孫全金

(遼寧省阜新市國土資源局細河分局)

龍家堡2#煤層沖擊傾向性試驗研究

孫全金①

(遼寧省阜新市國土資源局細河分局)

沖擊地壓以其突發(fā)性、破壞性嚴重威脅著煤礦的安全生產,及時預測對保障礦井安全生產非常重要。煤巖沖擊傾向性研究是沖擊地壓預測預報及防范治理的基礎。采用試驗測得的沖擊能量指數KE,彈性能量指數WET、動態(tài)破壞時間D T作為煤層沖擊傾向性的分類指標。本文通過實驗室測試龍家堡2#煤層各項指標,確定了其沖擊傾向性等級,提出了合理建議。

沖擊地壓;沖擊傾向性;沖擊能量指數;彈性能量指數;動態(tài)破壞時間;試驗研究

沖擊地壓是煤礦經常發(fā)生的主要災害之一。煤巖沖擊傾向性研究是沖擊地壓機理研究的重要組成部分,是沖擊地壓預測預報及防范治理的基礎。世界上有關國家提出了各種鑒別沖擊地壓傾向的指標,其中具有代表性的有彈性能量指數、彈性變形指數、最大塑性變形速度、含水量指數,脆性系數、脆性破壞系數有限沖擊能指數、極限能比,極限剛度比、破壞速度指數、應力應變時間特性指數及波蘭巖石彈性能量指數等。我國煤炭行業(yè)標準中規(guī)定采用試驗測得的沖擊能量指數KE,彈性能量指數WET、動態(tài)破壞時間D T作為煤層沖擊傾向性的分類指標。

1 煤層沖擊傾向性分類指標

1)沖擊能量指數。沖擊能量指數指在單軸壓縮狀態(tài)下,煤樣的“應力—應變”曲線峰值前所積聚的變形能與峰值后所消耗的變形能之比值,見圖1。它是包含試件“應力—應變”全部變化的曲線,直觀和全面地反映了蓄能、耗能的全過程,顯示了沖擊傾向的物理本質。其表達式為:

式中:

As—為試件峰值前積聚的變形能;

Ax—為試件峰值后消耗的變形能。

沖擊能量指數的計算方法:在全過程應力應變曲線的峰值點作垂線交于x軸,則As的值等于峰值點前的曲線、坐標軸和垂線圍成的面積值,Ax等于峰值點后的曲線、坐標軸和垂線圍成的面積值。As和Ax的計算可采用求積儀、積分等多種方法。

圖1 沖擊能量指數計算示意圖

2)彈性能指數WET。彈性能指數指煤樣在單軸壓縮條件下,破壞前所積蓄的變形能與產生塑性變形消耗的能量的比值,見圖2。

圖2 彈性能指數計算示意圖

其表達式為:

式中:

ΦC—總應變能,OPMNO的面積;

ΦSE—彈性應變能,PMNP的面積;

ΦSP—塑性應變能,OPNO的面積。

3)動態(tài)破壞時間D T。動態(tài)破壞時間指煤樣在常規(guī)單軸壓縮試驗條件下,從極限載荷到完全破壞所經歷的時間,見圖3。D T綜合反映了能量變化的全過程,對沖擊傾向反映敏感是一種實用性較強的指標。

圖3 動態(tài)破壞時間計算曲線示意圖

根據《中華人民共和國行業(yè)標準》MT/T174-2000,用上述三項指標鑒定煤層的沖擊傾向,把煤層的沖擊傾向分為強烈沖擊傾向、弱沖擊傾向和無沖擊傾向三類,各指標的界限值見表1。

表1 煤層沖擊傾向表

2 吉林龍家堡2#煤層沖擊傾向性檢測

1)概況。龍家堡煤礦為深部開采礦井,現開采垂深為800 m,已達到發(fā)生沖擊地壓的臨界深度。該礦井在掘進201首采工作面順槽時,煤爆發(fā)生頻繁,最多時達到每小班60～70次。響煤炮時伴有煤壁片幫、塌落、掉渣、頂板下沉等現象發(fā)生,塌落最大煤量達20～30 t,最大頂板下沉量為800 mm左右。隨著采深不斷增加,礦井開采范圍的擴大,發(fā)生沖擊地壓的危險必然增大。為保證安全生產,對主采煤層進行沖擊傾向性試驗研究是很有必要的。

2)沖擊能量指數測定結果。煤巖試件的單軸抗壓強度和沖擊能量指數試驗可以同時進行。根據經驗在MTS上以0.006 7 mm/s的位移控制速度對試件進行準靜態(tài)加載,可以測得試件的單軸抗壓強度和單軸壓縮下的全應力應變曲線,并進行煤的沖擊能量指數計算。本次實驗共加工制作10個煤樣試件,尺寸規(guī)格為50 mm×50 mm×100 mm方形柱體,試驗測得的煤巖單軸壓典型全應力應變曲線,見圖4。采用MA TLAB 6.5計算曲線圖中的面積,求得2#煤層各試件的沖擊能量指數見表2。

表2 沖擊能量指數、彈性能指數、動態(tài)破壞時間結果匯總

3)彈性能指數測定結果。為研究龍家堡煤礦2#煤層的彈性能量指數,對煤巖試件進行了加卸載試驗。以0.15 kN/s的速度加載到試件預計強度的70%～80%范圍后,以相同速度卸載,卸載到預計強度的1%～5%,重新按照0.006 7 mm/s的速度以位移控制進行加載直至試件破壞。從而獲得整個試件的加卸載應力應變曲線,由此可以進行煤的彈性能量指數計算。

本次實驗共加工制作10個煤樣試件,尺寸規(guī)格為50 mm×50 mm×100 mm方形柱體,加卸載下煤試件典型破壞形式見圖5(部分式樣)。

采用MATLAB 6.5計算曲線圖中的面積,求得2#煤層各試件的彈性能量指數見表2。

4)動態(tài)破壞時間測定結果。按照煤炭行業(yè)標準以1.5 kN/s的速度對煤巖試件進行應力加載。本次實驗共加工制作6個煤樣試件,尺寸規(guī)格為50 mm× 50 mm×100 mm方形柱體,試驗測得的煤巖典型動態(tài)破壞時間曲線圖6(部分式樣)。求得2#煤層各試件的典型動態(tài)破壞時間見表2。

5)2#煤層沖擊傾向性檢測結果分析。各煤樣試件經試驗后求得沖擊能量指數、彈性能指數、動態(tài)破壞時間結果見表2。

最終求得2#煤層沖擊能量指數KE=0.8,彈性能指數WET=1.1,動態(tài)破壞時間DT=2 429。通過能量法對2#煤層高應力顯現檢測結果可知:彈性能指數WE=1.1<2.0;沖擊能量指數WB=0.8< 1.5。動態(tài)破壞時間Dt=2 492 ms>500 ms,經查表1可知,龍家堡煤礦2#煤層無沖擊傾向。

3 結 論

沖擊地壓的形成和發(fā)生的條件是很復雜的,作為一種礦山巖體破壞現象,有其特殊的宏觀和微觀特征。首先是煤巖中應力超過其極限強度,以煤巖破壞為先導;其次是煤層和圍巖在集中應力作用下,吸收能量積聚應變能;另一個是“誘發(fā)”因素導致其突變破壞,瞬間釋放應變能。

在應用沖擊傾向性理論的大量現場調查表明,判斷出的具有相同沖擊地壓傾向性的煤層,甚至同一煤層,只有少數區(qū)域發(fā)生沖擊地壓,大多數區(qū)域不會發(fā)生沖擊地壓。而且許多屬于強沖擊地壓傾向性的煤層并不發(fā)生沖擊地壓,而某些沖擊地壓傾向性很弱或無沖擊地壓傾向性的煤層卻發(fā)生了沖擊地壓,可見沖擊的發(fā)生需要具備很多條件,考慮單一因素不能充分確定沖擊地壓是否能夠發(fā)生。因此,在判斷某區(qū)域是否會發(fā)生沖擊地壓時除考慮煤層物理力學性質外,還要從埋深、地質構造、圍巖條件、采動影響、采掘工藝等多方面考慮,努力做到預測準確。雖然,龍家堡煤礦2#煤層經試驗檢測無沖擊傾向,但是從目前所表現出的動力現象應引起高度重視,需進一步采取檢測方法和防護措施,保證安全生產。

[1] 王淑坤,齊慶新,曾永志.我國煤巖沖擊傾向研究的進展[J].煤礦開采,1998(3):30-32.

[2] 竇林名,何學秋.沖擊地壓防治理論與技術[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2001:79-81.

[3] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2003:125-128.

[4] 顏衛(wèi)東,王維,胡方冠.濟寧二礦煤層沖擊傾向性分析[J].礦山壓力與頂板管理,2001(1):102-103.

Test Research of Burst Tendency in Longjiapu 2#Coal Seam

Sun Quan-jin

Rock burst is sudden and destructive which is threat to the coal mine safety production seriously.It is very important to guarantee coal mine safety production that rock burst is predicted timely. The research of coal burst tendency is the foundation of rock burst forecasting and prevention.It is regared as classification index of burst tendency that is burst energy index,elastic energy index,dynamic destruction time tested.In this paper,we have tested indexes,determined burst tendency grade,puts forward reasonable proposals in Longjiapu 2#coal seam.

Rock burst;Bursttendency;Burstenergy index;Elastic energy index;Dynamic destruction time

book=3,ebook=92

TD324

B

1672-0652(2010)03-0023-04

2010-01-19

孫全金 男 1970年出生 2010年畢業(yè)于遼寧工程技術大學 工程師 阜新 123000