水分对突出煤层坚固性系数影响研究

童翀翀 , 王 伟

（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）

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：

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，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：

y=0.8254+0.2919×ln(x)（晋城硬煤）

y=0.3554+0.1519×ln(x)（晋城软煤）

y=0.9169+0.2839×ln(x)（阳泉硬煤）

y=0.3817+0.1664×ln(x)（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：

y=0.2919/x（晋城硬煤）

y=0.1519/x)（晋城软煤）

y=0.2839/x（阳泉硬煤）

y=0.1664/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。

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。