平煤股份一矿丁6煤层冲击倾向性研究

李永生 刘彦昌

(1.中国矿业大学,江苏省徐州市,221008;2.平顶山天安煤业股份有限公司一矿,河南省平顶山市,467011)

冲击地压是煤矿井工开采中严重的自然灾害之一。它是一种发生在井巷或回采工作面的围岩,煤体内,由煤岩体突然释放弹性能,以急剧、猛烈破坏为特征的动力现象。发生前一般没有明显的宏观征兆,发生过程短暂,猝不及防,常伴有强烈震动、巨大声响、煤体振动和冲击波,已发生的冲击地压中最大震级达到里氏3.8级以上。

近年来,随着采深的加大,采动应力对平顶山矿区生产的危害性日趋明显,八矿、十矿等均发生过由于采动应力而引发的“冲击型”煤与瓦斯突出事故,而冲击地压事故在一个相当长时间内是难以人为改变的,故煤层冲击地压倾向性的实验测定就是对其进行预防的先决条件之一。

在一矿三水平丁二采区,丁6煤层采深已超过800 m,为了防治该煤层冲击矿压的发生,进行了煤层冲击倾向性参数测定,以分析三水平丁二采区丁6煤层的冲击倾向性。

1 煤层概况

一矿井田含煤地层自下而上为晚石炭世太原组、早二叠世山西组和下石盒子组及晚二叠世上石盒子组。属于海陆交互相煤系,煤系平均总厚度779.41 m,共分11个煤段,含煤60余层,常见43层,煤层总厚26.84 m,含煤系数3.4%左右,其中丁6、戊8、戊9、戊10、己17、庚20为主要可采煤层。现开采丁组和戊组两组煤层,丁组煤层主采丁6煤层,戊组煤层主采戊8、戊9、戊10煤层。

丁6煤层位于下古生界二迭系下石盒子组丁煤段中部,煤层厚度0.25～3.79 m,平均厚度2.2 m,以1/3焦煤为主,挥发份Vaf值为32.91%～35.97%,平均34.29%,容重1.4 t/m3。煤层结构简单,偶含1～2层泥岩夹矸。东部较薄,为稳定、较稳定煤层,煤层上部0.7 m左右为块状硬煤,成层状构造,中部1.2 m左右为末状软煤,已无层理,用手可捻成粉末,硬度较低,下部又变为块状硬煤,总体观测煤的破坏类型为Ⅱ～Ⅳ类,一般为Ⅲ类,煤层节理比较发育,煤层透气性系数为0.0394～0.0676 m2/(MPa2·d),透气性较差。丁6煤层直接顶为泥岩或砂质泥岩,老顶为中粗粒砂岩,上与丁5煤层间距3.5～9.5 m;底板为泥岩或砂质泥岩。

2 煤层冲击倾向性测定

2.1 取样地点的选定

取样地点选择在垂深800 m及其以下煤层,兼顾代表性的同时避免测定结果的离散性。煤样尺寸为50 cm×30 cm×30 cm,数量为4～5块。所采煤样就地进行编号,标明煤样名称、采样地点、层位等,同时做好煤样的描述和记录工作。煤样采出后,由专人搬运上井,煤样搬运过程中尽可能轻拿轻放,保持煤样原有的结构状态。

2.2 煤样加工

所取煤样在钻石机、锯石机、磨石机等加工设备上按煤炭工业部标准MT38-48-87《煤与岩石物理力学性质测定方法》规定的要求加工成ø50 mm×100 mm的标准试件。加工后采用游标卡尺(精度0.02 mm)、直角尺、水平检测台、百分表及百分表架等实验检测设备进行测量,并要求:(1)试件两端面的平行度偏差不得大于0.005 cm;(2)试件两端的尺寸偏差不得大于0.02 cm;(3)试件的两端应垂直于试件轴线。

同组煤样同种状态下,每个参数实验试件数量一般不少于3个。

根据实验项目的要求,选用自然含水状态,即试件制备好后,放在底部有水的干燥器内24～48 h,以保持一定的湿度,但煤样试件不得接触水面。实验前,加工成的实验煤样共15个,见图1。

2.3 煤样实验

本实验使用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT-150B型岩石力学伺服控制系统。该实验可进行单轴压缩实验,单轴动态破坏实验、单轴直接拉伸实验、单轴间接拉伸实验、三轴压缩实验和剪切实验等。在实验操作过程中,操作者可以进行干预,切换控制模式(自动和手动),改变控制参数(力和变形),选择实验参数如加载速率、变形速率、力、变形及行程的极限值、波形的相关参数等,也可以预先设计实验步骤,由计算机自动完成,实验数据自动采集,加载过程实时显示。实验结束后,系统可自动退回到初始状态,并能方便地读出实验结果,包括试件的全程应力-应变曲线,如轴向应力与轴向应变、轴向应力与环向应变、轴向应力与体积应变、峰值强度、弹性模量、泊松比、动态破坏时间以及整个实验过程中采集到的载荷、变形和位移等数据文件,为进行各种能量分析计算提供依据。

图1 煤层冲击倾向性实验煤样

2.4 测定结果

关于冲击倾向的理论和指标很多,主要有弹性变形能指数、脆性系数、脆性破坏系数、有效冲击能指数、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、最大塑性变形速度等。国内外常用的冲击倾向性指标有弹性能指数WET和冲击能指数Ks等。我国把煤层的冲击倾向特性分为强烈冲击,弱冲击和无冲击3类。3种类型煤层所对应的冲击倾向特性指标见表1。

在实验室主要测定煤样的强度、弹性能量指数、冲击能量指数、动态破坏时间等参数,实验按照中华人民共和国煤炭工业部部标准MT174-2000《煤样冲击冲击倾向性分类及指标的测定方法》的规定进行,以中弹性应变能指数WT、冲击应变能KN、动态破坏时间D T等3项指标为依据,实验得出三水平丁6煤样的冲击倾向性指标(见表2～表4)。

表1 煤层冲击倾向性测定特性指标

表2 一矿丁6煤样弹性能指标WT实验结果

表3 丁6组煤样冲击能量指数WN实验结果

表4 丁6组煤样动态破坏时间DT测定结果

3 三水平丁6煤层冲击倾向性测定结论

按照中华人民共和国煤炭工业部部标准MT174-2000《煤样冲击冲击倾向性分类及指标的测定方法》的规定,以表2～表4中弹性应变能指数WT、冲击应变能KN、动态破坏时间D T等3项指标为依据,冲击性测试结果见表5。

一矿三水平丁二采区丁6煤的冲击倾向弹性能量指数WT、冲击能量指数KN、动态破坏时间D T均表明,丁6煤样属于弱中等冲击危险煤层。但由于丁6煤层中间普遍存在占煤层全厚1/3强的软煤分层,且其强度明显小于上下的硬煤分层,在硬煤破坏之前软煤分层首先已被破坏,因此,在硬煤分层中不可能储存较大的弹性变形能。

表5 三水平丁6煤样冲击倾向性测定结果

根据以上测定结果,并结合三水平丁6煤层煤结构分析,三水平丁6煤层无冲击倾向危险性。

4 结论

通过对三水平丁6煤层冲击倾向性的实验室测定结果及煤层结构分析,三水平丁6煤层不具备冲击倾向性,或冲击倾向性较弱。在三水平丁6煤层的采掘过程中,应以防治煤与瓦斯突出为主。