赵麦来 吴少锋

(河南宝雨山煤业有限公司,河南 洛阳471300)

本矿井位于豫西低山丘陵区,开采二1煤层,开采标高+240～-660m,设计生产能力90万t/a,目前,开采最大深度超过400m,煤层上方100m范围内附存有较坚硬的砂岩层,符合应进行冲击倾向性鉴定第三条。为掌握矿井冲击地压危险程度,保证矿井安全生产,需对二1煤及顶板岩层冲击倾向性进行鉴定保障分析。

1 煤层及煤质

该区二1煤层位于山西组下部,赋存在大占砂岩(Sd)和老君堂砂岩(SL)之间,全区可采。上距香炭砂岩(SX)28.09 m,下距L7约25m。煤层底板标高为+50～-250m,埋藏深度530～760m。煤层层位稳定,厚度有一定变化,规律较明显,局部发育有薄煤带。区内二1煤层0.3 ～6.25 m,平均4.46 m。全区大部分可采,为较稳定煤层。

该区二1煤为黑色,条痕为灰色。具金属光泽,参差状断口。煤岩成分以亮煤为主、暗煤次之,其中夹杂微量丝炭和少许镜煤条带,呈镶嵌状分布。宏观煤岩类型,以半亮型为主,兼有少量光亮型与半暗型。三者多呈薄层互层状。煤的结构疏松,机械强度特低,多呈粉状产出,且易污手。经燃烧试验,属较易燃煤。视密度1.42 ～1.76 t/m3。

该矿二1煤属低灰、中硫、低磷、特高热值及高热值之贫煤,适合动力及民用用煤。

2 煤岩采样与试样加工

试验所测定煤岩层为宝雨山煤矿二1煤及顶底板岩层,煤样采集为1701工作面,选择7块以上300×300×200mm的煤块。1701工作面位于一水平17采区东部,切眼东450m为井田一水平东边界；西120m为11127工作面采空区；北为1702设计工作面；南为1702设计工作面,1701工作面标高+120～138.4 m。地面标高+684～+725m之间,1701工作面煤层埋藏深度为446～572m。顶板岩样采集使用钻孔取芯方式,为使采集的岩样更具有代表性,选择2个位置采取岩样,一是一水平东翼运输巷(四联巷以东120m处),此处位于井田东冀,标高+20m左右；二是在13采区运输下山中联巷硐室,标高-95m,为矿井井巷工程最深揭露的位置。

底板岩样采集地点为13运输下山(二1煤层底板15m)与11东翼皮带巷(煤巷)联巷,在不同施工地点,采集200×200×200mm泥岩和砂岩岩样各5块。根据煤岩层柱状图和现场取芯结果,对二1煤层及顶底板取样分组。

3 二1 煤的冲击倾向性测试

3.1 试验设备与仪器

试验设备采用RMT-150C型微机控制电液伺服刚性压力试验机,用于进行煤岩加载和应力-应变全程曲线测定。同时试验设备有采集速度为0.1 ms的高速计算机数据采集处理系统。主要技术指标:(1)轴压0-150t；(2)围压0-50MPa；(3)试验尺寸￠50×100mm、150×150×300mm。

3.2 试验方法

力学性质测定,试件的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比的测定在伺服试验机上进行。煤的冲击倾向性测试定依据国家标准通过计算机数据处理计算得到。

煤的冲击倾向性分类标准见表1。

表1

4 煤的冲击倾向性测定结果

4.1 单轴抗压强度

煤样单轴抗压强度最大值为0.430 MPa,最小值为0.049 MPa,平均值为0.262 MPa。测试结果显示,煤样的单轴抗压强度小于7MPa。

4.2 动态破坏时间

煤样动态破坏时间最长为1605ms,最小值为806ms,平均值为1216ms。测试结果显示,煤样动态破坏时间大于500ms。

4.3 弹性能量指数

煤样弹性能量指数最大值为0.33 ,最小值为0.08 ,平均值为0.214。测试结果显示,煤样弹性能量指数小于2。

4.4 冲击能量指数

煤样冲击能量指数最大值为5.14 ,最小值为0.67 ,平均值为1.97 。测试结果显示,煤样冲击能量指数:1.5 ≤KE＜5。

动态破坏时间指标为3,弹性能指数指标为3,冲击能指数均为2,单轴抗压强度为指标3,综合判定结果为:3-无冲击倾向(见表2)。

表2 煤样的冲击倾向性指标及判定结果

5 顶底板岩层的冲击倾向性测定

岩石冲击倾向性分类指标及测定项目根据《岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法》(GB/T25217.1-2010),顶板冲击倾向性分为3类,如表3。

表3 岩层冲击倾向性类别及指数

因此,需测定三项指标,即抗拉强度、块体密度、弹性模量[2]。

5.1 视密度测试结果

A组岩样平均视密度为2670kg/m3,B组岩样平均视密度为2649kg/m3,C组岩样平均视密度为2667kg/m3,E组岩样平均视密度为2556kg/m3,F组岩样平均视密度为2670kg/m3。

5.2 抗拉强度测试结果

A组岩样抗拉强度最大值3.212 Mpa,最小值1.478 MPa,平均值2.460 Mpa；B组岩样抗拉强度最大值2.548 Mpa,最小值2.001 Mpa,平均值2.326 Mpa；C组 岩 样 抗 拉 强 度 最 大 值5.067 Mpa,最小值2.531 MPa,平均值3.620 Mpa；E组岩样抗拉强度最大值1.827 Mpa,最小值0.509 MPa,平均值1.160 Mpa；F组岩样抗拉强度最大值6.770 Mpa,最小值4.787 MPa,平均值5.897 Mpa。

5.3 弹性模量测试结果

A组岩样弹性模量最大值19.045 GPa,最小值7.803 GPa,平均值11.736 GPa；B组岩样弹性模量最大值19.928 GPa,最小值7.840 GPa,平均值14.351 GPa；C组 岩 样 弹 性 模 量 最 大 值31.224 GPa,最小值8.991 GPa,平均值22.611 GPa；E组岩样弹性模量最大值8.402 GPa,最小值1.611 GPa,平均值6.875 Gpa；F组岩样弹性模量最大值31.241 GPa,最小值3.810 GPa,平均值21.456 GPa。

6 上覆岩层载荷计算

上覆岩层载荷自煤层顶板起,自下而上计算[1]；弯曲能量指数分单一顶板弯曲能量指数计算和复合顶板弯曲能量指数计算(见表4)。

表4 顶底板岩层弯曲能量指数计算结果

根据表中的计算结果,矿井二1煤顶板30m范围内有3层超过2m的厚层岩层,其破断距分别为24.09 m、38.42 m、48.05 m,不会同时破断,因此,顶板弯曲能指数取这3层岩层的最大值,即UWQ=13.293<15,属于I类,无冲击倾向；二1煤底板2层岩层的弯曲能指数分别为UWQ=0.972 和14.648 ,均小于15,属于I类,无冲击倾向。

结论与建议,根据送检煤样测定的数据,判定矿井二1煤层冲击倾向性属于I类,为无冲击倾向性煤层。根据送检岩样测定的数据,判定矿井二1煤层顶板岩层冲击倾向性为I类,为无冲击倾向性岩层。根据送检岩样测定的数据,判定矿井二1煤层底板岩层冲击倾向性为I类,为无冲击倾向性岩层。