楊振國(guó)，岳少飛，康天合，陳金明

(1.山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048400；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

在綜放開(kāi)采中，頂煤的破碎程度和塊度分布直接影響著頂煤的放出率[1-3]，對(duì)無(wú)煙煤來(lái)說(shuō)，塊度分布也直接影響著原煤的質(zhì)量與售價(jià)。提高頂煤放出率和改善放出頂煤的塊度分布，對(duì)提高無(wú)煙煤綜放開(kāi)采企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。在提高硬及中硬煤層頂煤放出率方面，常用的技術(shù)方法有：超前工作面對(duì)煤層實(shí)施預(yù)注水和預(yù)裂爆破軟化煤體[4]、工作面推進(jìn)方向與煤體裂隙方位及組數(shù)合理匹配[5]，特別是煤層注水能降低煤的抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，且抗壓強(qiáng)度隨含水率的提高而降低[6，7]，向煤層預(yù)注水也可降低綜放工作面生產(chǎn)過(guò)程中煤塵的產(chǎn)生量、預(yù)防沖擊地壓和煤與瓦斯突出等[8-10]，因此在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。在提高無(wú)煙煤生產(chǎn)塊率[11，12]方面，常用的技術(shù)方法有：改進(jìn)采煤機(jī)滾筒螺旋及截齒排列、改進(jìn)進(jìn)刀方式、優(yōu)化爆破工藝與參數(shù)，以及對(duì)煤倉(cāng)及運(yùn)輸轉(zhuǎn)載等進(jìn)行改進(jìn)。但是煤層注水提高煤體含水率對(duì)頂煤破碎塊度分布的影響規(guī)律及其機(jī)理尚不清楚。因此本文以山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司王報(bào)井3號(hào)煤層煤樣為研究對(duì)象，對(duì)自然含水率和注水飽水含水率的無(wú)煙煤樣進(jìn)行控制壓縮量的壓縮破碎試驗(yàn)，研究煤層注水對(duì)無(wú)煙煤受壓變形及破碎塊度分布的影響規(guī)律，為煤層注水提高無(wú)煙煤綜放開(kāi)采出塊率提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)煤樣取自山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司王報(bào)井3號(hào)煤層綜放工作面，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤樣進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試，試驗(yàn)煤樣具有以下特征：孔隙率為5.5797%，屬于孔隙率偏低煤層；反映裂隙尺度-數(shù)量的特征參數(shù)DN1m=9.34，屬于裂隙發(fā)育中等煤層[13]；最大鏡質(zhì)組反射率2.365%，鏡質(zhì)組占67.8%，惰質(zhì)組占28.9%，黏土礦物占3.3%，屬低變質(zhì)無(wú)煙煤；煤-水接觸角最大90.05°，最小55.25°，平均71.79°，屬于純水難潤(rùn)濕煤層；天然含水率為2.1525%，屬天然含水率低的煤層；自然含水煤樣與加壓注水飽水煤樣的彈性模量分別為1127MPa和673MPa，單軸抗壓強(qiáng)度分別為8.74MPa和7.41MPa，軟化系數(shù)為0.848，屬飽水軟化中等煤層。

2 試驗(yàn)方案

將在現(xiàn)場(chǎng)取回的煤樣加工成12塊長(zhǎng)×寬×厚=100mm×100mm×50mm的原煤試樣，將其中6塊試樣進(jìn)行泡水(常壓浸泡20d)處理，作為注水飽水狀態(tài)試樣；剩余6塊試樣作為自然含水狀態(tài)試樣。通過(guò)對(duì)試樣基本力學(xué)參數(shù)的測(cè)定試驗(yàn)可以得出，本次試驗(yàn)煤樣達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度時(shí)，軸向最大變形量接近3mm但未超過(guò)3mm，所以本次試驗(yàn)煤樣的最大壓縮變形量選取為3mm與6mm。將兩種含水狀態(tài)的試樣按照不同的壓縮量共分為4個(gè)實(shí)驗(yàn)組，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)過(guò)程

采用伺服壓力機(jī)壓裂試樣，試樣上下兩底面放置厚鋼板，為了保證破碎的煤樣不遺漏，在鋼板下面鋪兩層塑料(圖1)；試驗(yàn)時(shí)，依據(jù)試驗(yàn)方案采用位移控制的方式對(duì)試樣進(jìn)行壓裂，記錄試樣的應(yīng)力和應(yīng)變值；當(dāng)達(dá)到設(shè)定的壓縮量時(shí)，停止壓縮；取出受壓后的試樣碎塊，用孔徑分別為30mm、20mm、10mm、6mm、3mm和1.25mm的分樣篩對(duì)碎塊進(jìn)行篩分；采用電子天平分別對(duì)不同粒徑的試樣碎塊進(jìn)行稱(chēng)重統(tǒng)計(jì)，得到不同試樣的塊度-質(zhì)量分布參數(shù)。

圖1 試樣受壓照片

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.1 試樣變形破碎特性

試樣1和7、試樣4和10受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。對(duì)比不同試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可知，相比于自然含水狀態(tài)的煤樣，注水飽水煤樣具有以下特點(diǎn)：①峰值強(qiáng)度降低28%；②曲線(xiàn)斜率降低30.6%，說(shuō)明試樣彈性模量降低；③峰值強(qiáng)度前的變形量增加20.4%；④峰值后的曲線(xiàn)斜率絕對(duì)值降低91.2%，增強(qiáng)了煤體峰值強(qiáng)度后的塑性流動(dòng)特性；⑤殘余強(qiáng)度增強(qiáng)[14]。

圖2 試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

試樣1和4、試樣7和10受壓后的破碎特征如圖3所示。對(duì)比分析得出：在相同的壓縮量下，自然含水試樣的破碎程度較低，塊度分布不均勻，且存在比較明顯的大塊；注水飽水試樣的破碎程度較高，塊度分布均勻且中等塊度的碎塊較多。由此可以看出煤層注水后可以使煤的破碎程度更高且破碎后的塊度分布更均勻。

圖3 壓縮試樣破碎特征

4.2 塊度-質(zhì)量百分比分布特征

通過(guò)篩分法可以得出不同試樣受壓后的碎塊在不同塊度區(qū)間的碎塊質(zhì)量百分比，繪制成不同試樣受壓破碎后的塊度-質(zhì)量百分比分布曲線(xiàn)如圖4所示。為了方便統(tǒng)計(jì)分析，將碎塊按照其塊度大小分為三類(lèi)：小塊、中塊和大塊，其塊度的分布范圍分別為：小于6mm、6～30mm、大于30mm，據(jù)此對(duì)試件的碎塊的質(zhì)量百分比重新進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。

圖4 試樣破碎塊度-質(zhì)量分布曲線(xiàn)

由圖4可以看出，含水狀態(tài)和壓縮量相同時(shí)，不同試樣的塊度分布規(guī)律具有相似性。對(duì)比不同的試樣的塊度-質(zhì)量百分比曲線(xiàn)并結(jié)合圖5的塊度-質(zhì)量百分比分布柱狀圖可以看出：煤層注水后，大塊度碎塊的百分比減少10%～15%；相應(yīng)的中塊度碎塊的質(zhì)量百分比增加10%～15%；小塊度碎塊質(zhì)量百分比變化幅度較小。

4.3 塊度-質(zhì)量分布的分形特征

根據(jù)分形幾何學(xué)理論[15]，如果煤樣受壓破碎后的塊度分布具有分形特征，那么試驗(yàn)結(jié)果所揭示的塊度分布規(guī)律可以向?qū)嶋H工作面煤的塊度分布進(jìn)行推廣。

對(duì)于具有n維分形結(jié)構(gòu)的曲線(xiàn)，量測(cè)的長(zhǎng)度與所用碼尺之間的關(guān)系為：

G(ε)=G0εn-D

(1)

式中，G0為常數(shù)；D為分形曲線(xiàn)的分形維數(shù)，當(dāng)n=1，G和ε對(duì)應(yīng)于線(xiàn)，當(dāng)n=2，G和ε對(duì)應(yīng)于面積，當(dāng)n=3，G和ε對(duì)應(yīng)于體積。

假設(shè)煤受壓破碎后的碎塊密度相同，且其碎塊的體積V=z3，那么碎塊的質(zhì)量w與碎塊體積V成正比。因此式(1)可以轉(zhuǎn)化為：

w(z)=az3-D

(2)

對(duì)式(2)的兩邊取對(duì)數(shù)，則有：

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

(3)

式中，a0為常數(shù)；w為篩下質(zhì)量。

若煤樣壓裂破碎后塊度-質(zhì)量分布符合式(3)的分形分布規(guī)律，則其對(duì)應(yīng)的lnz-lnw(z)曲線(xiàn)表現(xiàn)出線(xiàn)性關(guān)系，直線(xiàn)的斜率S=3-D。直線(xiàn)的斜率S越小，分維值D越大，表明煤樣壓裂產(chǎn)生的小塊度量越多；直線(xiàn)的斜率S越大，分維值D越小，表明煤樣壓裂產(chǎn)生的小塊度量越少[15-17]。不同試樣碎塊的塊度z和其對(duì)應(yīng)的篩下質(zhì)量w按照式(3)中的關(guān)系繪制lnz-lnw(z)曲線(xiàn)，如圖6所示；其塊度-質(zhì)量分布的分形參數(shù)見(jiàn)表2。

圖6中曲線(xiàn)的線(xiàn)性相關(guān)性R2≥0.9762，即試樣受壓破碎后的塊度-質(zhì)量分布符合式(4)所示的分形分布規(guī)律。根據(jù)圖6和表2可知，壓縮量為3mm時(shí)，注水試樣比自然狀態(tài)試樣的平均分形維數(shù)D小0.1533；壓縮量為6mm時(shí)，注水試樣比自然狀態(tài)試樣的平均分形維數(shù)D小0.1057。注水飽水試樣分維值小于天然含水試樣分維值，說(shuō)明煤層注水可使煤的破碎塊度更加均勻，使適合高價(jià)位銷(xiāo)售的塊度增加。

表2 塊度-質(zhì)量分布的分形參數(shù)

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

根據(jù)以上試驗(yàn)現(xiàn)象及規(guī)律，在王報(bào)井選取3105和3106兩個(gè)工作面作為對(duì)比試驗(yàn)工作面，其中3105工作面為注水工作面，3105工作面長(zhǎng)度145m，煤層厚度4.7m，采用綜采放頂煤采煤方法，工作面回采巷道沿煤層底板布置。在3105工作面兩巷內(nèi)沿工作面傾斜方向布置注水孔，注水孔仰角1.84°，孔口距離巷道底板2.3m，終孔距離煤層頂板0.5m，孔間距為15m，注水孔斜長(zhǎng)58m，采用雙側(cè)布孔動(dòng)壓注水方式注水。

在工作面回采期間對(duì)支架放煤口的破碎頂煤的質(zhì)量分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同塊度碎煤的質(zhì)量百分比的分布如圖7所示。由圖7可以看出，工作面煤層注水后，適合銷(xiāo)售的小塊度和中塊度的碎塊百分比明顯增加，需要專(zhuān)門(mén)破碎的大塊度和特大塊度的碎塊百分比明顯減少?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果與試驗(yàn)研究所得的塊度分布規(guī)律相似，說(shuō)明煤層注水能改善頂煤的塊度分布規(guī)律，有助于提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 不同塊度的碎煤的質(zhì)量百分比柱狀圖

6 結(jié) 論

通過(guò)分析注水對(duì)無(wú)煙煤受壓變形破壞及塊度分布的影響規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，得出以下結(jié)論：

1)注水改變了無(wú)煙煤的力學(xué)特性。注水降低了無(wú)煙煤的峰值強(qiáng)度和彈性模量，增強(qiáng)了無(wú)煙煤峰值后的塑性流動(dòng)性和殘余強(qiáng)度。但煤層注水對(duì)煤質(zhì)的影響有待進(jìn)一步研究。

2)注水改變無(wú)煙煤受壓破碎的塊度分布規(guī)律。注水減少了大塊度煤的量，增加了中塊度煤的量，小塊度煤的量基本無(wú)變化。

3)無(wú)煙煤受壓破碎塊度-質(zhì)量分布符合分形規(guī)律，且隨著注水含水量的增加，試樣破碎后的塊度-質(zhì)量分布的分形維數(shù)減小，即破碎塊度的均勻性增加。

試驗(yàn)研究結(jié)論和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果表明，綜放工作面實(shí)施煤層注水不僅能軟化煤體，提高頂煤放出率，同時(shí)也能增加銷(xiāo)售價(jià)位高的中塊度煤量，有助于提高無(wú)煙煤生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。