摘 要

开展矿区相关工作面的冲击地压倾向性鉴定能够有效地预防冲击地压的发生，具有重要的实际意义。本文针对淮南矿区顾桥煤矿主要开采工作面，开展了以下几方面的研究工作：调查淮南矿区顾桥矿主要开采煤层顶底板岩性特征，发现11-2煤主要开采面埋深均超过400米，且顶底板均存在较厚的坚硬完整岩层，因此确定顾桥矿11-2煤为需开展冲击地压倾向性鉴定的开采工作面；通过现场取样并开展11-2煤层煤样、顶板粉细砂岩和底板细砂岩岩样的单轴压缩试验和巴西劈裂等试验，获取大量试验数据。

试验数据表明，煤样的平均动态破坏时间为1024ms，平均弹性能量指数为1.93，平均冲击能量指数为1.40；对于岩样，顶板粉细砂岩的平均密度、弹性模量、抗压强度、抗拉强度分别为：3.12×10³kg/m³、29.956GPa、106.4MPa、2.5MPa；底板细砂岩的平均密度、弹性模量、抗压强度、抗拉强度分别为：2.543³kg/m³、26.348GPa、95.28MPa、5.48MPa。通过计算得到顶底板的弯曲能量指数分别为5.38和13.7。根据煤岩冲击倾向性测定的行业标准，最终获得了顾桥矿区11-2煤及顶底板的冲击倾向性分类均为无冲击，本论文的研究为后续巷道开挖及施工过程的支护措施提供的指导意义。

关键词： 煤矿；冲击地压倾向性；冲击能量指数；弹性能量指数；弯曲能量指数

Abstract

It is of great practical significance to carry out the evaluation of the coal bump in mining areas.In this paper, the following research work is carried out on the main working face of Guqiao coal mine in Huainan mining area:To investigate the lithological characteristics of the roof and floor coal seam in Guqiao mine of Huainan mining area,it was found that the main mining face of 11-2 coal was buried more than 400 meters deep, and the roof and floor plates all had thick hard intact rocks,Therefore, the coal 11-2 in Guqiao mine is determined to be the mining face that needs to be carried out the evaluation of the coal bump-prone;The uniaxial compression test and Brazil splitting test of 11-2 coal seam sample, roof silt-fine stone sample and floor plate fine-sand rock sample were carried out,by which a large number of test data were obtained.

The experimental data show that the average dynamic failure time of coal sample is 1024ms, the average elastic energy index is 1.93, and the average impact energy index is 1.40;For the sample,the average density, modulus of elasticity, compressive strength and tensile strength of the roof silt-fine stone are respectively:3.12×10³kg/m³、29.956GPa、106.4MPa、2.5MPa;the average density, modulus of elasticity, compressive strength and tensile strength of the floor silt-fine stone are respectively:2.543³kg/m³、26.348GPa、95.28MPa、5.48MPa.The bending energy indexes of the roof and floor plates were calculated as 5.38 and 13.7 respectively.According to the industry standard for the determination of coal bunp-prone, the final classification of the coal bunp-prone of 11-2 coal and roof and floor plates in Guqiao mining area was no coal bump-prone.The research of this paper provides guidance for the subsequent roadway excavation and supporting measures in the construction process.

Key Words：Coal mine; coal bump-prone; Impact energy index; Elastic energy index; Bending energy index

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究意义 1

1.2 研究内容与技术路线 4

第2章 室内试验及相关标准介绍 6

2.1 煤岩冲击倾向性测定依据的主要标准 6

2.2 室内试验 6

2.2.1 单轴抗压试验 6

2.2.2 巴西劈裂试验 7

2.2.3 动态破坏时间测定试验 8

2.2.4 弹性能量指数测定试验 9

2.2.5 冲击能量指数测定试验 10

2.2.6 顶底板弯曲能量指数测定 12

2.3 煤岩冲击倾向性鉴定的具体标准 13

第3章 工程概况 14

3.1 顾桥矿地质概况 14

3.2 含煤地层调查 14

3.3地质构造调查 15

3.4水文地质情况调查 16

第4章 室内试验 18

4.1 岩样的选取与加工 18

4.1.1 取样 18

4.1.2 加工 19

4.1.3 试样选取 20

4.2 试验过程 22

4.2.1单轴压缩试验 22

4.2.2巴西劈裂试验 22

4.3试验结果 23

4.3.1煤样单轴抗压强度 23

4.3.2 顶板试验结果 25

4.3.3 底板试验结果 27

第5章 试验结果分析 30

5.1 煤样冲击倾向性分析 30

5.1.1 顾桥11-2煤煤样的动态破坏时间 30

5.1.2 顾桥矿11-2煤煤样弹性能量指数 32

5.1.3 顾桥矿11-2煤煤样冲击能量指数 34

5.2顶底板岩样冲击倾向性分析 37

第6章 结论 38

参考文献 39

致 谢 41

第1章 绪 论

1.1 研究意义

冲击地压^[1]是矿山开采产业中比较常见的自然灾害之一，形成这种自然灾害的主要原因是在开矿过程中某些岩层所具有的内能和弹性应变能发生突变，释放出巨大的能量，很多的煤和岩石会受到各种力量的挤压脱离原来的壳层，被抛到煤矿的管道中造成通道堵塞，井下几米到几百米的巷道或采煤工作面被瞬间摧毁，是目前世界上矿井行业开采中最容易发生且损害比较严重的矿井灾害。世界上主要采矿国家都曾发生过冲击地压事故，截止2014年，我国矿井行业中就发生了142起有关冲击地压事件。在2005年2月14日，我国的孙家湾煤矿由于采矿操作不当就发生了重大瓦斯事故，其主要原因就是冲击地压引起的自然灾害，该事件中共造成30人受伤，214人当场死亡，其经济损失约为4969万元；2011年的千秋煤矿由于冲击地压致使煤矿的一些通道发生坍塌，将一些矿下作业的矿工封堵或掩埋其中，造成10人死亡并且带来了巨大的经济损失。从这些例子中可以看出，在采矿过程中发生的冲击地压灾害会给矿下作业的员工带来很大的安全隐患，还会给国家带来巨额的经济损失。所以如何应对和处理冲击打压等带来的一系列自然灾害，将是建设和发展采矿行业必须要解决的的重大难题。

当今世界上的跟多国家和企业已经建立了关于冲击地压自然灾害的研究机构，但由于岩体自身的复杂性以及冲击地压现象所处复杂环境特殊性的制约，国内外的学者对于冲击地压的研究主要在两个方面：一方面是冲击地压的理论分析，基于冲击地压的破坏损伤机制，对岩石样本进行室内试验，获得岩石的冲击倾向性指数，对冲击地压进行分类和预测；另一方面侧重于冲击地压的现场试验与检测研究，对工作面煤层及顶底板岩层进行冲击地压倾向性鉴定并研究合理的防治理论与技术。

图1.1 夹持煤层产生高侧压

很多国内外的专家都对冲击地压自然灾害的形成原因进行了大量的分析和研究，并从不同角度提出了很多不同的猜想和论证。目前在人们普遍比较认可的理论主要有以下几种，很早的时候人们提出了强度理论^[2]，这种理论以基本的力学理论为基础，认为冲击地压是由于地壳中的某些岩层内部应力过大导致煤岩层无法承受其强度而形成的自然灾害，并且提出了压力拱、悬臂梁等假说和理论作为支撑理论。在该理论的基础上后来又发展出了近代强度理论，该理论是把煤体-围岩^[3]作为研究对象，当矿山岩层的应力强度大于煤体—围岩形成的综合力学强度时，就可能会发生冲击地压灾害，该理论考虑了系统的极限平衡。地壳岩层的强度越大，相对煤层就会被岩层夹的越紧，这在很大程度上使得煤层至于壳层中难以移动，煤层也就会受到外界更大的压力，更加压实，弹性能不断积蓄，如图1.1。从现代力学和弹性势能的角度来分析，这种夹持作用起到了一定的煤层保护作用，当在开采煤矿的过程中，一部分的岩层平衡性遭到破坏，原来存储在煤层中的弹性势能就会不断聚集起来，当煤体-围岩系统中的强度小于该弹性势能的强度时，该聚集区的能量就会瞬间爆发出来抛向能量较小区域或巷道等空区域，这股力量就是冲击地压。

上个世纪60年代，以刚性压力学和现代经典力学作为基础，Cook等人首次利用刚度理论解释冲击地压，该理论的核心是当围岩—支架系统的刚度小于矿山本身的刚度时就会发生冲击地压现象。Cook等人还做了大量的试验来验证该理论的正确性，就是在一台试验机器上对一小块的大理石不断就行压缩，当压力不断增大到试件的强度大于试验机刚度的时候，就会突然出现系统结构崩塌的现象。1972年，Blake总结前人的成果得出：冲击地压的发生的基础条件是矿山强度大于矿山与岩层负荷的总刚度，该理论被认为是刚度理论^[4]。

刚度理论其实就是根据能量守恒的定律^[5]推导出的一种演变形式。Cook认为岩层总体势能的变化必然是导致冲击地压的主要原因之一，这两者之间必然存在着某种联系。为了验证这一结论，Cook研究了大量的关于南非地区冲击地压现象，并参考了很多前人的成果与结论，认为在开采煤矿的过程中，原来的煤层与岩层形成的稳定结构会遭到破坏并释放出大量的能量，当释放的能力比消耗的能力大的多时，就会出现冲击地压现象，这就是能量理论^[6]。Cook的能量理论主要基于能量平衡的思想，认为在开采煤矿的过程中会使煤层与岩石体系的能量发生变化，开采煤矿后，原来煤层的弹性应变势能就会从外界交换部分能量，但其总体能量得到增加。这些能量主要包括两部分，一部分来源于开采煤矿过程中大型机械对煤层和岩石所做的功，另一部分则是煤层本身的应变势能之间的变化。如果把围岩视为理想弹性体，那么围岩增加的应变能和支架得到的弹性能之和就是开挖过程中所耗散的总能量，在这个过程中能量高的就会释放部分的能量以使整个系统达到平衡。能量理论很好地解释了冲击地压发生过程中其体统总能量的变化情况和释放方式。在这种理论的基础上，先后发展了很多关于冲击地压发生之前的评估和预测方法。然而该理论最大的缺陷就是无法合理解释为什么冲击地压能量释放总是很快速地释放的而不是缓慢的释放。

有很多的冲击地压案例都表明，有时候在地质条件和开采设备差不多的情况下，有的煤层会突然出现冲击地压灾害，而有的却煤层从始至终就没有发生过。很显然在煤矿的岩层中一定存在某种力学因素，这种因素在很大程度上控制着冲击地压的发生与否，这种力学特性一定是属于煤层的内在属性，也被层为冲击倾向^[7]。通过很多的研究实验，人们总结出一系列具体的指标来研究冲击倾向，以此可以用来定性地衡量开采煤矿的过程中冲击地压发生破坏的能力。后来，有一些波兰的专家提出利用煤层的弹性系数W_ET^[8]、冲击破坏时间D_T^[9]以及破坏释放能量K_E^[10]三个综合性的指标来判断冲击地压的形成的能力与破坏的能力，其中破坏时间是根据煤层的不同强度下持续破坏时间来确定的，这就是冲击倾向理论^[11]。冲击破坏时间D_T是通过测定煤岩体在加载到峰值强度后直到完全失去承载能力的这一段时间的长短来评价煤岩体发生冲击地压的倾向性；弹性系数W_ET是煤层在破坏以前需要消耗的能量与其自身增长的弹性应变性能之间的比值，煤层自身弹性性能储存所需要消耗的外界能量越少，相应地冲击地压也就越容易发生，它可以代表冲击倾向性发生的可能性程度；破坏释放能量K_E是煤样品在多次的试验下，根据峰值的前后变化得到的弹性形变能的比值，前后两者的差值就代表了冲击地压发生的可能性的大小，差值越大其可能性越大。可以看出，通过冲击倾向性的相关理论和一些指标可以在矿产业开采的过程中起到很好的指导作用，当今世界上很多国家依然还在使用这些指标，还出台了相关的执行标准，得到了广泛的应用。

1979年，Salamon 等人发现，有时候随着应变的不断增加，煤层的应力在增加达到某一个最高点后，开始逐渐下降并且出现应变逐渐软化的现象。从Drucker相关塑性力学准则中可以得到解释，煤层不是一种很稳定的材料，才会达到峰值之后出现软化等现象。因此，有人认为可以用冲击地压的形成与材料的稳定性有很大的联系，并发展出了材料稳定性准则^[12]。我国著名专家张梦涛等人据此提出了岩体失稳理论^[13]，该理论认为冲击地压没有发生之前，煤层与岩石的系统是一个静态的平衡过程，在这个状态中煤层的弹性应变能是不断增大的，煤层发生冲击地压就是煤层从这种平衡的稳定态逐渐转变为不平衡的失稳态的过程。当煤层从外界的到的能量超过其最高强度的峰值时，其发生形变的能力会开始降低，煤层开始从稳定态逐渐向非稳态转变，如果在此时外界给予一定的能力或者体统遭到破坏，就可能突然进入失稳状态迅速释放出巨大的能量，对煤层和岩石造成极大的破坏，这就是冲击地压。从该理论可以得出，发生冲击地压需要两个过程：煤层开始处于一种介稳状态^[14]；在系统失衡的过程中煤层由稳定的平衡态转变为非平衡态^[15]。其实该理论主要是通过Salamon 等人发现的煤层的软化特性来分析冲击地压发生的条件。