水分对突出煤层坚固性系数影响研究_童翀翀.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 0引言 煤与瓦斯突出是严重危害我国煤矿安全生产的 主要灾害之一[1]， 煤矿突出事故发生很多是因突出危 险性预测失准而导致误采、 误掘或误揭突出煤体发生 的， 因此煤与瓦斯突出鉴定和预测在防治突出过程中 是十分重要的。 煤的坚固性系数是突出煤层预测和鉴 定指标之一[2]。 煤体的坚固性是由煤体固有性质来决定的， 它反 映了煤体抵抗破坏能力的大小[3]。目前国内大多采用 落锤破碎法， 来测定煤体的坚固性系数， 简称落锤法。 该测定方法并没有明确煤体水分要求， 从而实测值与 真实值有较大的偏差。 煤体水分增加后其力学性质发 生改变， 塑性提高， 坚固性系数测定结果也发生变 化[4]， 基于此， 选取晋城矿区和阳泉矿区的突出煤层为 研究对象， 研究水分对突出煤层中硬煤和软煤的坚固 性系数 f值影响， 以便提高坚固性系数测定结果的精 确度， 进而准确预测突出危险性。 1实验方案 在突出煤层硬分层和软分层分别选取煤样， 根据 标准， 坚固性系数 f 值的测定采用落锤法， 计算可采 用下式 f20-3020n/h（1 ） 式中 f20-30为煤样粒径 20～30mm 的坚固系数测 定值； N 为落锤撞击次数，次； H 为量筒测定粉末的 高度， mm。 1 ） 在新暴露煤壁进行了取样， 煤样在取出后， 应 该立即用取样袋密封保存， 以避免采取的煤样风化。 2 ） 砸碎取回的煤样， 采用 Φ30mm 和 Φ20mm 孔 径分样筛筛选出粒径 20mm～30mm的煤样， 将筛好煤 样分为 7 组， 每组 750g， 分别编号 1 到 7， 每份分别放 入干燥洁净的玻璃瓶中。 3 ） 将装有 2～7 号煤样的玻璃瓶中加蒸馏水， 分别 浸水 1d、 2d、 4d、 7d、 10d 和 15d，浸水天数达到后， 取 出并在阴凉地方阴干。 4 ） 测定每组煤样的坚固性系数和水分 2实验结果 从表 1 中的数据可以看出， 对于突出煤层的硬煤 和软煤煤样中的水分均随浸水时间的逐渐增大， 原始 煤样内不存在大量的吸附水，煤样浸水的初始阶段， 水分对突出煤层坚固性系数影响研究 童翀翀 1 , 王 伟 2 （1. 山西煤矿安全监察局安全技术中心 ， 山西 太原 030000 ; 2. 山西公信安全技术有限公司 ，山西 太原 030000 ） 摘要为了研究突出煤层煤样水分对煤的坚固性系数影响，对不同水分煤样的坚固性系数进行测 定， 并对数据进行分析， 结果表明 随着煤体内水分的增加， 坚固性系数也随之增大。 初始阶段， 水分对 坚固性系数的影响显著， 坚固性系数 f 值增长迅速， 随着水分的逐渐增加， 坚固性系数增加会越来越 小。为坚固性系数测定精确度， 测定应先对煤样进行干燥处理。 关键词 坚固性系数 ； 煤样 ； 水分 中图分类号 TD713文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0119- 03 Study on the influence of water content on the firmness coefficient of outburst coal seam TONG Chongchong1，WANG wei2 （1. Shanxi Coal Mine SafetySupervision Bureau SafetyTechnologyCenter ， Shanxi Taiyuan 030000； 2. Shanxi Gongxin SecurityTechnologyCo.,Ltd ， Shanxi Taiyuan 030000 ） AbstractIn order to study the influence of water content in outburst coal seam on coal firmness coefficient, the firmness coefficient of coal samples with different water content was measured and the data were analyzed. The results show that the firmness coefficient increases with the increase of water content in coal body. In the initial stage, water has a significant effect on the coefficient of firmness. The value f of the coefficient of firmness increases rapidly. With the gradual increase of water, the increase of the coefficient of firmness will become smaller and smaller. In order todetermine the accuracy ofthe firmness coefficient, the coal sample should be dried first.. Keywords sturdiness coefficient ； coal sample ； coal moisture 119 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 孔隙进入大量水分子， 使得煤样水分迅速增加。随着 浸水时间的增加，煤体内的孔隙逐渐充满吸附水， 煤 样水分增加变缓。晋城硬煤原始煤样的水分为 1.21， 浸水 15 天后水分增加到 4.53， 晋城软煤原 始煤样的水分为 1.26，浸水 15 天后水分增加到 4.58。阳泉硬煤原始煤样的水分为 1.41， 浸水 15 天后水分增加到 4.72， 晋城软煤原始煤样的水分为 1.44， 浸水 15 天后水分增加到 4.77。 表 1不同水分煤业坚固性系数测定结果 图 1煤样水分与煤体坚固性系数的关系图 根据图 1 的关系曲线可以看出，随着煤样水分 的增加， 煤体坚固性系数逐渐增大。 随着煤样水分提 高， 煤体塑性提高， 其脆性降低。 在测坚固性系数时， 破碎煤样所消耗的功与破碎煤样所增加的表面积成 正比， 煤样的坚固性与煤样的破碎比成反比。 每次坚 固性系数测定所做的冲击功是相同的，煤样水分增 加时， 煤体塑性增强， 抵抗破坏能力增加， 因此消耗 于煤体塑性变形冲击功增加，而用于破碎煤样的冲 击功减小， 产生的新表面积也随之减小， 计算得到 f 值也就变大大。 晋城硬煤原始煤样的坚固性系数 f 值为 0.85， 当 水分由 1.21增长到 4.53时，坚固性系数达到 1.26， 增长了 48.24； 晋城软煤原始煤样的坚固性系 数 f值为 0.38， 当水分由 1.26增长到 4.58时， 坚固 性系数达到 0.59， 增长了 55.26； 阳泉硬煤原始煤样 的坚固性系数 f 值为 0.93，当水分由 1.35增长到 4.72时， 坚固性系数达到 1.33， 增长了 43.01； 阳泉 软煤原始煤样的坚固性系数 f 值为 0.42，当水分由 1.38增长到 4.77时， 坚固性系数达到 0.64， 增长了 52.38。水分可以使小于 0.5 的坚固性系数 f值增大 到 0.5 以上， 突破突出鉴定的坚固性系数临界值 对坚固性系数和水分进行数值拟合， 符合对数函 数关系， 如下式所示 y0.82540.2919lnx （晋城硬煤 ） y0.35540.1519lnx （晋城软煤 ） y0.91690.2839lnx （阳泉硬煤 ） y0.38170.1664lnx （阳泉软煤 ） 式中， x为煤样的水分含量， ； y为坚固性系数。 对坚固性系数和水分的拟合关系式求导， 得到坚 固性系数变化率和水分的关系式， 关系式如下 y0.2919/x （晋城硬煤 ） y0.1519/x （晋城软煤 ） y0.2839/x （阳泉硬煤 ） y0.1664/x （阳泉软煤 ） 图 2煤样水分与坚固性系数变化率的关系图 由图 2 可知， 坚固性系数变化率随煤中水分含量 的增加呈现先快速减小然后缓慢趋于平衡的趋势。 浸 水初期， 水分对坚固性系数的影响显著， 坚固性系数 f 值增长迅速， 随着水分的逐渐增加， 坚固性系数增加 会越来越小。煤中水分含量越高， 坚固性系数变化率 越小。 对于硬煤， 煤中水分含量大于 6 时， 坚固性系 数变化率小于 0.05， 变化趋于平缓； 对于软煤， 煤中水 分含量大于 3.3 时，坚固性系数变化率小于 0.05， 变化趋于平缓。 硬煤的坚固性系数变化率大于软煤， 这是因为软硬煤体硬度和孔隙结构的不同， 硬煤的 普氏系数大于软煤的，孔隙平均直径也远远高于软 煤， 但 Langmuir 比表面积小于软煤的， 导致水分对硬 煤力学性能的影响更加显著。（下转第 123 页 ） 编号 浸水 天数 /d 晋城硬煤晋城软煤阳泉硬煤阳泉软煤 水分 / 坚固性 系数 f 水分 / 坚固性 系数 f 水分 / 坚固性 系数 f 水分 / 坚固性 系数 f 101.210.851.260.381.350.931.380.42 211.580.971.620.431.721.11.750.48 322.221.12.310.512.241.222.280.54 443.231.173.280.553.341.283.360.58 573.951.213.980.574.031.314.060.61 6104.391.244.340.584.471.324.490.63 7154.531.264.580.594.721.334.770.64 120 ChaoXing （上接第 120 页 ） 3 结论 1 ） 通过研究分析了突出煤层的煤样水分与煤坚 固性系数 f 值的关系， 随着煤样水分的增大， 坚固性 系数 f随之增大。初始阶段， 水分对坚固性系数的影 响显著， 坚固性系数 f 值增长迅速， 随着水分的逐渐 增加， 坚固性系数增加会越来越小。 2 ） 煤样水分对坚固性系数的测定有显著影响， 随 着水分的增加可以软煤的坚固性系数由临界值之下 增加到临界值以上， 从而可能将原本具有突出危险性 的煤层鉴定为非突出危险煤层， 为矿井安全生产带来 隐患。 建议进行坚固性系数测定前先对煤样进行干燥 处理， 提高精确度。 参考文献 [1] 俞启香， 程远平．矿井瓦斯防治[M]．徐州 中国矿业大 学出版社， 2012 [2] 蔡成功, 王魁军. 煤坚固性系数 f 测定中若干问题的探讨 [J]. 中国矿业大学报,19960284- 88. 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