煤層注水軟化工藝基礎(chǔ)試驗(yàn)分析

李永武

(新疆工程學(xué)院采礦工程系)

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煤層注水軟化工藝基礎(chǔ)試驗(yàn)分析

李永武

(新疆工程學(xué)院采礦工程系)

摘要以小紅溝煤礦煤層為取樣煤層，對(duì)煤樣進(jìn)行了含水率、吸水率和空隙率測(cè)定，并通過(guò)超聲波試驗(yàn)和單軸抗壓試驗(yàn)，分析了該礦煤樣的水力學(xué)特性、在水作用下的力學(xué)性質(zhì)變化以及在不同含水率下的破壞狀態(tài)。上述試驗(yàn)得出的煤層力學(xué)參數(shù)，可為煤層注水軟化工藝研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞煤層注水軟化工藝水力特性煤層力學(xué)參數(shù)

綜放開采作為一種經(jīng)濟(jì)、安全、高效的開采方式，已得到了廣泛應(yīng)用，但煤層綜放開采過(guò)程中，頂煤在受到煤體自重、礦山壓力及支架反復(fù)支撐的共同作用下易發(fā)生破壞、垮落形成松散無(wú)規(guī)則的塊體堆，但遇到堅(jiān)硬特厚煤層時(shí)，僅靠上述作用不足以使硬度較大的頂煤達(dá)到放出要求的破碎程度，頂煤的自然跨落困難，放頂煤采出率也會(huì)隨之下降，為此，有必要對(duì)頂煤進(jìn)行人工預(yù)先弱化處理。弱化頂煤方法較多，其中水壓致裂是堅(jiān)硬厚煤層綜采放頂煤中頂煤軟化的關(guān)鍵技術(shù)，具有安全、環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較廣泛[1-3]。水力致裂頂煤是通過(guò)鉆孔向煤體預(yù)注高壓水，利用壓力水對(duì)弱面的壓裂、沖刷、楔入作用 (水楔作用)以及水對(duì)煤體的物理、化學(xué)作用，使煤體擴(kuò)大原有裂隙、產(chǎn)生新的裂隙，破壞煤體整體性，降低其強(qiáng)度。 新疆小紅溝煤礦煤層為急傾斜特厚煤層，采用水平分段放頂煤法開采，鑒于頂煤堅(jiān)硬(煤層局部硬度系數(shù)為2～3)，冒放困難，因此，研究小紅溝煤礦煤層注水軟化特性及注水參數(shù)，對(duì)解決該礦的難冒放問(wèn)題，提高采出率具有重要意義。

1試驗(yàn)步驟及煤樣制備

本研究通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試小紅溝煤礦煤樣的孔隙率、含水率等參數(shù)，并通過(guò)超聲波試驗(yàn)和單軸抗壓試驗(yàn)分析浸水后煤樣的力學(xué)性質(zhì)變化特征，為準(zhǔn)確確定注水參數(shù)提供依據(jù)。試驗(yàn)步驟：首先制備煤樣并測(cè)定其天然含水率、孔隙率等參數(shù)；然后對(duì)煤樣進(jìn)行浸泡，在浸泡過(guò)程中測(cè)定其吸水性，用超聲波探測(cè)儀測(cè)定不同浸水時(shí)間煤樣的物理力學(xué)參數(shù)；最后通過(guò)煤樣的單軸抗壓試驗(yàn)，分析浸水后煤樣的力學(xué)性質(zhì)變化及破壞情況。本研究試驗(yàn)煤樣來(lái)自新疆烏魯木齊市小紅溝煤礦，用鉆芯機(jī)、打磨機(jī)和切割機(jī)對(duì)煤樣進(jìn)行加工，分別加工成直徑50mm，高為50、100mm2類試件(分別編號(hào)為1#、2#)。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1天然含水率、吸水性、孔隙率測(cè)定

煤樣試件天然含水率的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。2件試件在不同浸水時(shí)間下的平均吸水量、平均含水率的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表1　天然含水率測(cè)定結(jié)果

表2　吸水量、含水率測(cè)定結(jié)果

由表2可知：2件試件的平均含水率隨著浸水時(shí)間的增加而增大，剛浸入水中，試件含水率增加較快，當(dāng)浸水3d后試件的平均含水率基本不變，即試件達(dá)到了水飽和狀態(tài)。隨著浸水時(shí)間的進(jìn)一步增加，含水率增加較小。

孔隙率可根據(jù)《巖石孔隙率測(cè)定方法》(MT41-87)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　孔隙率測(cè)定結(jié)果

2.2超聲波測(cè)煤樣物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)

相關(guān)資料研究表明，巖石的類別、密度、孔隙率、結(jié)構(gòu)面、彈性模量、應(yīng)力狀態(tài)、抗壓強(qiáng)度等因素對(duì)于聲波在其中的傳播速度密切相關(guān)。而巖體的該類性質(zhì)與巖體的抗壓強(qiáng)度、密實(shí)程度及裂隙發(fā)育程度直接相關(guān)。因此 巖體的波速能夠間接反映巖體內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況。一般來(lái)說(shuō)，堅(jiān)硬、致密、完整的巖體，聲波在其中傳播速度較快，聲能(振幅)衰減較小，頻譜成分變化小，因而總的波形變化較小；反之，軟弱、破碎巖體，聲速較低，聲幅衰減較大，頻譜中的高頻成分被吸收，波形變化較大，表現(xiàn)為周期拉長(zhǎng)。在測(cè)試煤樣吸水率的同時(shí)對(duì)浸水0 ～6d的2件煤樣試件進(jìn)行了超聲波測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1～圖3。

圖1　彈性模量均值與浸水時(shí)間的關(guān)系

圖2　剪切模量與浸水時(shí)間的關(guān)系

圖3　普氏強(qiáng)度均值與浸水時(shí)間的關(guān)系

由圖1～圖3可知：隨著浸水時(shí)間的增加，煤樣的彈性模量、剪切模量和普氏系數(shù)逐漸減小，浸水4d后曲線趨于平緩，數(shù)值基本保持不變，說(shuō)明 2 個(gè)煤樣試件中的水達(dá)到了飽和狀態(tài)，煤樣強(qiáng)度不再降低。

2.3煤樣單軸抗壓試驗(yàn)

取3組煤樣，每組3個(gè)，編號(hào)1#為天然煤樣，編號(hào)2#為浸水1d，編號(hào)3#為浸水6d，進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　煤樣單周抗壓試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知：煤樣試件的含水率隨著浸水時(shí)間的增大而增大，試件抗壓強(qiáng)度隨著試件含水率的增加而減小，在同一應(yīng)力情況下，應(yīng)變?cè)龃螅砻魉苄栽龃?、脆性減小，煤樣最后為塑性破壞，而失穩(wěn)破壞的可能性更小，煤樣峰值強(qiáng)度明顯降低。

3結(jié)語(yǔ)

煤體力學(xué)性質(zhì)隨煤體的孔隙率、滲透系數(shù)以及含水率的改變而變化，對(duì)水力致裂參數(shù)和軟化效果有較大影響。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)煤層試件進(jìn)行了孔隙率、含水率的測(cè)定，并通過(guò)超聲波試驗(yàn)和單軸抗壓試驗(yàn)，分析了浸水后煤樣力學(xué)性質(zhì)變化以及破壞形態(tài)。結(jié)果表明：①通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，得到了煤層的孔隙率、含水率、滲透系數(shù)等參數(shù)，為軟化性評(píng)價(jià)和合理確定注水參數(shù)提供了科學(xué)依據(jù)；②隨著浸水時(shí)間的增加，煤樣的彈性模量、剪切模量和普氏強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)浸水4d后曲線趨于平緩各值基本保持不變，即煤樣試件中的水達(dá)到了飽和狀態(tài)，煤樣強(qiáng)度不再降低；③隨著注水時(shí)間的增加，煤樣試件的含水率也隨之增加，在同一應(yīng)力情況下，應(yīng)變?cè)龃?，表明塑性增大、脆性減小，煤樣最后表現(xiàn)為塑性破壞，發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性較小，煤樣峰值強(qiáng)度明顯降低。上述試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于小紅勾煤礦開采中確定注水水力致裂的滲透范圍提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]張永吉.煤層注水技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.

[2]鄧廣哲.封閉型煤層裂隙地應(yīng)力場(chǎng)控制水壓致裂特性[J].煤炭學(xué)報(bào)，2001，26(5)：478-482.

[3]黃炳香，鄧廣哲，劉長(zhǎng)友.煤巖體水力致裂弱化技術(shù)及其進(jìn)展[J].中國(guó)工程科學(xué)，2007(4)：83-87.

(收稿日期2016-04-07)

李永武(1970—)，實(shí)驗(yàn)師，碩士，830091 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市南昌路236號(hào)。