千秋煤礦煤樣浸水軟化實(shí)驗(yàn)及其防沖效果分析＊

李寶富 任永康 齊利偉 常 壘

(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454000)

千秋煤礦煤樣浸水軟化實(shí)驗(yàn)及其防沖效果分析＊

李寶富 任永康 齊利偉 常 壘

(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454000)

為提高千秋煤礦2#煤層注水防沖效果,對(duì)煤樣進(jìn)行浸水軟化試驗(yàn)以確定煤層超前注水的最佳時(shí)間,并對(duì)煤樣浸水前后的沖擊性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,煤樣浸水周期為14 d時(shí)軟化效果最佳,且煤樣沖擊能量指數(shù)比浸水前明顯減小。

煤層注水 浸水軟化 沖擊地壓 沖擊能量指數(shù)

隨著我國煤礦開采深度逐年增加,許多礦井采深已超過800 m,沖擊地壓問題越來越嚴(yán)重。我國目前已成為世界上沖擊地壓最嚴(yán)重的國家之一,每年由于沖擊地壓災(zāi)害,造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和眾多人員傷亡。高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井和有沖擊地壓發(fā)生的綜放工作面,其安全問題最為突出。實(shí)踐證明,煤層注水是解決上述安全問題的行之有效的辦法。

1 千秋煤礦沖擊地壓概況

千秋煤礦隸屬義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司,2007年核定生產(chǎn)能力180萬t/a。井田含煤地層為侏羅系義馬組,主要可采煤層為2-1#煤層和2-3#煤層,兩層煤在+200～+250 m標(biāo)高以下合成一層,稱為2#煤層,千秋煤礦現(xiàn)生產(chǎn)采區(qū)集中于21區(qū)下山盤區(qū),開采2#煤層,深度已達(dá)800 m。

近年來隨著開采深度的增加,千秋煤礦共發(fā)生沖擊地壓17次,特別是2008年6月5日在二一區(qū)21201綜放工作面下巷發(fā)生沖擊地壓造成13人死亡,11人受傷。

目前千秋煤礦采用的防沖措施主要有設(shè)置卸壓硐室、布置深孔卸壓鉆孔、巷道采用36U型棚+錨網(wǎng)索復(fù)合支護(hù),以及煤層注水和深孔爆破相結(jié)合等防沖措施。其中煤層注水預(yù)防沖擊地壓的方法簡單易行,費(fèi)用較低,應(yīng)用前景大。因此開展煤層注水基礎(chǔ)參數(shù)的研究,提高煤層注水防沖效果是一項(xiàng)很重要的工作。

本文主要對(duì)2#煤層試樣浸水軟化時(shí)間、浸水軟化系數(shù)及煤樣浸水后的沖擊性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,以確定煤層注水預(yù)防沖擊地壓的最佳注水時(shí)間及防沖效果。

2 煤樣浸水軟化實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

大塊煤樣取自千秋煤礦2#煤層21141綜放工作面煤層,為了盡可能減小試驗(yàn)結(jié)果的離散性,大塊煤樣在同一地點(diǎn)的同一層位進(jìn)行選取。按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程的要求,在同一大塊煤樣上盡可能多地加工成直徑為50 mm、長度為100 mm的圓柱體煤樣,共加工煤樣20個(gè)。

將20個(gè)煤樣分成5組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每組4個(gè)試樣,分別進(jìn)行浸水前、浸水7 d、14 d、21 d和28 d的單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)前對(duì)每個(gè)試樣的常規(guī)物理性質(zhì)及含水率進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)加載設(shè)備采用RM T-150B巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)采用全數(shù)字計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制,實(shí)驗(yàn)過程實(shí)時(shí)顯示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別將2#煤層試樣浸水7 d、14 d、21 d和28 d,測試其單軸抗壓強(qiáng)度,以檢驗(yàn)該煤層試樣經(jīng)浸水是否軟化。2#煤層試樣浸水不同周期后的軟化率是指浸水后的試樣單軸抗壓強(qiáng)度與2#煤層試樣浸水前平均單軸抗壓強(qiáng)度的比值。2#煤層試樣浸水前單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1,2#煤層試樣浸水軟化實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2中可以看出,浸水對(duì)2#煤層具有較顯著的軟化作用,浸水周期不同煤層的軟化率會(huì)發(fā)生變化,浸水周期為14 d時(shí)軟化效果最佳,軟化系數(shù)為0.75。

2#煤層試樣浸水7 d平均含水率為9.57%,浸水14 d平均含水率為9.99%,浸水21 d平均含水率為9.75%,浸水28 d平均含水率為9.87%,說明2#煤層試樣在浸水7 d后含水率隨浸水周期增加的趨勢不明顯。結(jié)合浸水軟化實(shí)驗(yàn)結(jié)果,2#煤層試樣浸水14 d軟化效果最佳。

表1 煤樣浸水前單軸抗壓實(shí)驗(yàn)

表2 煤樣浸水軟化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 煤層注水位置和時(shí)間

2.3.1 煤層注水位置

煤層預(yù)注水位置和預(yù)注水時(shí)間的選取,是煤層注水的兩個(gè)重要參數(shù)。預(yù)注水位置的選擇既要考慮頂煤在前方支承壓力作用下裂隙的發(fā)展變化,又要考慮有足夠的超前開采時(shí)間,使注入煤體的水能夠充分潤濕煤體。硬煤、中硬煤和軟煤綜放工作面超前預(yù)注水的合理位置見表3。千秋煤礦2#煤層為中硬煤,確定開始注水超前工作面距離為30～50 m,停止注水超前工作面距離為8～15 m。

表3 合理注水區(qū)域選擇參考表

2.3.2 煤層注水時(shí)間

煤層連續(xù)注水時(shí)間可按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:T——超前注水時(shí)間,d;

L1——開始注水時(shí)鉆孔到工作面距離,取35 m;

L2——停止注水時(shí)鉆孔到工作面距離,取15 m;

i——工作面日推進(jìn)度,千秋煤礦21141綜放面平均日推進(jìn)度1.5 m/d。

按上述參數(shù)取值計(jì)算,煤層連續(xù)注水時(shí)間為13.3 d。實(shí)驗(yàn)室對(duì)2#煤層試樣浸水軟化效果的試驗(yàn)表明,當(dāng)煤樣浸水14 d時(shí)的軟化效果最佳,因此上述煤層注水位置和注水參數(shù)選擇是合理的。

3 浸水對(duì)煤樣沖擊性能影響

按照中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)M T/T174-2000《煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》規(guī)定,對(duì)千秋礦2#煤層進(jìn)行沖擊傾向性測定,經(jīng)大量試驗(yàn)表明2#煤層具有沖擊傾向性。煤巖體的沖擊傾向性是受煤巖體本身的礦物成分和巖性結(jié)構(gòu)所控制的,而煤層注水能改變煤的細(xì)觀結(jié)構(gòu),減小煤體強(qiáng)度的同時(shí)也減弱煤體的沖擊傾向性。當(dāng)將水注入煤層的孔隙、裂隙之間后,煤顆粒間的粘結(jié)力減小,煤顆粒接觸面的摩擦力降低,煤的性質(zhì)發(fā)生了變化,沖擊傾向減小。

沖擊能量指數(shù)KE是判定煤層是否具有沖擊傾向性的一個(gè)重要分類指標(biāo)。沖擊能量指數(shù)KE的計(jì)算公式為:

式中:AS——峰值前積聚的變形能,kJ;

AX——峰值后損耗的變形能,kJ。

KE實(shí)際是指應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€的上升段面積(AS)與下降段面積(AX)之比,見圖1。

圖1 沖擊能量指數(shù)計(jì)算示意圖

對(duì)2#煤層試樣進(jìn)行浸水軟化試驗(yàn)的同時(shí),也對(duì)浸水前和浸水14 d的煤樣的沖擊能量指數(shù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表4。從表4可以看出,浸水14 d的煤樣沖擊能量指數(shù)比浸水前明顯減小,說明千秋礦2#煤層注水對(duì)預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生有較明顯效果。

表4 煤樣浸水前后沖擊能量指數(shù)變化

圖2 煤樣A-1沖擊能量指數(shù)計(jì)算圖

4 結(jié)論

(1)千秋煤礦2#煤層試樣浸水軟化試驗(yàn)表明,浸水對(duì)煤樣具有較顯著的軟化作用,浸水周期不同,煤層的軟化率也不同,浸水周期為14 d時(shí)軟化效果最佳。

(2)通過理論分析和計(jì)算確定千秋煤礦2#煤層預(yù)注水位置和預(yù)注水時(shí)間,與2#煤層試樣浸水軟化結(jié)果較為一致。

(3)浸水14 d的煤樣沖擊能量指數(shù)比浸水前明顯減小,說明千秋礦2#煤層注水對(duì)預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生有較明顯效果。

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Experimental study on wetting and soften ing of coal samples from Qianqiu Coal Mine and their impact resistance effect

Li Baofu,Ren Yongkang,Qi Liwei,Chang Lei
(School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China)

In order to enhance the impact resistance effect of No.2 coal seam after water injection in Qianqiu Coal Mine,the coal samples were wetted and softened.The premium time for water injection was determined and the impact resistances of coal samples were tested before and after wetting.The results indicated that the coal sample show ed the p rem ium softening effect after wetting for 14 days,and its impact energy index was decreased obviously.

water injection into coal seam,wetting and softening,rock burst,impact energy index

TD713

A

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51074065);河南理工大學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(Q2009-10)

李寶富(1977-),男,河南理工大學(xué)能源學(xué)院采礦系講師,現(xiàn)從事采礦工程方面的教學(xué)與研究工作。

(責(zé)任編輯 梁子榮)