大安山煤矿提高块煤率技术的应用研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 大安山煤矿提高块煤率技术的应用研究 姓名薛令光 申请学位级别硕士 专业建筑与土木工程 指导教师潘一山 20041201 摘要 随着经济的进步和人民生活水平的提高，对能源的需求日 益增大，尤其是块煤，以其独特的性质，销售市场日益扩大， 经济利益日益明显，因此，如何提高块煤产量成为大安山煤矿 关注的问题。本文以大安山煤矿为背景，以提高块煤率为目的， 采用理论和实验相结合的方法，对不同位置的煤体强度进行测 定，为优化爆破参数提高块煤率提供实验依据。在这项技术的 应用中，结合大安山煤矿具体情况，从三个环节入手 一、原煤生产阶段。针对不同煤质和地质情况，灵活应用 各种爆破技术，保证成块率。 二、运输阶段，采用减少转接次数、高差距离等办法保证 煤块少受破坏。 三、仓储阶段，采用合适的放煤方法使煤块不受撞击，采 用适合类型的破碎机保证块煤率。 这相研究的应用使大安山煤矿在提高块率上形成了一套 科学的管理系统。有力保证了块煤率的提高。 关键词块煤率大安山煤矿数值模拟 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 1 绪 论 能 源 是 国 民 经 济 发 展 的 动 力在 未 来 社 会 经 济 发 展 中经 济 总 量 仍 将 以 较 高 的 速 度 增 长城 市 化 水 平 迅 速 提 高居 民 能 源 消 费 结 构 将 发 生 巨 大 变 化必 将 进 一 步 拉 动 能 源 的 需 求我 国 煤 炭 资 源 丰 富其 储 量 约 占 全 国 矿 产 资 源 储 量 的 9 0 化 石 能 源 的 95具 有 巨 大 的 资 源 潜 力 随 着 产 业 结 构 和 经 济 结 构 的 变 化块 煤 作 为 煤 矿 的 一 项 主 要 产 品被 广 泛 应 用 于 化 工造 气烤 烟 及 家 庭 生 活 中在 煤 炭 销 售 市 场 上块 煤 较 粉 煤 有 更 高 的 工 业 使 用 价 值 和 市 场 销 售 价 格市 场 售 价 高 出 同 类 末 煤 一 倍 以 上因 此在 这 种 情 况 下 提 高 块 煤 产 率 增 加 经 济 收 入 成 为 各 煤 矿 一 个 新 的 经 济 增 长 点 我 矿 也 针 对 本 矿 情 况 采 取 相 应 措 施提 高 经 济 效 益 生 产 中 , 影 响 块 煤 率 的 因 素 主 要 有 煤 本 身 特 点生 产 工 艺 选 择运 输 过 程 中 的 转 载 方 式 以 及 设 备 选 型 等弄 清 影 响 块 煤 率 的 关 键 ,并 采 取 有 效 措 施 ,对 提 高 煤 矿 经 营 效 益 有 重 要 意 义 1 . 1大 安 山 煤 矿 概 况 北 京 昊 华 有 限 责 任 公 司 大 安 山 煤 矿 位 于 北 京 城 正 西 直 距 50 公 里地 理 坐 标 北 纬 395 430东 经 1154 503 920 平 峒 口 坐 标 为 4 4 1 8 5 5 7 . 1 2 2 2 0 6 7 0 . 9 3 8 9 1 8 . 2 9 7 矿 务 局 独 立 坐 标 系 统 行 政 区 属 北 京 市 房 山 区 管 辖井 田 范 围东 起 茶 棚 岭 断 层西 到 大 网 山 断 层南 自 玄 武 岩 顶 界北 到 48钻 孔 与 9 6钻 孔 连 接 线深 部 到450水 平走 向 长 约 9 公 里倾 向 宽24 公 里面 积 2 5 . 5 平 方 公 里 井 田 东 部 与 木 城 涧 矿 千 军 台 井 田 相 邻矿 区 内 地 势 陡 峻沟 谷 纵 横区 内 最 高 峰 为 老 龙 窝标 高1 6 4 6 . 5最 低 沟 谷 为 大 北 河 一 带标 高5 5 0沟 谷 均 为 与 地 层 走 向 直 交 或 斜 交 的 形 谷矿 区 地 貌 为 构 造 侵 蚀 中 高 山 区基 岩 多 裸 露山 上 多 为 坡 积残 积 物沟 谷 两 侧 及 山 地 缓 坡 有 冲 积洪 积 物为 砂 砾 石 及 土 层大 安 山 井 田1960年 开 始 进 行 矿 井 建 设最 低 年 产 量20 . 0 5 0 6 万 吨 1975 年 最 高 年 产 量8 9 . 4 8 3 4 万 吨 1 9 9 5 年 平 均 年 产 量5 5 . 6 4 4 1万 吨矿 井 设 计 调 整 情 况 详 见 表 1 1 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 图 1 -1 大 安 山 煤 矿 交 通 位 置 图 矿 井 开 拓 方 式 是 平 峒底 板 集 中 运 输 巷采 区 石 门 开 拓 煤 层 群有 斜 坡 后 退 陷 落 法走 向 长 壁 炮 采 两 种 采 煤 方 法设 计 服 务 年 限 112 年 全 井 田 共 分 六 个 采 区其 中 包 括 西 区 的 2 个 采 区中 区 的 四 个 采 区即 东 一 采 区 西 一 采 区西 二 采 区 和 西 三 采 区 以 及 西 区 的 两 个 采 区西 四 采 区 和 西 五 采 区全 井 田 划 分 三 个 区 域中 区西 区北 区北 区 和 西 区 为 矿 井 接 替 的 远 景 开 发 区根 据 构 造 形 态 和 开 采 程 序又 分 为 中 区 前 槽 大 寒 岭 向 斜 轴 线 以 南 中 区 后 槽 大 寒 岭 背 斜 两 翼 另 外一 般 习 惯 上 又 把 中 区 的 东 一 采 区 和 西 一 采 区 称 为 中 区 东 部西 二 采 区 和 西 三 采 区 称 为 中 区 西 部北 区 称 为 中 区 北 部目 前生 产 采 区 均 在 中 区中 区 划 分 六 个 生 产 水 平即1030水 平920水 平800水 平680水 平550水 平450水 平 现 生 产 水 平 为9 2 0水 平 和800水 平6 8 0水 平 为 现 开 拓 延 深 水 平 井 田 内 构 造 以向 褶 皱 为 主 大 部 倒 转 紧 闭 伴 有 大 量 走 向 及 倾 向 断 裂次 级 构 造 十 分 发 育西 北 部 大 寒 岭 背 斜 两 翼 局 部 受 到 岩 浆 岩 侵 入 体 的 破 坏 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 表 11 矿 井 设 计 调 整 情 况 表 时 间 单 位 工 作 内 容 地 质 储 量 矿 井 生 产 能 力 备 注 1965.6 京 西 矿 务 局 地 堪 队 提 交 大 安 山 苑 港 地 区 地 质 报 告 6.28 亿 吨 1966 初 北 京 煤 矿 设 计 院 京 西 矿 务 局 核 算 地 质 储 量 5.84 亿 吨 1966.5 北 京 煤 矿 设 计 院 提 出 初 步 设 计 240 万 吨 /年 1967.10 煤 炭 部 调 整 矿 井 生 产 能 力 120 万 吨 /年 1975.10 煤 炭 部 议 定 批 准 简 易 投 产 75 万 吨 /年 1978 北 京 矿 务 局 将 东 区 划 归 木 城 涧 6275.2 万吨 京 煤 局 1978 446 号 文 1981 北 京 矿 务 局 920 水 平 以 上 白 草 台 背 斜 北 翼 12-15 槽 煤 层 转 为 表 外 量 477.1 万吨 京 煤 局 地 字 1981 736 号 文 全 区12层 可 采 煤 层 大 部 分 为 较 简 单 结 构仅15槽14 槽10 槽9 槽2 槽 局 部 地 段 为 复 杂极 复 杂 结 构可 采 煤 层 中 有 薄 煤 层 5 层即9 槽6 槽5 槽4 槽3 槽中 厚 煤 层 7 层即 15 槽14 槽13 槽12 槽10 槽7 槽2 槽其 中 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 14 槽13 槽7 槽2 槽 煤 厚 在 1.60以 上 宏 观 煤 岩 类 型 常 见 的 有半 亮 型半 暗 型暗 淡 型 及 光 亮 型从 总 体 看全 井 田 煤 岩 类 型 以 半 亮 型半 暗 型 为 主暗 淡 型光 亮 型 次 之由 于 构 造 运 动 的 破 坏煤 岩 层 原 生 结 构 常 被 破 坏大 部 分 煤 层 可 见 到 碎 裂 煤糜 棱 煤同 一 煤 层 的 煤 岩 类 型 因 构 造 部 位自 身 层 位 的 不 同 而 不 同不 同 煤 层 的 煤 岩 类 型 差 异 也 不 明 显 1 . 2 提 高 块 煤 率 技 术 应 用 国 内 外 研 究 现 状 近 几 年国 内 煤 炭 市 场 价 格 总 体 水 平 经 历 了 下 降 趋 稳 回 升煤 炭 产 量 由 降 转 升块 煤 市 场 呈 现 供 不 应 求 的 趋 势各 煤 矿 增 大 了 对 提 高 块 煤 率 技 术 的 研 究根 据 不 同 的 煤 层 条 件 各 矿 采 取 的 措 施 也 各 有 侧 重晋 煤 集 团 古 书 院 矿 通 过 控 制 吃 刀 量滚 筒 改 造选 择 采 煤 机 不 同 的 开 采 方 法 增 加 块 率晋 城 煤 业 集 团 以 粒 径258 0块 煤 产 品 销 路 最 好 , 最 有 竞 争 优 势 , 价 格 也 最 高吃 刀 量5 0左 右 产 生 的 块 率 较 高 , 这 正 符 合 商 品 块 煤 的 要 求 山 西 晋 城 煤 业 集 团 王 台 铺 矿 针 对 造 成 块 率 损 失 的 主 要 环 节 和 原 因着 力 于 在 原 煤 入 洗 上 下 功 夫他 们 通 过 提 高 煤 炭 入 洗 上 限提 高 筛 分 效 率降 低 原 煤 末 煤 限 上不 断 改 善 煤 炭 贮 装运 条 件完 善 洗 选 工 艺提 高 分 选 效 果 等 措 施使 煤 炭 原 煤 块 率 得 到 较 大 提 高取 得 了 显 著 的 经 济 效 益 聚 能 定 向 控 制 爆 破 技 术 利 用 聚 能 管 把 炸 药 的 爆 炸 能 量 聚 定 于 某 一 方 向 集 中 释 放达 到 控 制 爆 炸 效 果 的 技 术阳 煤 集 团 技 术 中 心 利 用 这 一 技 术 原 理对 井 下 炮 采 与 综 放 面 提 高 块 率 进 行 了 专 题 研 究 山 西 阳 煤 集 团 针 对 市 场 需 求利 用 聚 能 定 向 断 裂 控 制 爆 破 技 术提 高 了 块 炭 率 磁 窑 堡 煤 矿 一 年 来 , 通 过 优 化 巷 道 布 置优 化 采 掘 工 作 面 爆 破 参 数 , 改 造 运 输 环 节 等 , 使 块 煤 率 由 平 均3 2 . 4 3 提 高 到 46.49以 上 晋 城 晋 普 山 煤 矿 利 用 在 大 煤 仓 中 安 装 的 可 伸 缩 小 煤 仓 来 解 决 煤 仓 高 落 差 问 题 从 而 降 低 块 煤 损 耗小 煤 仓 投 入 使 用 后 , 原 煤 经 溜 煤 眼 中 转 , 块 煤 率 损 耗 平 均 为4 . 6 个 百 分 点 , 比 原 来 降 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 低 了 5.2 个 百 分 点 ,效 果 十 分 理 想 衡 水 煤 矿 技 术 部 门 根 据 不 同 煤 层不 同 煤 质制 定 了 相 应 的 煤 破 措 施合 理 布 置 炮 眼 位 置 和 确 定 装 药 量采 取 正 向 爆 破 各 药 卷 彼 此 密 接坚 持 放 松 动 炮人 工 辅 助 落 煤 的 做 法还 注 意 减 少 运 输 环 节规 定 煤 仓 放 仓 煤 要 留 底 仓 煤井 上 块 煤 仓 悬 挂 胶 带 机 要 随 仓 内 块 煤 顶 面 升 降同 时 对 各 转 载 点 的 最 大 允 许 高 差 也 做 出 了 明 确 的 规 定通 过 不 断 探 索 和 实 践使 无 烟 煤 炮 采 产 块 率 提 高 10以 上 土 耳 其 t i r e 地 区 的 煤 矿 和 英 国 的 L o n g A i r d o x 股 份 有 限 公 司 合 作 ,采 用 该 公 司 的 利 用 液 态 C O 2 代 替 炸 药 的 改 进 型 卡 多 克 斯 C a r d o x 法 , 这 种 气 体 爆 破 法 使 用 起 来 与 传 统 爆 破 非 常 相 似 , 能 够 在 瞬 间 释 放 出 大 量 的 高 压C O 2气 体 , 使 用 结 果 证 明 , 用 该 项 技 术 既 能 提 高 产 量 , 又 使 粉 煤 量 少 于1 0 大 块 煤 产 量 增 加 , 粉 煤 量 减 少 , 大 大 提 高 了 产 品 质 量 , 增 加 了 效 益 , 还 带 来 更 安 全 的 工 作 条 件 提 高 块 率 的 技 术 还 有 采 用 块 煤 入 仓 全 自 动 防 破 碎 系 统内 螺 旋 溜 槽斜 坡 仓伸 缩 升 降 胶 带 机 , 生 产 上 采 用 仓 中 留 煤 不 放 空 等 ,采 用 机 械 手 工 落 煤 在 一 定 条 件 下 也 可 以 增 加 块 煤 率 1.3 本 论 文 主 要 研 究 的 问 题 及 研 究 方 法 本 文 将 针 对 煤 的 破 碎 性 质爆 破 因 素破 碎 机 破 煤 情 况 进 行 实 验 研 究为 提 高 块 煤 率 技 术 的 应 用 提 供 实 验 依 据 原 煤 从 工 作 面 运 出 到 商 品 煤 要 经 过 工 作 面 落 煤运 输仓 储 三 个 主 要 环 节针 对 这 三 个 环 节研 究 提 高 块 煤 率 的 机 理 和 措 施为 提 高 块 煤 率 技 术 的 应 用 提 供 理 论 依 据 1 工 作 面 落 煤 有 多 种其 中 炮 采 和 机 械 采 煤 对 块 煤 率 影 响 最 大本 文 将 研 究 这 两 种 方 法 对 块 率 的 影 响 2 运 输 中 转 载 等 因 素 能 使 块 煤 破 碎导 致 块 率 降 低本 文 将 对 其 机 理 进 行 研 究 3 仓 储 阶 段 中 选 煤入 仓 等 环 节 也 将 影 响 块 率本 文 将 予 以 叙 述 为 了 使 爆 破 参 数 的 选 取 更 科 学准 确本 文 还 对 爆 破 过 程 进 行 了 数 值 模 拟为 提 高 块 煤 率 技 术 的 应 用 提 供 保 障 以 上 的 实 验 结 果 和 提 高 块 煤 率 的 方 法 将 在 大 安 山 煤 矿 应 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 用以 提 高 大 安 山 煤 矿 的 块 煤 产 率 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 2 提高块率试验研究 原 煤 开 采 阶 段 是 块 煤 形 成 的 关 键 性 阶 段这 一 阶 段 的 煤 的 强 度爆 破 因 素 等 对 块 煤 的 形 成 都 有 决 定 性 的 影 响运 输 阶 段 中 的 破 碎 机 是 影 响 块 煤 率 的 又 一 重 要 因 素本 章 将 对 以 上 三 个 因 素 进 行 实 验 研 究为 应用提高块煤率技术提供实验依据 2 . 1 块煤的破碎原理实验研究 煤 体 的 力 学 性 质 是 影 响 块 煤 率 的 内 在 因 素煤 体 的 强 度 愈 高完整 性 愈 好其 本 身 的 抗 压抗 拉抗 剪 强 度 愈 大从 而 在 同 样 的 爆 炸 压 力下越不容易破碎也就能保持较高的爆破块度 大 安 山 全 井 田 煤 岩 类 型 以 半 亮 型半 暗 型 为 主暗 淡 型光 亮 型 次 之由 于 构 造 运 动 的 破 坏煤 岩 层 原 生 结 构 常 被 破 坏大 部 分 煤 层 可 见到碎裂煤糜棱煤本节将实验测定大安山块煤的破碎性质 2 . 1 . 1块煤跌落碰撞破碎的机理及实验研究 在 所 有 的 运 输 和 转 载 环 节 上造 成 块 煤 损 失 的 原 因 很 多而 实 质 上 都 是 物 体 的 碰 撞而 煤 体 的 破 碎 过 程 实 际 上 是 使 煤 体 块 度 变 小 的 过 程 , 而 块 度 的 变 小 又 使 煤 体 单 位 体 积 的 表 面 积 增 大因 此 煤 体 试 件 的 破 碎 过 程 其 实 质 上 是 使 单 位 体 积 煤 体 表 面 积 增 大 的 过 程煤 体 破 碎 过 程 的 能 量 也 是 消 耗 在 使 表 面 积 增 大 的 过 程 中我 们 将 使 单 位 体 积 煤 体 由 于 碰撞破碎而导致的表面积增大所消耗的能量定义为表面积单耗 在 工 程 上 衡 量 材 料 抗 冲 击 能 力 的 标 准 , 是 冲 断 试 验 所 需 能 量 的 多 少试 验 时 , 将 带 有 切 槽 的 弯 曲 试 件 置 于 试 验 机 的 支 架 上 , 并 使 切 槽 位 于 受 拉 的 一 侧 , 当 重 摆 从 一 定 高 度 自 由 落 下 将 试 件 冲 断 时, 试 件 所 吸 收 的 能 量等于重摆所作的功W以试件在切槽处的最小横截面积 A除W,得 k W A α2-1 W试件所吸收的能量; k α 称为冲击韧度其单位为 MJ/m2 A 最小横截面积 k α 值越大表示材料抵抗冲击的能力越强 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 我 们 从 上 面 可 以 看 出表 面 积 单 耗本 质 上 和 冲 击 韧 度 是 一 致 的对 于 材 料结 构 相 同 的 物 体 而 言它 们 的 冲 击 韧 度 是 相 同 的因 而可以通过研究煤体的冲击韧度来分析块煤跌落碰撞破碎的机理 1实验与测试系统 为了 测 定 煤 体 的 冲 击 韧 度揭 示 煤岩体 跌 落 碰 撞 破 碎 的 机 理 采用5 / 3 冲 击 试 验 机 对 用 煤 体 制 成 的 标 准 试 件 做 冲 击 实 验如图2-1 所 示冲 击 实 验 的 目 的 是 测 定 材 料 对 冲 击 载 荷 的 抵 抗 能 力本 实 验 共 加工了两组 20 个试件实验资料如表 2-1 所示 2数据处理及结果分析 使 用 上 述 系 统 进 行 实 验应用 M a t l a b 数 值 软 件 对 冲 断 试 件 所 消 耗 能 量 和 破 碎 的 面 积 进 行 曲 线 拟 合如图 2-2图 中 的 横 坐 标 为 冲 断 试 件 的消耗能量纵坐标为破碎表面积 通 过 分 析从 图 2-2 煤 体 破 碎 消 耗 的 能 量煤 体 下 落 的 高 度 和 煤 体 破 碎 的 表 面 积 近 似 成 线 形 关 系既 块 煤 下 落 的 落 差 越 大碰 撞 消 耗 的 能 量 越 多煤 体 破 碎 的 程 度 越 严 重因 而 影 响 煤 体 破 碎 的 因 素 有 以 下 几个方面 块煤的下落落差和运动速度 根 据 机 械 能 守 恒 定 律, 一 个 块 煤 运 动 的 速 度 越 大, 它 具 有 的 能 量 越 大 . 一 般 情 况 下块 煤 碰 撞 后 的 速 度 很 小可 以 近 似 为 零因 而 它 所 有 的 能 量 都 消 耗 在 碰 撞 破 碎 过 程 中比 如 在 煤 仓 内块 煤 装 仓 产 生 破 碎 的 图 2-1 冲击实验机冲击试件 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 主 要 原 因 是 块 煤 在 入 仓 时 受 自 身 重 力 及 水 平 抛 射 力 的 影 响煤 仓 越 高其 0 V 值越大引起块煤破碎率越高 表 2 - 1 冲 击 韧 度 测 试 结 果 表 序 号 试 件 尺 寸 / c m 3 消 耗 能 量 / J 冲 击 韧 度 1 0 - 2M J / m2 破 碎 情 况 备 注 1 63 . 01 . 5 4 . 3 0 0 . 9 6 6 2大 3小 2 63 . 01 . 5 2 . 5 0 0 . 5 6 6 1大 6小 3 64 . 02 . 0 4 . 2 0 0 . 5 2 5 2大 1小 4 63 . 01 . 5 4 . 0 1 0 . 8 9 1 2大 7小 5 64 . 02 . 0 8 . 8 2 1 . 1 0 3 1大 5小 6 63 . 02 . 0 8 . 0 3 1 . 3 3 8 2大 4小 7 64 . 02 . 0 1 4 . 8 1 . 8 5 3 1大 6小 8 62 . 51 . 5 6 . 0 1 1 . 6 0 3 2大 2小 9 62 . 52 . 0 5 . 8 0 1 . 1 6 4 2大 2小 1 0 62 . 52 . 5 1 2 . 1 1 . 9 2 2 2大 8小 1 1 62 . 52 . 0 2 . 6 5 0 . 5 3 0 1大 6小 有 弱 面 1 2 64 . 02 . 0 6 . 5 4 0 . 8 1 8 有 弱 面 1 3 62 . 51 . 5 1 . 3 2 0 . 3 2 5 有 弱 面 1 4 63 . 52 . 0 3 . 6 2 0 . 5 1 7 1大 7小 有 弱 面 1 5 62 . 52 . 5 6 . 8 1 . 0 8 8 有 弱 面 1 6 64 . 01 . 5 2 . 5 3 0 . 4 2 2 2大 3小 有 弱 面 1 7 62 . 51 . 5 1 . 5 1 0 . 4 0 3 1大 5小 有 弱 面 1 8 64 . 51 . 5 3 . 2 3 0 . 4 7 9 有 弱 面 1 9 63 . 51 . 5 5 . 6 2 1 . 0 7 0 有 弱 面 能量消耗J 破碎表面积 下落落差cm 破碎表面积cm 2 图 2 - 2 能 量 消 耗下落落差和 破 碎 表 面 积 的 关 系 辽宁工程技术大学硕士学位论文 10 块煤碰撞的接触时间 块煤的碰撞都符合公式 0 mVmVFt t − 其中 ghV2 0 2-2 其中 m为单个块煤的质量 t 碰撞接触时间 t VV0 碰撞前后的速度 由 上 式 2-2 可 以 看 出对 于 速 度 一 定 的 块 煤影 响 块 煤 碰 撞 时 受 力 的 因 素 是 碰 撞 接 触 时 间 及 碰 撞 物 体 的 质 量 t值 越 小 进 而 造 成 F值 越 大引 起 块 煤 破 碎 率 越 高所 以 尽 量 增 加 碰 撞 接 触 时 间从 而 减 少 F的 值同 时 除 了 碰 撞 时 接 触 时 间 外影 响 块 煤 碰 撞 的 另 一 因 素 就 是 块 煤 的 质 量块 煤 的 质 量 与 块 煤 碰 撞 所 受 的 冲 击 力 成 正 比块 煤 的 质 量 越 大其 受 的 冲 击 力 就 越 大也 就 是 说 在 相 同 的 碰 撞 条 件 下大 块 煤 更 容易破碎 块 煤 的 层 理节 理裂 隙 等 结 构 不 仅 控 制 着 岩 石 力 学 性 质而 且 控 制 着 岩 体 破 坏 形 式节 理 的 空 间 分 布 状 态 极 大 地 影 响 岩 石 的 应 力 分 布 和 破 坏 方 式从图2-2 可 以 看 出含 有 弱 面 的 块 煤 的 破 碎 要 比 不 含 有 弱面的块煤的破碎率高 2 . 1 . 2 煤体强度的测定 由 于 煤 层 赋 存 复 杂各 槽 煤 的 物 理力 学 性 质 各 不 相 同因 此 给 出 在 弄 清 各 个 因 素 对 块 率 影 响 的 程 度 的 基 础 上对 各 槽 煤 进 行 实 验 和 理 论 分 析得 出 各 槽 煤 的 物 理力 学 性 质根 据 它 们 不 同 的 性 质 采 取 不 同的采煤工艺 2 . 1 . 2 . 1煤体点荷载强度测定实验 岩 石 强 度 是 地 下 工 程 和 地 面 工 程 最 常 用 的 参 数也 是 岩 石 力 学 研 究 的 重 要 内 容因 此对 岩 石 强 度 的 研 究在 理 论 和 实 用 上都 有 十 分 重要的意义 随 着 岩 土 工 程 测 试 技 术 日 趋 发 展 和 逐 步 完 善作 为 间 接 测 定 岩 石 强 度 指 标 的 点 荷 载 强 度 试 验已 在 岩 土 工 程 勘 察 和 施 工 中 得 到 广 泛 应 用与 岩 石 的 单 轴 抗 压 强 度 试 验 相 比点 荷 载 强 度 试 验 具 有 操 作 简 便速 度 快 捷试 验 成 本 低对 试 样 规 格 要 求 的 和 可 大 批 量 重 复 试 验 等 优 点特 别 是 在 工 期 要 求 严 而 工 作 量 较 大 的 情 况 下点 荷 载 强 度 试 验 的 优 越 性 更 能 得 到 充 分 的 展 示 点 荷 载 试 验 是 将 岩 石 试 样 置 于 上 下 辽宁工程技术大学硕士学位论文 11 两 个 球 端 圆 台 状 加 荷 器 之 间对 试 样 施 加 集 中 荷 载直 至 试 样 破 坏 通 过 计 算 求 得 试 样 的 点 荷 载 强 度这 就 是 点 荷 载 试 验无 论 是 岩 芯 样 径 向 或 轴 向切 割 成 的 方 块 体 或 未 加 切 割 的 不 规 则 样均 可 进 行 点荷载试验 点 荷 载 试 验 主 要 用 于 岩 石 分 类 及 岩 石 各 向 异 性 的 测 定也 可 用 来 预 估 其 单 轴 抗 压 强 度 和 抗 拉 强 度由 于 它 可 用 非 整 形 试 样因 此 解 决 了 常 规 试 验 中 不 易 制 备 样 品 的 软 弱 煤 岩 体强 风 化 岩 石 和 遇 水 易 于 软 化崩解的岩石力学强度测定问题 1 试验原理 点 荷 载 强 度 指 标p o in t l o a d s t r e n g t h i n d e x试 验 是 布 鲁 克 E . B r o c h和 福 兰 克 林J . A F r a n k l i n1 9 7 2 年 发 明 的这 是 一 种 最 简 单 的 煤 岩 石 强 度 试 验其 试 验 所 获 得 的 强 度 指 标 值 可 以 作 为 岩 石 分级的一个指标 通 过 有 限 单 元 分 析及 材 料 在 点 荷 载 作 用 下 破 坏 机 制 的 研 究如图 2-3得 到 基 本 一 致 的 结 果 是试 样 在 一 对 点 荷 载 作 用 下 破 坏主 要 是 由 于 加 荷 轴 上 的 切 向 拉 应 力 引 起 的试 样 的 破 坏 性 质 是 属 于 拉 裂 因 此 有 可 能 直 接 用 点 荷 载 强 度 计 算 抗 拉 强 度通 过 三 维 光 弹 试 验 证 明不 同 形 状 的 试 样 在 点 荷 载 的 作 用 下其 加 荷 轴 附 近 的 应 力 状 态 基 本 相 同这 就 为 采 用 不 同 形 状 及 不 规 则 样 进 行 点 荷 载 试 验 提 供 了 依 据 2计算点荷载强度 通 过 点 荷 载 试 验 计 算 点 荷 载 强 度 的 公 式 已 有 不 少这 里 主 要 介 绍 一 种 成 都 地 质 学 院 点 荷 载 试 验 小 组 在 点 荷 载 试 验 的 实 践 中 发 现点 荷 载 强 度 与 试 样 的 破 坏 面 的 面 积 有 关通 过 多 元 逐 步 分 析 进 一 步 证 实 了 这 个关系因此建议点荷载强度的计算公式为 f P PLS A 2-3 辽宁工程技术大学硕士学位论文 12 式中 P 破坏荷载N 或 K N f A 试样破坏面面积 ff ADL cm 2 或 mm 2 D 加荷点之间的距离cm 或 mm f L 破坏面上垂直于加荷轴的平均长度cm 或 mm PLS 点荷载强度单位破坏面积上所能承受最大荷载MPa 这 个 公 式 基 本 上 克 服 了 试 样 尺 寸 和 形 状 效 应故 不 用 进 行 尺 寸 修 正计算及资料整理都很简单 3主要仪器设备 垂直 Y 轴切面 X 方向的应垂直 Y 轴切面 X 方向的应力分布 b垂直 Z 轴切面的等效应力 a垂直 Z 轴切面的等效应 图 2 - 3 点载荷作用下煤体应力 辽宁工程技术大学硕士学位论文 13 点 荷 载 试 验 机 由 加 载 系 统对 于 携 带 式 试 验 机 来 说有 框 架油 泵千 斤 顶 和 球 端 圆 台 状 压 板 加 荷 锥 构 成测 量 破 坏 荷 载 的 系 统 和测量试样尺寸及加荷点之间距离的系统组成 加 载 框 架由 底 座两 个 立 柱 和 一 个 横 梁 组 成横 梁 可 以 沿 立 柱 上 下 移 动调 节 两 加 荷 锥 之 间 的 距 离以 便 对 所 要 求 的 尺 寸 的 试 样 进 行试验 加 压 测 压 装 置手 摇 液 压 泵 将 液 压 通 过 千 斤 顶 活 塞 传 到 加 荷 锥 对 试 样 施 加 压 力用 油 压 表 测 压在 整 个 试 验 期 间其 加 荷 锥 应 当 精 确对中并且保持同轴误差不超过0.2mm 距 离 测 量 系 统为 了 测 量 试 样 加 荷 点 间 的 距 离在 立 柱 上 刻 有 毫 米 标 尺并 且 有 游 标 指 针 指 示 距 离为 此在 试 验 前 应 该 检 查 两 个 锥 头 之 间 的 零 位 移 值另 外 还 需 备 有 游 标 卡 尺 或 钢 卷 尺 一 类 的 测 量 工 具 4试样准备 首 先 应 根 据 肉 眼 可 辨 认 的 工 程 特 征将 具 有 大 致 相 同 的 岩 石 分 为 一 个 组每 组 至 少 准 备 十 五 块如 果 试 样 是 非 匀 质 的 或 各 向 异 性 的试 样 还 应 多 一 些对 于 各 向 异 性 明 显 的 同 组 岩 石如 层 理片 理 明 显 的 沉 积 岩 和 变 质 岩还 应 再 分 为 平 行 层 理 和 垂 直 层 理 加 荷 的 两 个 亚 组 岩 心 或 岩 块 试 样 的 尺 寸 应 尽 可 能 的 使 之 满 足 2 L≥W≥D为 了 试 验 能 顺 利 进 行加 荷 点 附 近 岩 面 不 宜 过 分 凹 凸 不 平 或 倾 斜因 此可 用 地 质 锤 稍 加 修 整对 于 大 块 岩 样则 要 视 试 验 机 框 架 之 间 距 离 的 大 小 及 两 锥 头 间 可 调 节 的 最 大 尺 寸 将 其 用 锯 子 或 地 址 锤 修 整使 之 能 满 足 试 验 机加载系统对试件尺寸的要求 5试验步骤 首 先 测 量 试 件 的 长2 L宽W高h D三 轴 尺 寸对于不规则试件应测量试件中间的尺寸 将 试 件 放 入 试 验 机 中使 加 荷 锥 头 与 试 件 的 最 短 边 方 向D 尺 寸 方 向紧 密 接 触并 使 接 触 点 尽 可 能 居 中离 开 边角 为 宜如 果 岩 块 有 软 弱 面层 理 面片 理 面 等欲 测 其 软 弱 面 的 强 度 时应 确 保加荷点连线始终在同一软弱面中 记 录 锥 头 与 试 件 接 触 点 之 间 的 距 离D误 差 不 超 过 2 记 录垂直于加荷方向的试件最短边的平均宽度 W误差不超过5 辽宁工程技术大学硕士学位论文 14 匀 速 加 荷直 至 试 样 破 坏记 录 破 坏 荷 载 P如 果 破 坏 面 只 通 过一个加荷点则该次试验失误而应放弃 .测量破坏面上垂直于加荷轴的平均长度 f L 对其余试件重复上述 1 至 5 步骤 6资料整理及成果计算 首 先 根 据 公 式 2 / se IP D 计 算 出 每 个 试 样 的 未 修 正 前 的 点 荷 载 强 度值 s I 在 提 交 成 果 前还 需 进 行 尺 寸 修 正把 经 尺 寸 修 正 了 的 点 荷 载 强度表示为 50s I 并定义为 D50 毫米的径向点荷载试验所得的 s I 值 尺寸修正 按2-4式进行资料整理 按公式 / f PLSP A 计算出每个试样的点荷载强度 PLS 即可 平均值计算 计算 PLS平均值 均可按下述方法计算 从 十 五 个 或 更 多 的 正 确 试 验 中删 去 两 个 最 大 值 和 最 小 值 后计 算 剩 下 来 的 几 个 值 的 算 术 平 均 值如 果 试 验 个 数 很 少仅 将 最 大 和 最 小值删去从剩下的那些值计算平均值 2 . 1 . 2 . 2 点荷载强度与抗压抗拉强度的关系 从 点 荷 载 强 度 与 单 轴 抗 压 强 度 之 间 的 关 系 对 点 荷 载 作 用 下 试 样 内 部 的 应 力 分 析 中 发 现主 应 力 中 有 颇 大 的 压 应 力 组 分因 而 有 可 能 利 用 点 荷 载 试 验 确 定 岩 石 的 抗 压 强 度为 此必 须 探 索 点 荷 载 强 度 指 数 与 单轴抗压强度之间的定量关系 采用多组不同形状不同加荷方向的岩样进行对比 得 050 22 s CI 2-4 或 PLSR86.17 2-5 通 过 实 验得 出 713 槽 煤 的 抗 压 强 度 平 均 为 1 5 M P a根 据 这 一 强 度 指 标在 爆 破 落 煤 时 选 择 适 当 的 炸 药 量它 为 合 理 安 排 炸 药 用 量 提供了实验依据 以下是实验记录的数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 15 表 2 - 2 点荷载试验记录表 试 样 编 组 1 采 样 地 点 7 槽 试 验 日 期 2 0 0 3 / 8 / 1 试 样 编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 荷 载 方 向 短