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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明方案包括：
[0008] -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：
[0009] 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；
[0010] B、计算标准煤岩组合体试件剩余能量释放速率的步骤；
[0011] C、评估标准煤岩组合体试件倾向性的步骤。
[0012] 所述的测试与评估方法，其中，所述步骤A具体的还包括：
[0013] A1、标准煤岩组合体试件中煤样、岩样高度的确定
[0014] 根据待判定煤层的具体地质条件，获得煤层厚度Hi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h和岩样的高度h2;
[0017] A2、煤样和岩样的加工
[0018] 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、高度为匕的煤样和直径为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;
[0019] A3、标准煤岩组合体试件的制作
[0020] 将加工好的高度为h的煤样和高度为112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；
[0021] 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。
[0022] 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：
[0023] 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 应力一时间曲线、一个标准纯煤试件的应力一应变曲线和一个标准纯岩试件的应力一应变 曲线。
[0024] 所述的测试与评估方法，其中，所述步骤B具体的还包括：
[0025] B1、标准煤岩组合体试件的峰值强度为〇 3寸，单位体积煤体积聚的弹性应变能 Qsec为：
[0026]
[0027] 式3中：〇e-一标准煤岩组合体试件的峰值强度，单位为Pa;
[0028] Ec--煤的弹性模量，单位为Pa;
[0029] B2、应力为〇e时，单位体积岩体积聚的弹性应变能QSER为：
[0030；
[0031] 式4中：Er--岩的弹性模量，单位为Pa;
[0032] oc一一标准煤岩组合体试件的峰值强度，单位为Pa;
[0033] B3、破坏单位体积处于峰值应力的煤体所需消耗的能量为Ax，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；
[0034] B4、标准煤岩组合体试件剩余能量释放速率WZT的计算：
[0035]
[0036] 式5中：A--煤岩组合体试件的横截面积，单位为m2;
[0037] Dt一一煤岩组合体试件的动态破坏时间，单位为s。
[0038] 所述的测试与评估方法，其中，所述步骤C具体的还包括：
[0039] 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WZT，取三次计算结果 的平均值为最终的WZT值；
[0040] 采用标准煤岩组合体试件剩余能量释放速率WZT评价煤层冲击倾向性时，其分级 标准为：当WZT< 0时，无冲击倾向性；当0〈WZT< 0. 5J/s时，弱冲击倾向性；当0. 5〈WZT< 2J/ s时，中等冲击倾向性；当WZT>2J/s时，强冲击倾向性。
[0041] 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】
[0042] 图1为本发明中标准煤岩组合体试件的结构示意图；
[0043] 图2为图1中标准煤岩组合体试件之应力一时间曲线的示意图；
[0044] 图3为本发明中标准纯煤试件的结构示意图；
[0045] 图4为图3中标准纯煤试件之应力一应变曲线的示意图；
[0046] 图5为本发明中标准纯岩试件的结构示意图；
[0047] 图6为图5中标准纯岩试件之应力一应变曲线的示意图。
【具体实施方式】
[0048] 本发明提供了一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾