不同煤体结构煤的f 值分布特征

2005/11/1 17:10:21

摘要: 以淮南煤田C13 - 1煤层不同煤体结构类型煤的118 个坚固性系数( f 值) 测定资料为
基础, 分析了不同煤体结构煤的f 值分布特征和统计规律, 说明了煤体破坏与f 值的相互关
系, 并提出将f 值作为硬煤和构造软煤的分类指标.
关　键　词: 煤的坚固性系数( f ) ; 常见值域中数; 煤体结构类型; 构造软煤
中图分类号: TD 712 + 52 　文献标识码: A 　文章编号: 1007O7332 (2004) 02O0081O04
引　言
煤体结构是指煤层各组成部分的颗粒大小、形态特征及其相互关系. 未经构造应力破坏的原始煤层是由镜煤、亮煤、暗煤和丝炭等不同煤岩组分呈层状或条带状组合而成的, 而当煤层在构造应力作用下应变, 使煤体结构发生不同程度的破坏时, 煤的强度便相应地降低, 且导致煤的其他物理性质也发生不同程度的改变[1 ] .
参照地质学中构造岩的分类方法, 煤体结构按是否遭受构造应力破坏以及破坏的程度可分为原生结构煤和碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤等4 种类型[2 ] . 糜棱煤还可进一步分为鳞片状、镜面状、揉流状、粉末状、土状等亚型. 遭受构造应力破坏的碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤谓之构造煤, 它们的破坏程度依次增高, 其中破坏程度较高的碎粒煤和糜棱煤又称构造软煤(即通常所谓的软煤) . 实践证明, 构造软煤的存在并达到一定厚度, 可作为煤与瓦斯突出预测的重要指标, 也是工作面突出的先兆之一.煤的坚固性系数( f ) 一直是我国煤矿井突出预测的重要指标之一, 还是突出预测综合指标的重要组成部分[3 ,4 ] .既然煤体结构破坏导致了煤强度的降低, f 值又是表征煤强度的相对指标[4 ,5 ] , 那么, 它们在客观上就一定存在着某种联系. 本文将着重研究不同煤体结构煤的f 值分布特征和统计规律, 并尝试利用
f 值来校正工作面煤壁观测时煤体结构分类的人为误差和将f 值作为煤体结构分类指标的可能性.
1 　煤的坚固性系数( f ) 的测定
目前, 国内一般采用落锤法测定f 值[3～5 ] . 落锤法是建立在脆性材料破碎时遵循面积力能说基础上的, 即破碎所消耗的功与破碎物料所增加的表面积成正比. 当破碎功与破碎前物料的平均直径为一定值时, 和物体强度或坚固性相关的常数( k ) 与破碎比有关, 破碎比越大, k 值越小; 破碎比越小, k 值越大. 因此, 可用破碎比来表示物体的坚固性[2 ,4 ] .为查明淮南煤田C13 - 1煤层不同煤体结构煤的f 值分布特征和统计规律, 笔者分别在潘三、谢桥
两矿采掘区新鲜煤壁按《防治煤与瓦斯突出细则》中附录六———“煤的坚固性系数( f ) 的测定方法”的采样要求采集了118 个煤样, 其中77 个煤样按附录六要求的测定方法分批在现场进行了测定,其余41 个煤样送淮南矿业集团公司通风处实验室进行了测定.
2 　测定结果及分析
测定结果和相关的分析如表1、表2 和图1 所示.
表1 　潘三矿不同煤体结构类型煤的坚固性系数测定结果汇总序号煤体结构类型f 值序号煤体结构类型f 值序号煤体结构类型f 值序号煤体结构类型f 值
1 原生结构煤3 0193 17 原生结构煤3 0186 33 碎裂煤0175 49 碎粒煤3 0148
2 原生结构煤3 1119 18 原生结构煤3 0194 34 碎裂煤0170 50 碎粒煤3 0142
3 原生结构煤1102 19 原生结构煤1119 35 碎裂煤0165 51 碎粒煤3 0135
4 原生结构煤0181 20 原生结构煤0193 36 碎裂煤0158 52 碎粒煤3 0136
5 原生结构煤3 0175 21 原生结构煤3 1118 37 碎裂煤0166 53 糜棱煤0119
6 原生结构煤3 1136 22 碎裂煤1120 38 碎裂煤3 0178 54 糜棱煤0120
7 原生结构煤1119 23 碎裂煤1135 39 碎粒煤3 0148 55 糜棱煤3 0119
8 原生结构煤1129 24 碎裂煤0166 40 碎粒煤0120 56 糜棱煤3 0120
9 原生结构煤3 0186 25 碎裂煤0197 41 碎粒煤0118 57 糜棱煤3 0123
10 原生结构煤0175 26 碎裂煤0173 42 碎粒煤0120 58 糜棱煤0132
11 原生结构煤1136 27 碎裂煤3 0166 43 碎粒煤0120 59 糜棱煤0132
12 原生结构煤3 1119 28 碎裂煤3 1135 44 碎粒煤0121 60 糜棱煤0119
13 原生结构煤3 1129 29 碎裂煤3 0173 45 碎粒煤0120 61 糜棱煤3 0121
14 原生结构煤3 0181 30 碎裂煤3 1120 46 碎粒煤0123 62 糜棱煤3 0118
15 原生结构煤3 0178 31 碎裂煤3 0166 47 碎粒煤0124 63 糜棱煤3 0120
16 原生结构煤3 0185 32 碎裂煤3 0162 48 碎粒煤3 0132
表2 　谢桥矿不同煤体结构类型煤的坚固性系数测定结果汇总
序号煤体结构类型f 值序号煤体结构类型f 值序号煤体结构类型f 值序号煤体结构类型f 值
1 原生结构煤3 0185 15 碎裂煤0149 29 碎粒煤0125 43 糜棱煤0130
2 原生结构煤1112 16 碎粒煤0137 30 碎粒煤0163 44 糜棱煤0128
3 原生结构煤1152 17 碎粒煤3 0146 31 碎粒煤0147 45 糜棱煤0125
4 原生结构煤3 0195 18 碎粒煤0130 32 碎粒煤0141 46 糜棱煤0125
5 原生结构煤3 1101 19 碎粒煤3 0145 33 碎粒煤0131 47 糜棱煤0122
6 原生结构煤3 1118 20 碎粒煤3 0147 34 碎粒煤0128 48 糜棱煤0121
7 碎裂煤0169 21 碎粒煤0132 35 糜棱煤0132 49 糜棱煤0125
8 碎裂煤3 0181 22 碎粒煤0127 36 糜棱煤0123 50 糜棱煤0124
9 碎裂煤3 0178 23 碎粒煤0132 37 糜棱煤0130 51 糜棱煤0128
10 碎裂煤0188 24 碎粒煤0138 38 糜棱煤0119 52 糜棱煤0130
11 碎裂煤0183 25 碎粒煤0135 39 糜棱煤0124 53 糜棱煤0124
12 碎裂煤0130 26 碎粒煤0147 40 糜棱煤0124 54 糜棱煤0130
13 碎裂煤0152 27 碎粒煤0144 41 糜棱煤0124 55 糜棱煤0125
14 碎裂煤0184 28 碎粒煤0124 42 糜棱煤0135
　　注: 表中带3 的煤样为淮南矿业集团公司通风处实验室所测.
　由图表可知, 淮南煤田不同煤体结构类型煤的坚固性系数呈如下分布特征:
(1) 随着煤体结构破坏程度的增加, 煤的坚固性系数逐渐下降. 原生结构煤为0175～1152 , 常见值域中数为1100 ; 碎裂煤为0130～1135 , 常见值域中数为0175 ; 碎粒煤为0118～0163 , 常见值域中数为0135 ; 糜棱煤为0118～0132 , 常见值域中数为0122 (表3) .
表3 　淮南煤田煤体结构各类型f 值值域
煤体结构类型煤的f 值值域常见值域常见值域中数样数
原生结构煤( Ⅰ) 0175～1152 > 0175 1100 27
碎裂煤　　( Ⅱ) 0130～1135 015～1100 0175 26
碎粒煤　　( Ⅲ) 0118～0163 0125～015 0135 33
糜棱煤　　( Ⅳ) 0118～0132 < 0130 0122 32
合计118　
(2) 不同煤体结构煤的坚固性系数具有相对密集的值域, 可用常见值域中数来表述, 可见f 值是区别不同煤体结构类型的重要指标之一.
(3) 相邻煤体结构类型煤的坚固性系数有一定的交叉或重叠, 这一方面说明煤体破坏本身是一个递进的过程; 另一方面, 煤壁观测时也确有Ⅰ～ Ⅱ类、Ⅱ～ Ⅲ类、Ⅲ～ Ⅳ类这样的过渡类型, 但又不宜将煤体结构类型划分得过细. 同时, 也不能排除煤体结构类型鉴别时的人为误差.
(4) 需要特别指出的是, 虽然相邻煤体结构类型煤的坚固性系数有一定的交叉或重叠, 但从图1又不难看出, 通常所谓的硬煤, 即原生结构煤( Ⅰ) 与碎裂煤( Ⅱ) 之间, 以及通常所谓的软煤, 即碎粒煤( Ⅲ) 与糜棱煤( Ⅳ) 之间, f 值值域重叠、交叉较多; 但硬煤与软煤之间的重叠不多, 即依f 值可较明确地将煤体结构区分为硬煤和构造软煤两大类.
亦即, 用煤的坚固性系数( f ) 作为区分硬煤与构造软煤的分类指标具有一定的理论和实际意义, 而用其将煤体结构细分至不同类型是有一定困难的.上述现象表明: 原生结构煤遭受轻微破坏成为碎裂煤时, 煤的坚固性下降不甚显著, 煤体的强度损失有限; 但当这种破坏继续进行并达到一定程度后, 即由碎裂煤破坏至碎粒煤时, 就煤体结构破坏而言, 完成了一个由量变到质变的过程, 使碎粒煤之后煤的坚固性下降较多, 煤体的强度损失显著增加, 表现为碎粒煤与糜棱煤的强度、硬度及其他物性, 如电阻率、声波速度等逐步趋同. 这其中蕴含了煤体从脆性变形→脆韧性变形→韧性变形逐步过渡的过程, 在此过程中, 煤组分甚至煤分子的结构及其排列均可能发生了重大变化, 从而形成了有利于煤与瓦斯突出的构造软煤分层.
3 　结论与讨论
(1) 煤体结构类型与相应的坚固性系数( f ) 具有一定的内在联系. 从某种意义上说, 它们均是煤强度的表达方式, 不同之处在于: 煤体结构类型侧重表达的是相应煤分层煤体的破坏程度, 因而是煤体强度的一个定性概念. 当与构造软煤分层厚度和软煤的百分比等数值综合使用时, 便可较好地说明观测点及其附近整个煤壁的强度特征; f 值则是一个被测煤样强度的相对指标, 为一具体数值, 它侧重描述煤样及其采样点附近煤的相对强度.
(2) 不同煤体结构类型煤的f 值具有一定的值域, 并有相对密集的值域区间, 即常见值域. 常见值域中数可较好地表达相应煤体结构类型煤的平均强度. 因此, f 值可以作为煤体结构类型分类的一个指标.
(3) 由于相邻破坏程度煤的f 值值域均有一定的交叉、重叠, 故用f 值将煤体结构细分到小类具有一定困难; 但依f 值可将煤体结构较明确地区分为硬煤和构造软煤两大类, 所以, f 值可以作为区别硬煤和构造软煤的分类指标.致谢　项目组成员王兆丰研究员, 淮南煤业(集团) 公司谢桥矿、潘三矿的相关工程技术人员在采样和测定过程中曾给予大力协助, 在此一并表示衷心地感谢!
参考文献:
[1 ] 　汤友谊, 陈江峰, 彭立世. 无线电波坑道透视构造煤的研究[J ] . 煤炭学报, 2002 , 27 (3) : 254 - 258.
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[4 ] 　蔡成功, 王魁军. 煤坚固性系数f 测定中若干问题的探讨[J ] . 中国矿业大学学报, 1996 (2) : 82 - 86.
[5 ] 　蒋承林, 李铁磊. 现行煤的坚固性系数测定方法的研究与改进[J ] . 煤矿安全, 1994 , (2) : 15 - 18 , 28 , 10.

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