注水对无烟煤受压破坏及块度分布的影响规律

杨振国，岳少飞，康天合，陈金明

(1.山西兰花百盛煤业有限公司，山西 晋城 048400；2.太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024)

在综放开采中，顶煤的破碎程度和块度分布直接影响着顶煤的放出率[1-3]，对无烟煤来说，块度分布也直接影响着原煤的质量与售价。提高顶煤放出率和改善放出顶煤的块度分布，对提高无烟煤综放开采企业的经济效益具有重要意义。在提高硬及中硬煤层顶煤放出率方面，常用的技术方法有：超前工作面对煤层实施预注水和预裂爆破软化煤体[4]、工作面推进方向与煤体裂隙方位及组数合理匹配[5]，特别是煤层注水能降低煤的抗压强度、内聚力和内摩擦角，且抗压强度随含水率的提高而降低[6，7]，向煤层预注水也可降低综放工作面生产过程中煤尘的产生量、预防冲击地压和煤与瓦斯突出等[8-10]，因此在工程实践中得到广泛应用。在提高无烟煤生产块率[11，12]方面，常用的技术方法有：改进采煤机滚筒螺旋及截齿排列、改进进刀方式、优化爆破工艺与参数，以及对煤仓及运输转载等进行改进。但是煤层注水提高煤体含水率对顶煤破碎块度分布的影响规律及其机理尚不清楚。因此本文以山西兰花百盛煤业有限公司王报井3号煤层煤样为研究对象，对自然含水率和注水饱水含水率的无烟煤样进行控制压缩量的压缩破碎试验，研究煤层注水对无烟煤受压变形及破碎块度分布的影响规律，为煤层注水提高无烟煤综放开采出块率提供依据。

1 试验煤样

试验煤样取自山西兰花百盛煤业有限公司王报井3号煤层综放工作面，在实验室对煤样进行相关的测试，试验煤样具有以下特征：孔隙率为5.5797%，属于孔隙率偏低煤层；反映裂隙尺度-数量的特征参数DN1m=9.34，属于裂隙发育中等煤层[13]；最大镜质组反射率2.365%，镜质组占67.8%，惰质组占28.9%，黏土矿物占3.3%，属低变质无烟煤；煤-水接触角最大90.05°，最小55.25°，平均71.79°，属于纯水难润湿煤层；天然含水率为2.1525%，属天然含水率低的煤层；自然含水煤样与加压注水饱水煤样的弹性模量分别为1127MPa和673MPa，单轴抗压强度分别为8.74MPa和7.41MPa，软化系数为0.848，属饱水软化中等煤层。

2 试验方案

将在现场取回的煤样加工成12块长×宽×厚=100mm×100mm×50mm的原煤试样，将其中6块试样进行泡水(常压浸泡20d)处理，作为注水饱水状态试样；剩余6块试样作为自然含水状态试样。通过对试样基本力学参数的测定试验可以得出，本次试验煤样达到最大抗压强度时，轴向最大变形量接近3mm但未超过3mm，所以本次试验煤样的最大压缩变形量选取为3mm与6mm。将两种含水状态的试样按照不同的压缩量共分为4个实验组，试验方案见表1。

表1 试验方案

3 试验过程

采用伺服压力机压裂试样，试样上下两底面放置厚钢板，为了保证破碎的煤样不遗漏，在钢板下面铺两层塑料(图1)；试验时，依据试验方案采用位移控制的方式对试样进行压裂，记录试样的应力和应变值；当达到设定的压缩量时，停止压缩；取出受压后的试样碎块，用孔径分别为30mm、20mm、10mm、6mm、3mm和1.25mm的分样筛对碎块进行筛分；采用电子天平分别对不同粒径的试样碎块进行称重统计，得到不同试样的块度-质量分布参数。

图1 试样受压照片

4 试验结果及其分析

4.1 试样变形破碎特性

试样1和7、试样4和10受压时的应力-应变曲线如图2所示。对比不同试样的应力-应变曲线可知，相比于自然含水状态的煤样，注水饱水煤样具有以下特点：①峰值强度降低28%；②曲线斜率降低30.6%，说明试样弹性模量降低；③峰值强度前的变形量增加20.4%；④峰值后的曲线斜率绝对值降低91.2%，增强了煤体峰值强度后的塑性流动特性；⑤残余强度增强[14]。

图2 试样应力-应变曲线

试样1和4、试样7和10受压后的破碎特征如图3所示。对比分析得出：在相同的压缩量下，自然含水试样的破碎程度较低，块度分布不均匀，且存在比较明显的大块；注水饱水试样的破碎程度较高，块度分布均匀且中等块度的碎块较多。由此可以看出煤层注水后可以使煤的破碎程度更高且破碎后的块度分布更均匀。

图3 压缩试样破碎特征

4.2 块度-质量百分比分布特征

通过筛分法可以得出不同试样受压后的碎块在不同块度区间的碎块质量百分比，绘制成不同试样受压破碎后的块度-质量百分比分布曲线如图4所示。为了方便统计分析，将碎块按照其块度大小分为三类：小块、中块和大块，其块度的分布范围分别为：小于6mm、6～30mm、大于30mm，据此对试件的碎块的质量百分比重新进行统计，结果如图5所示。

图4 试样破碎块度-质量分布曲线

由图4可以看出，含水状态和压缩量相同时，不同试样的块度分布规律具有相似性。对比不同的试样的块度-质量百分比曲线并结合图5的块度-质量百分比分布柱状图可以看出：煤层注水后，大块度碎块的百分比减少10%～15%；相应的中块度碎块的质量百分比增加10%～15%；小块度碎块质量百分比变化幅度较小。

4.3 块度-质量分布的分形特征

根据分形几何学理论[15]，如果煤样受压破碎后的块度分布具有分形特征，那么试验结果所揭示的块度分布规律可以向实际工作面煤的块度分布进行推广。

对于具有n维分形结构的曲线，量测的长度与所用码尺之间的关系为：

G(ε)=G0εn-D

(1)

式中，G0为常数；D为分形曲线的分形维数，当n=1，G和ε对应于线，当n=2，G和ε对应于面积，当n=3，G和ε对应于体积。

假设煤受压破碎后的碎块密度相同，且其碎块的体积V=z3，那么碎块的质量w与碎块体积V成正比。因此式(1)可以转化为：

w(z)=az3-D

(2)

对式(2)的两边取对数，则有：

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

(3)

式中，a0为常数；w为筛下质量。

若煤样压裂破碎后块度-质量分布符合式(3)的分形分布规律，则其对应的lnz-lnw(z)曲线表现出线性关系，直线的斜率S=3-D。直线的斜率S越小，分维值D越大，表明煤样压裂产生的小块度量越多；直线的斜率S越大，分维值D越小，表明煤样压裂产生的小块度量越少[15-17]。不同试样碎块的块度z和其对应的筛下质量w按照式(3)中的关系绘制lnz-lnw(z)曲线，如图6所示；其块度-质量分布的分形参数见表2。

图6中曲线的线性相关性R2≥0.9762，即试样受压破碎后的块度-质量分布符合式(4)所示的分形分布规律。根据图6和表2可知，压缩量为3mm时，注水试样比自然状态试样的平均分形维数D小0.1533；压缩量为6mm时，注水试样比自然状态试样的平均分形维数D小0.1057。注水饱水试样分维值小于天然含水试样分维值，说明煤层注水可使煤的破碎块度更加均匀，使适合高价位销售的块度增加。

表2 块度-质量分布的分形参数

5 现场试验效果

根据以上试验现象及规律，在王报井选取3105和3106两个工作面作为对比试验工作面，其中3105工作面为注水工作面，3105工作面长度145m，煤层厚度4.7m，采用综采放顶煤采煤方法，工作面回采巷道沿煤层底板布置。在3105工作面两巷内沿工作面倾斜方向布置注水孔，注水孔仰角1.84°，孔口距离巷道底板2.3m，终孔距离煤层顶板0.5m，孔间距为15m，注水孔斜长58m，采用双侧布孔动压注水方式注水。

在工作面回采期间对支架放煤口的破碎顶煤的质量分布进行统计，不同块度碎煤的质量百分比的分布如图7所示。由图7可以看出，工作面煤层注水后，适合销售的小块度和中块度的碎块百分比明显增加，需要专门破碎的大块度和特大块度的碎块百分比明显减少。现场试验效果与试验研究所得的块度分布规律相似，说明煤层注水能改善顶煤的块度分布规律，有助于提高矿井的经济效益。

图7 不同块度的碎煤的质量百分比柱状图

6 结 论

通过分析注水对无烟煤受压变形破坏及块度分布的影响规律，并结合现场试验效果，得出以下结论：

1)注水改变了无烟煤的力学特性。注水降低了无烟煤的峰值强度和弹性模量，增强了无烟煤峰值后的塑性流动性和残余强度。但煤层注水对煤质的影响有待进一步研究。

2)注水改变无烟煤受压破碎的块度分布规律。注水减少了大块度煤的量，增加了中块度煤的量，小块度煤的量基本无变化。

3)无烟煤受压破碎块度-质量分布符合分形规律，且随着注水含水量的增加，试样破碎后的块度-质量分布的分形维数减小，即破碎块度的均匀性增加。

试验研究结论和现场试验效果表明，综放工作面实施煤层注水不仅能软化煤体，提高顶煤放出率，同时也能增加销售价位高的中块度煤量，有助于提高无烟煤生产企业的经济效益。