平煤股份一礦丁6煤層沖擊傾向性研究

李永生 劉彥昌

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

沖擊地壓是煤礦井工開采中嚴重的自然災害之一。它是一種發生在井巷或回采工作面的圍巖,煤體內,由煤巖體突然釋放彈性能,以急劇、猛烈破壞為特征的動力現象。發生前一般沒有明顯的宏觀征兆,發生過程短暫,猝不及防,常伴有強烈震動、巨大聲響、煤體振動和沖擊波,已發生的沖擊地壓中最大震級達到里氏3.8級以上。

近年來,隨著采深的加大,采動應力對平頂山礦區生產的危害性日趨明顯,八礦、十礦等均發生過由于采動應力而引發的“沖擊型”煤與瓦斯突出事故,而沖擊地壓事故在一個相當長時間內是難以人為改變的,故煤層沖擊地壓傾向性的實驗測定就是對其進行預防的先決條件之一。

在一礦三水平丁二采區,丁6煤層采深已超過800 m,為了防治該煤層沖擊礦壓的發生,進行了煤層沖擊傾向性參數測定,以分析三水平丁二采區丁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個煤段,含煤60余層,常見43層,煤層總厚26.84 m,含煤系數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開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,揮發份Vaf值為32.91%～35.97%,平均34.29%,容重1.4 t/m3。煤層結構簡單,偶含1～2層泥巖夾矸。東部較薄,為穩定、較穩定煤層,煤層上部0.7 m左右為塊狀硬煤,成層狀構造,中部1.2 m左右為末狀軟煤,已無層理,用手可捻成粉末,硬度較低,下部又變為塊狀硬煤,總體觀測煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅳ類,一般為Ⅲ類,煤層節理比較發育,煤層透氣性系數為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;底板為泥巖或砂質泥巖。

2 煤層沖擊傾向性測定

2.1 取樣地點的選定

取樣地點選擇在垂深800 m及其以下煤層,兼顧代表性的同時避免測定結果的離散性。煤樣尺寸為50 cm×30 cm×30 cm,數量為4～5塊。所采煤樣就地進行編號,標明煤樣名稱、采樣地點、層位等,同時做好煤樣的描述和記錄工作。煤樣采出后,由專人搬運上井,煤樣搬運過程中盡可能輕拿輕放,保持煤樣原有的結構狀態。

2.2 煤樣加工

所取煤樣在鉆石機、鋸石機、磨石機等加工設備上按煤炭工業部標準MT38-48-87《煤與巖石物理力學性質測定方法》規定的要求加工成?50 mm×100 mm的標準試件。加工后采用游標卡尺(精度0.02 mm)、直角尺、水平檢測臺、百分表及百分表架等實驗檢測設備進行測量,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)試件的兩端應垂直于試件軸線。

同組煤樣同種狀態下,每個參數實驗試件數量一般不少于3個。

根據實驗項目的要求,選用自然含水狀態,即試件制備好后,放在底部有水的干燥器內24～48 h,以保持一定的濕度,但煤樣試件不得接觸水面。實驗前,加工成的實驗煤樣共15個,見圖1。

2.3 煤樣實驗

本實驗使用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RMT-150B型巖石力學伺服控制系統。該實驗可進行單軸壓縮實驗,單軸動態破壞實驗、單軸直接拉伸實驗、單軸間接拉伸實驗、三軸壓縮實驗和剪切實驗等。在實驗操作過程中,操作者可以進行干預,切換控制模式(自動和手動),改變控制參數(力和變形),選擇實驗參數如加載速率、變形速率、力、變形及行程的極限值、波形的相關參數等,也可以預先設計實驗步驟,由計算機自動完成,實驗數據自動采集,加載過程實時顯示。實驗結束后,系統可自動退回到初始狀態,并能方便地讀出實驗結果,包括試件的全程應力-應變曲線,如軸向應力與軸向應變、軸向應力與環向應變、軸向應力與體積應變、峰值強度、彈性模量、泊松比、動態破壞時間以及整個實驗過程中采集到的載荷、變形和位移等數據文件,為進行各種能量分析計算提供依據。

圖1 煤層沖擊傾向性實驗煤樣

2.4 測定結果

關于沖擊傾向的理論和指標很多,主要有彈性變形能指數、脆性系數、脆性破壞系數、有效沖擊能指數、極限能比、極限剛度比、破壞速度指數、應力應變時間特性指數、最大塑性變形速度等。國內外常用的沖擊傾向性指標有彈性能指數WET和沖擊能指數Ks等。我國把煤層的沖擊傾向特性分為強烈沖擊,弱沖擊和無沖擊3類。3種類型煤層所對應的沖擊傾向特性指標見表1。

在實驗室主要測定煤樣的強度、彈性能量指數、沖擊能量指數、動態破壞時間等參數,實驗按照中華人民共和國煤炭工業部部標準MT174-2000《煤樣沖擊沖擊傾向性分類及指標的測定方法》的規定進行,以中彈性應變能指數WT、沖擊應變能KN、動態破壞時間D T等3項指標為依據,實驗得出三水平丁6煤樣的沖擊傾向性指標(見表2～表4)。

表1 煤層沖擊傾向性測定特性指標

表2 一礦丁6煤樣彈性能指標WT實驗結果

表3 丁6組煤樣沖擊能量指數WN實驗結果

表4 丁6組煤樣動態破壞時間DT測定結果

3 三水平丁6煤層沖擊傾向性測定結論

按照中華人民共和國煤炭工業部部標準MT174-2000《煤樣沖擊沖擊傾向性分類及指標的測定方法》的規定,以表2～表4中彈性應變能指數WT、沖擊應變能KN、動態破壞時間D T等3項指標為依據,沖擊性測試結果見表5。

一礦三水平丁二采區丁6煤的沖擊傾向彈性能量指數WT、沖擊能量指數KN、動態破壞時間D T均表明,丁6煤樣屬于弱中等沖擊危險煤層。但由于丁6煤層中間普遍存在占煤層全厚1/3強的軟煤分層,且其強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存較大的彈性變形能。

表5 三水平丁6煤樣沖擊傾向性測定結果

根據以上測定結果,并結合三水平丁6煤層煤結構分析,三水平丁6煤層無沖擊傾向危險性。

4 結論

通過對三水平丁6煤層沖擊傾向性的實驗室測定結果及煤層結構分析,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煤層的采掘過程中,應以防治煤與瓦斯突出為主。