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裂隙发育对煤层强度的影响

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Rc = 221346 2 e - 01002 1N l
式中 N l 为贯穿裂隙条数 ; Rc 为煤层单轴抗压强度 。
最后需要指出 ,煤层裂隙发育状况与特定的地质条件有关 ,当煤层裂隙充分发育 (煤层裂隙条数很大
时 ) ,利用上述回归关系式计算所得的单轴抗压强度值会与实际测量结果有一定的差异 。这是在具体工
4721 [ 6 ] 夏小刚. 急斜煤层顶煤可放性研究 [D ]. 西安 :西安科技大学 , 2005. [ 7 ] 谢小庆 ,王 丽. 因素分析 [M ]. 北京 :中国社会科学出版社 , 1989. [ 8 ] 褚维盘 ,赵高长. 概率论与数理统计 [M ]. 西安 :世界图书出版社 , 1995.
贯通网格 L 的裂隙条数 。
4) 在 L 网格上 ,将两对边中点连线 ,划分成 4个长度为 L /2
的正方形网格 ,并统计位于 L /2网格长度大于等于 L /2 的裂隙
条数 ,将 得到
NL /2。
图 1 裂隙测定示意图
5) 依此类推 ,再将每个 L /2 网格划分为 L /4 网格 , 同样统
Abstract: By m eans of the basic idea and p rincip le of the modern fractal theory, the method to measure the cracks quantity in or on the face of a coal block is put forward. B ased on this foundation, m ake use of analysis of regression to analyze the measure result in the typ ical coal samp le of the selected coal m ine, so the relation between uniaxial comp ression strength and the num ber of crack is set up as a re2 duced exponential formula. This text combined the fractal theory and the statistic theory in the p rocess2 ing and analyzing of data, p rovided a kind of manageable evaluated path for the relation of the strength of coal seam and the condition of the cracks development in engineering p ractices. Key words: cracks; strength of coal seam; uniaxial comp ression strength; fractal theory
夏小刚 1, 2 ,黄庆享 2
(1. 西安科技大学 基础课部 ; 2. 西安科技大学 能源学院 ,陕西 西安 710054)
摘 要 : 借助现代分形理论的基本思想和原理 ,提出了测量裂隙数量的方法 。在此基础上 ,利用 回归分析的方法对所选矿区测量结果进行量化分析研究 ,建立了煤体单轴抗压强度与裂隙条数 之间的指数衰减关系式 。实现了分形理论与统计理论相结合对数据的分析和处理 ,为工程实践 中评价煤层强度与裂隙发育状况的关系提供了一种可操作性途径 ,具有一定的实际意义和指导 意义 。 关键词 : 裂隙 ; 煤层强度 ; 单轴抗压强度 ; 分形理论 中图分类号 : P 57411 + 2 文献标识码 : A
对于煤体试件 ,其内部裂隙长度大小不一 ,宏观裂隙和微观裂隙并存 。为了研究方便 , 在具体测量过
程中需要事先给定某个阈值 l,统计长度大于或等于该长度的裂隙条数 , 实际中既统计 L /2n - 1 > l的贯穿
裂隙条数 ,又以此值作为所选单位长度 l下裂隙数目 。
3 裂隙数量与煤层单轴抗压强度的关系
β= 01002 1, A = 221346 2 从而得到煤体单轴抗压强度与所选阈值 l下贯穿裂隙条数 ( l = 1
图 2 单轴抗压强度与裂隙数关系图 Fig. 2 The uniaxial comp ressive strength
vs the number of cracks
m )之间的指数衰减关系 (图 2) 。
根据煤体单轴抗压强度与所选阈值 l ( l = 50 mm )下贯穿裂
隙条数的关系 ,可以确定煤层强度与裂隙发育状况之间的关系 。
对所测数据进行回归分析 ,令
则有
Rc ′= lnRc a = ln A Rc ′= a +βN l
利用基本线性回归方法 ,求出经验回归方程
Rc ′= a^ +β^N l 进一步将上式换成 N l 和 Rc 的关系 ,得到
2007年
了煤体的物理力学性质 ,因此通过现场调查和测量获取裂隙的几何特征 ,是评价煤体质量分级 、提取煤体 力学参数以及数值仿真分析与优化工程设计的基础 。
1 裂隙发育状况指标
在特定的地质条件下 ,煤层的强度与其原生赋存条件有很大关系 ,特别是煤层内聚力 、节理裂隙发育 状况 、内摩擦角大小等对煤层强度都有影响 。文中重点研究节理裂隙发育状况对煤层强度的影响 。事实 上 ,裂隙存在对顶煤可放性的影响主要表现在 2个方面 :其一 ,裂隙的存在大大降低了煤体强度 ; 其二 ,裂 隙的密度 、长度及其贯穿性直接影响放出体的形状和大小 。
第 27卷 第 2期 2007年 6月
西安科技大学学报 JOURNAL OF X I’AN UN IVERSITY OF SC IENCE AND TECHNOLOGY
文章编号 : 1672 - 9315 (2007) 02 - 0175 - 04
裂隙发育对煤层强度的影响 3
Vol. 27 No12 June12007
3 收稿日期 : 2006 - 06 - 06 基金项目 : 2005年教育部“新世纪优秀人才支持计划 ”资助项目 (NCET - 04 - 971) 作者简介 : 夏小刚 (1978 - ) ,男 ,陕西乾县人 ,博士生 ,讲师 ,主要从事应用数学在采矿工程中的应用方面的科研工作 1
176
西 安 科 技 大 学 学 报
序号
矿别
1 唐安 3号 2 新庄 3号 3 古书院 3号 4 阳泉 15号 5 王庄 3号 6 鲍店 3号 7 南屯 3号
1 m2 内煤试件贯穿 裂隙条数 N l /条 40 54 70 49 60 38 32
单轴抗压强度 R c /M Pa 18196 8175 6179 10150 8125 14154 27105
序号
矿别
8 兴隆店 3号 9 白龙 1号 10 忻州窑 12号 11 凤凰山 3号 12 永红 3号 13 东滩 3号
1 m2 内煤试件贯穿 裂隙条数 N l /条 38 67 25 30 32 27
单轴抗压强度 R c /M Pa 13174 7152 20141 26131 27101 30121
0 引 言
煤层强度是煤体抵抗破坏能力的主要指标之一 ,煤层强度的大小对顶煤可放性有直接的影响 。一般 情况下用普氏系数 f ( = 011Rc )来表征煤层强度的大小 ,依据普氏系数取值不同 ,把煤层划分为软煤 、中硬 煤和硬煤 3类 [1 ] 。大量现场观测和实验表明 ,软煤可放性最好 ,利用矿山压力作用可以自行碎落放出 ,块 度均匀 ,煤质较好 ; 中硬煤可放性次之 ,在某些情况下需要采取打眼放炮 、煤层注水等辅助措施提高顶煤 的可放性 ; 硬煤可放性最差 ,特别是对于普氏系数 f > 3的特硬煤层 ,一般认为不宜采用放顶煤开采 。所 以如何表征煤层强度以及对影响煤层强度的因素进行度量就显得尤为必要 。而裂隙在很大程度上决定
Effect of the cracks num bers on the coa l strength
X IA X iao2gang1, 2 , HUAN G Q ing2xiang2
( 1. D ept. of B asic Cou rses, X i’an U n iversity of S cience and Technology; 2. S chool of Energy, X i’an U n iversity of S cience and Technology, X i’an 710054, Ch ina)
采用上述方法 ,取 l = 1 m,采样测定了我国 13家矿煤试件 1 m2 内煤块体裂隙条数 N l 与煤体单轴抗
压强度 Rc 的值 [6 ] (表 1) 。 依据全国 13家矿煤样的实测数据 , 通过回归分析 [7, 8 ] , 得出煤体单轴抗压强度和裂隙条数之间存在
负指数关系 ,即 Rc = A e - βN l
1) 准备试件 , 将现场采取的煤样在锯石机上切出一个平
面 ,磨光并用毛刷 、酒精清洗表面 。
2) 在该平面上划出边长为 L 的正方形 , 作为初始分形尺
度 ,根据试件大小 , L 可选取 50, 100, 200 m 等 。
3) 对于平面而言 ,在 L ×L 的初始分形尺度正方形网格中 ,
统计长度大于 L 的裂隙条数 N (L ) , 实际上可将其近似地看作
Fig11 The measurement of cracks
计每个 L /4网格中长度大于等于 L /4的裂隙条数 ,并将所有 L /4
网格中长度大于等于 L /4的裂隙条数相加 ,得 NL /4,如此统计 n次 , 网格的最小边长为 L /2n - 1 , 并获得该
边长下的裂隙统计条数 NL /2n - 1 。实践证明该方法简单 ,方便 ,可操作性强 ,是一种行之有效的方法 。

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六盘水煤系地层岩石力学特征

六盘水煤系地层岩石力学特征

六盘水煤系地层岩石力学特征*六盘水师范学院矿业与土木工程学院 魏玉兰，张鹏，张双云，彭影影，安明石摘要：六盘水地区作为煤层气勘探示范区，区域内煤系地层中的天然气资源成为贵州省天然气资源勘探重点。

煤系气资源富集机理复杂，煤层气、页岩气、致密砂岩气在煤系地层中立体成藏，提升了煤系气资源勘探的复杂性和开采难度。

煤系地层的岩石力学特征是影响煤系气勘探开发的关键因素之一，储集岩层本身的力学性质和围岩的力学性质均对储层的储集物性造成较大影响，且储层的力学性质还对后期压裂开采工作的开展产生重要影响。

本文通过查阅资料和收集数据，对六盘水煤系地层岩石的力学特征进行系统性分析，以期对六盘水地区煤系气开采提供理论依据。

关键词：岩石力学；煤系地层；六盘水中图分类号：P536 文献标识码：A 文章编号：2096-4595（2020）31-0008-0002煤系地层除了有煤以外，常富存有天然气，俗称煤系天然气。

六盘水地区石炭一二叠纪时期古气候潮湿，植被发育，具有煤系气生成的良好条件。

但六盘水地区地形特殊，区域构造、地层分布及岩性情况复杂且多样，煤系气资源分布不均匀。

而煤系地层的力学性质直接影响了地层中孔隙、裂缝的发育及后期压裂改造的难易程度，是影响煤层气富集机理及开采难度的重要因素之一，本文结合六盘水地区的地质条件，对六盘水地区煤系地层岩石力学特征进行了研究。

一、煤系地层的地质条件煤系地层形成于一定地质时期，层系内煤层常见，煤系地层垂向上地层厚度、结构多变，使煤系地层内以气、水为主的流体的分布关系也变得复杂，其内一般发育有多套流体压力系统。

不同的流体压力系统在煤系地层中的间距较小，有的紧邻，有的稍宽，系统与系统之间很难维持能量的相对平衡，通常会受到各种地面工作和人类活动的干扰，各地层之间相互干扰。

煤岩层、泥页岩层和砂岩层会垂向共生组合，因此，煤系地层内部储层的岩石特性往往会存在较大的变化，不同的岩石特性导致岩石的力学上的性质也会存在很大的差异，需要在明确岩石力学特征的基础上，借助人工压裂等技术对各类储层进行有效改造，从而将煤系地层中的气体采出并加以利用。

裂隙发育对煤层强度的影响

裂隙发育对煤层强度的影响

ｍｉ ｅ，Ｓ ｈ ｅａ ｉｎ ｂ ｔ ｅ ｎ ａ ｉ ｏ ｒ ｓ ｉｎ ｓｒ ｎ ｔ ｄ ｔ ｅ ｎ ｍｂｅ ｆｃａ ｋ ｉ ｅ ｐ ａ ｅ ｎ Ｏ ｔ ｅ ｒ ｌｔ ｅｗｅ ｎ ｕ ｉｘ ａ ｃ ｍｐ ｅ ｓｏ ｔｅ ｇｈ ａ ｈ ｕ ｏ ｌ ｎ ｒｏ ｒ ｃ ｓ ｓ ｔｕ ｓ ａ ｒ 。 ｄ ｅ ｘ ｏ ｅ ｔ ｌｆ ｒ ｌ ．Ｔｈ ｓｔ ｘ ｏ ｕｃ ｄ ｅ ｐ ｎ ｎ ｉ ｏ ｍｕ ａ ａ ｉ ｅ ｔｃ ｍｂｉｅ ｈ ￣ａ ｔ ｈ ｏ ｎ ｈ ｔ ｔｓｉ ｅ ｒ ｎ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｎ ｄ ｔｅ ｃａ ｔ ｅ ｒ ａ ｄ ｔｅ ｓａ ｉｔｃ ｔ ｏ ｉ ｈ ｒ ｃ ｓ － ｌ ｙ ｈ ｙ
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第２ 卷 第２ ７ 期
２ ） ６月 １７年 Ｘ
西 安 科
技 大 学 学 报
Ｖｏ ． ７ Ｎｏ ２ １２ ．
Ｊ ＵＲ Ａ Ｆ ＸＩ Ａ Ｎ Ｖ Ｒ Ｉ Ｙ Ｏ Ｃ Ｅ Ｃ Ｎ Ｔ Ｃ ＯＬ ＧＹ ０ Ｎ Ｌ Ｏ ’ Ｎ Ｕ Ｉ Ｅ ＳＴ Ｆ Ｓ Ｉ Ｎ Ｅ Ａ Ｄ Ｅ ＨＮ Ｏ
摘
要 ： 助现代 分形 理论 的基本 思 想和 原理 ， 出 了测 量 裂 隙数 量 的方 法 。在 此基 础 上 ， 用 借 提 利
回归分析 的 方法对 所选矿 区测 量 结 果进 行 量 化 分析 研 究 ， 立 了煤 体 单轴 抗 压 强度 与裂 隙条数 建
之 间的指数 衰减 关 系式 。 实现 了分形 理 论 与 统计 理 论 相 结合 对数 据 的 分析 和 处理 ， 为工 程 实践
Ｊｎ ． ０ ７ ｕ ｅ２０
文 章 编 号 ：１７ ９ １ （０ ７ ０ ０ ７ ０ ６ ２— ３５ ２ ０ ）２— １５— ４
裂 隙发 育对 煤 层 强 度 的 影 响
工作面煤壁片帮的原因与预防方法

工作面煤壁片帮的原因与预防方法

工作面煤壁片帮的原因与预防方法煤矿生产中，长壁工作面，尤其是采高较大的，煤层较软的综采工作面，煤壁片帮现象经常发生，严重影响了煤矿的生产效率和安全，影响煤矿生产工作面主要设备的开机率和回采率。

大采高工作面，煤壁片帮的危害很大。

一、煤壁片帮产生的后果(1)增大端面距，发生冒顶事故。

工作面发生片帮，尤其是发生大面积片帮事故，片帮深度可以超过1m，这就加大了支架与煤壁之间的端面距。

如果液压支架不能及时对裸露的顶板支护，在支架上覆岩(煤)层松软、破碎的情况下，容易发生架前冒顶事故，不仅给安全带来隐患，在冒顶严重时还需要进行及时处理，影响正常生产。

(2)压死溜槽链子，砸坏支架立柱。

大采高工作面发生大面积片帮时，容易形成大块煤，大面积的煤壁片落会压死溜槽链子，还可能砸坏立柱，发生机械事故，影响产能和效率。

(3)降低设备开机率。

工作面发生片帮时，极易产生大块、超大块煤。

虽然采煤机配有破碎滚筒，但破碎能力有限，不能对大块煤进行有效破碎。

这些大块煤会被阻挡在转载机进口处，堵塞煤流，可能造成停机，人工破碎大块煤。

因此，大采高工作面常常因产生大块煤而停机，影响设备的开机率。

(4)伤害作业人员。

在采煤机通过前，要回收支架的护帮板.离开护帮板保护的煤壁，在受到采煤机振动时容易片落。

采煤机通过后，增大了工作面的端面距，在支架没有及时支护新暴露的顶板前，矿山压力的再分配，加大了煤壁的承受压力，容易发生煤壁片帮而工作面的作业人员(包括煤机司机和移架工)正好这时位于煤机前后，片落的煤块容易伤害操作人员。

(5)阻塞采煤机通过。

采煤机前方发生片帮事故，特别是发生大面积、连续片帮时，会在机道上堆积大量的煤炭。

而采煤机与溜槽之间的通过高度有限，机道上堆积的大量煤炭通常会阻塞煤机，影响采煤机正常通过。

片帮阻塞采煤机通过通常发生在采煤机上向运行中；大采高工作面因发生大面积片帮而影响煤机开机率的时间超过单班生产时间的5％。

二、煤壁片帮的几点分析1.煤层松软时，顶板有压力压垮煤壁，发生煤壁片帮现象如果煤层硬度大，在顶板完整性较好的情况下，也容易发生煤壁片帮现象。

顶煤的可放性影响因素及其分类

顶煤的可放性影响因素及其分类


裂隙发育程度高有利于顶煤 的再次破碎 与冒落成 均质 松散体 ， 理裂隙对 岩体强度 的影 响程 度与节 理 节
裂隙的走向、 角 、 倾 密度 、 裂缝 充填程度 和充填 材料 等 有关 。就单个裂 隙来讲 ， 有如下的关 系式 ：
ｔ Ｃ ｓｎ ｃ ｙ： ｉ ２ Ｃ Ｏ 一 一 （ ） Ｌ １一Ｓ ］ Ｊ ・
煤层 的可放性是指煤层顶部煤体 在支承压力 的作 用 下 冒落和放 出的难易程度 。影响煤层 可放性 的因素 众多 ， 主要 有煤层 的强度 、 埋藏深度、 隙发育程度 、 裂 夹 石层 、 顶板 条件及煤层厚度 。
１ 煤 层 强 度和 赋 存 深 度 的 影 晌 １ １ 煤 层 强度 的影 响 ．
１
≥
煤层 的强度影 响着煤体受破坏的程度 、 破碎过程 ， 而顶煤 的破 碎 程度 直接 影 响顶 煤 的垮 落角 。强 度越 高， 顶煤的垮落角越 小 ； 反之 ， 煤 的垮落 角越大 。据 顶 现场观 察 中硬 以 上煤 层顶 煤 的垮 落角 在 ４ｏ ０之 ５～ 间； 中硬以下煤层 顶煤 的垮 落角在 ９ 。 ２。 间。顶 ０ ～１０之 煤的垮落角较小时 ， 顶煤 的可放性差 ， 顶煤 的垮落角较 大， 可放性好 。见 图 １ 。
＼ １ 俑 一
～
一
式 中： 抒一煤层赋存深度 ； 煤 的单轴抗压强度 ；
．
一
严 煤 的泊松 比和内摩擦系数 ； 应力集 中因数 ；
上覆岩层平均密度 。
—
由上式看 出 ， 当煤层 的赋存深度越大 时 ， 顶煤 的临 界破坏条件越容易满足 ； 当煤层强度一定 时 ， 煤层赋存 越深 ， 顶煤破碎 的效果将越充分 ， 顶煤 的可放性越好 。
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