千秋煤礦煤樣浸水軟化實驗及其防沖效果分析＊

李寶富 任永康 齊利偉 常 壘

(河南理工大學能源科學與工程學院,河南省焦作市,454000)

千秋煤礦煤樣浸水軟化實驗及其防沖效果分析＊

李寶富 任永康 齊利偉 常 壘

(河南理工大學能源科學與工程學院,河南省焦作市,454000)

為提高千秋煤礦2#煤層注水防沖效果,對煤樣進行浸水軟化試驗以確定煤層超前注水的最佳時間,并對煤樣浸水前后的沖擊性能進行分析。實驗結果表明,煤樣浸水周期為14 d時軟化效果最佳,且煤樣沖擊能量指數比浸水前明顯減小。

煤層注水 浸水軟化 沖擊地壓 沖擊能量指數

隨著我國煤礦開采深度逐年增加,許多礦井采深已超過800 m,沖擊地壓問題越來越嚴重。我國目前已成為世界上沖擊地壓最嚴重的國家之一,每年由于沖擊地壓災害,造成很大的經濟損失和眾多人員傷亡。高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井和有沖擊地壓發生的綜放工作面,其安全問題最為突出。實踐證明,煤層注水是解決上述安全問題的行之有效的辦法。

1 千秋煤礦沖擊地壓概況

千秋煤礦隸屬義馬煤業集團股份有限公司,2007年核定生產能力180萬t/a。井田含煤地層為侏羅系義馬組,主要可采煤層為2-1#煤層和2-3#煤層,兩層煤在+200～+250 m標高以下合成一層,稱為2#煤層,千秋煤礦現生產采區集中于21區下山盤區,開采2#煤層,深度已達800 m。

近年來隨著開采深度的增加,千秋煤礦共發生沖擊地壓17次,特別是2008年6月5日在二一區21201綜放工作面下巷發生沖擊地壓造成13人死亡,11人受傷。

目前千秋煤礦采用的防沖措施主要有設置卸壓硐室、布置深孔卸壓鉆孔、巷道采用36U型棚+錨網索復合支護,以及煤層注水和深孔爆破相結合等防沖措施。其中煤層注水預防沖擊地壓的方法簡單易行,費用較低,應用前景大。因此開展煤層注水基礎參數的研究,提高煤層注水防沖效果是一項很重要的工作。

本文主要對2#煤層試樣浸水軟化時間、浸水軟化系數及煤樣浸水后的沖擊性能進行試驗研究,以確定煤層注水預防沖擊地壓的最佳注水時間及防沖效果。

2 煤樣浸水軟化實驗

2.1 實驗方法

大塊煤樣取自千秋煤礦2#煤層21141綜放工作面煤層,為了盡可能減小試驗結果的離散性,大塊煤樣在同一地點的同一層位進行選取。按照實驗規程的要求,在同一大塊煤樣上盡可能多地加工成直徑為50 mm、長度為100 mm的圓柱體煤樣,共加工煤樣20個。

將20個煤樣分成5組進行實驗,每組4個試樣,分別進行浸水前、浸水7 d、14 d、21 d和28 d的單軸抗壓強度實驗,實驗前對每個試樣的常規物理性質及含水率進行測試。實驗加載設備采用RM T-150B巖石力學實驗系統,該系統采用全數字計算機自動控制,實驗過程實時顯示,實驗數據自動采集。

2.2 實驗結果

分別將2#煤層試樣浸水7 d、14 d、21 d和28 d,測試其單軸抗壓強度,以檢驗該煤層試樣經浸水是否軟化。2#煤層試樣浸水不同周期后的軟化率是指浸水后的試樣單軸抗壓強度與2#煤層試樣浸水前平均單軸抗壓強度的比值。2#煤層試樣浸水前單軸抗壓強度實驗結果見表1,2#煤層試樣浸水軟化實驗結果見表2。從表2中可以看出,浸水對2#煤層具有較顯著的軟化作用,浸水周期不同煤層的軟化率會發生變化,浸水周期為14 d時軟化效果最佳,軟化系數為0.75。

2#煤層試樣浸水7 d平均含水率為9.57%,浸水14 d平均含水率為9.99%,浸水21 d平均含水率為9.75%,浸水28 d平均含水率為9.87%,說明2#煤層試樣在浸水7 d后含水率隨浸水周期增加的趨勢不明顯。結合浸水軟化實驗結果,2#煤層試樣浸水14 d軟化效果最佳。

表1 煤樣浸水前單軸抗壓實驗

表2 煤樣浸水軟化實驗結果

2.3 煤層注水位置和時間

2.3.1 煤層注水位置

煤層預注水位置和預注水時間的選取,是煤層注水的兩個重要參數。預注水位置的選擇既要考慮頂煤在前方支承壓力作用下裂隙的發展變化,又要考慮有足夠的超前開采時間,使注入煤體的水能夠充分潤濕煤體。硬煤、中硬煤和軟煤綜放工作面超前預注水的合理位置見表3。千秋煤礦2#煤層為中硬煤,確定開始注水超前工作面距離為30～50 m,停止注水超前工作面距離為8～15 m。

表3 合理注水區域選擇參考表

2.3.2 煤層注水時間

煤層連續注水時間可按下式進行計算:

式中:T——超前注水時間,d;

L1——開始注水時鉆孔到工作面距離,取35 m;

L2——停止注水時鉆孔到工作面距離,取15 m;

i——工作面日推進度,千秋煤礦21141綜放面平均日推進度1.5 m/d。

按上述參數取值計算,煤層連續注水時間為13.3 d。實驗室對2#煤層試樣浸水軟化效果的試驗表明,當煤樣浸水14 d時的軟化效果最佳,因此上述煤層注水位置和注水參數選擇是合理的。

3 浸水對煤樣沖擊性能影響

按照中華人民共和國煤炭行業標準M T/T174-2000《煤層沖擊傾向性分類及指數的測定方法》規定,對千秋礦2#煤層進行沖擊傾向性測定,經大量試驗表明2#煤層具有沖擊傾向性。煤巖體的沖擊傾向性是受煤巖體本身的礦物成分和巖性結構所控制的,而煤層注水能改變煤的細觀結構,減小煤體強度的同時也減弱煤體的沖擊傾向性。當將水注入煤層的孔隙、裂隙之間后,煤顆粒間的粘結力減小,煤顆粒接觸面的摩擦力降低,煤的性質發生了變化,沖擊傾向減小。

沖擊能量指數KE是判定煤層是否具有沖擊傾向性的一個重要分類指標。沖擊能量指數KE的計算公式為:

式中:AS——峰值前積聚的變形能,kJ;

AX——峰值后損耗的變形能,kJ。

KE實際是指應力應變全程曲線的上升段面積(AS)與下降段面積(AX)之比,見圖1。

圖1 沖擊能量指數計算示意圖

對2#煤層試樣進行浸水軟化試驗的同時,也對浸水前和浸水14 d的煤樣的沖擊能量指數進行計算,計算結果見表4。從表4可以看出,浸水14 d的煤樣沖擊能量指數比浸水前明顯減小,說明千秋礦2#煤層注水對預防沖擊地壓的發生有較明顯效果。

表4 煤樣浸水前后沖擊能量指數變化

圖2 煤樣A-1沖擊能量指數計算圖

4 結論

(1)千秋煤礦2#煤層試樣浸水軟化試驗表明,浸水對煤樣具有較顯著的軟化作用,浸水周期不同,煤層的軟化率也不同,浸水周期為14 d時軟化效果最佳。

(2)通過理論分析和計算確定千秋煤礦2#煤層預注水位置和預注水時間,與2#煤層試樣浸水軟化結果較為一致。

(3)浸水14 d的煤樣沖擊能量指數比浸水前明顯減小,說明千秋礦2#煤層注水對預防沖擊地壓的發生有較明顯效果。

[1] 鄭玉友,郭啟彬.星村煤礦深部沖擊礦壓防治技術[J].煤礦開采,2008(2)

[2] 章夢濤,宋維源,潘一山.煤層注水預防沖擊地壓的研究[J].中國安全科學學報,2003(10)

[3] 程國明,吳健,趙景禮等.對高瓦斯及突出礦井運用綜放技術的幾點看法[J].太原理工大學學報,1999(5)

[4] 李宗翔,許端平,賈進章.大型化綜放開采煤層注水方案及參數確定[J].中國地質災害與防治學報,2003(1)

[5] 李建勝.綜放開采預注水處理頂煤的注水參數確定方法研究[J].煤炭工程,2004(1)

[6] 張坤,來興平,王寧波.急斜特厚煤層頂煤注水弱化技術試驗[J].西安科技大學學報,2010(2)

Experimental study on wetting and soften ing of coal samples from Qianqiu Coal Mine and their impact resistance effect

Li Baofu,Ren Yongkang,Qi Liwei,Chang Lei
(School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China)

In order to enhance the impact resistance effect of No.2 coal seam after water injection in Qianqiu Coal Mine,the coal samples were wetted and softened.The premium time for water injection was determined and the impact resistances of coal samples were tested before and after wetting.The results indicated that the coal sample show ed the p rem ium softening effect after wetting for 14 days,and its impact energy index was decreased obviously.

water injection into coal seam,wetting and softening,rock burst,impact energy index

TD713

A

國家自然科學基金項目(51074065);河南理工大學青年基金資助項目(Q2009-10)

李寶富(1977-),男,河南理工大學能源學院采礦系講師,現從事采礦工程方面的教學與研究工作。

(責任編輯 梁子榮)