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煤層注水軟化工藝基礎(chǔ)試驗分析

2016-08-01 12:27:39李永武
現(xiàn)代礦業(yè) 2016年6期
關(guān)鍵詞:抗壓單軸煤體

李永武

(新疆工程學(xué)院采礦工程系)

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煤層注水軟化工藝基礎(chǔ)試驗分析

李永武

(新疆工程學(xué)院采礦工程系)

摘要以小紅溝煤礦煤層為取樣煤層,對煤樣進(jìn)行了含水率、吸水率和空隙率測定,并通過超聲波試驗和單軸抗壓試驗,分析了該礦煤樣的水力學(xué)特性、在水作用下的力學(xué)性質(zhì)變化以及在不同含水率下的破壞狀態(tài)。上述試驗得出的煤層力學(xué)參數(shù),可為煤層注水軟化工藝研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞煤層注水軟化工藝水力特性煤層力學(xué)參數(shù)

綜放開采作為一種經(jīng)濟、安全、高效的開采方式,已得到了廣泛應(yīng)用,但煤層綜放開采過程中,頂煤在受到煤體自重、礦山壓力及支架反復(fù)支撐的共同作用下易發(fā)生破壞、垮落形成松散無規(guī)則的塊體堆,但遇到堅硬特厚煤層時,僅靠上述作用不足以使硬度較大的頂煤達(dá)到放出要求的破碎程度,頂煤的自然跨落困難,放頂煤采出率也會隨之下降,為此,有必要對頂煤進(jìn)行人工預(yù)先弱化處理。弱化頂煤方法較多,其中水壓致裂是堅硬厚煤層綜采放頂煤中頂煤軟化的關(guān)鍵技術(shù),具有安全、環(huán)保、高效、經(jīng)濟的優(yōu)點,應(yīng)用較廣泛[1-3]。水力致裂頂煤是通過鉆孔向煤體預(yù)注高壓水,利用壓力水對弱面的壓裂、沖刷、楔入作用 (水楔作用)以及水對煤體的物理、化學(xué)作用,使煤體擴大原有裂隙、產(chǎn)生新的裂隙,破壞煤體整體性,降低其強度。 新疆小紅溝煤礦煤層為急傾斜特厚煤層,采用水平分段放頂煤法開采,鑒于頂煤堅硬(煤層局部硬度系數(shù)為2~3),冒放困難,因此,研究小紅溝煤礦煤層注水軟化特性及注水參數(shù),對解決該礦的難冒放問題,提高采出率具有重要意義。

1試驗步驟及煤樣制備

本研究通過試驗測試小紅溝煤礦煤樣的孔隙率、含水率等參數(shù),并通過超聲波試驗和單軸抗壓試驗分析浸水后煤樣的力學(xué)性質(zhì)變化特征,為準(zhǔn)確確定注水參數(shù)提供依據(jù)。試驗步驟:首先制備煤樣并測定其天然含水率、孔隙率等參數(shù);然后對煤樣進(jìn)行浸泡,在浸泡過程中測定其吸水性,用超聲波探測儀測定不同浸水時間煤樣的物理力學(xué)參數(shù);最后通過煤樣的單軸抗壓試驗,分析浸水后煤樣的力學(xué)性質(zhì)變化及破壞情況。本研究試驗煤樣來自新疆烏魯木齊市小紅溝煤礦,用鉆芯機、打磨機和切割機對煤樣進(jìn)行加工,分別加工成直徑50mm,高為50、100mm2類試件(分別編號為1#、2#)。

2試驗結(jié)果

2.1天然含水率、吸水性、孔隙率測定

煤樣試件天然含水率的測定結(jié)果見表1。2件試件在不同浸水時間下的平均吸水量、平均含水率的測定結(jié)果見表2。

表1 天然含水率測定結(jié)果

表2 吸水量、含水率測定結(jié)果

由表2可知:2件試件的平均含水率隨著浸水時間的增加而增大,剛浸入水中,試件含水率增加較快,當(dāng)浸水3d后試件的平均含水率基本不變,即試件達(dá)到了水飽和狀態(tài)。隨著浸水時間的進(jìn)一步增加,含水率增加較小。

孔隙率可根據(jù)《巖石孔隙率測定方法》(MT41-87)進(jìn)行測定,結(jié)果見表3。

表3 孔隙率測定結(jié)果

2.2超聲波測煤樣物理力學(xué)參數(shù)試驗

相關(guān)資料研究表明,巖石的類別、密度、孔隙率、結(jié)構(gòu)面、彈性模量、應(yīng)力狀態(tài)、抗壓強度等因素對于聲波在其中的傳播速度密切相關(guān)。而巖體的該類性質(zhì)與巖體的抗壓強度、密實程度及裂隙發(fā)育程度直接相關(guān)。因此 巖體的波速能夠間接反映巖體內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況。一般來說,堅硬、致密、完整的巖體,聲波在其中傳播速度較快,聲能(振幅)衰減較小,頻譜成分變化小,因而總的波形變化較??;反之,軟弱、破碎巖體,聲速較低,聲幅衰減較大,頻譜中的高頻成分被吸收,波形變化較大,表現(xiàn)為周期拉長。在測試煤樣吸水率的同時對浸水0 ~6d的2件煤樣試件進(jìn)行了超聲波測試,結(jié)果見圖1~圖3。

圖1 彈性模量均值與浸水時間的關(guān)系

圖2 剪切模量與浸水時間的關(guān)系

圖3 普氏強度均值與浸水時間的關(guān)系

由圖1~圖3可知:隨著浸水時間的增加,煤樣的彈性模量、剪切模量和普氏系數(shù)逐漸減小,浸水4d后曲線趨于平緩,數(shù)值基本保持不變,說明 2 個煤樣試件中的水達(dá)到了飽和狀態(tài),煤樣強度不再降低。

2.3煤樣單軸抗壓試驗

取3組煤樣,每組3個,編號1#為天然煤樣,編號2#為浸水1d,編號3#為浸水6d,進(jìn)行單軸抗壓試驗,結(jié)果見表4。

表4 煤樣單周抗壓試驗結(jié)果

由表4可知:煤樣試件的含水率隨著浸水時間的增大而增大,試件抗壓強度隨著試件含水率的增加而減小,在同一應(yīng)力情況下,應(yīng)變增大,表明塑性增大、脆性減小,煤樣最后為塑性破壞,而失穩(wěn)破壞的可能性更小,煤樣峰值強度明顯降低。

3結(jié)語

煤體力學(xué)性質(zhì)隨煤體的孔隙率、滲透系數(shù)以及含水率的改變而變化,對水力致裂參數(shù)和軟化效果有較大影響。通過試驗對煤層試件進(jìn)行了孔隙率、含水率的測定,并通過超聲波試驗和單軸抗壓試驗,分析了浸水后煤樣力學(xué)性質(zhì)變化以及破壞形態(tài)。結(jié)果表明:①通過試驗測定,得到了煤層的孔隙率、含水率、滲透系數(shù)等參數(shù),為軟化性評價和合理確定注水參數(shù)提供了科學(xué)依據(jù);②隨著浸水時間的增加,煤樣的彈性模量、剪切模量和普氏強度逐漸減小,當(dāng)浸水4d后曲線趨于平緩各值基本保持不變,即煤樣試件中的水達(dá)到了飽和狀態(tài),煤樣強度不再降低;③隨著注水時間的增加,煤樣試件的含水率也隨之增加,在同一應(yīng)力情況下,應(yīng)變增大,表明塑性增大、脆性減小,煤樣最后表現(xiàn)為塑性破壞,發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性較小,煤樣峰值強度明顯降低。上述試驗結(jié)果對于小紅勾煤礦開采中確定注水水力致裂的滲透范圍提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]張永吉.煤層注水技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2001.

[2]鄧廣哲.封閉型煤層裂隙地應(yīng)力場控制水壓致裂特性[J].煤炭學(xué)報,2001,26(5):478-482.

[3]黃炳香,鄧廣哲,劉長友.煤巖體水力致裂弱化技術(shù)及其進(jìn)展[J].中國工程科學(xué),2007(4):83-87.

(收稿日期2016-04-07)

李永武(1970—),實驗師,碩士,830091 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市南昌路236號。

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