平煤股份一礦丁6煤層沖擊傾向性研究

李永生 劉彥昌

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇省徐州市,221008;2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司一礦,河南省平頂山市,467011)

沖擊地壓是煤礦井工開(kāi)采中嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。它是一種發(fā)生在井巷或回采工作面的圍巖,煤體內(nèi),由煤巖體突然釋放彈性能,以急劇、猛烈破壞為特征的動(dòng)力現(xiàn)象。發(fā)生前一般沒(méi)有明顯的宏觀征兆,發(fā)生過(guò)程短暫,猝不及防,常伴有強(qiáng)烈震動(dòng)、巨大聲響、煤體振動(dòng)和沖擊波,已發(fā)生的沖擊地壓中最大震級(jí)達(dá)到里氏3.8級(jí)以上。

近年來(lái),隨著采深的加大,采動(dòng)應(yīng)力對(duì)平頂山礦區(qū)生產(chǎn)的危害性日趨明顯,八礦、十礦等均發(fā)生過(guò)由于采動(dòng)應(yīng)力而引發(fā)的“沖擊型”煤與瓦斯突出事故,而沖擊地壓事故在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是難以人為改變的,故煤層沖擊地壓傾向性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定就是對(duì)其進(jìn)行預(yù)防的先決條件之一。

在一礦三水平丁二采區(qū),丁6煤層采深已超過(guò)800 m,為了防治該煤層沖擊礦壓的發(fā)生,進(jìn)行了煤層沖擊傾向性參數(shù)測(cè)定,以分析三水平丁二采區(qū)丁6煤層的沖擊傾向性。

1 煤層概況

一礦井田含煤地層自下而上為晚石炭世太原組、早二疊世山西組和下石盒子組及晚二疊世上石盒子組。屬于海陸交互相煤系,煤系平均總厚度779.41 m,共分11個(gè)煤段,含煤60余層,常見(jiàn)43層,煤層總厚26.84 m,含煤系數(shù)3.4%左右,其中丁6、戊8、戊9、戊10、己17、庚20為主要可采煤層?，F(xiàn)開(kāi)采丁組和戊組兩組煤層,丁組煤層主采丁6煤層,戊組煤層主采戊8、戊9、戊10煤層。

丁6煤層位于下古生界二迭系下石盒子組丁煤段中部,煤層厚度0.25～3.79 m,平均厚度2.2 m,以1/3焦煤為主,揮發(fā)份Vaf值為32.91%～35.97%,平均34.29%,容重1.4 t/m3。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,偶含1～2層泥巖夾矸。東部較薄,為穩(wěn)定、較穩(wěn)定煤層,煤層上部0.7 m左右為塊狀硬煤,成層狀構(gòu)造,中部1.2 m左右為末狀軟煤,已無(wú)層理,用手可捻成粉末,硬度較低,下部又變?yōu)閴K狀硬煤,總體觀測(cè)煤的破壞類(lèi)型為Ⅱ～Ⅳ類(lèi),一般為Ⅲ類(lèi),煤層節(jié)理比較發(fā)育,煤層透氣性系數(shù)為0.0394～0.0676 m2/(MPa2·d),透氣性較差。丁6煤層直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖,老頂為中粗粒砂巖,上與丁5煤層間距3.5～9.5 m;底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖。

2 煤層沖擊傾向性測(cè)定

2.1 取樣地點(diǎn)的選定

取樣地點(diǎn)選擇在垂深800 m及其以下煤層,兼顧代表性的同時(shí)避免測(cè)定結(jié)果的離散性。煤樣尺寸為50 cm×30 cm×30 cm,數(shù)量為4～5塊。所采煤樣就地進(jìn)行編號(hào),標(biāo)明煤樣名稱、采樣地點(diǎn)、層位等,同時(shí)做好煤樣的描述和記錄工作。煤樣采出后,由專(zhuān)人搬運(yùn)上井,煤樣搬運(yùn)過(guò)程中盡可能輕拿輕放,保持煤樣原有的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

2.2 煤樣加工

所取煤樣在鉆石機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)等加工設(shè)備上按煤炭工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)MT38-48-87《煤與巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》規(guī)定的要求加工成?50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。加工后采用游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)、直角尺、水平檢測(cè)臺(tái)、百分表及百分表架等實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量,并要求:(1)試件兩端面的平行度偏差不得大于0.005 cm;(2)試件兩端的尺寸偏差不得大于0.02 cm;(3)試件的兩端應(yīng)垂直于試件軸線。

同組煤樣同種狀態(tài)下,每個(gè)參數(shù)實(shí)驗(yàn)試件數(shù)量一般不少于3個(gè)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求,選用自然含水狀態(tài),即試件制備好后,放在底部有水的干燥器內(nèi)24～48 h,以保持一定的濕度,但煤樣試件不得接觸水面。實(shí)驗(yàn)前,加工成的實(shí)驗(yàn)煤樣共15個(gè),見(jiàn)圖1。

2.3 煤樣實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-150B型巖石力學(xué)伺服控制系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn),單軸動(dòng)態(tài)破壞實(shí)驗(yàn)、單軸直接拉伸實(shí)驗(yàn)、單軸間接拉伸實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)和剪切實(shí)驗(yàn)等。在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中,操作者可以進(jìn)行干預(yù),切換控制模式(自動(dòng)和手動(dòng)),改變控制參數(shù)(力和變形),選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)如加載速率、變形速率、力、變形及行程的極限值、波形的相關(guān)參數(shù)等,也可以預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟,由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集,加載過(guò)程實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,系統(tǒng)可自動(dòng)退回到初始狀態(tài),并能方便地讀出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,包括試件的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變、軸向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)變、軸向應(yīng)力與體積應(yīng)變、峰值強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間以及整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集到的載荷、變形和位移等數(shù)據(jù)文件,為進(jìn)行各種能量分析計(jì)算提供依據(jù)。

圖1 煤層沖擊傾向性實(shí)驗(yàn)煤樣

2.4 測(cè)定結(jié)果

關(guān)于沖擊傾向的理論和指標(biāo)很多,主要有彈性變形能指數(shù)、脆性系數(shù)、脆性破壞系數(shù)、有效沖擊能指數(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)、最大塑性變形速度等。國(guó)內(nèi)外常用的沖擊傾向性指標(biāo)有彈性能指數(shù)WET和沖擊能指數(shù)Ks等。我國(guó)把煤層的沖擊傾向特性分為強(qiáng)烈沖擊,弱沖擊和無(wú)沖擊3類(lèi)。3種類(lèi)型煤層所對(duì)應(yīng)的沖擊傾向特性指標(biāo)見(jiàn)表1。

在實(shí)驗(yàn)室主要測(cè)定煤樣的強(qiáng)度、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間等參數(shù),實(shí)驗(yàn)按照中華人民共和國(guó)煤炭工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)MT174-2000《煤樣沖擊沖擊傾向性分類(lèi)及指標(biāo)的測(cè)定方法》的規(guī)定進(jìn)行,以中彈性應(yīng)變能指數(shù)WT、沖擊應(yīng)變能KN、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間D T等3項(xiàng)指標(biāo)為依據(jù),實(shí)驗(yàn)得出三水平丁6煤樣的沖擊傾向性指標(biāo)(見(jiàn)表2～表4)。

表1 煤層沖擊傾向性測(cè)定特性指標(biāo)

表2 一礦丁6煤樣彈性能指標(biāo)WT實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 丁6組煤樣沖擊能量指數(shù)WN實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 丁6組煤樣動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT測(cè)定結(jié)果

3 三水平丁6煤層沖擊傾向性測(cè)定結(jié)論

按照中華人民共和國(guó)煤炭工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)MT174-2000《煤樣沖擊沖擊傾向性分類(lèi)及指標(biāo)的測(cè)定方法》的規(guī)定,以表2～表4中彈性應(yīng)變能指數(shù)WT、沖擊應(yīng)變能KN、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間D T等3項(xiàng)指標(biāo)為依據(jù),沖擊性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

一礦三水平丁二采區(qū)丁6煤的沖擊傾向彈性能量指數(shù)WT、沖擊能量指數(shù)KN、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間D T均表明,丁6煤樣屬于弱中等沖擊危險(xiǎn)煤層。但由于丁6煤層中間普遍存在占煤層全厚1/3強(qiáng)的軟煤分層,且其強(qiáng)度明顯小于上下的硬煤分層,在硬煤破壞之前軟煤分層首先已被破壞,因此,在硬煤分層中不可能儲(chǔ)存較大的彈性變形能。

表5 三水平丁6煤樣沖擊傾向性測(cè)定結(jié)果

根據(jù)以上測(cè)定結(jié)果,并結(jié)合三水平丁6煤層煤結(jié)構(gòu)分析,三水平丁6煤層無(wú)沖擊傾向危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三水平丁6煤層沖擊傾向性的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果及煤層結(jié)構(gòu)分析,三水平丁6煤層不具備沖擊傾向性,或沖擊傾向性較弱。在三水平丁6煤層的采掘過(guò)程中,應(yīng)以防治煤與瓦斯突出為主。