注水對無煙煤受壓破壞及塊度分布的影響規(guī)律

楊振國，岳少飛，康天合，陳金明

(1.山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048400；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024)

在綜放開采中，頂煤的破碎程度和塊度分布直接影響著頂煤的放出率[1-3]，對無煙煤來說，塊度分布也直接影響著原煤的質(zhì)量與售價。提高頂煤放出率和改善放出頂煤的塊度分布，對提高無煙煤綜放開采企業(yè)的經(jīng)濟效益具有重要意義。在提高硬及中硬煤層頂煤放出率方面，常用的技術(shù)方法有：超前工作面對煤層實施預(yù)注水和預(yù)裂爆破軟化煤體[4]、工作面推進方向與煤體裂隙方位及組數(shù)合理匹配[5]，特別是煤層注水能降低煤的抗壓強度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，且抗壓強度隨含水率的提高而降低[6，7]，向煤層預(yù)注水也可降低綜放工作面生產(chǎn)過程中煤塵的產(chǎn)生量、預(yù)防沖擊地壓和煤與瓦斯突出等[8-10]，因此在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用。在提高無煙煤生產(chǎn)塊率[11，12]方面，常用的技術(shù)方法有：改進采煤機滾筒螺旋及截齒排列、改進進刀方式、優(yōu)化爆破工藝與參數(shù)，以及對煤倉及運輸轉(zhuǎn)載等進行改進。但是煤層注水提高煤體含水率對頂煤破碎塊度分布的影響規(guī)律及其機理尚不清楚。因此本文以山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司王報井3號煤層煤樣為研究對象，對自然含水率和注水飽水含水率的無煙煤樣進行控制壓縮量的壓縮破碎試驗，研究煤層注水對無煙煤受壓變形及破碎塊度分布的影響規(guī)律，為煤層注水提高無煙煤綜放開采出塊率提供依據(jù)。

1 試驗煤樣

試驗煤樣取自山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司王報井3號煤層綜放工作面，在實驗室對煤樣進行相關(guān)的測試，試驗煤樣具有以下特征：孔隙率為5.5797%，屬于孔隙率偏低煤層；反映裂隙尺度-數(shù)量的特征參數(shù)DN1m=9.34，屬于裂隙發(fā)育中等煤層[13]；最大鏡質(zhì)組反射率2.365%，鏡質(zhì)組占67.8%，惰質(zhì)組占28.9%，黏土礦物占3.3%，屬低變質(zhì)無煙煤；煤-水接觸角最大90.05°，最小55.25°，平均71.79°，屬于純水難潤濕煤層；天然含水率為2.1525%，屬天然含水率低的煤層；自然含水煤樣與加壓注水飽水煤樣的彈性模量分別為1127MPa和673MPa，單軸抗壓強度分別為8.74MPa和7.41MPa，軟化系數(shù)為0.848，屬飽水軟化中等煤層。

2 試驗方案

將在現(xiàn)場取回的煤樣加工成12塊長×寬×厚=100mm×100mm×50mm的原煤試樣，將其中6塊試樣進行泡水(常壓浸泡20d)處理，作為注水飽水狀態(tài)試樣；剩余6塊試樣作為自然含水狀態(tài)試樣。通過對試樣基本力學(xué)參數(shù)的測定試驗可以得出，本次試驗煤樣達到最大抗壓強度時，軸向最大變形量接近3mm但未超過3mm，所以本次試驗煤樣的最大壓縮變形量選取為3mm與6mm。將兩種含水狀態(tài)的試樣按照不同的壓縮量共分為4個實驗組，試驗方案見表1。

表1 試驗方案

3 試驗過程

采用伺服壓力機壓裂試樣，試樣上下兩底面放置厚鋼板，為了保證破碎的煤樣不遺漏，在鋼板下面鋪兩層塑料(圖1)；試驗時，依據(jù)試驗方案采用位移控制的方式對試樣進行壓裂，記錄試樣的應(yīng)力和應(yīng)變值；當達到設(shè)定的壓縮量時，停止壓縮；取出受壓后的試樣碎塊，用孔徑分別為30mm、20mm、10mm、6mm、3mm和1.25mm的分樣篩對碎塊進行篩分；采用電子天平分別對不同粒徑的試樣碎塊進行稱重統(tǒng)計，得到不同試樣的塊度-質(zhì)量分布參數(shù)。

圖1 試樣受壓照片

4 試驗結(jié)果及其分析

4.1 試樣變形破碎特性

試樣1和7、試樣4和10受壓時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。對比不同試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，相比于自然含水狀態(tài)的煤樣，注水飽水煤樣具有以下特點：①峰值強度降低28%；②曲線斜率降低30.6%，說明試樣彈性模量降低；③峰值強度前的變形量增加20.4%；④峰值后的曲線斜率絕對值降低91.2%，增強了煤體峰值強度后的塑性流動特性；⑤殘余強度增強[14]。

圖2 試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試樣1和4、試樣7和10受壓后的破碎特征如圖3所示。對比分析得出：在相同的壓縮量下，自然含水試樣的破碎程度較低，塊度分布不均勻，且存在比較明顯的大塊；注水飽水試樣的破碎程度較高，塊度分布均勻且中等塊度的碎塊較多。由此可以看出煤層注水后可以使煤的破碎程度更高且破碎后的塊度分布更均勻。

圖3 壓縮試樣破碎特征

4.2 塊度-質(zhì)量百分比分布特征

通過篩分法可以得出不同試樣受壓后的碎塊在不同塊度區(qū)間的碎塊質(zhì)量百分比，繪制成不同試樣受壓破碎后的塊度-質(zhì)量百分比分布曲線如圖4所示。為了方便統(tǒng)計分析，將碎塊按照其塊度大小分為三類：小塊、中塊和大塊，其塊度的分布范圍分別為：小于6mm、6～30mm、大于30mm，據(jù)此對試件的碎塊的質(zhì)量百分比重新進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。

圖4 試樣破碎塊度-質(zhì)量分布曲線

由圖4可以看出，含水狀態(tài)和壓縮量相同時，不同試樣的塊度分布規(guī)律具有相似性。對比不同的試樣的塊度-質(zhì)量百分比曲線并結(jié)合圖5的塊度-質(zhì)量百分比分布柱狀圖可以看出：煤層注水后，大塊度碎塊的百分比減少10%～15%；相應(yīng)的中塊度碎塊的質(zhì)量百分比增加10%～15%；小塊度碎塊質(zhì)量百分比變化幅度較小。

4.3 塊度-質(zhì)量分布的分形特征

根據(jù)分形幾何學(xué)理論[15]，如果煤樣受壓破碎后的塊度分布具有分形特征，那么試驗結(jié)果所揭示的塊度分布規(guī)律可以向?qū)嶋H工作面煤的塊度分布進行推廣。

對于具有n維分形結(jié)構(gòu)的曲線，量測的長度與所用碼尺之間的關(guān)系為：

G(ε)=G0εn-D

(1)

式中，G0為常數(shù)；D為分形曲線的分形維數(shù)，當n=1，G和ε對應(yīng)于線，當n=2，G和ε對應(yīng)于面積，當n=3，G和ε對應(yīng)于體積。

假設(shè)煤受壓破碎后的碎塊密度相同，且其碎塊的體積V=z3，那么碎塊的質(zhì)量w與碎塊體積V成正比。因此式(1)可以轉(zhuǎn)化為：

w(z)=az3-D

(2)

對式(2)的兩邊取對數(shù)，則有：

lnw(z)=a0+(3-D)lnz

(3)

式中，a0為常數(shù)；w為篩下質(zhì)量。

若煤樣壓裂破碎后塊度-質(zhì)量分布符合式(3)的分形分布規(guī)律，則其對應(yīng)的lnz-lnw(z)曲線表現(xiàn)出線性關(guān)系，直線的斜率S=3-D。直線的斜率S越小，分維值D越大，表明煤樣壓裂產(chǎn)生的小塊度量越多；直線的斜率S越大，分維值D越小，表明煤樣壓裂產(chǎn)生的小塊度量越少[15-17]。不同試樣碎塊的塊度z和其對應(yīng)的篩下質(zhì)量w按照式(3)中的關(guān)系繪制lnz-lnw(z)曲線，如圖6所示；其塊度-質(zhì)量分布的分形參數(shù)見表2。

圖6中曲線的線性相關(guān)性R2≥0.9762，即試樣受壓破碎后的塊度-質(zhì)量分布符合式(4)所示的分形分布規(guī)律。根據(jù)圖6和表2可知，壓縮量為3mm時，注水試樣比自然狀態(tài)試樣的平均分形維數(shù)D小0.1533；壓縮量為6mm時，注水試樣比自然狀態(tài)試樣的平均分形維數(shù)D小0.1057。注水飽水試樣分維值小于天然含水試樣分維值，說明煤層注水可使煤的破碎塊度更加均勻，使適合高價位銷售的塊度增加。

表2 塊度-質(zhì)量分布的分形參數(shù)

5 現(xiàn)場試驗效果

根據(jù)以上試驗現(xiàn)象及規(guī)律，在王報井選取3105和3106兩個工作面作為對比試驗工作面，其中3105工作面為注水工作面，3105工作面長度145m，煤層厚度4.7m，采用綜采放頂煤采煤方法，工作面回采巷道沿煤層底板布置。在3105工作面兩巷內(nèi)沿工作面傾斜方向布置注水孔，注水孔仰角1.84°，孔口距離巷道底板2.3m，終孔距離煤層頂板0.5m，孔間距為15m，注水孔斜長58m，采用雙側(cè)布孔動壓注水方式注水。

在工作面回采期間對支架放煤口的破碎頂煤的質(zhì)量分布進行統(tǒng)計，不同塊度碎煤的質(zhì)量百分比的分布如圖7所示。由圖7可以看出，工作面煤層注水后，適合銷售的小塊度和中塊度的碎塊百分比明顯增加，需要專門破碎的大塊度和特大塊度的碎塊百分比明顯減少。現(xiàn)場試驗效果與試驗研究所得的塊度分布規(guī)律相似，說明煤層注水能改善頂煤的塊度分布規(guī)律，有助于提高礦井的經(jīng)濟效益。

圖7 不同塊度的碎煤的質(zhì)量百分比柱狀圖

6 結(jié) 論

通過分析注水對無煙煤受壓變形破壞及塊度分布的影響規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場試驗效果，得出以下結(jié)論：

1)注水改變了無煙煤的力學(xué)特性。注水降低了無煙煤的峰值強度和彈性模量，增強了無煙煤峰值后的塑性流動性和殘余強度。但煤層注水對煤質(zhì)的影響有待進一步研究。

2)注水改變無煙煤受壓破碎的塊度分布規(guī)律。注水減少了大塊度煤的量，增加了中塊度煤的量，小塊度煤的量基本無變化。

3)無煙煤受壓破碎塊度-質(zhì)量分布符合分形規(guī)律，且隨著注水含水量的增加，試樣破碎后的塊度-質(zhì)量分布的分形維數(shù)減小，即破碎塊度的均勻性增加。

試驗研究結(jié)論和現(xiàn)場試驗效果表明，綜放工作面實施煤層注水不僅能軟化煤體，提高頂煤放出率，同時也能增加銷售價位高的中塊度煤量，有助于提高無煙煤生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益。