李乃录 屈振祖 史 鑫

（1.彬县水帘洞煤炭有限责任公司，陕西 彬州 713500；2. 山东能源新汶矿业集团有限责任公司，山东 新泰 271200；3.霍州煤电集团沁安煤电有限责任公司，山西 霍州 046500）

1 序言

煤岩体材料自身所固有的性质包含了煤岩体本身的物理力学性质以及其冲击倾向性。不同煤岩体固有的力学性质之间存在较大的差异，在相同的采动以及地质条件下，恰恰是这差异可能会导致煤岩体发生冲击地压，危及井下安全生产作业。煤岩体的这种可能导致冲击地压的固有属性被称为冲击倾向性。目前冲击地压区域的冲击倾向程度强弱一般通过煤岩体冲击倾向指标来进行判定，当冲击倾向性的判定指标值超出临界阈值时，就存在有发生冲击地压的风险。

彬县水帘洞煤矿坐落在彬长区南塬附近，根据卫星图像显示该矿区呈不规则的长条状，整体东西走向长约5.1 km，南北横跨0.6～1.6 km，黄土高原地貌是当地开采范围内的主要地貌。该矿区开采的侏罗纪延安组4 号煤，厚度平均为8.44 m，煤系为单斜构造形态，整体向北倾斜，呈东西走向，地层倾角较为平缓，一般5°～7°。矿井采深超过400 m，已经超出我国规定的冲击地压矿井临界开采深度，为了保证安全生产，需要对矿井进行冲击地压防治。为预防开采4 号煤过程中底板出现强矿压显现甚至冲击地压现象，需对该煤层底板进行冲击地压倾向性研究，为矿井开采和冲击地压防治提供参考。

2 研究方法与流程

2.1 试样采集

本次试验所需底板岩样的采集地点为三采区（ZF3808 回风顺槽、ZF3808 运输顺槽）2 处，如图1 所示，采用钻取方法对煤层底板的岩样进行取样，并对所取岩样的岩性进行标注，此处4 号煤层底板岩性为砂质泥岩。采样后进行现场包装，运输至实验室通过岩石力学试验机、计算机数据采集处理系统及相关软件对水帘洞煤矿4 号煤层底板岩样相关参数进行测定。

图1 取样地点

2.2 测定依据

鉴于底板岩层冲击倾向性鉴定尚无相应标准，其测定方法与判定依据参考顶板岩层冲击倾向性评判方法与标准。判定岩层冲击倾向性主要通过弯曲能量指数来衡量，因此判定4 号煤层底板冲击倾向需要对该4 号煤层底板岩层的单轴抗拉强度、块体密度及其弹性模量进行测定，从而计算底板的弯曲能量指数，以此来衡量底板冲击倾向性的强弱。根据行业标准GB/T25217 对底板岩层的冲击倾向性强弱来进行判断，判定指标如表1 所示。

表1 岩层冲击倾向性判定指标

2.3 测定方法

通过试验对4 号煤层底板的单轴抗拉强度、块体密度以及弹性模量进行测定，并由此得出其弯曲能量指数。计算公式以单层顶板的能量指数计算为依据。

底板的弯曲能量指数通过公式（1）计算：

式中：UWQ为弯曲能量指数，kJ；Rt为岩石试件抗拉强度，MPa；h为厚度，m；q为岩层载荷，MPa；E为岩石试件的弹性模量，MPa。

3 顶底板岩层冲击倾向性测定

3.1 4 号煤层底板岩层块体密度测定

4 号煤层底板岩层块体密度共进行了五组试样的测试，测定结果如表2 所示。测试表明，4 号煤层底板泥岩层块体密度平均值为2 607.18 kg/m3。

表2 4 号煤层底板岩层块体密度测定结果

3.2 4 号煤层底板岩层抗拉强度测定

4 号煤层底板岩层抗拉强度共进行了五组试样的测试，测定结果如表3 所示。

表3 4 号煤层底板岩层抗拉强度测定结果

3.3 4 号煤层底板岩层弹性模量测定

4 号煤层底板岩层弹性模量共进行了五组试样测试，测定结果如表4 所示。

表4 4 号煤层底板岩层弹性模量测定结果

4 底板岩层弯曲能量指数计算

4.1 4 号煤层底板岩层弯曲能量指数计算

据底板弯曲能量的计算方法，将试验测定参数代入到公式（1）中，则有4 号煤层底板弯曲能量：

式中：q取值为1.045 MPa，h取值为4.09 m。

4.2 冲击倾向性判断

依据岩层冲击倾向性判别指标，当UWQ小于等于15 kJ 时，岩层表现为无冲击倾向；当UWQ大于15 kJ 且不高于120 kJ 时，岩层表现为具有弱冲击倾向，需进行冲击地压防治；当UWQ超过120 kJ 时，岩层表现为具有强冲击倾向，需加强矿区的冲击地压防治工作。根据上述计算，水帘洞煤矿4 号煤层底板的UWQ值为1.423 kJ，判定为无冲击倾向性。

5 结论

经试验测定及计算，水帘洞煤矿4 号煤层底板岩层弹性模量为 3213 MPa，底板岩层的平均抗拉强度为1.493 MPa，弯曲能量指数低于阈值15 kJ，为1.423 kJ，因此4 号煤层底板冲击倾向性属于Ⅰ类：无冲击倾向性。