位移变形不连续的结果，其发生并不单纯的取决于煤层的冲击倾向性，更与煤岩层的组合形式、结构特征、赋存环境、围岩性质等密切相关。因此，围岩和煤体的相互作用，是能否发生冲击地压的重要影响因素之一，特别是深部坚硬顶板条件，在评价煤层冲击倾向性时，忽略坚硬顶板与煤体的相互作用很可能造成对煤层冲击倾向性的低估，给矿井的安全开采埋下隐患。理论研究和现场实践均表明，对于深部煤层，尤其是煤层上方存在坚硬顶板的条件，单纯以煤层的冲击倾向性指标对其冲击危险性进行评价时，往往出现“低估”现象，难以为该条件下冲击地压的预测与防治提供准确依据。

现有冲击倾向性评价方法多从能量、破坏时间、强度等单一的指标入手，并不能充分反映这一本质，具有相当大的片面性，容易造成错判误判。例如，具有相同动态破坏时间的煤体，剩余能量不同时，其破坏的动力效应不同，冲击倾向性也不同，仅单纯利用动态破坏时间指标难以对此种情况给出准确判定。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供的一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾向性的测试与评估方法，以量化深部坚硬顶板煤层的冲击倾向性。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾向性的测试与评估方法，其包括以下步骤：

A、制备标准纯煤试件、标准纯岩试件与标准煤岩组合体试件的步骤；

B、计算标准煤岩组合体试件剩余能量释放速率的步骤；

C、评估标准煤岩组合体试件倾向性的步骤。

所述的测试与评估方法，其中，所述步骤A具体的还包括：

A1、标准煤岩组合体试件中煤样、岩样高度的确定

根据待判定煤层的具体地质条件，获得煤层厚度H₁及其上方坚硬顶板的厚度H₂，分别由下式确定标准煤岩组合体试件中煤样的高度h₁和岩样的高度h₂；

h_{1} = \frac{0.1 H_{1}}{H_{1} + H_{2}}

式1；

h_{2} = \frac{0.1 H_{2}}{H_{1} + H_{2}}

式2；

A2、煤样和岩样的加工

获取待判定煤体和坚硬顶板岩块运至实验室，采用取芯机和切割机制取直径为50mm、高度为h₁的煤样和直径为50mm、高度为h₂的岩样，煤样与岩样分别制备三个，采用取芯机和切割机制取直径为50mm、高度为100mm的标准纯煤试件和标准纯岩试件，标准纯煤试件和标准纯岩分别制备三个；在磨平机上将所有煤样、岩样、标准纯煤试件和标准纯岩试件两端磨平，要求两端面不平行度≤0.01mm，直径偏差≤0.02mm；

A3、标准煤岩组合体试件的制作

将加工好的高度为h₁的煤样和高度为h₂的岩样黏合在一起形成一体式结构，煤样在岩样下面，制成三个直径为50mm、高度为100mm的标准煤岩组合体试件；

将加工好的标准纯煤试件、标准纯岩试件和标准煤岩组合体试件分为三组待测组，每组包含一个标准纯煤试件、一个标准纯岩试件和一个标准煤岩组合体试件。

所述的测试与评估方法，其中，所述步骤A与所述步骤B之间还包括：标准纯煤试件、标准纯岩试件和标准煤岩组合体试件的压缩试验步骤：

采用刚性压力试验机，分别对三组待测组进行单轴压缩试验、双轴压缩试验或多轴压缩试验，得到三组待测组的试验曲线，每组试验曲线包括一个标准煤岩组合体试件的应力―时间曲线、一个标准纯煤试件的应力―应变曲线和一个标准纯岩试件的应力―应变曲线。

所述的测试与评估方法，其中，所述步骤B具体的还包括：

B1、标准煤岩组合体试件的峰值强度为σ_C时，单位体积煤体积聚的弹性应变能Q_SEC为：

Q_{S E C} = \frac{σ_{C}^{2}}{2 E_{C}} J / m^{3}

式3；

式3中：σ_C——标准煤岩组合体试件的峰值强度，单位为Pa；

E_C——煤的弹性模量，单位为Pa；

B2、应力为σ_C时，单位体积岩体积聚的弹性应变能Q_SER为：

Q_{S E R} = \frac{σ_{C}^{2}}{2 E_{R}} J / m^{3}

式4；

式4中：E_R——岩的弹性模量，单位为Pa；

σ_C——标准煤岩组合体试件的峰值强度，单位为Pa；

B3、破坏单位体积处于峰值应力的煤体所需消耗的能量为A_X，其大小为标准纯煤试件峰后应力应变曲线与应变轴围成的面积；

B4、标准煤岩组合体试件剩余能量释放速率W_ZT的计算：

W_{Z T} = \frac{{Ah}_{1} Q_{S E C} + {Ah}_{2} Q_{S E R} - {Ah}_{1} A_{X}}{D_{T}}

式5；

式5中：A——煤岩组合体试件的横截面积，单位为m²；

D_T——煤岩组合体试件的动态破坏时间，单位为s。

所述的测试与评估方法，其中，所述步骤C具体的还包括：

计算三组待测组中标准煤岩组合体试件的剩余能量释放速率W_ZT，取三次计算结果的平均值为最终的W_ZT值；

采用标准煤岩组合体试件剩余能量释放速率W_ZT评价煤层冲击倾向性时，其分级标准为：当W_ZT≤0时，无冲击倾向性；当0<W_ZT≤0.5J/s时，弱冲击倾向性；当0.5<W_ZT≤2J/s时，中等冲击倾向性；当W_ZT>2J/s时，强冲击倾向性。

本发明提供的一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾向性的测试与评估方法，根据现场坚硬顶板和煤体的实际厚度制作相应比例的标准煤岩组合体试件，根据标准煤岩组合体试件的性质评价其冲击倾向性，克服了单纯根据煤层的性质评价其冲击倾向性时，不能考虑围岩和煤体相互作用的不足，通过量化过程，充分反映了煤岩的组合效应和组合体的尺寸效应对冲击倾向性的影响，评价结果的准确性显著提高；而且本发明以煤岩组合体剩余能量释放速率来评价煤层冲击倾向性，充分考虑了煤岩破坏时剩余的能量及破坏过程的时间效应，克服了单纯采用能量指标和破坏时间指标存在的片面性，从根源上解决了对冲击倾向性错判误判的问题，本发明具有简单、评价结果准确、便于推广应用等特点。

附图说明

图1为本发明中标准煤岩组合体试件的结构示意图；

图2为图1中标准煤岩组合体试件之应力―时间曲线的示意图；

图3为本发明中标准纯煤试件的结构示意图；

图4为图3中标准纯煤试件之应力―应变曲线的示意图；

图5为本发明中标准纯岩试件的结构示意图；

图6为图5中标准纯岩试件之应力―应变曲线的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾向性的测试与评估方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更详尽的说明本发明，以下列举更为详尽的实施例进行说明。

某矿3#煤层埋深856-1137m，煤层发育稳定，结构简单，厚度5-9m，平均厚度H₁为6.8m。煤层上方直接顶为坚硬致密的粉砂岩，单轴抗压强度约为78.5MPa，平均厚度H₂为13.2m。

上述3#煤层属于典型的深部坚硬顶板条件煤层，采用本发明方法测试和评价其冲击倾向性的步骤如下：

室内试验所需标准煤岩组合体试件中，煤的高度h₁和岩的高度h₂由待判定煤层厚度H₁及其上方坚硬顶板的厚度H₂确定：

h_{1} = \frac{0.1 H_{1}}{H_{1} + H_{2}} = \frac{0.1 \times 6.8}{6.8 + 13.2} = 0.034 m;

h_{2} = \frac{0.1 H_{2}}{H_{1} + H_{2}} = \frac{0.1 \times 13.2}{6.8 + 13.2} = 0.066 m;

获取判定煤体和坚硬粉砂岩岩块运至实验室，采用取芯机和切割机分别制取直径为50mm、高度为h₁(0.034m)的煤样和直径为50mm、高度为h₂(0.066m)的岩样各3个，以及直径为50mm、高度为100mm的标准纯煤试件和标准纯岩试件各3个。在磨平机上将试件两端磨平，要求两端面不平行度≤0.01mm，直径偏差≤0.02mm。

采用AB强力胶将加工好的高度为h₁(0.034m)的煤样和高度为h₂(0.066m)的岩样黏合在一起，形成一体式结构，煤样在岩样下面，制成3个直径为50mm、高度为100mm的标准煤岩组合体试件。

将加工好的9个标准纯煤试件、标准纯岩试件和标准煤岩组合体试件分为3组待测组，每组待测组包含1个标准纯煤试件、1个标准纯岩试件和1个标准煤岩组合体试件。采用MTS815电液伺服压力试验***分别对每组标准试件进行单轴压缩试验，分别得到各组的试验曲线，选取其中一组待测组进行测试，具体的如2、图4与图6所示的。

根据图2，标准煤岩组合体试件的峰值强度σ_C为18.9MPa，动态破坏时间D_T为329ms。

根据图4，煤的弹性模量E_C为3.5GPa，破坏单位体积处于峰值应力的煤体所需消耗的能量A_X为3.58×104J/m³。标准纯煤试件应力为σ_C时，单位体积煤体积聚的弹性应变能Q_SEC为：

Q_{S E C} = \frac{σ_{C}^{2}}{2 E_{C}} = \frac{{(18.9 \times 10^{6})}^{2}}{2 \times 3.5 \times 10^{9}} = 5.1 \times 10^{4} J / m^{3}

根据图6，岩的弹性模量E_R为21.8GPa，试件应力为σ_C时，单位体积岩体积聚的弹性应变能Q_SER为：

Q_{S E R} = \frac{σ_{C}^{2}}{2 E_{R}} = \frac{{(18.9 \times 10^{6})}^{2}}{2 \times 21.8 \times 10^{9}} = 8.193 \times 10^{3} J / m^{3}

标准煤岩组合体试件的直径为50mm，其横截面积A为0.0019635m²，则煤岩组合体剩余能量释放速率W_ZT为：

\begin{matrix} W_{Z T} = \frac{{Ah}_{1} Q_{S E C} + {Ah}_{2} Q_{S E R} - {Ah}_{1} A_{X}}{D_{T}} \\ = \frac{0.0019635 \times 0.0034 \times 5.1 \times 10^{4} + 0.0019635 \times 0.0066 \times 8.193 \times 10^{3} - 0.0019635 \times 0.0034 \times 3.58 \times 10^{4}}{329 \times 10^{- 3}} \\ = 0.6311 J / s \end{matrix}

根据另两组待测组的试验曲线，计算得标准煤岩组合体试件剩余能量释放速率W_ZT分别为0.6425J/s、0.6508J/s，取三次计算的平均值得，标准煤岩组合体试件剩余能量释放速率W_ZT的最终计算值为0.6415。

因此，根据其分级标准，该矿3#煤层具有中等冲击倾向性。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims

1.一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾向性的测试与评估方法，其包括以下步骤：