孫全金

(遼寧省阜新市國土資源局細河分局)

龍家堡2#煤層沖擊傾向性試驗研究

孫全金①

(遼寧省阜新市國土資源局細河分局)

沖擊地壓以其突發(fā)性、破壞性嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn),及時預(yù)測對保障礦井安全生產(chǎn)非常重要。煤巖沖擊傾向性研究是沖擊地壓預(yù)測預(yù)報及防范治理的基礎(chǔ)。采用試驗測得的沖擊能量指數(shù)KE,彈性能量指數(shù)WET、動態(tài)破壞時間D T作為煤層沖擊傾向性的分類指標(biāo)。本文通過實驗室測試龍家堡2#煤層各項指標(biāo),確定了其沖擊傾向性等級,提出了合理建議。

沖擊地壓;沖擊傾向性;沖擊能量指數(shù);彈性能量指數(shù);動態(tài)破壞時間;試驗研究

沖擊地壓是煤礦經(jīng)常發(fā)生的主要災(zāi)害之一。煤巖沖擊傾向性研究是沖擊地壓機理研究的重要組成部分,是沖擊地壓預(yù)測預(yù)報及防范治理的基礎(chǔ)。世界上有關(guān)國家提出了各種鑒別沖擊地壓傾向的指標(biāo),其中具有代表性的有彈性能量指數(shù)、彈性變形指數(shù)、最大塑性變形速度、含水量指數(shù),脆性系數(shù)、脆性破壞系數(shù)有限沖擊能指數(shù)、極限能比,極限剛度比、破壞速度指數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變時間特性指數(shù)及波蘭巖石彈性能量指數(shù)等。我國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用試驗測得的沖擊能量指數(shù)KE,彈性能量指數(shù)WET、動態(tài)破壞時間D T作為煤層沖擊傾向性的分類指標(biāo)。

1 煤層沖擊傾向性分類指標(biāo)

1)沖擊能量指數(shù)。沖擊能量指數(shù)指在單軸壓縮狀態(tài)下,煤樣的“應(yīng)力—應(yīng)變”曲線峰值前所積聚的變形能與峰值后所消耗的變形能之比值,見圖1。它是包含試件“應(yīng)力—應(yīng)變”全部變化的曲線,直觀和全面地反映了蓄能、耗能的全過程,顯示了沖擊傾向的物理本質(zhì)。其表達式為:

式中:

As—為試件峰值前積聚的變形能;

Ax—為試件峰值后消耗的變形能。

沖擊能量指數(shù)的計算方法:在全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值點作垂線交于x軸,則As的值等于峰值點前的曲線、坐標(biāo)軸和垂線圍成的面積值,Ax等于峰值點后的曲線、坐標(biāo)軸和垂線圍成的面積值。As和Ax的計算可采用求積儀、積分等多種方法。

圖1 沖擊能量指數(shù)計算示意圖

2)彈性能指數(shù)WET。彈性能指數(shù)指煤樣在單軸壓縮條件下,破壞前所積蓄的變形能與產(chǎn)生塑性變形消耗的能量的比值,見圖2。

圖2 彈性能指數(shù)計算示意圖

其表達式為:

式中:

ΦC—總應(yīng)變能,OPMNO的面積;

ΦSE—彈性應(yīng)變能,PMNP的面積;

ΦSP—塑性應(yīng)變能,OPNO的面積。

3)動態(tài)破壞時間D T。動態(tài)破壞時間指煤樣在常規(guī)單軸壓縮試驗條件下,從極限載荷到完全破壞所經(jīng)歷的時間,見圖3。D T綜合反映了能量變化的全過程,對沖擊傾向反映敏感是一種實用性較強的指標(biāo)。

圖3 動態(tài)破壞時間計算曲線示意圖

根據(jù)《中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》MT/T174-2000,用上述三項指標(biāo)鑒定煤層的沖擊傾向,把煤層的沖擊傾向分為強烈沖擊傾向、弱沖擊傾向和無沖擊傾向三類,各指標(biāo)的界限值見表1。

表1 煤層沖擊傾向表

2 吉林龍家堡2#煤層沖擊傾向性檢測

1)概況。龍家堡煤礦為深部開采礦井,現(xiàn)開采垂深為800 m,已達到發(fā)生沖擊地壓的臨界深度。該礦井在掘進201首采工作面順槽時,煤爆發(fā)生頻繁,最多時達到每小班60～70次。響煤炮時伴有煤壁片幫、塌落、掉渣、頂板下沉等現(xiàn)象發(fā)生,塌落最大煤量達20～30 t,最大頂板下沉量為800 mm左右。隨著采深不斷增加,礦井開采范圍的擴大,發(fā)生沖擊地壓的危險必然增大。為保證安全生產(chǎn),對主采煤層進行沖擊傾向性試驗研究是很有必要的。

2)沖擊能量指數(shù)測定結(jié)果。煤巖試件的單軸抗壓強度和沖擊能量指數(shù)試驗可以同時進行。根據(jù)經(jīng)驗在MTS上以0.006 7 mm/s的位移控制速度對試件進行準(zhǔn)靜態(tài)加載,可以測得試件的單軸抗壓強度和單軸壓縮下的全應(yīng)力應(yīng)變曲線,并進行煤的沖擊能量指數(shù)計算。本次實驗共加工制作10個煤樣試件,尺寸規(guī)格為50 mm×50 mm×100 mm方形柱體,試驗測得的煤巖單軸壓典型全應(yīng)力應(yīng)變曲線,見圖4。采用MA TLAB 6.5計算曲線圖中的面積,求得2#煤層各試件的沖擊能量指數(shù)見表2。

表2 沖擊能量指數(shù)、彈性能指數(shù)、動態(tài)破壞時間結(jié)果匯總

3)彈性能指數(shù)測定結(jié)果。為研究龍家堡煤礦2#煤層的彈性能量指數(shù),對煤巖試件進行了加卸載試驗。以0.15 kN/s的速度加載到試件預(yù)計強度的70%～80%范圍后,以相同速度卸載,卸載到預(yù)計強度的1%～5%,重新按照0.006 7 mm/s的速度以位移控制進行加載直至試件破壞。從而獲得整個試件的加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線,由此可以進行煤的彈性能量指數(shù)計算。

本次實驗共加工制作10個煤樣試件,尺寸規(guī)格為50 mm×50 mm×100 mm方形柱體,加卸載下煤試件典型破壞形式見圖5(部分式樣)。

采用MATLAB 6.5計算曲線圖中的面積,求得2#煤層各試件的彈性能量指數(shù)見表2。

4)動態(tài)破壞時間測定結(jié)果。按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以1.5 kN/s的速度對煤巖試件進行應(yīng)力加載。本次實驗共加工制作6個煤樣試件,尺寸規(guī)格為50 mm× 50 mm×100 mm方形柱體,試驗測得的煤巖典型動態(tài)破壞時間曲線圖6(部分式樣)。求得2#煤層各試件的典型動態(tài)破壞時間見表2。

5)2#煤層沖擊傾向性檢測結(jié)果分析。各煤樣試件經(jīng)試驗后求得沖擊能量指數(shù)、彈性能指數(shù)、動態(tài)破壞時間結(jié)果見表2。

最終求得2#煤層沖擊能量指數(shù)KE=0.8,彈性能指數(shù)WET=1.1,動態(tài)破壞時間DT=2 429。通過能量法對2#煤層高應(yīng)力顯現(xiàn)檢測結(jié)果可知:彈性能指數(shù)WE=1.1<2.0;沖擊能量指數(shù)WB=0.8< 1.5。動態(tài)破壞時間Dt=2 492 ms>500 ms,經(jīng)查表1可知,龍家堡煤礦2#煤層無沖擊傾向。

3 結(jié) 論

沖擊地壓的形成和發(fā)生的條件是很復(fù)雜的,作為一種礦山巖體破壞現(xiàn)象,有其特殊的宏觀和微觀特征。首先是煤巖中應(yīng)力超過其極限強度,以煤巖破壞為先導(dǎo);其次是煤層和圍巖在集中應(yīng)力作用下,吸收能量積聚應(yīng)變能;另一個是“誘發(fā)”因素導(dǎo)致其突變破壞,瞬間釋放應(yīng)變能。

在應(yīng)用沖擊傾向性理論的大量現(xiàn)場調(diào)查表明,判斷出的具有相同沖擊地壓傾向性的煤層,甚至同一煤層,只有少數(shù)區(qū)域發(fā)生沖擊地壓,大多數(shù)區(qū)域不會發(fā)生沖擊地壓。而且許多屬于強沖擊地壓傾向性的煤層并不發(fā)生沖擊地壓,而某些沖擊地壓傾向性很弱或無沖擊地壓傾向性的煤層卻發(fā)生了沖擊地壓,可見沖擊的發(fā)生需要具備很多條件,考慮單一因素不能充分確定沖擊地壓是否能夠發(fā)生。因此,在判斷某區(qū)域是否會發(fā)生沖擊地壓時除考慮煤層物理力學(xué)性質(zhì)外,還要從埋深、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖條件、采動影響、采掘工藝等多方面考慮,努力做到預(yù)測準(zhǔn)確。雖然,龍家堡煤礦2#煤層經(jīng)試驗檢測無沖擊傾向,但是從目前所表現(xiàn)出的動力現(xiàn)象應(yīng)引起高度重視,需進一步采取檢測方法和防護措施,保證安全生產(chǎn)。

[1] 王淑坤,齊慶新,曾永志.我國煤巖沖擊傾向研究的進展[J].煤礦開采,1998(3):30-32.

[2] 竇林名,何學(xué)秋.沖擊地壓防治理論與技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2001:79-81.

[3] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003:125-128.

[4] 顏衛(wèi)東,王維,胡方冠.濟寧二礦煤層沖擊傾向性分析[J].礦山壓力與頂板管理,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

孫全金 男 1970年出生 2010年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué) 工程師 阜新 123000