煤层冲击倾向性试验研究

煤层冲击倾向性试验研究

2007年4月　　　　　　　　　　矿业安全与环保　　　　　　　　　第34卷第2期

煤层冲击倾向性试验研究

陈绍杰,郭惟嘉,杨永杰,邹　杰

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室,山东青岛266510)

摘　要:采用MTS对山东某矿3下煤进行了煤层冲击倾向性试验研究,、弹性能量指数和动态破坏时间3;结合实际采矿条件,应加强冲击地压的预测预报,关键词:煤层;冲击倾向性试验;;中图分类号:TD324　　　:A:1008-4495(2007)02-0010-02

。煤

部分,是冲击地压预测预报及防范治理的基础。世

界上有关国家提出了各种鉴别冲击倾向的指标,其

中具有代表性的有弹性能量指数、弹性变形指数、最

大塑性变形速度、含水量指数、脆性系数、脆性破坏

系数有效冲击能指数、极限能比、极限刚度比、破坏

速度指数、应力应变时间特性指数及波兰岩石弹性

能指数等。我国煤炭行业标准中规定采用试验测

得的冲击能量指数KE、弹性能量指数WET、动态破

坏时间DT作为煤层冲击倾向性的分类指标。

山东某矿主采煤层为3下煤,厚度3.70～8.35m,

平均厚7.14m,开采深度700m。在回采巷道掘进

及工作面回采过程中出现了煤炮等冲击地压现象,

但其强度和频次尚未对生产有较大影响。随着采深

不断增加,矿井开采范围的扩大,发生冲击地压的危

险必然增大。为保证安全生产,对主采煤层进行冲

击倾向性试验研究是很有必要的。[2][1]经过切、磨,加工成直径50mm的圆柱体标准岩石试件。试验在MTS岩石电液伺服试验机上进行,试验机的精度、刚度都符合煤炭行业冲击倾向性试验要求。根据行业标准和多年的试验经验,采用不同的加载方式和加载速率以测定煤层的冲击性指标。每个取样地点的试件均分作3组,每组3个试件,分别进行冲击性能指标试验。2　煤层冲击倾向性试验2.1　单轴抗压强度及冲击能量指数试验煤岩试件的单轴抗压强度和冲击能量指数试验可以同时进行。根据经验在MTS上以0.0067mmΠs的位移控制速度对试件进行准静态加载,可以测得试件的单轴抗压强度和单轴压缩下的全应力应变曲线,并进行煤的冲击能量指数计算。试验测得的煤岩单轴压缩典型全应力应变曲线如图1所示

。

1　试验条件

朝阳煤矿3下煤现采采区为三一采区,为使冲击

倾向性试验研究更有代表性,分别在3105工作面切

眼、3107工作面材料道、3107工作面胶带道、3109工

作面材料道、3109工作面胶带道共5个地点取样。

放炮崩落大块煤后立即现场封蜡,以保证与现场有

相同的湿度和含水率,然后运抵实验室,在实验室内

图1　3109胶带巷试件单轴压缩冲击能量指数计算图

收稿日期:2006-07-25;2006-10-16修回

),男,博士研究生,讲师,主要作者简介:陈绍杰(1978—煤岩的冲击能量指数计算公式如下:

KE=AsΠAx从事矿山岩石力学、覆岩运动与开采沉陷控制方面的教学和

研究工作。(1)式中:As为试件峰值前积聚的变形能;Ax为试件峰 10

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2007年4月　　　　　　　　　　矿业安全与环保　　　　　　　　　第34卷第2期值后消耗的变形能。

如图1所示,C为峰值强度点,D为残余强度的

初始点;As为OCQO的面积,Ax为CDFQC的面积。

由计算机自动采集数据,MTS可以根据采集的曲线

上各点数据计算出As,Ax的值。

2.2　弹性能量指数试验

为研究煤层的弹性能量指数,对煤岩试件进行

了加卸载试验。根据煤炭行业标准,以0.15kNΠs即

0.076MPaΠs的速度加载到同采样点试件平均单轴(a

)

抗压强度的75%～85%后,以相同速度卸载,卸载到

单轴抗压强度的1%～5%;然后重新以0.0067mm力应变曲线,,如

图2所示

。(b)

图3　3105切眼试件应力时间曲线

3　试验结果分析

该矿煤层冲击性能试验结果如表1所示。

表1　煤样冲击倾向性试验结果

取样

地点

3105切眼单轴抗压强度ΠMPa14.162KE类别弱

弱

无WET类别弱DTΠ类ms别1.818022.060181.4127

2.2612487

1.516562.06553.229752.68877251.23弱图2　3107材料道试件弹性能量指数计算图3107材料道15.74553107胶带道14.4393109材料道10.565弱206.645弱弱237.396弱煤岩的弹性能量指数计算公式如下:WET=ΦSEΦSE=ΦSPΦC-ΦSE弱2.716475弱124.124弱弱2.36985(2)3109胶带道10.6295弱260.26弱

式中:ΦC为总应变能,OPMNO的面积;ΦSE为弹性应

变能,PMNP的面积;ΦSP为塑性应变能,OPNO的

面积。

2.3　动态破坏时间试验进行试验的煤样采自煤层的不同地点,因此试验结果可以代表该矿3下煤的冲击性能。可以看出,不同取样地点的试件单轴抗压强度具有一定的离散性,并且单轴抗压强度不高,平均只有13.108MPa。

生产实践与试验研究均表明:煤的强度越高,引发冲

击地压所要求的应力越小;煤的强度越小,要引发冲

[3]击地压就需要高得多的应力。从单轴抗压强度考

虑,该矿3下煤较难发生冲击地压。

根据国家煤炭行业标准,从冲击能量指数看出:

4个取样地点试件1.5≤KE≤5,即煤样具有弱冲击为研究该矿3下煤的动态破坏时间,按照煤炭行业标准以1.5kNΠs即0.76MPaΠs的速度对煤岩试件进行应力加载。为测得破坏瞬间的动态破坏时间,在试件即将破坏时改用高速方法采集数据,采样频率为5ms。试验测得的煤岩典型动态破坏时间曲线如图3所示。

动态破坏时间是指试件由峰值强度到完全破坏

所经历的时间。图3中,C点为峰值强度点,D点为试

件完全破坏点,OC为加载过程,CD为破坏过程,DT

为破坏时间。倾向性;只有3107胶带巷试件KE小于1.5,不具备冲击倾向性。煤样弹性能量指数2≤WET≤5,动态破坏时间50<DT≤500,各地点煤样均具有弱冲击倾向性。

(下转第14页)

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2007年4月　　　　　　　　　　矿业安全与环保　　　　　　　　　第34卷第2期

[2]汤友谊,孙四清,高彩玲.测井曲线识别构造软煤的研

究[J].煤炭学报,2005,30(3):293-296.

[3]刘咏梅,钱真,申丽然,等.一种新的非线性曲线平滑方

法及在测井曲线中的应用[J].模式识别与人工智能,

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[4]阎辉,李鲲鹏.测井曲线的小波变换特性在自动分层中

的应用[J].地球物理学报,2000,43(4):568-573.

[5]王定武.利用模拟测井曲线判识构造煤的研究[J].中

国煤田地质,1997,9(4):7073.

图4　构造煤厚度计算[6]李欣,.[J].石

,():-3　结论

,操作

简单、实用性强,,,可靠性好的特

点。不仅可以自动判识构造煤厚度,改进后也可用

于测井曲线地层的自动划分。

构造煤分层和定厚依赖于测井曲线资料的准确

程度。数字测井技术的发展可为构造煤判识提供更

佳的技术保障。因此,该软件具有广阔的应用前景。,,测井曲线自动分层技术及在[J].地质勘探,1999,7():23-25.[8]邵才瑞,李洪奇,张福明,等.用测井曲线自动划分层序地层研究[J].地层学杂志,2004,28(4):321-325.[9]史江清,王延江,孙正义,等.小波变换和沃尔什变换在测井曲线分层中的联合应用[J].中国石油大学学报,2006,30(2):138-142.[10]郭爱煌.测井资料计算机自动分层与岩性识别[J].煤田地质与勘探,1998,26(5):58-62.[11]焦翠华,张洪洲.小波分析在提高声波测井曲线纵向

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Min.Sci.andGeomechAlrstr.,1981(18):267-283.应用[J].焦作矿业学院学报,1995,14(1):76-78.(责任编辑:吴自立)

(上接第11页)

综合分析试验结果,该矿3下煤具有弱冲击

倾向。

由于该矿开采深度已达700m,在开采过程中出

现了煤炮等现象;随着开采深度的进一步增加和开

采范围的进一步扩大,煤层重力场和构造应力场将

会增大,发生冲击地压的危险性必将增加。因此在

开采过程中尤其在构造应力集中区有必要加强冲击

矿压灾害的预测预报工作。弱的冲击倾向性。5个取样地点的3个冲击性能指标中只有3107胶带巷的冲击能量指数显示煤层无冲击倾向,其余试验结果均表明该矿3下煤具有弱冲击倾向。3)随着开采深度增大,在开采过程中尤其在构造应力集中区有必要加强冲击地压灾害的预测预报工作,以保障矿井的安全生产。参考文献:

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[2]中华人民共和国煤炭部.中华人民共和国煤炭行业标准

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[3]窦林名,何学秋.冲击地压防治理论与技术[M].徐州:中4　主要结论1)采用MTS伺服试验系统可以较好地进行煤岩冲击倾向性能的测试。位移和应力控制可以测取冲击能量指数和弹性能量指数,高速数据采集系统可

以准确测量试件的动态破坏时间。

2)不同地点的煤样试验表明,该矿3下煤具有较国矿业大学出版社,2001.

(责任编辑:吴自立)

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