龙家堡2#煤层冲击倾向性试验研究

孙全金

(辽宁省阜新市国土资源局细河分局)

龙家堡2#煤层冲击倾向性试验研究

孙全金①

(辽宁省阜新市国土资源局细河分局)

冲击地压以其突发性、破坏性严重威胁着煤矿的安全生产,及时预测对保障矿井安全生产非常重要。煤岩冲击倾向性研究是冲击地压预测预报及防范治理的基础。采用试验测得的冲击能量指数KE,弹性能量指数WET、动态破坏时间D T作为煤层冲击倾向性的分类指标。本文通过实验室测试龙家堡2#煤层各项指标,确定了其冲击倾向性等级,提出了合理建议。

冲击地压;冲击倾向性;冲击能量指数;弹性能量指数;动态破坏时间;试验研究

冲击地压是煤矿经常发生的主要灾害之一。煤岩冲击倾向性研究是冲击地压机理研究的重要组成部分,是冲击地压预测预报及防范治理的基础。世界上有关国家提出了各种鉴别冲击地压倾向的指标,其中具有代表性的有弹性能量指数、弹性变形指数、最大塑性变形速度、含水量指数,脆性系数、脆性破坏系数有限冲击能指数、极限能比,极限刚度比、破坏速度指数、应力应变时间特性指数及波兰岩石弹性能量指数等。我国煤炭行业标准中规定采用试验测得的冲击能量指数KE,弹性能量指数WET、动态破坏时间D T作为煤层冲击倾向性的分类指标。

1 煤层冲击倾向性分类指标

1)冲击能量指数。冲击能量指数指在单轴压缩状态下,煤样的“应力—应变”曲线峰值前所积聚的变形能与峰值后所消耗的变形能之比值,见图1。它是包含试件“应力—应变”全部变化的曲线,直观和全面地反映了蓄能、耗能的全过程,显示了冲击倾向的物理本质。其表达式为:

式中:

As—为试件峰值前积聚的变形能;

Ax—为试件峰值后消耗的变形能。

冲击能量指数的计算方法:在全过程应力应变曲线的峰值点作垂线交于x轴,则As的值等于峰值点前的曲线、坐标轴和垂线围成的面积值,Ax等于峰值点后的曲线、坐标轴和垂线围成的面积值。As和Ax的计算可采用求积仪、积分等多种方法。

图1 冲击能量指数计算示意图

2)弹性能指数WET。弹性能指数指煤样在单轴压缩条件下,破坏前所积蓄的变形能与产生塑性变形消耗的能量的比值,见图2。

图2 弹性能指数计算示意图

其表达式为:

式中:

ΦC—总应变能,OPMNO的面积;

ΦSE—弹性应变能,PMNP的面积;

ΦSP—塑性应变能,OPNO的面积。

3)动态破坏时间D T。动态破坏时间指煤样在常规单轴压缩试验条件下,从极限载荷到完全破坏所经历的时间,见图3。D T综合反映了能量变化的全过程,对冲击倾向反映敏感是一种实用性较强的指标。

图3 动态破坏时间计算曲线示意图

根据《中华人民共和国行业标准》MT/T174-2000,用上述三项指标鉴定煤层的冲击倾向,把煤层的冲击倾向分为强烈冲击倾向、弱冲击倾向和无冲击倾向三类,各指标的界限值见表1。

表1 煤层冲击倾向表

2 吉林龙家堡2#煤层冲击倾向性检测

1)概况。龙家堡煤矿为深部开采矿井,现开采垂深为800 m,已达到发生冲击地压的临界深度。该矿井在掘进201首采工作面顺槽时,煤爆发生频繁,最多时达到每小班60～70次。响煤炮时伴有煤壁片帮、塌落、掉渣、顶板下沉等现象发生,塌落最大煤量达20～30 t,最大顶板下沉量为800 mm左右。随着采深不断增加,矿井开采范围的扩大,发生冲击地压的危险必然增大。为保证安全生产,对主采煤层进行冲击倾向性试验研究是很有必要的。

2)冲击能量指数测定结果。煤岩试件的单轴抗压强度和冲击能量指数试验可以同时进行。根据经验在MTS上以0.006 7 mm/s的位移控制速度对试件进行准静态加载,可以测得试件的单轴抗压强度和单轴压缩下的全应力应变曲线,并进行煤的冲击能量指数计算。本次实验共加工制作10个煤样试件,尺寸规格为50 mm×50 mm×100 mm方形柱体,试验测得的煤岩单轴压典型全应力应变曲线,见图4。采用MA TLAB 6.5计算曲线图中的面积,求得2#煤层各试件的冲击能量指数见表2。

表2 冲击能量指数、弹性能指数、动态破坏时间结果汇总

3)弹性能指数测定结果。为研究龙家堡煤矿2#煤层的弹性能量指数,对煤岩试件进行了加卸载试验。以0.15 kN/s的速度加载到试件预计强度的70%～80%范围后,以相同速度卸载,卸载到预计强度的1%～5%,重新按照0.006 7 mm/s的速度以位移控制进行加载直至试件破坏。从而获得整个试件的加卸载应力应变曲线,由此可以进行煤的弹性能量指数计算。

本次实验共加工制作10个煤样试件,尺寸规格为50 mm×50 mm×100 mm方形柱体,加卸载下煤试件典型破坏形式见图5(部分式样)。

采用MATLAB 6.5计算曲线图中的面积,求得2#煤层各试件的弹性能量指数见表2。

4)动态破坏时间测定结果。按照煤炭行业标准以1.5 kN/s的速度对煤岩试件进行应力加载。本次实验共加工制作6个煤样试件,尺寸规格为50 mm× 50 mm×100 mm方形柱体,试验测得的煤岩典型动态破坏时间曲线图6(部分式样)。求得2#煤层各试件的典型动态破坏时间见表2。

5)2#煤层冲击倾向性检测结果分析。各煤样试件经试验后求得冲击能量指数、弹性能指数、动态破坏时间结果见表2。

最终求得2#煤层冲击能量指数KE=0.8,弹性能指数WET=1.1,动态破坏时间DT=2 429。通过能量法对2#煤层高应力显现检测结果可知:弹性能指数WE=1.1<2.0;冲击能量指数WB=0.8< 1.5。动态破坏时间Dt=2 492 ms>500 ms,经查表1可知,龙家堡煤矿2#煤层无冲击倾向。

3 结 论

冲击地压的形成和发生的条件是很复杂的,作为一种矿山岩体破坏现象,有其特殊的宏观和微观特征。首先是煤岩中应力超过其极限强度,以煤岩破坏为先导;其次是煤层和围岩在集中应力作用下,吸收能量积聚应变能;另一个是“诱发”因素导致其突变破坏,瞬间释放应变能。

在应用冲击倾向性理论的大量现场调查表明,判断出的具有相同冲击地压倾向性的煤层,甚至同一煤层,只有少数区域发生冲击地压,大多数区域不会发生冲击地压。而且许多属于强冲击地压倾向性的煤层并不发生冲击地压,而某些冲击地压倾向性很弱或无冲击地压倾向性的煤层却发生了冲击地压,可见冲击的发生需要具备很多条件,考虑单一因素不能充分确定冲击地压是否能够发生。因此,在判断某区域是否会发生冲击地压时除考虑煤层物理力学性质外,还要从埋深、地质构造、围岩条件、采动影响、采掘工艺等多方面考虑,努力做到预测准确。虽然,龙家堡煤矿2#煤层经试验检测无冲击倾向,但是从目前所表现出的动力现象应引起高度重视,需进一步采取检测方法和防护措施,保证安全生产。

[1] 王淑坤,齐庆新,曾永志.我国煤岩冲击倾向研究的进展[J].煤矿开采,1998(3):30-32.

[2] 窦林名,何学秋.冲击地压防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001:79-81.

[3] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003:125-128.

[4] 颜卫东,王维,胡方冠.济宁二矿煤层冲击倾向性分析[J].矿山压力与顶板管理,2001(1):102-103.

Test Research of Burst Tendency in Longjiapu 2#Coal Seam

Sun Quan-jin

Rock burst is sudden and destructive which is threat to the coal mine safety production seriously.It is very important to guarantee coal mine safety production that rock burst is predicted timely. The research of coal burst tendency is the foundation of rock burst forecasting and prevention.It is regared as classification index of burst tendency that is burst energy index,elastic energy index,dynamic destruction time tested.In this paper,we have tested indexes,determined burst tendency grade,puts forward reasonable proposals in Longjiapu 2#coal seam.

Rock burst;Bursttendency;Burstenergy index;Elastic energy index;Dynamic destruction time

book=3,ebook=92

TD324

B

1672-0652(2010)03-0023-04

2010-01-19

孙全金 男 1970年出生 2010年毕业于辽宁工程技术大学 工程师 阜新 123000