豫西“三軟”煤層二1煤及頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性影響分析

趙麥來 吳少鋒

(河南寶雨山煤業(yè)有限公司,河南 洛陽471300)

本礦井位于豫西低山丘陵區(qū),開采二1煤層,開采標(biāo)高+240～-660m,設(shè)計生產(chǎn)能力90萬t/a,目前,開采最大深度超過400m,煤層上方100m范圍內(nèi)附存有較堅硬的砂巖層,符合應(yīng)進(jìn)行沖擊傾向性鑒定第三條。為掌握礦井沖擊地壓危險程度,保證礦井安全生產(chǎn),需對二1煤及頂板巖層沖擊傾向性進(jìn)行鑒定保障分析。

1 煤層及煤質(zhì)

該區(qū)二1煤層位于山西組下部,賦存在大占砂巖(Sd)和老君堂砂巖(SL)之間,全區(qū)可采。上距香炭砂巖(SX)28.09 m,下距L7約25m。煤層底板標(biāo)高為+50～-250m,埋藏深度530～760m。煤層層位穩(wěn)定,厚度有一定變化,規(guī)律較明顯,局部發(fā)育有薄煤帶。區(qū)內(nèi)二1煤層0.3 ～6.25 m,平均4.46 m。全區(qū)大部分可采,為較穩(wěn)定煤層。

該區(qū)二1煤為黑色,條痕為灰色。具金屬光澤,參差狀斷口。煤巖成分以亮煤為主、暗煤次之,其中夾雜微量絲炭和少許鏡煤條帶,呈鑲嵌狀分布。宏觀煤巖類型,以半亮型為主,兼有少量光亮型與半暗型。三者多呈薄層互層狀。煤的結(jié)構(gòu)疏松,機(jī)械強(qiáng)度特低,多呈粉狀產(chǎn)出,且易污手。經(jīng)燃燒試驗,屬較易燃煤。視密度1.42 ～1.76 t/m3。

該礦二1煤屬低灰、中硫、低磷、特高熱值及高熱值之貧煤,適合動力及民用用煤。

2 煤巖采樣與試樣加工

試驗所測定煤巖層為寶雨山煤礦二1煤及頂?shù)装鍘r層,煤樣采集為1701工作面,選擇7塊以上300×300×200mm的煤塊。1701工作面位于一水平17采區(qū)東部,切眼東450m為井田一水平東邊界；西120m為11127工作面采空區(qū)；北為1702設(shè)計工作面；南為1702設(shè)計工作面,1701工作面標(biāo)高+120～138.4 m。地面標(biāo)高+684～+725m之間,1701工作面煤層埋藏深度為446～572m。頂板巖樣采集使用鉆孔取芯方式,為使采集的巖樣更具有代表性,選擇2個位置采取巖樣,一是一水平東翼運(yùn)輸巷(四聯(lián)巷以東120m處),此處位于井田東冀,標(biāo)高+20m左右；二是在13采區(qū)運(yùn)輸下山中聯(lián)巷硐室,標(biāo)高-95m,為礦井井巷工程最深揭露的位置。

底板巖樣采集地點為13運(yùn)輸下山(二1煤層底板15m)與11東翼皮帶巷(煤巷)聯(lián)巷,在不同施工地點,采集200×200×200mm泥巖和砂巖巖樣各5塊。根據(jù)煤巖層柱狀圖和現(xiàn)場取芯結(jié)果,對二1煤層及頂?shù)装迦臃纸M。

3 二1 煤的沖擊傾向性測試

3.1 試驗設(shè)備與儀器

試驗設(shè)備采用RMT-150C型微機(jī)控制電液伺服剛性壓力試驗機(jī),用于進(jìn)行煤巖加載和應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€測定。同時試驗設(shè)備有采集速度為0.1 ms的高速計算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。主要技術(shù)指標(biāo):(1)軸壓0-150t；(2)圍壓0-50MPa；(3)試驗尺寸￠50×100mm、150×150×300mm。

3.2 試驗方法

力學(xué)性質(zhì)測定,試件的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比的測定在伺服試驗機(jī)上進(jìn)行。煤的沖擊傾向性測試定依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)通過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理計算得到。

煤的沖擊傾向性分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1

4 煤的沖擊傾向性測定結(jié)果

4.1 單軸抗壓強(qiáng)度

煤樣單軸抗壓強(qiáng)度最大值為0.430 MPa,最小值為0.049 MPa,平均值為0.262 MPa。測試結(jié)果顯示,煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度小于7MPa。

4.2 動態(tài)破壞時間

煤樣動態(tài)破壞時間最長為1605ms,最小值為806ms,平均值為1216ms。測試結(jié)果顯示,煤樣動態(tài)破壞時間大于500ms。

4.3 彈性能量指數(shù)

煤樣彈性能量指數(shù)最大值為0.33 ,最小值為0.08 ,平均值為0.214。測試結(jié)果顯示,煤樣彈性能量指數(shù)小于2。

4.4 沖擊能量指數(shù)

煤樣沖擊能量指數(shù)最大值為5.14 ,最小值為0.67 ,平均值為1.97 。測試結(jié)果顯示,煤樣沖擊能量指數(shù):1.5 ≤KE＜5。

動態(tài)破壞時間指標(biāo)為3,彈性能指數(shù)指標(biāo)為3,沖擊能指數(shù)均為2,單軸抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)3,綜合判定結(jié)果為:3-無沖擊傾向(見表2)。

表2 煤樣的沖擊傾向性指標(biāo)及判定結(jié)果

5 頂?shù)装鍘r層的沖擊傾向性測定

巖石沖擊傾向性分類指標(biāo)及測定項目根據(jù)《巖石沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》(GB/T25217.1-2010),頂板沖擊傾向性分為3類,如表3。

表3 巖層沖擊傾向性類別及指數(shù)

因此,需測定三項指標(biāo),即抗拉強(qiáng)度、塊體密度、彈性模量[2]。

5.1 視密度測試結(jié)果

A組巖樣平均視密度為2670kg/m3,B組巖樣平均視密度為2649kg/m3,C組巖樣平均視密度為2667kg/m3,E組巖樣平均視密度為2556kg/m3,F組巖樣平均視密度為2670kg/m3。

5.2 抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果

A組巖樣抗拉強(qiáng)度最大值3.212 Mpa,最小值1.478 MPa,平均值2.460 Mpa；B組巖樣抗拉強(qiáng)度最大值2.548 Mpa,最小值2.001 Mpa,平均值2.326 Mpa；C組 巖 樣 抗 拉 強(qiáng) 度 最 大 值5.067 Mpa,最小值2.531 MPa,平均值3.620 Mpa；E組巖樣抗拉強(qiáng)度最大值1.827 Mpa,最小值0.509 MPa,平均值1.160 Mpa；F組巖樣抗拉強(qiáng)度最大值6.770 Mpa,最小值4.787 MPa,平均值5.897 Mpa。

5.3 彈性模量測試結(jié)果

A組巖樣彈性模量最大值19.045 GPa,最小值7.803 GPa,平均值11.736 GPa；B組巖樣彈性模量最大值19.928 GPa,最小值7.840 GPa,平均值14.351 GPa；C組 巖 樣 彈 性 模 量 最 大 值31.224 GPa,最小值8.991 GPa,平均值22.611 GPa；E組巖樣彈性模量最大值8.402 GPa,最小值1.611 GPa,平均值6.875 Gpa；F組巖樣彈性模量最大值31.241 GPa,最小值3.810 GPa,平均值21.456 GPa。

6 上覆巖層載荷計算

上覆巖層載荷自煤層頂板起,自下而上計算[1]；彎曲能量指數(shù)分單一頂板彎曲能量指數(shù)計算和復(fù)合頂板彎曲能量指數(shù)計算(見表4)。

表4 頂?shù)装鍘r層彎曲能量指數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)表中的計算結(jié)果,礦井二1煤頂板30m范圍內(nèi)有3層超過2m的厚層巖層,其破斷距分別為24.09 m、38.42 m、48.05 m,不會同時破斷,因此,頂板彎曲能指數(shù)取這3層巖層的最大值,即UWQ=13.293<15,屬于I類,無沖擊傾向；二1煤底板2層巖層的彎曲能指數(shù)分別為UWQ=0.972 和14.648 ,均小于15,屬于I類,無沖擊傾向。

結(jié)論與建議,根據(jù)送檢煤樣測定的數(shù)據(jù),判定礦井二1煤層沖擊傾向性屬于I類,為無沖擊傾向性煤層。根據(jù)送檢巖樣測定的數(shù)據(jù),判定礦井二1煤層頂板巖層沖擊傾向性為I類,為無沖擊傾向性巖層。根據(jù)送檢巖樣測定的數(shù)據(jù),判定礦井二1煤層底板巖層沖擊傾向性為I類,為無沖擊傾向性巖層。