煤层注水软化工艺基础试验分析

李永武

(新疆工程学院采矿工程系)



煤层注水软化工艺基础试验分析

李永武

(新疆工程学院采矿工程系)

摘要以小红沟煤矿煤层为取样煤层，对煤样进行了含水率、吸水率和空隙率测定，并通过超声波试验和单轴抗压试验，分析了该矿煤样的水力学特性、在水作用下的力学性质变化以及在不同含水率下的破坏状态。上述试验得出的煤层力学参数，可为煤层注水软化工艺研究提供基础数据。

关键词煤层注水软化工艺水力特性煤层力学参数

综放开采作为一种经济、安全、高效的开采方式，已得到了广泛应用，但煤层综放开采过程中，顶煤在受到煤体自重、矿山压力及支架反复支撑的共同作用下易发生破坏、垮落形成松散无规则的块体堆，但遇到坚硬特厚煤层时，仅靠上述作用不足以使硬度较大的顶煤达到放出要求的破碎程度，顶煤的自然跨落困难，放顶煤采出率也会随之下降，为此，有必要对顶煤进行人工预先弱化处理。弱化顶煤方法较多，其中水压致裂是坚硬厚煤层综采放顶煤中顶煤软化的关键技术，具有安全、环保、高效、经济的优点，应用较广泛[1-3]。水力致裂顶煤是通过钻孔向煤体预注高压水，利用压力水对弱面的压裂、冲刷、楔入作用 (水楔作用)以及水对煤体的物理、化学作用，使煤体扩大原有裂隙、产生新的裂隙，破坏煤体整体性，降低其强度。 新疆小红沟煤矿煤层为急倾斜特厚煤层，采用水平分段放顶煤法开采，鉴于顶煤坚硬(煤层局部硬度系数为2～3)，冒放困难，因此，研究小红沟煤矿煤层注水软化特性及注水参数，对解决该矿的难冒放问题，提高采出率具有重要意义。

1试验步骤及煤样制备

本研究通过试验测试小红沟煤矿煤样的孔隙率、含水率等参数，并通过超声波试验和单轴抗压试验分析浸水后煤样的力学性质变化特征，为准确确定注水参数提供依据。试验步骤：首先制备煤样并测定其天然含水率、孔隙率等参数；然后对煤样进行浸泡，在浸泡过程中测定其吸水性，用超声波探测仪测定不同浸水时间煤样的物理力学参数；最后通过煤样的单轴抗压试验，分析浸水后煤样的力学性质变化及破坏情况。本研究试验煤样来自新疆乌鲁木齐市小红沟煤矿，用钻芯机、打磨机和切割机对煤样进行加工，分别加工成直径50mm，高为50、100mm2类试件(分别编号为1#、2#)。

2试验结果

2.1天然含水率、吸水性、孔隙率测定

煤样试件天然含水率的测定结果见表1。2件试件在不同浸水时间下的平均吸水量、平均含水率的测定结果见表2。

表1　天然含水率测定结果

表2　吸水量、含水率测定结果

由表2可知：2件试件的平均含水率随着浸水时间的增加而增大，刚浸入水中，试件含水率增加较快，当浸水3d后试件的平均含水率基本不变，即试件达到了水饱和状态。随着浸水时间的进一步增加，含水率增加较小。

孔隙率可根据《岩石孔隙率测定方法》(MT41-87)进行测定，结果见表3。

表3　孔隙率测定结果

2.2超声波测煤样物理力学参数试验

相关资料研究表明，岩石的类别、密度、孔隙率、结构面、弹性模量、应力状态、抗压强度等因素对于声波在其中的传播速度密切相关。而岩体的该类性质与岩体的抗压强度、密实程度及裂隙发育程度直接相关。因此 岩体的波速能够间接反映岩体内部裂隙的发育情况。一般来说，坚硬、致密、完整的岩体，声波在其中传播速度较快，声能(振幅)衰减较小，频谱成分变化小，因而总的波形变化较小；反之，软弱、破碎岩体，声速较低，声幅衰减较大，频谱中的高频成分被吸收，波形变化较大，表现为周期拉长。在测试煤样吸水率的同时对浸水0 ～6d的2件煤样试件进行了超声波测试，结果见图1～图3。

图1　弹性模量均值与浸水时间的关系

图2　剪切模量与浸水时间的关系

图3　普氏强度均值与浸水时间的关系

由图1～图3可知：随着浸水时间的增加，煤样的弹性模量、剪切模量和普氏系数逐渐减小，浸水4d后曲线趋于平缓，数值基本保持不变，说明 2 个煤样试件中的水达到了饱和状态，煤样强度不再降低。

2.3煤样单轴抗压试验

取3组煤样，每组3个，编号1#为天然煤样，编号2#为浸水1d，编号3#为浸水6d，进行单轴抗压试验，结果见表4。

表4　煤样单周抗压试验结果

由表4可知：煤样试件的含水率随着浸水时间的增大而增大，试件抗压强度随着试件含水率的增加而减小，在同一应力情况下，应变增大，表明塑性增大、脆性减小，煤样最后为塑性破坏，而失稳破坏的可能性更小，煤样峰值强度明显降低。

3结语

煤体力学性质随煤体的孔隙率、渗透系数以及含水率的改变而变化，对水力致裂参数和软化效果有较大影响。通过试验对煤层试件进行了孔隙率、含水率的测定，并通过超声波试验和单轴抗压试验，分析了浸水后煤样力学性质变化以及破坏形态。结果表明：①通过试验测定，得到了煤层的孔隙率、含水率、渗透系数等参数，为软化性评价和合理确定注水参数提供了科学依据；②随着浸水时间的增加，煤样的弹性模量、剪切模量和普氏强度逐渐减小，当浸水4d后曲线趋于平缓各值基本保持不变，即煤样试件中的水达到了饱和状态，煤样强度不再降低；③随着注水时间的增加，煤样试件的含水率也随之增加，在同一应力情况下，应变增大，表明塑性增大、脆性减小，煤样最后表现为塑性破坏，发生失稳破坏的可能性较小，煤样峰值强度明显降低。上述试验结果对于小红勾煤矿开采中确定注水水力致裂的渗透范围提供了基础数据。

参考文献

[1]张永吉.煤层注水技术[M].北京：煤炭工业出版社，2001.

[2]邓广哲.封闭型煤层裂隙地应力场控制水压致裂特性[J].煤炭学报，2001，26(5)：478-482.

[3]黄炳香，邓广哲，刘长友.煤岩体水力致裂弱化技术及其进展[J].中国工程科学，2007(4)：83-87.

(收稿日期2016-04-07)

李永武(1970—)，实验师，硕士，830091 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市南昌路236号。