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        基于多指標(biāo)綜合評判法的厚煤層沖擊傾向研究

        2022-01-15 04:40:54屈振祖王海龍張東
        山東煤炭科技 2021年12期
        關(guān)鍵詞:傾向性單軸沖擊

        屈振祖 王海龍 張東,3

        (1.彬縣水簾洞煤炭有限責(zé)任公司,陜西 彬州 713500;2.山東能源新汶礦業(yè)集團有限責(zé)任公司,山東 新泰 271200;3.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)

        不同煤巖體之間固有的物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異,在同樣的采動、地質(zhì)條件下,這種差異可能會致使煤巖體出現(xiàn)沖擊地壓,因此這種性質(zhì)被稱為煤巖體的沖擊傾向性,是礦井安全生產(chǎn)的潛在威脅。煤巖體的沖擊傾向性劃分了不同區(qū)域沖擊傾向的強弱程度,當(dāng)這些沖擊傾向性指標(biāo)超過某一閾值時,沖擊地壓發(fā)生的可能性就會極大地升高。

        彬州市水簾洞煤礦地處彬長區(qū)南塬,距城區(qū)5 km,離312 國道大概1.5 km,距東南部的西安市大約175 km。煤系地層形態(tài)為略微向北傾斜的單斜構(gòu)造,整體大概呈東西走向,局部區(qū)域有較小起伏,地層傾角一般5°~7°。本區(qū)含煤地層平均厚49.55 m,主要可采煤層一層(4 煤),可采平均厚度8.44 m,可采系數(shù)17%。煤系地層沉積韻律明顯,可采煤層層位、間距比較穩(wěn)定,變化不大。煤層開采作業(yè)超400 m 深度,達到我國沖擊地壓礦井的采深標(biāo)準(zhǔn),在開采過程中需預(yù)防出現(xiàn)強礦壓顯現(xiàn)甚至沖擊地壓現(xiàn)象,確保煤礦的安全作業(yè)。為了預(yù)防4號煤在開采過程中出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象,本文將通過沖擊能量指數(shù)等多個沖擊傾向性指標(biāo)以及綜合模糊評價方法對4 號煤層進行沖擊傾向性研究[1-10],為判定開采煤層是否具有沖擊傾向提供一定依據(jù)。

        1 研究方法與流程

        1.1 試樣制作

        本次試驗所需煤樣均采集于三采區(qū)的ZF3808工作面,如圖1。煤層的取樣方法為鎬刨,采煤樣三組,一組靠近煤層頂板,一組為煤層中部,一組靠近煤層底板,取樣尺寸為:長×寬×高≥300 mm×300 mm×300 mm。采樣后對其進行包裝,運輸至實驗室進行參數(shù)測定。將采取的煤巖樣用切割機加工為50 mm×50 mm×100 mm 的方柱體試件,試件表面應(yīng)光滑。

        圖1 取樣地點

        1.2 測定依據(jù)

        在試驗中對煤試樣的動態(tài)破壞時間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和單軸抗壓強度指標(biāo)分別進行測定,并根據(jù)測定結(jié)果對水簾洞礦4 號煤層的沖擊傾向性進行分析判斷。煤的沖擊傾向性的測定是按照《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法 第2 部分:煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》(GB/T 25217.2-2010)進行的。煤層沖擊傾向性的判定標(biāo)準(zhǔn),共包括4 個指數(shù),并根據(jù)試驗所測定的4 個指數(shù)對煤層沖擊傾向性強弱進行一個綜合的衡量判定。煤層沖擊傾向性按其指數(shù)范圍一共分三類,見表1。當(dāng)4 個指數(shù)發(fā)生矛盾時,一般可采用模糊綜合評判法對其進行分類。4 個指數(shù)一共有34種組合測試結(jié)果,模糊綜合評判結(jié)果見附錄。

        表1 煤層沖擊傾向性判別標(biāo)準(zhǔn)

        1.3 測定方法

        (1)煤的動態(tài)破壞時間DT的測定方法

        煤的動態(tài)破壞時間DT是指煤試件在常規(guī)單軸抗壓試驗條件下,從極限載荷到完全破壞所經(jīng)歷的時間。

        采用方柱體標(biāo)準(zhǔn)試件,在常規(guī)單軸壓縮試驗條件下,以0.5~1.0 MPa/s 的速率加載直至煤樣破壞,測定煤樣從極限載荷過渡到完全破壞所需時間,從而根據(jù)測定數(shù)據(jù)繪制動態(tài)破壞應(yīng)力-時間曲線(如圖2),對單個試件的動態(tài)破壞時間以及每組試件動態(tài)破壞時間均值進行計算。通過公式(1)對每組試件動態(tài)破壞時間取均值(結(jié)果保留整數(shù)部分):

        圖2 動態(tài)破壞時間示意圖

        式中:DTS為動態(tài)破壞時間均值,ms;DTi為試件i的動態(tài)破壞時間,ms;n為每組試件的個數(shù)。

        (2)煤的彈性能量指數(shù)WET的測定方法

        煤的彈性能量指數(shù)WET指的是煤試件在單軸壓縮狀態(tài)下,受力達到破壞前某一數(shù)值時卸載,其彈性能與塑性能之間的比值。

        采用方柱體標(biāo)準(zhǔn)試件,在常規(guī)單軸壓縮試驗條件下,測定煤樣破壞前所積蓄的變形能、產(chǎn)生塑性變形消耗的能量(圖3),計算單個試件的彈性能量指數(shù)和每組試件指數(shù)均值,如公式(2)。

        圖3 彈性能量指數(shù)計算示意圖

        式中:WET為彈性能量指數(shù);φSE為彈性應(yīng)變能(即卸載曲線(正下方)與橫軸之間的面積),J;φSP為塑性應(yīng)變能(值為加載曲線、卸載曲線與橫軸所圍成區(qū)域面積),J。

        (3)煤的沖擊能量指數(shù)KE的測定方法

        煤沖擊能量指數(shù)KE指的是應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線的上升段面積AS與下降段面積AX之比(圖4)。采用方柱體標(biāo)準(zhǔn)試件,在常規(guī)單軸壓縮試驗條件下,測定煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前所積聚的變形能(圖4 中的AS)、峰后所消耗的變形能(圖4 中的AX),根據(jù)公式(3)計算單個試件和每組試件的沖擊能量指數(shù)的算術(shù)平均值。

        圖4 沖擊能量指數(shù)計算示意圖

        式中:KE為沖擊能量指數(shù);AS為峰前積聚變形能,J/m3;AX為峰后積聚變形能,J/m3。

        2 煤層沖擊傾向性測定

        2.1 4 號煤層動態(tài)破壞時間測定

        對4 號煤層上中下的動態(tài)破壞時間測定試驗共進行了15 個試樣的測定,根據(jù)公式(1)取每組試件的平均動態(tài)破壞時間,測試結(jié)果見表2。上部5個試樣的平均動態(tài)破壞時間為5190 ms,中部5 個試樣的平均動態(tài)破壞時間為9690 ms,下部5 個試樣的平均動態(tài)破壞時間為2105 ms。根據(jù)表1 動態(tài)破壞時間判定標(biāo)準(zhǔn),判斷4 號煤無沖擊傾向。

        表2 4 號煤動態(tài)破壞時間表

        2.2 4 號煤層彈性能量指數(shù)測定

        4 號煤層的彈性能量指數(shù)測試共進行了三組15個試樣的測試。將測試數(shù)據(jù)帶入公式(3)中進行處理,測試結(jié)果見表3。根據(jù)4 號煤三組煤樣測試結(jié)果,上部5 個試樣的平均彈性能量指數(shù)為0.672,中部平均彈性能量指數(shù)為1.311,下部5 個試樣的平均彈性能量指數(shù)為0.923。根據(jù)煤的彈性能量指數(shù)判別方法,判斷4 號煤層無沖擊傾向。

        表3 4 號彈性能量指數(shù)測定結(jié)果

        2.3 4 號煤層沖擊能量指數(shù)測定

        4 號煤層的沖擊能量指數(shù)共進行了三組15 個試樣的測試,在此基礎(chǔ)上依據(jù)公式(3)計算煤的沖擊能量指數(shù)。測試處理結(jié)果見表4。

        表4 4 號煤沖擊能量指數(shù)表

        根據(jù)水簾洞礦4 號煤層煤體測試結(jié)果,上部5個試樣的平均沖擊能量指數(shù)為4.31,中部5 個試樣的平均沖擊能量指數(shù)為4.39,下部5 個試樣的平均沖擊能量指數(shù)為4.62。根據(jù)煤層沖擊能量指數(shù)判別方法,判斷4 號煤層具有弱沖擊傾向性。

        2.4 4 號煤層單軸抗壓強度測定

        4 號煤層單軸抗壓強度共進行了三組15 個試樣的測試。測試各項取均值,最終結(jié)果見表5。根據(jù)4 號煤層單軸抗壓強度測定結(jié)果,煤層上部5 個試樣的RC(單軸抗壓強度)平均值為8.95 MPa,中部5 個試樣的RC平均值為8.97 MPa,下部5 個試樣的Rc平均值為11.35 MPa。根據(jù)煤沖擊傾向性的單軸抗壓強度RC判別方法,判斷4 號煤層具有弱沖擊傾向性。

        表5 4 號煤單軸抗壓強度測定結(jié)果

        2.5 4 號煤層沖擊傾向性綜合判定

        參考上述表1 的判別標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合基于綜合模糊評價方法的沖擊傾向性評判結(jié)果,根據(jù)水簾洞礦4號煤層的動態(tài)破壞時間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和單軸抗壓強度四個指數(shù)的測定結(jié)果,判定水簾洞礦4 號煤層具有弱沖擊傾向性,見表6。

        表6 4 號煤沖擊傾向性鑒定結(jié)果

        3 結(jié)論

        水簾洞礦4 號煤上、中、下部的動態(tài)破壞時間分別為5190 ms、9690 ms、2105 ms,彈性能量指數(shù)分別為0.67、1.31、0.92,沖擊能量指數(shù)分別為4.31、4.39、4.62,單軸抗壓強度分別為8.95 MPa、8.97 MPa、11.35 MPa,綜合衡量以上結(jié)果,可以準(zhǔn)確地判定4 號煤的上、中、下部煤層的沖擊傾向。因此,綜合分析判定水簾洞煤礦的4 號煤層具有弱沖擊傾向性。

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