a080301-组合煤岩试样冲击破坏效应及其应用

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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，即弱化煤岩体中

2、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

3、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

4、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.M[8]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

5、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

6、，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

7、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-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，

8、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。图1冲击能及弹性能指