应用煤岩组合模型方法评价煤岩冲击倾向性探讨
煤矿冲击地压评价模型及其应用
煤矿冲击地压评价模型及其应用摘要：随着矿井开采深度的增加，冲击地压现象越来越频繁，严重影响着深部煤炭资源的安全、高效开采。
现场实践表明，地质构造是诱发冲击地压的重要因素，其中煤层厚度的变化引起的冲击显现日益增多。
冲击地压作为矿井的重要灾害之一，对井下破坏力极大，如何保证井下安全、减少冲击地压的发生频率是急需解决的问题。
本文针对煤矿过断层期间的自然发火与冲击地压双重重大风险，通过采取不同的针对性管控措施，有效地管控了工作面过断层期间自然发火与冲击地压并存的重大风险，提高了矿井自然发火与冲击地压治理水平，保证了矿井安全。
关键词：煤矿；冲击地压；评价模型；应用引言冲击地压又称“岩爆”，是指在井下巷道或工作面周围岩体，因地质弹性发生变化瞬间释放出的能量，对巷道和工作面造成严重的破坏力，经常伴随煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。
随着矿井开采深度的不断增加，深部煤层开采改变了原岩的稳定性，围岩在自稳调整阶段产生应力集中现象，煤矿冲击地压显现更加频繁，给矿山安全生产带来极大威胁。
如何采取有效的防范对策，加强对冲击地压事故的预测，降低冲击地压事故发生的几率，是保证矿井安全生产的关键所在。
1工作面冲击地压发生机理坚硬顶板特殊结构体工作面采场的覆岩运移和矿压显现规律与其他工作面开采有很大差别，因受周边已回采工作面采空区应力作用的影响，造成工作面顶底板应力高度集中，包括由煤(岩)体自重引起的自重应力、地质构造引起的构造应力、周围不规则开采引起的结构应力以及周边采空区悬露顶板引起的历史支承压力。
基于此，把这些应力的合应力统称为特殊结构体工作面煤(岩)体的原始应力，由特殊结构体工作面的原始应力集中所积聚的弹性能称为特殊结构体工作面的原始弹性能，这是工作面易发生冲击地压的应力和能量基础。
在工作面开采过程中，随着推采的不断进行，工作面前方煤体内的应力不断集中，弹性能也随之不断积聚，工作面前方煤体不断积聚的弹性能在采动影响作用下，沿着煤岩介质的优势路径向工作面开采方向的弱势面进行延伸，并形成定向的能量势场，从而损伤弱化煤岩介质的形状组织，使煤体内部发生裂纹扩展、贯通和汇聚，甚至发生轻微的滑移，并消耗能量做功。
煤系岩石冲击倾向性试验研究
中国科技论文在线
Ｓ Ｅ ＣＩＮＣＥ Ａ Ｅ Ｐ Ｐ Ｒ ＯＮＬＮ ＩＥ
Ｖｌ ｏ ｏｌ ． ２ ７ Ｎ
Ｊ１ ０７ ｕ． ０ ２
煤 系岩石 冲击倾 向性试验研 究
孟 召 平 ，潘结 南 ＇ ２
（．中 国矿 业大学 （ １ 北京） 资源与地球科 学 系，北京 １０ ８ ； ０ ０ ３
基金项 目：高 等学 校博士学科点专项科研基金 （ ０ ５ ２ ０ ０ ） ２ ０ ０ ９ ０ ９ ，国家重点基础研 究发展计划资助课题 （０ ７ Ｂ ０ ４ ５ ，全国 ２０Ｃ ２９０ ）
优 秀博 士学位论文作者专项资金 （０ ２ ７ ２ ０ ４ ）和教育部 留学 回国人员科研启动基金联合 资助
０ 引 言
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１７ —７ ８ （０ ７０ —０ １ —６ ６ ３ １０２ ０ ）７ ５ １
耗能 到完全破坏 的全过程 ，它包含 了有 关冲击倾 向
性的丰 富信息 ；动态破坏 时间是表征峰 值强度 后的 岩石破坏 的剧烈程 度和能量 变换过程 ，既反映了岩
冲击地 压是指在 一定地 应力作用下 ， 岩） 力 煤（ 体
石 学特征对其宏观力 学性质和 冲击倾 向性具 有重要影响作用 ， 随着碎屑颗粒含 量的增加 ． 岩石 的强度和 刚性增 强 ，岩石的脆性增大 ，弹性能指数和 冲击能指数增加 ，岩石在轴 向应力作用下达 到峰值 强度 以后直到完全破坏
的持 续时间变短 ，冲击倾 向性增强。随着碎屑颗粒粒 径的增大 ， 由砂质泥岩 、 即 粉砂 岩 向砂岩过渡 ， 粗粒 的粒
作者简介 ：盂召平 （９ ３ ） １ ６ 一 ，男 ，湖南汨罗人 ，中国矿业大学 （ 北京 ）教授 ，博士 ，博士生导 师，主 要从事 矿井工程地质和煤
基于FLAC 3D的煤岩组合模型冲击倾向性研究
Ａｂｓｒ ｔ： Ｔｈｅ ＦＬ ｔａｃ ＡＣ ’ｗａ ｐｐ ｉｄ ｔ ｈｅ ｓｕｄ ｎ ｔｅ ３Ｄ ｕｍｅ ｉａ ｉ ｌｔｏ ｘ ｒｍｅ ｔ ｎ ｔ ｅ ｂｕ ｓ ａ ｌｅ ｏ ｔ ｔ ｙ ｏ ｈ ｎ ｒｃ ｌｓｍｕ ａｉｎ ｅ ｐｅ ｉ ｎ ｓ ｏ ｈ ｍｐｉｇ ｔｎ ｎ ｙ ｏ ｎ ｅ ｄｅ ｃ ｆ
型 的冲 击能量 指数 和弹性 能量指 数都 随之 增加 。 关键 词 ：煤岩 组合模 型 ；冲击倾 向性 ；三 维数值模 拟 ；Ｆ Ａ ＬＣ
中 图分类 号 ：Ｔ ３ ４ １ Ｄ ２ ．
文献标 识码 ：Ａ
文章 编号 ：１７ — ９ ９ ２ １ ） ６０ ８ －３ ６ １ ０ ５ （ ０ ２ ０ －０ ００
煤层冲击倾向性试验研究
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试验在 MTS 岩石电液伺服试验机上进行 ,试验 机的精度 、刚度都符合煤炭行业冲击倾向性试验要 求 。根据行业标准和多年的试验经验 ,采用不同的 加载方式和加载速率以测定煤层的冲击性指标 。每 个取样地点的试件均分作 3 组 ,每组 3 个试件 ,分别 进行冲击性能指标试验 。
2 煤层冲击倾向性试验
2. 1 单轴抗压强度及冲击能量指数试验 煤岩试件的单轴抗压强度和冲击能量指数试验
可以同时进行 。根据经验在 MTS 上以 0. 006 7 mmΠs 的位移控制速度对试件进行准静态加载 ,可以测得 试件的单轴抗压强度和单轴压缩下的全应力应变曲 线 ,并进行煤的冲击能量指数计算 。试验测得的煤 岩单轴压缩典型全应力应变曲线如图 1 所示 。
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冲击倾向性与冲击危险性理论及冲击地压防治实践研究
σ
1
2
0
ε
冲击能量指数测定示意图
煤层冲击倾向性分类表
分类指标
无冲击 弱冲击 强冲击 倾向 倾向 倾向
煤的动态破坏 时间DT/ms
DT＞ 500
50＜ DT≤500
DT≤50
弹性能量指数 WET
冲击能量指数 KE
WET＜2
KE＜ 1.5
2≤WET ＜5
1.5≤KE ＜5
WET≥5 KE≥5
顶板冲击倾向性分类表
底板岩层
冲击地压现象描述
巷道冲击地压描述
冲击地压：煤岩体在高应力作用下产生的 动力破坏现象。
岩 爆：高地应力条件下硬脆性围岩因 弹性应变能突然释放而产生的 爆裂、剥落、弹射甚至抛掷。
矿 震：采矿活动而引起的诱发地震。
既有联系，又有显著差异 震级、烈度、震源 分级分类：应以破坏为主
失稳、 破坏、 局部性
C71 ≥20 C72 ＜20
C81 ≥20m C82 ＜20m C91 弱冲击倾向性 C92中等冲击倾向性 C93强烈冲击倾向性 C10.1底板坚硬 C 底板松软
项目
类目
X11断层情况 X12褶曲情况 X13水平构造应力 X14开采方法 X15支承压力影响范围
C11.1 断层落差较大 C11.2 断层落差不大或没有 C12.1 褶曲起伏较大 C12.2 褶曲起伏不大或没有 C13.1 水平构造应力较高 C13.2 水平构造应力中等 C13.3 水平构造应力较低 C14.1 综放开采或大采高开采 C14.2 分层开采 C14.3 其他 C15.1 ≥30m C15.2 ＜30m
提纲
几个概念：
冲击倾向性 冲击危险性 冲击地压、岩爆、矿震 冲击地压预测 冲击地压防治
模量指数评价煤的冲击倾向性的实验研究
㊀第44卷第6期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.44㊀No.6㊀㊀2019年6月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJune㊀2019㊀移动阅读代树红,王晓晨,潘一山,等.模量指数评价煤的冲击倾向性的实验研究[J].煤炭学报,2019,44(6):1726-1731.doi:10.13225/ki.jccs.2018.0901DAI Shuhong,WANG Xiaochen,PAN Yishan,et al.Experimental study on the evaluation of coal burst tendency utili-zing modulus index[J].Journal of China Coal Society,2019,44(6):1726-1731.doi:10.13225/ki.jccs.2018.0901模量指数评价煤的冲击倾向性的实验研究代树红1,王晓晨1,潘一山1,2,刘㊀柳1(1.辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新㊀123000;2.辽宁大学,辽宁沈阳㊀110036)摘㊀要:为研究模量指数评价煤的冲击倾向性的可行性,选取4组冲击倾向性强弱不同的煤样试件,测定各组煤样试件的模量指数㊁冲击倾向性评价指标和声发射信号,分析模量指数同其它冲击倾向性评价指标和评价结果的相关性,模量指数对煤加载过程中内部能量释放特征的影响㊂研究结果表明:模量指数同其它冲击倾向性评价指标具有相关性,同单轴抗压强度之间的相关性最强;各组冲击倾向性相同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围较小㊂各组冲击倾向性不同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围很大㊂煤样模量指数的大小和煤的冲击倾向性强弱相关,煤的冲击倾向性越强,模量指数越大㊂依据模量指数评价煤的冲击倾向性的结果,同其它评价指标的评价结果具有一致性;不同冲击倾向性煤样的软化模量是决定煤的模量指数大小的关键因素,弹性模量对模量指数大小的影响较小;煤样内部能量的释放特征和模量指数的大小相关㊂模量指数小的煤样在全程加载过程中声发射事件频繁出现,模量指数大的煤样在破坏前后阶段没有明显的声发射事件出现,但在临近载荷曲线峰值的冲击破坏阶段集中出现高能量的声发射事件㊂模量指数可用于评价煤的冲击倾向性,模量指数对煤样能量释放的影响规律可用于指导现场监测㊂关键词:模量指数;冲击倾向性;评价指标;软化模量;声发射中图分类号:TD315㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2019)06-1726-06收稿日期:2018-07-08㊀㊀修回日期:2019-04-03㊀㊀责任编辑:常㊀琛㊀㊀基金项目:辽宁省高校重大科技平台-煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心开放基金资助项目(LNTU17KF15)㊀㊀作者简介:代树红(1978 ),男,辽宁阜新人,副教授,博士生导师㊂E -mail:Dsh3000@126．comExperimental study on the evaluation of coal burst tendency utilizingmodulus indexDAI Shuhong 1,WANG Xiaochen 1,PAN Yishan 1,2,LIU Liu 1(1.School of Mechanics and Engineering ,Liaoning Technical University ,Fuxin ㊀123000,China ;2.Liaoning University ,Shenyang ㊀110036,China )Abstract :In order to study the feasibility of evaluating the bursting tendency of coal by modulus index,the modulus index,bursting tendency evaluation indexes and acoustic emission signal of four group coal specimens with different bursting tendency strengths are determined.The correlation between the modulus index and the other evaluation inde-xes of the bursting tendency and the valuation results of bursting tendency are analyzed.The influence of the modulus index on the internal energy release characteristics of coal is analyzed according to acoustic emission signal.The results show that the modulus index is related to other evaluation indexes of the bursting tendency.The correlation between co-axial compressive strength is the strongest.For the coal specimens with the same bursting tendency,the change range of modulus index of each specimen is small.For the coal specimens with the different bursting tendency,the change range of modulus index of each specimen is large.The magnitude of modulus index of coal is related to the bursting第6期代树红等:模量指数评价煤的冲击倾向性的实验研究tendency of coal.The stronger the coal bursting tendency is,the larger the modulus index is.The results of evaluating the coal bursting tendency according to the modulus index are consistent with the evaluation results of other evaluation indexes.The softening modulus of different bursting tendency is the key factor to determine the modulus index of coal, and the influence of elastic modulus on modulus index can be ignored.The release characteristic of internal energy of coal specimens is related to the magnitude of modulus index.The acoustic emission events occur frequently during the whole loading process of coal with large modulus index,while acoustic emission events releasing high-energy centrally occur in the coal with small modulus index at the peak load moment.The modulus index can be used to evaluate the coal bursting tendency,and the influence of modulus index on coal energy release can be used to guide on-site monito-ring.Key words:modulus index;bursting tendency;evaluation index;softening modulus;acoustic emission㊀㊀近年来随着我国煤矿开采深度的日益增加,冲击地压作为一种动力灾害严重威胁着矿井安全[1-2]㊂煤的冲击倾向性是其自身固有的材料属性,煤的冲击倾向性评价指标是预测和防治煤层发生冲击地压的关键依据㊂我国评价煤的冲击倾向性的国家标准包括4个指标:动态破坏时间㊁弹性能量指数㊁冲击能量指数和单轴抗压强度[3]㊂这4个指标均有其明确的物理意义[4-5]:动态破坏时间是煤样从极限强度到完全破坏的时间,从冲击破坏持续时间方面评价煤样发生冲击的倾向性;弹性能量指数是煤样在破坏前积蓄的弹性变形能与塑性变形能的比值,从破坏前耗损能量大小方面评价煤样发生冲击的倾向性;冲击能量指数是煤样破坏过程中峰值前积蓄的变形能同峰值后耗损的变形能的比值,从破坏过程中剩余能量的大小方面评价煤样发生冲击的倾向性;单轴抗压强度是煤样在单轴压缩条件下的极限载荷与其承压面积的比值,从强度方面评价煤样发生冲击的倾向性㊂为了进一步发展煤的冲击倾向性评价指标,潘一山基于冲击地压扰动响应失稳理论提出将模量指数[6]作为冲击倾向性评价指标,但是一直缺少相关的实验研究㊂笔者选取4组冲击倾向性强弱不同的煤样,测定各组煤样的模量指数和动态破坏时间㊁弹性能量指数㊁冲击能量指数㊁单轴抗压强度,对比研究模量指数同其它冲击倾向性评价指标和评价结果的相关性;分析影响煤的模量指数大小的关键因素;通过在煤样加载过程中采集到的声发射事件能量信号,分析模量指数对煤在加载过程中能量释放特征的影响㊂1㊀模量指数模量指数是煤样应力应变曲线峰值后软化模量λ与峰值前的弹性模量E的比值,即煤样试件在应力应变曲线中峰后斜率的绝对值比上峰值前斜率,如图1所示㊂为了在研究中统一表述模量指数,采用Kλ和式(1)表示模量指数:Kλ=λE(1)式中,E为煤样应力应变曲线峰值前的弹性模量;λ为煤样应力应变曲线峰值后的软化模量㊂实验室条件下,采用伺服压力试验机对标准煤样试件进行单轴压缩,测量全程应力应变曲线,曲线峰值点前弹性阶段的直线斜率定义为弹性模量E;峰值点后软化阶段的直线斜率为负值,其绝对值定义为软化模量λ,代入式(1)即可测定煤样的模量指数Kλ㊂图1㊀煤样全程应力应变曲线Fig．1㊀Stress-strain curve of coal如果煤的全程应力应变曲线在峰值强度前是线弹性直线上升,峰值强度后软化过程是线性软化下降,在这种理想情况下,冲击能量指数和模量指数的数值相同㊂但二者表述的物理意义不同,模量指数Kλ是从冲击地压扰动响应失稳理论得出的反映煤岩体结构稳定性的参数,模量指数可以用来计算煤岩体结构的冲击危险性指标如:临界软化区深度㊁临界载荷㊁临界阻力区深度及支护临界载荷等[7-10]㊂以圆形巷道掘进及工作面回采过程中,巷道发生冲击地压的临界载荷P cr为例,一般情况下可取内摩擦角φ= 30ʎ,临界载荷可以表示为P crσc=121+1Kλæèöø(2)式中,σc为单轴抗压强度;P cr为发生冲击地压的临界载荷[11]㊂7271煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2019年第44卷由式(2)可知,只需测量出巷道围岩的模量指数Kλ,单轴抗压强度σc以及内摩擦角φ就可以计算巷道发生冲击的临界载荷,当巷道所承受的载荷达到临界载荷时煤岩体结构就会发生冲击[12-13]㊂模量指数Kλ可对煤岩体结构冲击地压失稳进行预警,而冲击能指数仅是在实验室煤的单轴应力应变曲线峰值强度前面积与峰值强度后面积的比值,没有明确的理论支撑就简单推广到现场应用㊂2㊀煤样试件与试验过程实验选取完整且不含节理的煤体进行取样,降低了煤样试件个体差异性引起的实验误差㊂如图2(a)所示,煤样试件为直径50mm㊁高度100mm的圆柱试件㊂煤样试件经取芯切割后,通过双端面磨平机打磨试件端面,确保试件上下两端面平行度在ʃ0．05mm之内,加工完成后使用保鲜膜对煤样进行密封㊂如图2(a)所示,测试了19个标准煤样试件的模量指数和动态破坏时间㊁弹性能量指数㊁冲击能量指数㊁单轴抗压强度㊂如图2(b)所示,实验采用量程为100kN的MTS 电子伺服试验机进行加载;同时采用北京软岛时代科技有限公司生产的全波形DS5-16B声发射检测分析系统,采集试件加载过程中的声发射信号,声发射信号的采样频率为3MHz,门槛值为100mV㊂根据‘GB/T25217．2 2010煤的冲击倾向性分类及指数图2㊀煤样试件及试验设备Fig．2㊀Coal specimens and test equipment的测定方法“,在进行煤样试件的单轴抗压强度和动态破坏时间测量时,设定压机以0．5MPa/s的加载速率将试件加载至完全破坏;在进行弹性能量指数测定时,设定压机以0．5MPa/s的加载速率加至煤样平均破坏载荷的80%,并以相同速率卸载至平均破坏载荷的5%,以此方式进行循环加载,每次重复加载的最大值比上一次提高平均破坏载荷的5%;在进行冲击能量指数的测量时,采用位移加载速率为1．0ˑ10-5mm/s的位移控制方式进行加载㊂3㊀试验结果与分析3．1㊀模量指数与煤的冲击倾向性图3为模量指数Kλ同动态破坏时间T D㊁单轴图3㊀模量指数同其它冲击倾向性评价指标的相关性Fig．3㊀Correlation between modulus index and other evaluation indexes of bursting liability 8271第6期代树红等:模量指数评价煤的冲击倾向性的实验研究抗压强度R c㊁弹性能量指数W ET㊁冲击能量指数K E的相关性曲线㊂由图3可知,模量指数同单轴抗压强度之间的相关性最强㊂模量指数的大小随着动态破坏时间的增大而减小,呈反比例关系;当单轴抗压强度㊁冲击能量指数和弹性能量指数增加时,模量指数随之增大,呈正比例关系㊂图3中f(x)是模量指数Kλ的回归拟合方程,R2是度量拟合优度的统计量㊂㊀㊀动态破坏时间㊁弹性能量指数㊁冲击能量指数㊁单轴抗压强度对4组不同冲击倾向性煤样的评价结果,以及煤样试件对应的模量指数见表1㊂从表1中的数据可以看出,各组冲击倾向性相同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围较小;冲击倾向性不同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围很大,而且冲击倾向性越强的煤样其模量指数越大㊂因此,煤样模量指数的大小和煤的冲击倾向性强弱相关,可作为评价煤的冲击倾向性指标㊂根据表1测定的模量指数大小,综合对比其他冲击倾向性评价指标的评价结果,表2给出了采用模量指数评价煤的冲击倾向性强弱的评价标准㊂采用表2的评价标准,模量指数对表1中试件冲击倾向性的评价结果,同其他冲击倾向性评价指标的评价结果具有一致性㊂表1㊀冲击倾向性及模量指数Table1㊀Bursting tendency and modulus index试件编号单轴抗压强度R c/MPa判定动态破坏时间T D/ms判定弹性能量指数W ET判定冲击能量指数K E判定模量指数Kλ115．09强42强3．57 216．09强31强4．49 311．04强359弱3．13 414．78强187弱3．44 513．02强4．39 613．38强5．45 715．12强4．86 89．140强3．84 911．72强4．03 1010．16强3．96 111．79无0．47 122．36无0．84 135．4无1．11 144．21弱3．51 152．14弱1．61 161．52弱1．57 171．69弱1．67 181．70弱1．47 196．19强3．68表2㊀模量指数对冲击倾向性的评价标准Table2㊀Criteria for evaluating bursting tendency bymodulus index冲击倾向无弱强模量指数Kλɤ1．111．11<Kλ<3．51Kλȡ3．51 3．2㊀模量指数大小的影响因素表3统计了试验中不同冲击倾向性煤样试件,在峰值强度前的弹性模量E和峰值强度后软化模量λ的变化结果㊂㊀㊀从表3中的数据可看出,对于冲击倾向性不同的煤样,弹性模量E的变化幅度较小,而软化模量λ变表3㊀不同冲击倾向性煤样E和λ的变化范围Table3㊀Variation range of E andλof coal specimenswith different bursting tendency参量无冲击弱冲击强冲击E30．84~271．85221．10~475．00443．39~667．38λ67．84~127．77913．14~1667．251582．90~2809．66化幅度最大在2个数量级左右,其中强冲击倾向性煤样软化模量λ的变化幅度远大于弹性模量E的变化幅度㊂因此,决定煤的模量指数大小和冲击倾向性的关键影响因素是软化模量λ,影响冲击地压发生的根本内因是煤在应力应变曲线峰值后的应变软化性质㊂9271煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2019年第44卷3．3㊀模量指数与煤样内部能量释放特征煤样在全程加载过程中声发射事件能量不断变化[14],为了研究模量指数对煤样加载过程中能量释放特征的影响,从表1中分别选取无冲击㊁弱冲击和强冲击倾向性的6个典型煤样试件㊂图4~6中给出了6个煤样试件,在全程加载过程中的载荷曲线和声发射事件能量的测试结果㊂从图4~6中声发射事件能量变化分布数据可以看到,模量指数小的无冲击倾向性煤样在整个加载过程中,声发射事件即能量释放事件频繁发生,但是每个事件释放的能量较小,高能量释放事件分布在临近载荷峰值时刻;模量指数较大的弱冲击倾向性煤样在整个加载过程中,冲击破坏前后均有声发射事件,但多数事件释放的能量同样较小,在临近载荷曲线峰值的冲击破坏阶段,声发射事件集中且释放的能量较高;模量指数大的强冲击倾向性煤样在整个加载过程中,破坏前后阶段没有明显的声发射事件出现,但在临近载荷曲线峰值的冲击破坏阶段集中出现高能量的声发射事件,煤样内部的能量表现为集中释放的特征㊂图4㊀无冲击倾向性煤样的载荷曲线和声发射事件Fig．4㊀Load curves and acoustic emission events of coal samples without burstingtendency图5㊀弱冲击倾向性煤样的载荷曲线和声发射事件Fig．5㊀Load curves and acoustic emission events of coal samples with weak burstingtendency图6㊀强冲击倾向性煤样的载荷曲线和声发射事件Fig．6㊀Load curves and acoustic emission event of coal samples with strong bursting tendency371第6期代树红等:模量指数评价煤的冲击倾向性的实验研究4㊀结㊀㊀论(1)模量指数可用于煤的冲击倾向性评价㊂当模量指Kλ<1．11时,煤样无冲击倾向性;当Kλ在1．11~3．51时,煤样具有弱冲击倾向性;当Kλ>3．51时,煤样具有强冲击倾向性㊂(2)软化模量λ是决定模量指数大小的关键因素㊂冲击倾向性强弱不同的煤样,软化模量λ的变化幅度远大于弹性模量E的变化幅度,λ决定着煤的模量指数的大小及其冲击倾向性的强弱㊂(3)煤样内部能量的释放特征和模量指数的大小相关㊂模量指数小的无冲击和弱冲击倾向性煤样,在全程加载过程中均有声发射事件,内部能量频繁释放,临近载荷峰值时刻出现高能量的声发射事件;模量指数大的强冲击倾向性煤样,临近载荷峰值时刻集中出现高能量的声发射事件,内部能量集中释放㊂模量指数可作为煤的冲击倾向性的评价指标,分析模量指数的关键影响因素和对煤样能量释放特征的影响规律,对于冲击地压的现场监测㊁预警和防治具有指导价值㊂参考文献(References):[1]㊀潘一山,李忠华,章梦涛.我国冲击地压分布㊁类型㊁机理及防治研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(11):1844-1851.PAN Yishan,LI Zhonghua,ZHANG Mengtao.Distribution, type,mechanism and prevention of rockbrust in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(11):1844-1851.[2]㊀DOU Linming,MOU Zonglong,LI Zhenlei,et al.Research progressof monitoring,forecasting,and prevention of rockburst in under-ground coal mining in China[J].International Journal of Coal Sci-ence&Technology,2014,1(3):278-288.[3]㊀中华人民共和国国家标准编写组.GB/T25217.2 2010,冲击地压测定㊁监测与防治方法 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围岩冲击倾向性分析
围岩冲击倾向性分析作者：于海洋来源：《中国科技纵横》2012年第17期摘要：本文作者对长矿4槽煤顶底板岩石进行了采样，按照要求加工成标准试件并进行测试。
结合测试结果，通过理论计算得到了岩石冲击倾向性的判定值，进而对长矿4槽煤层顶底板冲击倾向性进行了分析。
分析结果为长矿矿井动力灾害防治提供了理论参考。
关键词：冲击地压冲击倾向性弯曲能量指数弹性模量冲击地压是煤矿动压现象之一，其往往造成严重的人员伤亡和经济损失。
随着我国煤矿开采深度和开采强度的增加，冲击地压问题将越来越突出。
为了认识长矿4槽煤顶底板岩石的力学性质和冲击倾向性，我们对岩样的力学性质和冲击倾向性进行了测试。
测试结果可为长矿矿井动力灾害防治提供理论参考。
1、采样说明及试件加工1.1 采样说明为了分析4槽煤顶底板岩石的冲击倾向性，制定的采样方案为在4槽综采工作面，选择三个不同的高应力区域，分别取顶、底板试样各3块，岩样尺寸要求不小于200mm×200mm×200mm，运至井上包装、装箱，并标注采样地点。
1.2 试件加工根据测试项目，将岩样加工成符合要求的标准试件，尺寸为5cm×5cm×10cm，顶底板各加工岩石试件10个。
2、冲击倾向性分析测试内容对4槽煤顶底板岩样，分别测试岩样的物理性质和力学性质，并据此计算出岩样的弯曲能量指数，确定冲击倾向性。
(1)测定长矿4槽煤顶底板的各项物理力学指标；(2)据物理力学指标计算出岩样的弯曲能量指数，确定冲击倾向等级。
3、测试方法及测定成果3.1 测定方法(1)天然视密度：测定三次，取算术平均值，计算结果取两位小数，相邻两次测定结果差值不得超过0.05 g/cm3。
(2)单向抗压强度：(3)抗拉强度：(4)抗剪强度：单个试件剪切破坏面上的正应力、剪应力按下式计算：根据不同剪切角45、55、65o条件下，所测得的、值，绘制强度曲线，求C、值，将剪切强度曲线简化为直线。
煤层(岩层) 冲击倾向性鉴定报告编写提纲
煤层（岩层）冲击倾向性鉴定报告编写提纲1绪论叙述目的与任务，本次工作的主要依据（包括行政规章、规范、技术资料）。
说明本次工作的技术路线和工作经过。
叙述井田内是否发现有强烈震动、瞬间底(帮)鼓、煤岩弹射等动力现象。
叙述相邻矿井开采的同一煤层是否发生过冲击地压或经鉴定为冲击地压煤层。
2地层概况简述井田所处区域地层和煤矿地层（可列表说明）。
叙述井田内地层层序（由老至新）、时代、厚度、岩性及古生物组合特征。
3地质构造简述井田所处大地构造单元和区域构造特征。
简述区域岩浆岩特征。
详细叙述井田基本构造形态、地层产状及其变化规律。
叙述井田内褶曲和断层的位置、基本特征、延展情况及其控制和查明程度（插主要构造一览表，构造纲要图）。
4可采煤层特征叙述各可采煤层赋存层位、分布特征、煤层间距（最小、最大、平均值）、煤层厚度及变化（分全井田和未采区叙述）、夹矸层数、夹矸厚度及岩性、煤层结构分类，伪顶、直接顶、老顶及底板岩性、厚度，煤层的稳定性（插可采煤层特征一览表）。
叙述是否有埋深超过400米的煤层，且煤层上方100米范围内存在单层厚度超过10米、单轴抗压强度大于60MPa的坚硬岩层。
5现场采样采样区地质及开采煤层技术条件情况叙述。
采样点采取的样品是否具有代表性必须用可信的资料证明。
采样方法等现场工作必须采用插图、表具体说明。
6试验项目鉴定顶板岩层冲击倾向性的指标为弯曲能量指数。
鉴定煤的冲击倾向性的指标有四个，分别为动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数、单轴抗压强度。
7试件加工与试验7.1试件加工7.2试件数量7.3试验7.3.1试验设备与仪器7.3.2试验方法8室内试验分析8.1煤层试样物理力学性质煤层试样的物理性质、煤层试样的力学性质8.2煤层围岩试样物理力学性质煤层围岩试样的物理性质、煤层围岩试样的力学性质8.3煤层冲击倾向性鉴定8.4顶板岩层冲击倾向性鉴定9综合分析评定依据井田内是否发现有强烈震动、瞬间底(帮)鼓、煤岩弹射等动力现象，相邻矿井开采的同一煤层是否发生过冲击地压，井田地质条件分析。
预测冲击地压的煤岩变形局部化策略
预测冲击地压的煤岩变形局部化策略预测冲击地压的煤岩变形局部化策略预测冲击地压是煤矿安全管理中的重要任务之一。
为了有效应对冲击地压对煤岩的变形造成的安全隐患，我们需要制定一套变形局部化策略。
下面是一步步的思路：第一步：了解煤岩的力学特性在制定变形局部化策略之前，我们需要对煤岩的力学特性有一个清楚的了解。
这包括煤的强度、变形特性以及煤与岩石层之间的相互作用等。
通过实验室试验和现场观测，我们可以获取到这些重要的力学参数。
第二步：收集地质和构造信息煤岩的变形局部化与地质和构造条件密切相关。
因此，我们需要收集相关的地质和构造信息，包括煤层的厚度、倾角、断裂和节理的分布情况等。
这些信息可以帮助我们理解煤岩受力的机制，有助于制定相应的变形局部化策略。
第三步：建立变形预测模型基于前两步收集到的信息，我们可以建立一个合适的变形预测模型。
这个模型可以根据不同的力学参数和地质条件，预测冲击地压对煤岩的变形情况。
常用的模型包括弹性力学模型、塑性力学模型和离散元模型等。
通过模型的建立，我们可以预测煤岩的变形情况，为后续的局部化策略制定提供依据。
第四步：制定变形局部化策略根据变形预测模型的结果，我们可以制定一套变形局部化策略。
这些策略可以包括改变矿井的工艺参数、调整支护结构、优化矿井布局等。
具体的策略应该根据预测结果和实际情况进行调整和优化，以最大程度地减轻冲击地压对煤岩变形造成的影响。
第五步：实施和监测制定好变形局部化策略后，我们需要将其付诸实施，并通过监测和评估来验证策略的有效性。
实施包括对井下的支护结构进行调整和优化，以及对工艺参数进行调整等。
监测可以通过安装传感器，实时监测煤岩的变形情况，并与预测模型的结果进行对比。
如果策略有效，那么实际观测和预测结果应该是一致的。
综上所述，预测冲击地压的煤岩变形局部化策略可以通过以上五个步骤来实现。
这种策略可以帮助我们有效应对冲击地压造成的安全隐患，保障煤矿的安全生产。
深井煤岩样冲击倾向研究
（） ３ 取样时为防止煤岩样 在采 取过程 中受到剧烈 运动 ， 尽量采用人工手镐刨 ， 特殊情况下 的深部顶和底
采用爆 破的形 式取 出， 试样采 出后 ， 还要深加 工 ， 小 用
圆锤精打细敲 ， 按标准采取 。 （） ４ 不得对岩块进行破坏 ， 确保试块完整无损。 （） ５ 上井后要立即封蜡 ， 用纸包好 ， 袋、 装 装箱 ， 以
１ ４ ９
（） １ 取样人员必须在支护安全 的状 态下进入取样
地点。
（） ２ 对于掘进工 作面深 部顶 板取样 时 ， 由现 场 要 施工人员 以爆破 的形式将其取 出 ， 取样人员 在确保安 全后方可将试块取 出（ 试块 以崩 落后 的岩 石为选取对 象） 。 （） ３ 回采工作面的深部顶板取样 以老 空区 冒落岩
煤岩样 冲 击倾 向 研 究
文 献标 识 码 Ｂ
及 不 同 层位 的顶板 岩 层 的 弯 曲能量 指 数进 行 测 定 ， 此为 矿 井 的安 全 生 产提 供 依 据 。 以 中 圈分 类 号 Ｔ ３ ４ Ｄ ２
华恒公司矿井已进入深部开采 ， 压显现 明显 ， 矿 有 冲击地压危险。为充 分掌握深 部煤岩性 的变化情况 ，
０８ ０ ７ ｍ， ．３— ．８ 平均 ０ ８ ． ｍ。煤层 的可 采性 指数 Ｋ ｍ＝
・收 稿 日期 ：０ ９—１ ３ ２０ ２— ０
（） １ 下井前首先弄清各取样地点岩石结 构及岩石 特征。
（） ２ 取样 时试 块 要 求 ： 得 经过 水 泡、 得有 裂 不 不
纹、 不得尺寸不够。
通过以上措施 的实行 ， 井下瓦斯 超限情 况明显减 少， 显著提高 了安全程度和劳动生产效率 ， 只要对瓦斯 涌出超 限报警 工作给予充 分地重视 ， 因地制 宜采取相 应措施并实施 到位 ， 完全可以对其进行有效控制。
岩石强度对于组合试样力学行为及声发射特性的影响
岩石强度对于组合试样力学行为及声发射特性的影响刘杰;王恩元;宋大钊;杨胜利;钮月【摘要】为研究岩石强度对煤、岩体整体失稳的影响,测试并研究了不同组合煤岩试样单轴压缩过程的破裂形式、应力应变特性、试样强度、声发射特性等规律,分析了岩石强度对于组合试样力学行为的影响.结果表明:组合试样应力-应变曲线位于煤体和岩石之间,更加靠近煤体;随着岩石强度的升高,组合试样从屈服到达峰值的速度越来越快;煤体相同条件下,岩石的强度较低时,组合试样裂纹会向岩石内扩展,同时岩石发生拉伸破坏,岩石强度较大时,破裂主要发生在煤体内;组合煤岩试样屈服点和峰值的应力比值相差不大,屈服点和峰值的应变比值随岩石强度的升高不断升高,两者比值和岩石强度呈线性关系;组合试样峰值应力处声发射信号能量值和脉冲值随岩石强度的增加呈线性升高.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)004【总页数】7页(P685-691)【关键词】组合煤岩试样;岩石强度;应力-应变曲线;声发射【作者】刘杰;王恩元;宋大钊;杨胜利;钮月【作者单位】中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221008;中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州221008;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221008;中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州221008;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221008;中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州221008;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221008;中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州221008;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221008;中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州221008【正文语种】中文【中图分类】TU458煤岩动力灾害是煤岩体在载荷作用下发生的突发性破坏或失稳现象,主要包括煤与瓦斯突出和冲击地压等[1－2]。
动静加载下组合煤岩破坏失稳的突变模型和混沌机制
动静加载下组合煤岩破坏失稳的突变模型和混沌机制刘少虹【摘要】为进一步加深对动载诱发冲击地压机理的认识,采用时效损伤本构模型与尖点突变理论相结合,得到了一维动静加载下煤岩组合系统的破坏判据、突跳位移以及释放总能量的数学表达式.并建立一维动静载下煤岩组合系统的非线性动力学模型,发现外载能量与系统自身固有能量之间的相互作用导致模型的演化过程呈阶段性并出现混沌现象;当组合系统本身的非线性作用与外部载荷的作用能力相当时,系统的演化进入混沌阶段.由此得出,井下煤岩体结构与动静载荷之间的相互作用是影响动载诱发冲击地压演化过程的关键.最后,对理论结果进行一维动静加载试验验证,表明理论和试验值吻合较好.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)002【总页数】9页(P292-300)【关键词】动静加载;煤岩组合系统;突变理论;混沌理论;冲击地压【作者】刘少虹【作者单位】煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京100013;天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京100013【正文语种】中文【中图分类】TD324冲击地压作为煤岩动力灾害之一，已严重影响我国煤矿的安全生产。
冲击地压是采场及巷道周围的煤岩体在高应力集中作用下，向采掘空间突然、猛烈冲出[1-2]。
为进一步揭示冲击地压发生机理及前兆信息，常采用数值模拟或实验室试验方法，研究组合煤岩的破坏失稳特征，从而掌握顶板-煤层-底板之间的相互作用下采动诱发冲击地压的机理和规律[3-4]。
其中，姜耀东等[5]对单轴加载下组合煤岩的黏滑特性进行试验分析。
赵毅鑫等[6]采用红外热像、声发射等监测手段，对单轴加载下组合煤岩破坏的前兆信息进行试验分析。
郭东明等[7]采用试验和数值模拟方法分析单轴和三轴加载下煤、岩交界面倾角对煤岩组合体变形破坏的影响。
窦林名等[8]采用单轴循环加卸载试验，对取自4个矿的组合煤岩试样的冲击倾向性进行分析。
左建平等[9]开展了单轴和三轴压缩试验，对煤岩组合试样的破坏机制和力学特性进行分析。
组合煤岩结构体冲击倾向演化数值模拟_赵善坤
中图分类号：TD 324
文献标志码：A
Numerical simulation experiments on bursting liability
evolution of compound coal-rock structure
ZHAO Shankun1,2, ZHANG Yin3, HAN Rongjun3, JIANG Hongbing3, ZHANG Ningbo1,2, XU Zijie1,2 （1. Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. State Key
同顶板高度下“顶板-煤层”结构的冲击倾向特征， 见图 1.
200 顶板
150 煤层
100
应力/MPa
顶板 煤层
50
顶板:煤层=2:1
顶板:煤层=1:1
0 20 40 60 80 100 120
时步/n
结构体的单轴抗压强度约为 200 MPa，随着顶板厚 度的增加，组合煤岩结构体单轴抗压强度变强.二者 相比之下，虽然高度比为 1:1 时整体结构峰值前时 步较 2:1 时大，积累了更多的弹性能量，但由于两 者曲线峰后表现出的软化程度不同，同时高度比为 2:1 时峰后加载步明显小于 1:1 时，表明高度比为 2:1 的动态破坏时间小于顶板：煤层为 1:1，其冲击 危险性更强.根据冲击能量指数的定义，顶板:煤层 为 2:1 时的冲击能量指数高于高度比 1:1 时的冲击 能量指数.数值模拟结果与实验室的测试结果吻合， 也表明了数值模拟试验研究“顶板-煤层”结构冲击 倾向特征的可行性.
国家重点实验室，北京 100013；3. 义马煤业集团股份有限公司，河南 三门峡 472300） 摘 要：针对单纯以煤层或顶板岩层进行煤层冲击倾向性判定存在“低估”问题，采用 RFPA2D 模拟软件开展不 同高度比和不同顶板强度、厚度、均质性及接触面角度下组合煤岩结构体的冲击倾向性数值试验.研究结果表明：
煤岩物理力学性质与冲击倾向性关系
煤岩物理力学性质与冲击倾向性关系李宏艳【摘要】冲击倾向性是煤岩介质的固有属性,是发生冲击矿压的必要条件,物理力学参数表征煤岩介质的性质,基于大量煤岩介质物理力学参数数据及冲击倾向性结果,分析了煤岩物理力学性质中吸水性、强度参数、变形参数与冲击倾向性之间的定量或定性关系.试验研究及理论分析结果表明,随着煤岩介质吸水性增强,其动态破坏时间越长,冲击能量指数越低,冲击倾向性程度越低;煤岩介质随着单轴抗压强度的增强,受载过程中积蓄的弹性应变能增大而耗散的永久变形能减少,冲击倾向性增加;弹性模量大于9GPa时,冲击倾向性类别只为强冲击.【期刊名称】《煤矿开采》【年(卷),期】2011(016)003【总页数】5页(P43-46,55)【关键词】冲击倾向性;物理力学参数;动态破坏时间;冲击能量指数;弹性能量指数【作者】李宏艳【作者单位】煤炭科学研究总院,北京100013;煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院),北京100013【正文语种】中文【中图分类】TU45煤岩作为典型的脆性岩石赋存于复杂的地质环境中,煤岩介质的物理力学性质更趋于复杂化,尤其是具有积蓄变形能并产生冲击式破坏的性质,即冲击倾向性,冲击倾向性是煤岩介质固有属性。
煤岩介质冲击倾向性是引发煤矿冲击矿压等煤岩动力灾害的必要条件。
因此,准确把握煤岩介质冲击倾向性的强弱,是控制冲击矿压等煤矿突发性灾害的重要前提。
针对煤岩介质冲击倾向性实验、指标、判别,国内外学者作了大量研究工作,从不同角度对冲击倾向性的影响因素进行了分析,从而提出了一系列冲击倾向性评价指标,例如弹性能指标（WET）[1-3]、能量指标（PES）[2]、脆性指标修正值（B IM）[4]、能量耗散指标（K）[5]、动态破坏时间（DT）[6]、有效释放率（B ER）[3,7]、脆性指标（B）[8],能量释放率（ERR）[9]、有效冲击能[10]等。
指标的提出为冲击倾向性评价奠定了基础,同时也为冲击矿压的预测预报提供了依据。
煤系岩石的成分、结构与其冲击倾向性关系
第24卷第24期岩石力学与工程学报V ol.24 No.24 2005年12月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2005煤系岩石的成分、结构与其冲击倾向性关系潘结南1，2，孟召平1，刘保民1，2(1. 中国矿业大学(北京) 资源与地球科学系，北京 100083；2. 河南理工大学资源与环境工程系，河南焦作 454000)摘要：煤岩体的冲击倾向性是发生冲击地压的固有属性和必要条件，且影响煤岩体冲击倾向性的因素很多；而煤岩体的物质成分、岩性组构是煤岩体的内在属性，是决定煤岩冲击倾向性的内在因素。
从煤岩的微观结构出发，研究煤岩的受力情况、强度特征、变形破坏过程，构建煤岩的微观组构与煤岩的宏观力学性质之间的关系模型；分析煤岩蓄能和耗能的作用机理，从而构建煤岩体的物质成分、岩性组构与煤岩的冲击倾向性大小之间的定性、定量关系。
试验研究与理论分析结果表明，随着碎屑颗粒(石英)含量的增加，岩石的强度和刚性增强，受载过程中积蓄的弹性应变能增大而耗散的永久变形能减少，发生应变型冲击地压的可能性增加。
随着碎屑颗粒粒径的减小，粗粒的粒柱状矿物(石英、长石等)逐渐减少，而细粒的片状矿物(云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等)增多，岩石的刚性减弱，在集中应力作用下，产生塑性变形所耗散的永久变形能增加，发生脆性破坏的可能性减小，岩石的冲击倾向性减小。
关键词：岩石力学；冲击倾向性；冲击地压；弹性应变能；耗散能中图分类号：TU 452；TD 324 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)24–4422–06RELATIONSHIP BETWEEN ROCK COMPOSITION AND TEXTURE OF COAL-BEARING FORMATION AND ITS BURST POTENTIALPAN Jie-nan1，2，MENG Zhao-ping1，LIU Bao-min1，2(1. Department of Resources and Geosciences，China University of Mining and Technology，Beijing100083，China；2. Department of Resources and Environment Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454000，China)Abstract：The burst potential of coal-bearing formation is the inherent attribution and necessary condition to induce a rockburst. There are many factors that can influence the burst potential of rock masses，but the rock composition and texture are the intrinsic factors to control its burst potential. Based on the microstructure of rock masses，the stress condition，the strength character s，and the deformation-fracture process of rock masses are discussed，which are used to establish the relationship model between the microstructure and macro-mechanical property of rock masses. The mechanism of energy accumulation and dissipation of rock masses during loading is analyzed to establish the qualitative and quantitative relations between the composition and texture and the burst potential of rock masses of coal-bearing formation. From the experimental researches and theoretical analysis，it is shown that the burst potential of rock mass has an intimate relationship with its composition. With the increasing of the detritus content of rock masses(from mud shale，siltstone，to fine and medium sand)，the compressive strength and elastic modulus of rock masses increase. The accumulated strain energy in rock masses during loading increases and the dissipated energy of plastic deformation decreases，which improves the possibility to收稿日期：2004–07–12；修回日期：2004–12–16基金项目：国家自然科学基金资助项目(40172059)；全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目(200247)；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目作者简介：潘结南(1972–)，男，1996年毕业于焦作工学院地质矿产勘查(岩土工程)专业，现为博士研究生、讲师，主要从事矿井工程地质与岩石力学方面的教学与研究工作。
国内外对煤矿倾向冲击性的研究
国内外对煤矿倾向冲击性的研究
煤矿倾向冲击性是指煤矿开采过程中,由于地质条件、采矿方式等原因导致煤层垮落、煤岩爆炸等事故的可能性。
有许多国内外的研究对煤矿倾向冲击性和相关危险因素进行了研究：
国内研究：
1. 《韶山煤矿倾向冲击厚度测定方法的探讨》
该研究旨在探讨韶山煤矿倾向冲击的原因和控制方法,并提出了一种测定该现象的新方法。
2. 《煤矿倾向冲击的风险评价及预测方法研究》
该研究对倾向冲击的危险因素进行分析,从地质构造、煤层结构、矿井支柱等方面进行预测和评价。
国外研究：
1. 《Coalburst在煤矿开采中的预测和控制》
该研究分析了澳大利亚煤矿中存在的Coalburst现象,并提出了一套完整的预测和控制体系。
2. 《煤与岩石冲击破裂机理》
该研究探讨了加拿大不同类型的煤和岩石在各种应力下的断裂特征和机理,为煤岩爆炸的预防和控制提供基础性研究。
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第24卷 增1 岩石力学与工程学报 V ol.24 Supp.1 2005年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug .，2005收稿日期：2005–04–02；修回日期：2005–06–16作者简介：李纪青(1949–)，男，1982年毕业于中国矿业学院采矿工程系采煤工程专业，现任研究员，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究工作。
E-mail ：lijiqing1106@ 。
应用煤岩组合模型方法评价煤岩冲击倾向性探讨李纪青，齐庆新，毛德兵，王永秀(煤炭科学研究总院 北京开采研究所，北京 100013)摘要：在大量实验室试验的基础上，总结、分析了煤岩组合模型的冲击倾向性，并与单一煤模型的冲击倾向性进行了对比分析。
研究结果表明，采用煤岩组合模型测得的冲击倾向性指标均高于单一煤模型；同时考虑到实际煤岩层结构特点与覆存特性，建议采用组合模型来评价煤岩冲击倾向性。
关键词：岩石力学；冲击倾向性；煤岩组合模型；评价方法中图分类号：TU 452 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)增1–4805–06DISCUSSION ON EV ALUATION METHOD OF BURSTING LIABILITYWITH COMPOSITE MODEL OF COAL AND ROCKLI Ji-qing ，QI Qing-xin ，MAO De-bing ，WANG Yong-xiu(Beijing Mining Research Institute ，China Coal Research Institute ，Beijing 100013，China )Abstract ：The evaluation method of bursting liability of coal or rock with composite model is summarized and analyzed on the basis of a great deal of experiments in the laboratory. The achieved results show that indexes on bursting liability examined with composite model of coal and rock are larger as compared with single model of coal. According to the results ，the composite model is advised to evaluate the bursting liability of coal or rock ，considering the characters of frame and cover in point of the layer of coal and rock.Key words ：rock mechanics ；bursting liability ；composite model of coal and rock ；evaluation method1 引 言冲击倾向性是识别煤岩体发生冲击破坏的能力、鉴定其是否具有发生冲击地压危险性的固有力学性质。
冲击倾向性研究在冲击地压机理研究中占有重要的位置，是冲击地压预测与防治研究的基础。
我国开展冲击倾向性研究已有20余年，在借鉴国外研究成果的基础上，通过大量实验室研究，已初步形成适合我国煤矿条件的冲击倾向性评价方法并制定了相应的行业标准[1，2]。
应该说，这些标准对指导我国冲击倾向性评价起到了重要的作用。
但是，在这些标准中，主要是针对煤或岩层单一试块所制定的冲击倾向性评价指标和试验方法。
事实上，冲击地压的发生不仅仅与煤、岩层的冲击倾向性有关，而且与煤岩层的结构特点和煤岩层的组合形式具有密切的关系[3，4]。
煤体自身具有冲击倾向性是发生冲击地压的必要因素之一，然而即使是有强烈冲击倾向的煤体也只有在一定的条件下才会产生冲击式破坏，并释放巨大能量。
在采、掘工作面及巷道中，煤、顶板、底板共同组成一个力学平衡体系，这个体系受到采动的影响时，受力状态不断的变化。
因此，围岩与煤体的相互作用，是能否发生冲击地压的重要条件。
具有同等冲击倾向的• 4806 • 岩石力学与工程学报 2005年煤层在围岩作用下将发生更加强烈的冲击地压。
因此，很有必要研究在顶板与煤或顶板、煤与底板组合情况下，产生冲击倾向的状况。
为了使煤岩冲击倾向性测定更能充分反映煤岩层实际特点，进一步完善我国冲击倾向性测定方法，笔者开展了煤岩组合模型的冲击倾向性试验测定工作，对煤岩组合模型的冲击倾向性进行了探讨。
2 煤岩组合模型冲击倾向性测定2.1测定指标与试验方法煤岩组合模型冲击倾向性的试验和测定方法，目前国内尚没相关标准。
为了便于对比分析，对煤岩组合模型冲击倾向性试验参照《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》(MT865–2000)中提供的测定指标和测定方法进行试验，即测定煤岩组合模型的冲击能量指数、弹性能量指数和动态破坏时间。
2.2模型的加工首先将煤岩样块夹持在钻石机的加工平台上，用金刚石钻头钻取直径为φ 50 mm的煤岩试样。
然后用锯石机将煤岩试样锯成高50 mm或25 mm左右的圆柱体。
钻和锯煤、岩试件时用水冷却。
最后在磨平机上将煤试件或岩石试件两端磨平，研磨时要求试件两端面不平行度不得大于0.01 mm，上、下端直径的偏差不得大于0.02 mm，并用乳化液冷却。
将加工好的煤岩试件，按不同的高度比和不同的组合形式，用乳胶粘合成φ 50 mm×100 mm的标准试件待用。
各类组合模型的组合方式见图1及表1。
表1 各类煤岩组合模型的组合方式Table 1 Combination modes for coal and rock组合形式高度比例组合形式高度比例煤∶直∶基1∶1∶1 底∶煤∶基1∶1∶1煤∶直1∶1 煤∶直1∶2 煤∶底1∶1煤∶基1∶1煤∶基1∶2 煤∶基1∶3底∶煤∶基1∶1∶1注：“煤”为煤层试件；“直”为直接顶试件；“基”为基本顶试件；“底”为煤层底板试件，下同。
2.3 试验仪器与设备试验设备有WPM25kN型德国材料试验机、德国WPM1000kN型万能试验机。
测试设备有采集速度为0.1 ms的高速计算机数据采集处理系统(HCD)、MDG动态电阻应变仪、KC型静态电阻应变仪及配套的载荷和位移传感器。
2.4 试验结果及分析为了使试验结果具有代表性，本文开展了4个不同矿井煤岩组合模型的冲击倾向性测定工作，测定结果如表2～8所示。
(a) 组合模型(b) 组合模型承压破坏的状况(c) 组合模型承压破坏的状况图1 组合模型破坏前后的状况Fig.1 Status of the composite model before and after failure从表2，3可以看出，A矿的组合模型与单一煤试件相比，无论是动态破坏时间还是冲击能量指数都趋向于强冲击倾向。
特别是动态破坏时间测定值的变化达到166.64%，由弱冲击倾向范畴上升到强第24卷 增1 李纪青等. 应用煤岩组合模型方法评价煤岩冲击倾向性探讨 • 4807 •表2 A 矿组合模型测定结果Table 1 Results of the mine A with composite models组合方式 煤岩高度比 弹性模量/(103 MPa)单轴抗压 强度/MPa 冲击能量指数K E /K J 动态破坏时间/ms煤∶顶板 1∶1 2.92 30.36 54 36.0煤∶顶板 1∶1 5.36 2.79 20 58.5下 分 层 煤 煤∶顶板1∶1 4.72 1.54 / 48.5 煤∶顶板 1∶1 3.49 8.75 / 43.0煤∶顶板 1∶1 4.81 2.58 52 60.5上 分 层 煤 煤∶顶板1∶1 3.48 3.01 67 58.0底∶煤∶顶 1∶1∶1 4.32 13.89 173 44.5底∶煤∶顶 1∶1∶1 8.40 1.54 53 105.0下 分层 煤底∶煤∶顶 1∶1∶14.902.32 43 70.5底∶煤∶顶 1∶1∶1 6.15 6.65 56 80.0底∶煤∶顶 1∶1∶13.71 1.02 890 44.0上 分层 煤底∶煤∶顶 1∶1∶1 4.92 1.30 54 78.0 平均值 4.586 58.55 4.13 49.88注：冲击能量指数测定值中30.36及动态破坏时间测定值中173和890应视为异常数值，舍去不用。
表3 A 矿单一煤试件和组合模型测定值对比表 Table 3 Numerical results comparison for single modelwith composite model in the mine A组合模式 冲击能量指数K E /K J动态破坏时间/ms单一煤试件 3.19 133 组合模型 4.13 49.88 变化率/%＋29.47－166.64冲击倾向范畴，表明在围岩的作用下，组合煤岩的冲击倾向性更加剧烈。
从表4，5可以看出，组合模型测出动态破坏时间值比单一煤试件的短，并且变化率较大。
下分层煤的组合模型测得的动态破坏时间由1 036 ms 缩短到338 ms ，近1/3，按判定标准其动态破坏时间由无冲击倾向改为弱冲击倾向范围；上分层煤的组合模型由240 ms 缩短到59 ms ，近1/4，按判定标准其动态破坏时间由弱冲击倾向改变为接近强冲击倾向范围。
这说明煤与有冲击倾向的坚硬顶、底板岩层结合，会对煤的冲击倾向性产生巨大的影响，不但影响煤弹性能量的积聚，也影响能量释放的速度，加剧了煤的冲击倾向性。
从表5还可以看出，用B 矿19煤层组合模型与单一煤试件相比对冲击能量指数的影响幅度 较小。
表4 B 煤矿组合模型测定结果Table 4 Results of the mine B with composite models煤岩样组合方式组合 比例 单轴抗压 强度/MPa 动态破坏时间/ms 冲击能量指数煤∶直∶基 1∶1∶1 4.26 6 2.80煤∶直∶基 1∶1∶1 4.37 549 2.06煤∶直∶基 1∶1∶1 4.11 550 1.33煤∶直∶基 1∶1∶14.26 602 2.70平均值 4.25440 2.22底∶煤∶基 1∶1∶1 2.70 10 960 1.48底∶煤∶基 1∶1∶1 8.58 319 2.51底∶煤∶基 1∶1∶1 3.48 845 2.85底∶煤∶基 1∶1∶1 10.91274 1.5 平均值 6.42479 2.09煤∶直 1∶1 3.25 2 634 1.21煤∶直 1∶1 4.00 637 1.61煤∶直 1∶1 2.81 678 1.51煤∶直 1∶1 4.11620 1.33平均值 3.54645 1.42煤∶底 1∶1 3.38 54 1.38煤∶底 1∶1 6.03 75 1.62煤∶底 1∶1 4.6386 2.81平均值 4.6872 1.94下 分 层 煤煤∶基1∶1 4.52 74 2.23煤∶基 1∶1 5.46 140 1.83煤∶基 1∶1 4.11518 1.24平均值 4.70244 1.77煤∶基 1∶2 4.31 109 1.41煤∶基 1∶2 3.01 485 1.72煤∶基 1∶2 4.11105 1.96平均值 3.81233 1.70煤∶基 1∶3 7.59 79 1.67煤∶基 1∶3 6.13 626 1.42煤∶基 1∶3 5.9864 1.72下分 层 煤平均值 5.55256 1.60底∶煤∶基 1∶1∶1 15.70 59 0.93煤∶直 1∶1 8.99 62 3.53煤∶直 1∶2 9.04 58 2.25煤∶底 1∶1 10.29 55 1.19煤∶基 1∶1 12.53 60 2.43上分层煤煤∶基1∶3 9.04624.26从表6可以看出，组合模型的动态破坏时间基本均低于单一煤试件，其平均值比单一煤试件少26.09 ms ，平均变化率为75.84%。