龍家堡2#煤層沖擊傾向性試驗(yàn)研究

孫全金

(遼寧省阜新市國(guó)土資源局細(xì)河分局)

龍家堡2#煤層沖擊傾向性試驗(yàn)研究

孫全金①

(遼寧省阜新市國(guó)土資源局細(xì)河分局)

沖擊地壓以其突發(fā)性、破壞性嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn),及時(shí)預(yù)測(cè)對(duì)保障礦井安全生產(chǎn)非常重要。煤巖沖擊傾向性研究是沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防范治理的基礎(chǔ)。采用試驗(yàn)測(cè)得的沖擊能量指數(shù)KE,彈性能量指數(shù)WET、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間D T作為煤層沖擊傾向性的分類指標(biāo)。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試龍家堡2#煤層各項(xiàng)指標(biāo),確定了其沖擊傾向性等級(jí),提出了合理建議。

沖擊地壓;沖擊傾向性;沖擊能量指數(shù);彈性能量指數(shù);動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間;試驗(yàn)研究

沖擊地壓是煤礦經(jīng)常發(fā)生的主要災(zāi)害之一。煤巖沖擊傾向性研究是沖擊地壓機(jī)理研究的重要組成部分,是沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防范治理的基礎(chǔ)。世界上有關(guān)國(guó)家提出了各種鑒別沖擊地壓傾向的指標(biāo),其中具有代表性的有彈性能量指數(shù)、彈性變形指數(shù)、最大塑性變形速度、含水量指數(shù),脆性系數(shù)、脆性破壞系數(shù)有限沖擊能指數(shù)、極限能比,極限剛度比、破壞速度指數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變時(shí)間特性指數(shù)及波蘭巖石彈性能量指數(shù)等。我國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用試驗(yàn)測(cè)得的沖擊能量指數(shù)KE,彈性能量指數(shù)WET、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間D T作為煤層沖擊傾向性的分類指標(biāo)。

1 煤層沖擊傾向性分類指標(biāo)

1)沖擊能量指數(shù)。沖擊能量指數(shù)指在單軸壓縮狀態(tài)下,煤樣的“應(yīng)力—應(yīng)變”曲線峰值前所積聚的變形能與峰值后所消耗的變形能之比值,見(jiàn)圖1。它是包含試件“應(yīng)力—應(yīng)變”全部變化的曲線,直觀和全面地反映了蓄能、耗能的全過(guò)程,顯示了沖擊傾向的物理本質(zhì)。其表達(dá)式為:

式中:

As—為試件峰值前積聚的變形能;

Ax—為試件峰值后消耗的變形能。

沖擊能量指數(shù)的計(jì)算方法:在全過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)作垂線交于x軸,則As的值等于峰值點(diǎn)前的曲線、坐標(biāo)軸和垂線圍成的面積值,Ax等于峰值點(diǎn)后的曲線、坐標(biāo)軸和垂線圍成的面積值。As和Ax的計(jì)算可采用求積儀、積分等多種方法。

圖1 沖擊能量指數(shù)計(jì)算示意圖

2)彈性能指數(shù)WET。彈性能指數(shù)指煤樣在單軸壓縮條件下,破壞前所積蓄的變形能與產(chǎn)生塑性變形消耗的能量的比值,見(jiàn)圖2。

圖2 彈性能指數(shù)計(jì)算示意圖

其表達(dá)式為:

式中:

ΦC—總應(yīng)變能,OPMNO的面積;

ΦSE—彈性應(yīng)變能,PMNP的面積;

ΦSP—塑性應(yīng)變能,OPNO的面積。

3)動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間D T。動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間指煤樣在常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)條件下,從極限載荷到完全破壞所經(jīng)歷的時(shí)間,見(jiàn)圖3。D T綜合反映了能量變化的全過(guò)程,對(duì)沖擊傾向反映敏感是一種實(shí)用性較強(qiáng)的指標(biāo)。

圖3 動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間計(jì)算曲線示意圖

根據(jù)《中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》MT/T174-2000,用上述三項(xiàng)指標(biāo)鑒定煤層的沖擊傾向,把煤層的沖擊傾向分為強(qiáng)烈沖擊傾向、弱沖擊傾向和無(wú)沖擊傾向三類,各指標(biāo)的界限值見(jiàn)表1。

表1 煤層沖擊傾向表

2 吉林龍家堡2#煤層沖擊傾向性檢測(cè)

1)概況。龍家堡煤礦為深部開(kāi)采礦井,現(xiàn)開(kāi)采垂深為800 m,已達(dá)到發(fā)生沖擊地壓的臨界深度。該礦井在掘進(jìn)201首采工作面順槽時(shí),煤爆發(fā)生頻繁,最多時(shí)達(dá)到每小班60～70次。響煤炮時(shí)伴有煤壁片幫、塌落、掉渣、頂板下沉等現(xiàn)象發(fā)生,塌落最大煤量達(dá)20～30 t,最大頂板下沉量為800 mm左右。隨著采深不斷增加,礦井開(kāi)采范圍的擴(kuò)大,發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)必然增大。為保證安全生產(chǎn),對(duì)主采煤層進(jìn)行沖擊傾向性試驗(yàn)研究是很有必要的。

2)沖擊能量指數(shù)測(cè)定結(jié)果。煤巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度和沖擊能量指數(shù)試驗(yàn)可以同時(shí)進(jìn)行。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在MTS上以0.006 7 mm/s的位移控制速度對(duì)試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載,可以測(cè)得試件的單軸抗壓強(qiáng)度和單軸壓縮下的全應(yīng)力應(yīng)變曲線,并進(jìn)行煤的沖擊能量指數(shù)計(jì)算。本次實(shí)驗(yàn)共加工制作10個(gè)煤樣試件,尺寸規(guī)格為50 mm×50 mm×100 mm方形柱體,試驗(yàn)測(cè)得的煤巖單軸壓典型全應(yīng)力應(yīng)變曲線,見(jiàn)圖4。采用MA TLAB 6.5計(jì)算曲線圖中的面積,求得2#煤層各試件的沖擊能量指數(shù)見(jiàn)表2。

表2 沖擊能量指數(shù)、彈性能指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間結(jié)果匯總

3)彈性能指數(shù)測(cè)定結(jié)果。為研究龍家堡煤礦2#煤層的彈性能量指數(shù),對(duì)煤巖試件進(jìn)行了加卸載試驗(yàn)。以0.15 kN/s的速度加載到試件預(yù)計(jì)強(qiáng)度的70%～80%范圍后,以相同速度卸載,卸載到預(yù)計(jì)強(qiáng)度的1%～5%,重新按照0.006 7 mm/s的速度以位移控制進(jìn)行加載直至試件破壞。從而獲得整個(gè)試件的加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線,由此可以進(jìn)行煤的彈性能量指數(shù)計(jì)算。

本次實(shí)驗(yàn)共加工制作10個(gè)煤樣試件,尺寸規(guī)格為50 mm×50 mm×100 mm方形柱體,加卸載下煤試件典型破壞形式見(jiàn)圖5(部分式樣)。

采用MATLAB 6.5計(jì)算曲線圖中的面積,求得2#煤層各試件的彈性能量指數(shù)見(jiàn)表2。

4)動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間測(cè)定結(jié)果。按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以1.5 kN/s的速度對(duì)煤巖試件進(jìn)行應(yīng)力加載。本次實(shí)驗(yàn)共加工制作6個(gè)煤樣試件,尺寸規(guī)格為50 mm× 50 mm×100 mm方形柱體,試驗(yàn)測(cè)得的煤巖典型動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間曲線圖6(部分式樣)。求得2#煤層各試件的典型動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間見(jiàn)表2。

5)2#煤層沖擊傾向性檢測(cè)結(jié)果分析。各煤樣試件經(jīng)試驗(yàn)后求得沖擊能量指數(shù)、彈性能指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間結(jié)果見(jiàn)表2。

最終求得2#煤層沖擊能量指數(shù)KE=0.8,彈性能指數(shù)WET=1.1,動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT=2 429。通過(guò)能量法對(duì)2#煤層高應(yīng)力顯現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果可知:彈性能指數(shù)WE=1.1<2.0;沖擊能量指數(shù)WB=0.8< 1.5。動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間Dt=2 492 ms>500 ms,經(jīng)查表1可知,龍家堡煤礦2#煤層無(wú)沖擊傾向。

3 結(jié) 論

沖擊地壓的形成和發(fā)生的條件是很復(fù)雜的,作為一種礦山巖體破壞現(xiàn)象,有其特殊的宏觀和微觀特征。首先是煤巖中應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度,以煤巖破壞為先導(dǎo);其次是煤層和圍巖在集中應(yīng)力作用下,吸收能量積聚應(yīng)變能;另一個(gè)是“誘發(fā)”因素導(dǎo)致其突變破壞,瞬間釋放應(yīng)變能。

在應(yīng)用沖擊傾向性理論的大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明,判斷出的具有相同沖擊地壓傾向性的煤層,甚至同一煤層,只有少數(shù)區(qū)域發(fā)生沖擊地壓,大多數(shù)區(qū)域不會(huì)發(fā)生沖擊地壓。而且許多屬于強(qiáng)沖擊地壓傾向性的煤層并不發(fā)生沖擊地壓,而某些沖擊地壓傾向性很弱或無(wú)沖擊地壓傾向性的煤層卻發(fā)生了沖擊地壓,可見(jiàn)沖擊的發(fā)生需要具備很多條件,考慮單一因素不能充分確定沖擊地壓是否能夠發(fā)生。因此,在判斷某區(qū)域是否會(huì)發(fā)生沖擊地壓時(shí)除考慮煤層物理力學(xué)性質(zhì)外,還要從埋深、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖條件、采動(dòng)影響、采掘工藝等多方面考慮,努力做到預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。雖然,龍家堡煤礦2#煤層經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)無(wú)沖擊傾向,但是從目前所表現(xiàn)出的動(dòng)力現(xiàn)象應(yīng)引起高度重視,需進(jìn)一步采取檢測(cè)方法和防護(hù)措施,保證安全生產(chǎn)。

[1] 王淑坤,齊慶新,曾永志.我國(guó)煤巖沖擊傾向研究的進(jìn)展[J].煤礦開(kāi)采,1998(3):30-32.

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[3] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003:125-128.

[4] 顏衛(wèi)東,王維,胡方冠.濟(jì)寧二礦煤層沖擊傾向性分析[J].礦山壓力與頂板管理,2001(1):102-103.

Test Research of Burst Tendency in Longjiapu 2#Coal Seam

Sun Quan-jin

Rock burst is sudden and destructive which is threat to the coal mine safety production seriously.It is very important to guarantee coal mine safety production that rock burst is predicted timely. The research of coal burst tendency is the foundation of rock burst forecasting and prevention.It is regared as classification index of burst tendency that is burst energy index,elastic energy index,dynamic destruction time tested.In this paper,we have tested indexes,determined burst tendency grade,puts forward reasonable proposals in Longjiapu 2#coal seam.

Rock burst;Bursttendency;Burstenergy index;Elastic energy index;Dynamic destruction time

book=3,ebook=92

TD324

B

1672-0652(2010)03-0023-04

2010-01-19

孫全金 男 1970年出生 2010年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué) 工程師 阜新 123000