水分對某礦突出煤層堅固性系數(shù)影響研究

趙慧娟

(大同煤礦集團有限責任公司四老溝礦,山西大同 037003)

1 前言

煤與瓦斯突出是嚴重危害我國煤礦安全生產(chǎn)的主要災害之一,煤礦突出事故發(fā)生很多是因突出危險性預測失準而導致誤采、誤掘或誤揭突出煤體發(fā)生的,因此煤與瓦斯突出鑒定和預測在防治突出過程中是十分重要的。煤的堅固性系數(shù)是突出煤層預測和鑒定指標之一。

煤體的堅固性是由煤體固有性質(zhì)來決定的,它反映了煤體抵抗破壞能力的大小。目前國內(nèi)大多采用落錘破碎法,來測定煤體的堅固性系數(shù),簡稱落錘法。該測定方法并沒有強調(diào)煤體水分對測定結(jié)果的影響,從而使測值與真實值有較大的偏差。煤體水分增加后其力學性質(zhì)發(fā)生改變,塑性提高,堅固性系數(shù)測定結(jié)果也發(fā)生變化,基于此,以晉城地區(qū)某煤礦的突出煤層為研究對象,研究煤的堅固性系數(shù)與水分兩者之間的變化關(guān)系。以便提高煤的堅固性系數(shù)測定結(jié)果的準確性。

2 實驗方案

根據(jù)標準,堅固性系數(shù)f值的測定采用落錘法,計算可采用下式：

式中：f20-30——煤樣粒徑20 mm～30 mm 的堅固系數(shù)測定值；

n——落錘撞擊次數(shù),次；

h——量筒測定粉末的高度,mm。

(1)在該礦突出煤層新暴露煤壁進行了取樣,煤樣在取出后,應該立即用取樣袋密封保存,以避免采取的煤樣風化。

(2)砸碎取回的煤樣,采用Φ30mm 和Φ20mm 孔徑分樣篩篩選出粒徑20mm～30mm 的煤樣,將篩好煤樣分為7組,每組750g,分別編號1到7,每份分別放入干燥潔凈的玻璃瓶中。

(3)將裝有2～7號煤樣的玻璃瓶中加蒸餾水,分別浸水1d、2d、4d、7d、10d 和15d,浸水天數(shù)達到后,取出并在陰涼地方陰干。

(4)測定每組煤樣的堅固性系數(shù)和水分。

3 實驗結(jié)果

表1 不同水分煤業(yè)堅固性系數(shù)測定結(jié)果

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出,煤樣中的水分隨者浸水時間的逐漸增大,原始煤樣的水分為1.23%,浸水15天后水分增加到4.52%,增長了367%。隨著煤樣水分的增加,煤的堅固性系數(shù)f也在逐漸增大,原始煤樣的堅固性系數(shù)為1.02,浸水15天后f值為1.83,f值增加0.81,測定結(jié)果誤差達到了79.41%,由此可見,煤樣浸水后水分增加,對堅固性系數(shù)的測定影響較大。

隨著煤樣水分提高,煤體塑性提高,其脆性降低。在測堅固性系數(shù)時,破碎煤樣所消耗的功與破碎煤樣所增加的表面積成正比,煤樣的堅固性與煤樣的破碎比成反比。每次堅固性系數(shù)測定所做的沖擊功是相同的,煤樣水分增加時,煤體塑性增強,抵抗破壞能力增加,因此消耗于煤體塑性變形沖擊功增加,而用于破碎煤樣的沖擊功減小,產(chǎn)生的新表面積也隨之減小,計算得到f 值也就變大大。

圖1 浸水時間與煤樣水分的關(guān)系圖

由圖1的關(guān)系曲線可以看出,隨著浸水時間變長,煤樣水分也隨之增加。這是因為原始煤樣內(nèi)不存在大量的吸附水,煤樣浸水的初始階段,孔隙進入大量水分子,使得煤樣水分迅速增加。隨著浸水時間的增加,煤體內(nèi)的孔隙逐漸充滿吸附水,煤樣水分增加變緩。隨著浸水時間逐漸增加,煤樣水分逐漸接近一個極限值,根據(jù)對浸水時間和煤樣水分的的關(guān)系進行擬合,可得煤樣浸水后的極限水分4.92%。

圖2 煤樣水分與煤體堅固性系數(shù)的關(guān)系圖

根據(jù)圖2 的關(guān)系曲線可以看出,隨著煤樣內(nèi)水分的增加,其煤體堅固性系數(shù)逐漸增大。原始煤樣的堅固性系數(shù)f 值為1.02,隨著水分增加,使得煤樣的堅固性系數(shù)初始階段顯著上升；隨后f 值的增加逐漸變緩,

當水分達到極限4.92%時,水分不會再對煤體的f值產(chǎn)生影響。根據(jù)煤樣水分和堅固性系數(shù)的的擬合關(guān)系式,帶入煤樣的極限水分4.92%,可得煤樣的最大堅固性系數(shù)為1.83。

4 現(xiàn)場應用

在濟三礦73下26的工作面巷道管理中,對工作面與回風巷道交叉處上隅角進行浸水處理,對上隅角的氣體集聚起到了稀釋作用,有效的預防了災害的發(fā)生。

5 結(jié)論

(1)通過研究分析了突出煤層的煤樣水分與煤堅固性系數(shù)f值的關(guān)系,隨著煤樣水分的增大,堅固性系數(shù)f也隨之增大,煤樣浸水后水分增加,對堅固性系數(shù)的測定有顯著影響。

(2)對煤業(yè)浸水時間和水分的的關(guān)系進行擬合,得到了突出煤層煤樣浸水后的極限水分4.92%。據(jù)煤樣水分和堅固性系數(shù)的的擬合關(guān)系式,帶入煤樣的極限水分4.92%,可得煤樣的最大堅固性系數(shù)為1.83。