李永生 劉彥昌
(1.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇省徐州市,221008;2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司一礦,河南省平頂山市,467011)
沖擊地壓是煤礦井工開采中嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。它是一種發(fā)生在井巷或回采工作面的圍巖,煤體內(nèi),由煤巖體突然釋放彈性能,以急劇、猛烈破壞為特征的動力現(xiàn)象。發(fā)生前一般沒有明顯的宏觀征兆,發(fā)生過程短暫,猝不及防,常伴有強烈震動、巨大聲響、煤體振動和沖擊波,已發(fā)生的沖擊地壓中最大震級達到里氏3.8級以上。
近年來,隨著采深的加大,采動應(yīng)力對平頂山礦區(qū)生產(chǎn)的危害性日趨明顯,八礦、十礦等均發(fā)生過由于采動應(yīng)力而引發(fā)的“沖擊型”煤與瓦斯突出事故,而沖擊地壓事故在一個相當(dāng)長時間內(nèi)是難以人為改變的,故煤層沖擊地壓傾向性的實驗測定就是對其進行預(yù)防的先決條件之一。
在一礦三水平丁二采區(qū),丁6煤層采深已超過800 m,為了防治該煤層沖擊礦壓的發(fā)生,進行了煤層沖擊傾向性參數(shù)測定,以分析三水平丁二采區(qū)丁6煤層的沖擊傾向性。
一礦井田含煤地層自下而上為晚石炭世太原組、早二疊世山西組和下石盒子組及晚二疊世上石盒子組。屬于海陸交互相煤系,煤系平均總厚度779.41 m,共分11個煤段,含煤60余層,常見43層,煤層總厚26.84 m,含煤系數(shù)3.4%左右,其中丁6、戊8、戊9、戊10、己17、庚20為主要可采煤層。現(xiàn)開采丁組和戊組兩組煤層,丁組煤層主采丁6煤層,戊組煤層主采戊8、戊9、戊10煤層。
丁6煤層位于下古生界二迭系下石盒子組丁煤段中部,煤層厚度0.25~3.79 m,平均厚度2.2 m,以1/3焦煤為主,揮發(fā)份Vaf值為32.91%~35.97%,平均34.29%,容重1.4 t/m3。煤層結(jié)構(gòu)簡單,偶含1~2層泥巖夾矸。東部較薄,為穩(wěn)定、較穩(wěn)定煤層,煤層上部0.7 m左右為塊狀硬煤,成層狀構(gòu)造,中部1.2 m左右為末狀軟煤,已無層理,用手可捻成粉末,硬度較低,下部又變?yōu)閴K狀硬煤,總體觀測煤的破壞類型為Ⅱ~Ⅳ類,一般為Ⅲ類,煤層節(jié)理比較發(fā)育,煤層透氣性系數(shù)為0.0394~0.0676 m2/(MPa2·d),透氣性較差。丁6煤層直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖,老頂為中粗粒砂巖,上與丁5煤層間距3.5~9.5 m;底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖。
取樣地點選擇在垂深800 m及其以下煤層,兼顧代表性的同時避免測定結(jié)果的離散性。煤樣尺寸為50 cm×30 cm×30 cm,數(shù)量為4~5塊。所采煤樣就地進行編號,標(biāo)明煤樣名稱、采樣地點、層位等,同時做好煤樣的描述和記錄工作。煤樣采出后,由專人搬運上井,煤樣搬運過程中盡可能輕拿輕放,保持煤樣原有的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
所取煤樣在鉆石機、鋸石機、磨石機等加工設(shè)備上按煤炭工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)MT38-48-87《煤與巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》規(guī)定的要求加工成?50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。加工后采用游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)、直角尺、水平檢測臺、百分表及百分表架等實驗檢測設(shè)備進行測量,并要求:(1)試件兩端面的平行度偏差不得大于0.005 cm;(2)試件兩端的尺寸偏差不得大于0.02 cm;(3)試件的兩端應(yīng)垂直于試件軸線。
同組煤樣同種狀態(tài)下,每個參數(shù)實驗試件數(shù)量一般不少于3個。
根據(jù)實驗項目的要求,選用自然含水狀態(tài),即試件制備好后,放在底部有水的干燥器內(nèi)24~48 h,以保持一定的濕度,但煤樣試件不得接觸水面。實驗前,加工成的實驗煤樣共15個,見圖1。
本實驗使用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-150B型巖石力學(xué)伺服控制系統(tǒng)。該實驗可進行單軸壓縮實驗,單軸動態(tài)破壞實驗、單軸直接拉伸實驗、單軸間接拉伸實驗、三軸壓縮實驗和剪切實驗等。在實驗操作過程中,操作者可以進行干預(yù),切換控制模式(自動和手動),改變控制參數(shù)(力和變形),選擇實驗參數(shù)如加載速率、變形速率、力、變形及行程的極限值、波形的相關(guān)參數(shù)等,也可以預(yù)先設(shè)計實驗步驟,由計算機自動完成,實驗數(shù)據(jù)自動采集,加載過程實時顯示。實驗結(jié)束后,系統(tǒng)可自動退回到初始狀態(tài),并能方便地讀出實驗結(jié)果,包括試件的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變、軸向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)變、軸向應(yīng)力與體積應(yīng)變、峰值強度、彈性模量、泊松比、動態(tài)破壞時間以及整個實驗過程中采集到的載荷、變形和位移等數(shù)據(jù)文件,為進行各種能量分析計算提供依據(jù)。
圖1 煤層沖擊傾向性實驗煤樣
關(guān)于沖擊傾向的理論和指標(biāo)很多,主要有彈性變形能指數(shù)、脆性系數(shù)、脆性破壞系數(shù)、有效沖擊能指數(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)、最大塑性變形速度等。國內(nèi)外常用的沖擊傾向性指標(biāo)有彈性能指數(shù)WET和沖擊能指數(shù)Ks等。我國把煤層的沖擊傾向特性分為強烈沖擊,弱沖擊和無沖擊3類。3種類型煤層所對應(yīng)的沖擊傾向特性指標(biāo)見表1。
在實驗室主要測定煤樣的強度、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)、動態(tài)破壞時間等參數(shù),實驗按照中華人民共和國煤炭工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)MT174-2000《煤樣沖擊沖擊傾向性分類及指標(biāo)的測定方法》的規(guī)定進行,以中彈性應(yīng)變能指數(shù)WT、沖擊應(yīng)變能KN、動態(tài)破壞時間D T等3項指標(biāo)為依據(jù),實驗得出三水平丁6煤樣的沖擊傾向性指標(biāo)(見表2~表4)。
表1 煤層沖擊傾向性測定特性指標(biāo)
表2 一礦丁6煤樣彈性能指標(biāo)WT實驗結(jié)果
表3 丁6組煤樣沖擊能量指數(shù)WN實驗結(jié)果
表4 丁6組煤樣動態(tài)破壞時間DT測定結(jié)果
按照中華人民共和國煤炭工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)MT174-2000《煤樣沖擊沖擊傾向性分類及指標(biāo)的測定方法》的規(guī)定,以表2~表4中彈性應(yīng)變能指數(shù)WT、沖擊應(yīng)變能KN、動態(tài)破壞時間D T等3項指標(biāo)為依據(jù),沖擊性測試結(jié)果見表5。
一礦三水平丁二采區(qū)丁6煤的沖擊傾向彈性能量指數(shù)WT、沖擊能量指數(shù)KN、動態(tài)破壞時間D T均表明,丁6煤樣屬于弱中等沖擊危險煤層。但由于丁6煤層中間普遍存在占煤層全厚1/3強的軟煤分層,且其強度明顯小于上下的硬煤分層,在硬煤破壞之前軟煤分層首先已被破壞,因此,在硬煤分層中不可能儲存較大的彈性變形能。
表5 三水平丁6煤樣沖擊傾向性測定結(jié)果
根據(jù)以上測定結(jié)果,并結(jié)合三水平丁6煤層煤結(jié)構(gòu)分析,三水平丁6煤層無沖擊傾向危險性。
通過對三水平丁6煤層沖擊傾向性的實驗室測定結(jié)果及煤層結(jié)構(gòu)分析,三水平丁6煤層不具備沖擊傾向性,或沖擊傾向性較弱。在三水平丁6煤層的采掘過程中,應(yīng)以防治煤與瓦斯突出為主。