千秋煤矿煤样浸水软化实验及其防冲效果分析＊

李宝富 任永康 齐利伟 常 垒

(河南理工大学能源科学与工程学院,河南省焦作市,454000)

千秋煤矿煤样浸水软化实验及其防冲效果分析＊

李宝富 任永康 齐利伟 常 垒

(河南理工大学能源科学与工程学院,河南省焦作市,454000)

为提高千秋煤矿2#煤层注水防冲效果,对煤样进行浸水软化试验以确定煤层超前注水的最佳时间,并对煤样浸水前后的冲击性能进行分析。实验结果表明,煤样浸水周期为14 d时软化效果最佳,且煤样冲击能量指数比浸水前明显减小。

煤层注水 浸水软化 冲击地压 冲击能量指数

随着我国煤矿开采深度逐年增加,许多矿井采深已超过800 m,冲击地压问题越来越严重。我国目前已成为世界上冲击地压最严重的国家之一,每年由于冲击地压灾害,造成很大的经济损失和众多人员伤亡。高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井和有冲击地压发生的综放工作面,其安全问题最为突出。实践证明,煤层注水是解决上述安全问题的行之有效的办法。

1 千秋煤矿冲击地压概况

千秋煤矿隶属义马煤业集团股份有限公司,2007年核定生产能力180万t/a。井田含煤地层为侏罗系义马组,主要可采煤层为2-1#煤层和2-3#煤层,两层煤在+200～+250 m标高以下合成一层,称为2#煤层,千秋煤矿现生产采区集中于21区下山盘区,开采2#煤层,深度已达800 m。

近年来随着开采深度的增加,千秋煤矿共发生冲击地压17次,特别是2008年6月5日在二一区21201综放工作面下巷发生冲击地压造成13人死亡,11人受伤。

目前千秋煤矿采用的防冲措施主要有设置卸压硐室、布置深孔卸压钻孔、巷道采用36U型棚+锚网索复合支护,以及煤层注水和深孔爆破相结合等防冲措施。其中煤层注水预防冲击地压的方法简单易行,费用较低,应用前景大。因此开展煤层注水基础参数的研究,提高煤层注水防冲效果是一项很重要的工作。

本文主要对2#煤层试样浸水软化时间、浸水软化系数及煤样浸水后的冲击性能进行试验研究,以确定煤层注水预防冲击地压的最佳注水时间及防冲效果。

2 煤样浸水软化实验

2.1 实验方法

大块煤样取自千秋煤矿2#煤层21141综放工作面煤层,为了尽可能减小试验结果的离散性,大块煤样在同一地点的同一层位进行选取。按照实验规程的要求,在同一大块煤样上尽可能多地加工成直径为50 mm、长度为100 mm的圆柱体煤样,共加工煤样20个。

将20个煤样分成5组进行实验,每组4个试样,分别进行浸水前、浸水7 d、14 d、21 d和28 d的单轴抗压强度实验,实验前对每个试样的常规物理性质及含水率进行测试。实验加载设备采用RM T-150B岩石力学实验系统,该系统采用全数字计算机自动控制,实验过程实时显示,实验数据自动采集。

2.2 实验结果

分别将2#煤层试样浸水7 d、14 d、21 d和28 d,测试其单轴抗压强度,以检验该煤层试样经浸水是否软化。2#煤层试样浸水不同周期后的软化率是指浸水后的试样单轴抗压强度与2#煤层试样浸水前平均单轴抗压强度的比值。2#煤层试样浸水前单轴抗压强度实验结果见表1,2#煤层试样浸水软化实验结果见表2。从表2中可以看出,浸水对2#煤层具有较显著的软化作用,浸水周期不同煤层的软化率会发生变化,浸水周期为14 d时软化效果最佳,软化系数为0.75。

2#煤层试样浸水7 d平均含水率为9.57%,浸水14 d平均含水率为9.99%,浸水21 d平均含水率为9.75%,浸水28 d平均含水率为9.87%,说明2#煤层试样在浸水7 d后含水率随浸水周期增加的趋势不明显。结合浸水软化实验结果,2#煤层试样浸水14 d软化效果最佳。

表1 煤样浸水前单轴抗压实验

表2 煤样浸水软化实验结果

2.3 煤层注水位置和时间

2.3.1 煤层注水位置

煤层预注水位置和预注水时间的选取,是煤层注水的两个重要参数。预注水位置的选择既要考虑顶煤在前方支承压力作用下裂隙的发展变化,又要考虑有足够的超前开采时间,使注入煤体的水能够充分润湿煤体。硬煤、中硬煤和软煤综放工作面超前预注水的合理位置见表3。千秋煤矿2#煤层为中硬煤,确定开始注水超前工作面距离为30～50 m,停止注水超前工作面距离为8～15 m。

表3 合理注水区域选择参考表

2.3.2 煤层注水时间

煤层连续注水时间可按下式进行计算:

式中:T——超前注水时间,d;

L1——开始注水时钻孔到工作面距离,取35 m;

L2——停止注水时钻孔到工作面距离,取15 m;

i——工作面日推进度,千秋煤矿21141综放面平均日推进度1.5 m/d。

按上述参数取值计算,煤层连续注水时间为13.3 d。实验室对2#煤层试样浸水软化效果的试验表明,当煤样浸水14 d时的软化效果最佳,因此上述煤层注水位置和注水参数选择是合理的。

3 浸水对煤样冲击性能影响

按照中华人民共和国煤炭行业标准M T/T174-2000《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》规定,对千秋矿2#煤层进行冲击倾向性测定,经大量试验表明2#煤层具有冲击倾向性。煤岩体的冲击倾向性是受煤岩体本身的矿物成分和岩性结构所控制的,而煤层注水能改变煤的细观结构,减小煤体强度的同时也减弱煤体的冲击倾向性。当将水注入煤层的孔隙、裂隙之间后,煤颗粒间的粘结力减小,煤颗粒接触面的摩擦力降低,煤的性质发生了变化,冲击倾向减小。

冲击能量指数KE是判定煤层是否具有冲击倾向性的一个重要分类指标。冲击能量指数KE的计算公式为:

式中:AS——峰值前积聚的变形能,kJ;

AX——峰值后损耗的变形能,kJ。

KE实际是指应力应变全程曲线的上升段面积(AS)与下降段面积(AX)之比,见图1。

图1 冲击能量指数计算示意图

对2#煤层试样进行浸水软化试验的同时,也对浸水前和浸水14 d的煤样的冲击能量指数进行计算,计算结果见表4。从表4可以看出,浸水14 d的煤样冲击能量指数比浸水前明显减小,说明千秋矿2#煤层注水对预防冲击地压的发生有较明显效果。

表4 煤样浸水前后冲击能量指数变化

图2 煤样A-1冲击能量指数计算图

4 结论

(1)千秋煤矿2#煤层试样浸水软化试验表明,浸水对煤样具有较显著的软化作用,浸水周期不同,煤层的软化率也不同,浸水周期为14 d时软化效果最佳。

(2)通过理论分析和计算确定千秋煤矿2#煤层预注水位置和预注水时间,与2#煤层试样浸水软化结果较为一致。

(3)浸水14 d的煤样冲击能量指数比浸水前明显减小,说明千秋矿2#煤层注水对预防冲击地压的发生有较明显效果。

[1] 郑玉友,郭启彬.星村煤矿深部冲击矿压防治技术[J].煤矿开采,2008(2)

[2] 章梦涛,宋维源,潘一山.煤层注水预防冲击地压的研究[J].中国安全科学学报,2003(10)

[3] 程国明,吴健,赵景礼等.对高瓦斯及突出矿井运用综放技术的几点看法[J].太原理工大学学报,1999(5)

[4] 李宗翔,许端平,贾进章.大型化综放开采煤层注水方案及参数确定[J].中国地质灾害与防治学报,2003(1)

[5] 李建胜.综放开采预注水处理顶煤的注水参数确定方法研究[J].煤炭工程,2004(1)

[6] 张坤,来兴平,王宁波.急斜特厚煤层顶煤注水弱化技术试验[J].西安科技大学学报,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

国家自然科学基金项目(51074065);河南理工大学青年基金资助项目(Q2009-10)

李宝富(1977-),男,河南理工大学能源学院采矿系讲师,现从事采矿工程方面的教学与研究工作。

(责任编辑 梁子荣)