水分对某矿突出煤层坚固性系数影响研究

赵慧娟

(大同煤矿集团有限责任公司四老沟矿,山西大同 037003)

1 前言

煤与瓦斯突出是严重危害我国煤矿安全生产的主要灾害之一,煤矿突出事故发生很多是因突出危险性预测失准而导致误采、误掘或误揭突出煤体发生的,因此煤与瓦斯突出鉴定和预测在防治突出过程中是十分重要的。煤的坚固性系数是突出煤层预测和鉴定指标之一。

煤体的坚固性是由煤体固有性质来决定的,它反映了煤体抵抗破坏能力的大小。目前国内大多采用落锤破碎法,来测定煤体的坚固性系数,简称落锤法。该测定方法并没有强调煤体水分对测定结果的影响,从而使测值与真实值有较大的偏差。煤体水分增加后其力学性质发生改变,塑性提高,坚固性系数测定结果也发生变化,基于此,以晋城地区某煤矿的突出煤层为研究对象,研究煤的坚固性系数与水分两者之间的变化关系。以便提高煤的坚固性系数测定结果的准确性。

2 实验方案

根据标准,坚固性系数f值的测定采用落锤法,计算可采用下式：

式中：f20-30——煤样粒径20 mm～30 mm 的坚固系数测定值；

n——落锤撞击次数,次；

h——量筒测定粉末的高度,mm。

(1)在该矿突出煤层新暴露煤壁进行了取样,煤样在取出后,应该立即用取样袋密封保存,以避免采取的煤样风化。

(2)砸碎取回的煤样,采用Φ30mm 和Φ20mm 孔径分样筛筛选出粒径20mm～30mm 的煤样,将筛好煤样分为7组,每组750g,分别编号1到7,每份分别放入干燥洁净的玻璃瓶中。

(3)将装有2～7号煤样的玻璃瓶中加蒸馏水,分别浸水1d、2d、4d、7d、10d 和15d,浸水天数达到后,取出并在阴凉地方阴干。

(4)测定每组煤样的坚固性系数和水分。

3 实验结果

表1 不同水分煤业坚固性系数测定结果

从表1 中的数据可以看出,煤样中的水分随者浸水时间的逐渐增大,原始煤样的水分为1.23%,浸水15天后水分增加到4.52%,增长了367%。随着煤样水分的增加,煤的坚固性系数f也在逐渐增大,原始煤样的坚固性系数为1.02,浸水15天后f值为1.83,f值增加0.81,测定结果误差达到了79.41%,由此可见,煤样浸水后水分增加,对坚固性系数的测定影响较大。

随着煤样水分提高,煤体塑性提高,其脆性降低。在测坚固性系数时,破碎煤样所消耗的功与破碎煤样所增加的表面积成正比,煤样的坚固性与煤样的破碎比成反比。每次坚固性系数测定所做的冲击功是相同的,煤样水分增加时,煤体塑性增强,抵抗破坏能力增加,因此消耗于煤体塑性变形冲击功增加,而用于破碎煤样的冲击功减小,产生的新表面积也随之减小,计算得到f 值也就变大大。

图1 浸水时间与煤样水分的关系图

由图1的关系曲线可以看出,随着浸水时间变长,煤样水分也随之增加。这是因为原始煤样内不存在大量的吸附水,煤样浸水的初始阶段,孔隙进入大量水分子,使得煤样水分迅速增加。随着浸水时间的增加,煤体内的孔隙逐渐充满吸附水,煤样水分增加变缓。随着浸水时间逐渐增加,煤样水分逐渐接近一个极限值,根据对浸水时间和煤样水分的的关系进行拟合,可得煤样浸水后的极限水分4.92%。

图2 煤样水分与煤体坚固性系数的关系图

根据图2 的关系曲线可以看出,随着煤样内水分的增加,其煤体坚固性系数逐渐增大。原始煤样的坚固性系数f 值为1.02,随着水分增加,使得煤样的坚固性系数初始阶段显著上升；随后f 值的增加逐渐变缓,

当水分达到极限4.92%时,水分不会再对煤体的f值产生影响。根据煤样水分和坚固性系数的的拟合关系式,带入煤样的极限水分4.92%,可得煤样的最大坚固性系数为1.83。

4 现场应用

在济三矿73下26的工作面巷道管理中,对工作面与回风巷道交叉处上隅角进行浸水处理,对上隅角的气体集聚起到了稀释作用,有效的预防了灾害的发生。

5 结论

(1)通过研究分析了突出煤层的煤样水分与煤坚固性系数f值的关系,随着煤样水分的增大,坚固性系数f也随之增大,煤样浸水后水分增加,对坚固性系数的测定有显著影响。

(2)对煤业浸水时间和水分的的关系进行拟合,得到了突出煤层煤样浸水后的极限水分4.92%。据煤样水分和坚固性系数的的拟合关系式,带入煤样的极限水分4.92%,可得煤样的最大坚固性系数为1.83。