[发明专利]煤的坚固性系数快速测定方法及使用的便携式测定装置

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿开采安全技术，具体涉及煤的坚固性系数快速测定方法及使用的便携式测定装置。

背景技术

煤与瓦斯突出(以下简称突出)是发生在煤矿井下的一种极其复杂的瓦斯动力现象，给煤矿安全生产带来严重威胁，它是由地应力、瓦斯和煤的物理力学性质综合作用的结果。地应力和瓦斯压力是突出发生的动力因素，而煤的抗破坏能力是突出发生的阻力因素，其主要与煤的机械强度、裂隙的发育程度和煤的结构等参数有关。对于突出煤层，煤的强度等力学参数测定比较复杂，而煤的坚固性系数(f值)的测定则要比较简单，所以，一般用f值来综合反映煤体抗破坏能力。实践证明，煤的坚固性系数越小的煤层发生突出的危险性越大，因此，《防治煤与瓦斯突出细则》和《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》(MT637-1996)均将煤的坚固性系数作为煤层突出危险性的预测指标之一。在工作面突出危险性日常预测工作中，把煤的坚固性系数和钻屑瓦斯解吸指标(主要反应瓦斯压力和煤体的瓦斯解吸能力)综合考虑，能更全面的反映突出的主导因素，可提高预测突出的准确性。然而，煤的坚固性系数一般不能在井下直接测定，而是在工作面采集煤样后送到实验室，按照煤炭行业标准《煤的坚固性系数测定方法》(MT49-87)的规定用“落锤法”进行测定。其原理是在一定冲击功作用下，煤的粉碎程度与f值近似成一函数关系，利用这一关系，通过测定在冲击破坏功下煤粉碎至某一粒度的量来计算f值。但是，“落锤法”操作比较麻烦，基本上都是在实验室进行测定，不太适合井下直接测定，而且测定时间较长，不能适应工作面快速预测突出危险性的要求。为了适应突出危险性预测的及时性和超前性，需要寻求一种简单、快速测定煤的坚固性系数的装置和方法。

对于一些富有经验的煤矿工程技术人员，从井下工作面煤壁取得煤样用手捻一捻，即可大致估计出煤的坚固性系数。根据这一现象的启示，通过分析和实验，采用加力的方式粉碎煤样，从加力的大小和粉碎程度来测定煤的坚固性系数是完全可行的。该方法的原理和过程是：在外力作用下，煤屑之间的空隙首先被压缩，随着外力的不断增加，煤屑逐步粉碎，总变形量加大。通过对煤屑的粉碎过程观察，煤的坚固性系数越小，越容易粉碎，煤屑整体的变形则越大。实验证明，在测试环境、煤的密度、煤样的粒径、煤样筒的直径和加载速度基本相同的条件下，煤样的变形量ΔL(L₁-L₂)主要与加载压力(P)和煤的坚固性系数(f)有关(参见图1)，当加力的过程和数值固定后，f与ΔL就可形成一函数关系。通过大量的试验，应用数据拟合方法根据P和ΔL的数值变化函数关系得出f值的大小。在试验中，同时采用现有“落锤法”测定煤的坚固性系数f值，并以此为标准进行对比分析，建立了压缩量与煤的坚固性系数f的函数关系(参见图2)。根据以上原理和实验结果，可提出一种新的煤的坚固性系数测定方法。该方法通过采取井下打钻过程中排除的煤屑(粒径为Φ1～3mm)，用专用的便携式测定装置，通过人工加载方式对煤样进行压缩，根据煤样变形量随着加载压力的变化关系及其与传统的“落锤法”测定的煤样f值的函数关系，计算煤体的坚固性系数。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种煤的坚固性系数快速测定方法，它能利用打钻过程中排出的煤屑快速测定煤矿井下工作面深部煤的坚固性系数，为提前和及时预测煤与瓦斯突出提供准确的参数。

本发明所述的煤的坚固性系数快速测定方法，采用便携式煤的坚固性系数快速测定装置进行测定，其步骤如下：

(1)取煤样：井下通过钻机在预定煤层深度处打钻，在孔口用组合筛子接取煤粉；组合筛子上面筛子的筛孔为Φ3mm、下面筛子的筛孔为Φ1mm；将取得的煤粉通过组合筛子充分筛分，留在下面筛子中的煤粉即为Φ1～3mm的煤样；

(2)准备测定装置：反转便携式煤的坚固性系数快速测定装置的加力旋钮，使压缩活塞后退，将刻度指针指向位移刻度的0位置，然后，将便携式煤的坚固性系数快速测定装置垂直放置，去掉前端盖，使压缩腔口朝上；

(3)装煤样：将Φ1～3mm的煤样充分混合后，装入便携式煤的坚固性系数快速测定装置的压缩腔内，使煤样自然装满至与压缩腔孔口持平，旋紧前端盖封闭；

(4)压缩煤样：转动便携式煤的坚固性系数快速测定装置的加力旋钮，匀速、缓慢地加压，分别记录压力表指针稳定达到第一预定压力为0.2MPa～1.0MPa和第二预定压力为2.0MPa～4.0MPa时刻度指针的行程；

(5)计算压缩量：上述两个预定压力时的行程差ΔL，该行程差即为煤样压缩量；