專利名稱：煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定方法及使用的便攜式測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及媒礦開采安全技術(shù)，具體涉及煤的堅(jiān)閨性系數(shù)快速測定方法及 使用的便樣式鯛定裝里。
技術(shù)背景煤與瓦斯突出(以下筒稱突出)U生在煤礦井下的一種極其復(fù)雜的瓦斯 動(dòng)力現(xiàn)象，給煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，它是由地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力 學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果，地應(yīng)力和瓦斯壓力是突出發(fā)生的動(dòng)力因素，而煤的抗 破壞能力是突出發(fā)生的阻力閎素，其主要與煤的機(jī)械強(qiáng)度、裂隙的發(fā)育程度和煤的結(jié)構(gòu)等^it有關(guān).對(duì)于突出煤層，煤的強(qiáng)度等力學(xué)^it測定比較復(fù)雜，而 煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f值)的測定則要比較簡單，所以， 一般用f值來綜合反映煤 ^歡壞能力，實(shí)踐證明，煤的堅(jiān)固性系數(shù)越小的煤層發(fā)生突出的危險(xiǎn)性越大，因此，《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》和《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》(MT637-1996 ) 均將煤的堅(jiān)爾性系數(shù)作為煤層突出危險(xiǎn)性的預(yù)測指標(biāo)之一。在工作面突出危險(xiǎn) 性日常預(yù)測工作中，把煤的堅(jiān)固性系數(shù)和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(主要反應(yīng)瓦斯壓 力和煤體的瓦斯解吸能力)綜合考慮，能更全面的反映突出的主導(dǎo)因素，可提 高預(yù)測突出的準(zhǔn)確性。然而，煤的堅(jiān)固性系數(shù)一般不能在井下直接測定，而是 在工作面采集,后送到實(shí)驗(yàn)室，按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤的堅(jiān)固性系數(shù)測定方 法MITN9—87)的規(guī)定用"落錘法"進(jìn)行測定。其原理是在一定沖擊功作用下， 自粉碎Wt與f值近似成一函數(shù)關(guān)系，利用這一關(guān)系，通過測定在沖擊破壞功下煤粉碎至某一粒度的重來計(jì)算f值。但是，"落錘法"操作比釔眛煩，基本上都是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定，不太適合井下i接測定，而且測定時(shí)間較長，不能 適應(yīng)工作面快速預(yù)測突出危險(xiǎn)性的要求.為了適應(yīng)突出危險(xiǎn)性預(yù)測的及時(shí)性和 超前性，需要尋求一種簡單、快速測定煤的堅(jiān)固性系數(shù)的裝置和方法。對(duì)于一些富有經(jīng)驗(yàn)的煤礦工程技術(shù)人員，從井下工作面煤壁取得煤樣用手 捻一捻，即可大致估計(jì)出煤的堅(jiān)固性系數(shù).根據(jù)這一現(xiàn)象的啟示，通過分析和 實(shí)驗(yàn)，采用加力的方式粉碎煤樣，從加力的大小和粉碎程度來測定煤的堅(jiān)固性系數(shù)是完全可行的，該方法的原理和過程是在外力作用下，煤屑之間的空隙 首先被壓縮，隨著外力的不斷增加，煤屑逐步粉碎，總變形量加大。通過對(duì)煤 屑的粉碎ii^L現(xiàn)察，煤的堅(jiān)固性系數(shù)越小，越容易粉碎，煤屑整體的變形則越 大。實(shí)mt明，在測試環(huán)境、煤的密度、煤樣的粒徑、煤樣筒的直徑和加栽速 M本相同的條件下，煤樣的變形量厶L (L廣L2)主要與加栽壓力(P)和煤的 堅(jiān)固性系數(shù)(f )有關(guān)(參見閨1)，當(dāng)加力的過程和數(shù)值固定后，f與AL就可 形成一函數(shù)關(guān)系，通過大量的試驗(yàn)，應(yīng)用數(shù)據(jù)擬合方法根據(jù)P和AL的數(shù)值變化 函數(shù)關(guān)系得出f值的大小。在試驗(yàn)中，同時(shí)采用現(xiàn)有"落錘法"測定煤的堅(jiān)固 性系數(shù)f值，并以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，建立了壓縮量與煤的堅(jiān)固性系數(shù)f 的函數(shù)關(guān)系(參見困2).根據(jù)以上原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可提出一種新的煤的堅(jiān)固 性系數(shù)測定方法。該方法通過采取井下打鉆過程中排除的煤屑(粒徑為Ol-3,)，用專用的便攜式測定裝置，通itA工加栽方式對(duì)煤樣進(jìn)行壓縮，根據(jù)煤 樣變形量隨著加栽壓力的變化關(guān)系及其與傳統(tǒng)的"落錘法"測定的煤樣f值的 函數(shù)關(guān)系，計(jì)算媒體的堅(jiān)固性系數(shù)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一是提供一種煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定方法，它能利用打鉆過程中排出的ilUI快速測定i^井下工作面深部煤的堅(jiān)固性系數(shù)，為提前和 及時(shí)預(yù)測煤與瓦斯突出提供準(zhǔn)確的參數(shù)。本發(fā)明所迷的煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定方法，采用便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù) 快速測定裝置進(jìn)行測定，其步驟如下(l)取煤樣井下通過鉆機(jī)在預(yù)定^i;深度處打鉆，在孔口用組合篩子接 取煤粉；紐合鋒子上面篩子的篩孔為0)3鵬、下面篩子的篩孔為①1鵬；將取得 的煤粉通過組合鋒子充分篩分，留在下面篩子中的煤粉即為Ol ~ 3鵬的煤樣；(2 )準(zhǔn)備測定裝里反^Jt攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置的加力旋鈕， 使壓縮活塞后退，將刻度指針指向位移刻度的0位置，然后，將便攜式煤的堅(jiān) 固性系數(shù)快速測定裝置垂直放置，去掉前端蓋，使壓縮腔口朝上；(3) 裝煤樣將0 1~3鵬的煤樣充分混合后，"便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù) 快速測定裝里的壓縮腔內(nèi)，使煤樣自然裝滿至與壓縮腔孔口持平，旋緊前端蓋 封閉；(4) 壓縮 ^:轉(zhuǎn)動(dòng)便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置的加力旋鈕，勻 速、緩慢地加壓，分刺記錄壓力表指針?biāo)攵ㄟ_(dá)到第一預(yù)定壓力為0.2 MPa~ 1. OMPa和第二^定壓力為2. 0 MPa ~ 4. OMPa時(shí)刻度指針的行程；(5) 計(jì)算壓縮量上迷兩個(gè)預(yù)定壓力時(shí)的行程差A(yù)L，該行程差即為煤樣 壓縮量；(6 )計(jì)^W的f值根振已經(jīng)建立好的煤樣壓縮量與標(biāo)準(zhǔn)f值之間的函 數(shù)關(guān)系，計(jì)算煤櫸的f值，該f值即為煤的預(yù)定深部處煤體的堅(jiān)固性系數(shù)； 計(jì)算公式為/，j^+6r+c式中-煤的堅(jiān)閨性系數(shù)；i —煤樣的壓縮量(即第二和第一預(yù)定壓力點(diǎn)時(shí)的行程差)，咖； a、 b、 c——系數(shù)，在/=0.2的情況下，煤樣筒的壓縮腔內(nèi)徑、長 度和預(yù)定壓力值處于上迷設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，三者的取值范圍如下a = 0. 008 ~0. 0015， b- —0. 45 ~-0. 35 ，c=2. 0~3. 5。本發(fā)稱的另一個(gè)目的是提供一種便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置，其 結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡便，測定速度快，適合于在井下直接測定沐的堅(jiān)固性系數(shù)。本發(fā)明所迷的便構(gòu)式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置，包括煤樣筒、分別與 煤樣筒兩端配合的前端蓋和后端蓋，在煤樣筒的中部設(shè)有行程槽，其特征是 煤樣簡的內(nèi)腔分為壓饗腔和活塞腔兩個(gè)部分，在活塞腔內(nèi)設(shè)有壓縮活塞，在壓 縮活塞內(nèi)的油壓腔中設(shè)有油壓活塞，壓力表穿過行程槽與壓縮活塞配合連接并 與油壓腔;^通，壓力表安裝接頭上的刻度指針與行程槽邊的位移刻度對(duì)應(yīng)； 導(dǎo)桿的一端穿過后端蓋與油壓活塞連接，導(dǎo)桿的另一端與加力旋鈕連接.便構(gòu)式煤的堅(jiān)閨性系數(shù)快速測定裝置的測定原理在于通過加力旋鈕的旋 轉(zhuǎn)和導(dǎo)桿的前進(jìn)，使油壓活塞產(chǎn)生移動(dòng)引起油壓腔中油壓的升高，油壓使壓縮 活塞產(chǎn)生移動(dòng)給寡樣臚中的煤樣加壓，煤樣粉碎，并通過刻度指針和位移刻度 記錄壓縮量，根振規(guī)定壓力差下的煤樣壓縮量與"落錘法"測定的標(biāo)準(zhǔn)f值之 間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出煤的堅(jiān)固性系數(shù)。經(jīng)過大量使用上述裝置測定煤的堅(jiān)固性系數(shù)的試驗(yàn)，確定了關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參 數(shù)，如煤屑量(由內(nèi)徑為O15 30mm、壓縮腔長度為40 ~ IOO咖的煤樣筒的容 積確定)、第一、笫二預(yù)定加壓值(0. 2 MPa ~ 1. 0MPa、 2. 0 MPa ~ 4. 0MPa )、加 栽速度(小于liM/ii in)，并對(duì)測試操作進(jìn)行了規(guī)范，以保證測試過程的一致性和測試鑰果樹搴確牲。本發(fā)嘴的特點(diǎn)是通itA工加力的方式，使煤樣粉碎，根據(jù)粉碎后的煤樣 的壓縮量與媒的堅(jiān)固性系數(shù)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)煤的堅(jiān)固性系數(shù)的快速測定；測定裝 置通itA工旋轉(zhuǎn)"加力旋鈕"加壓、液壓油傳遞壓力推動(dòng)壓縮活塞運(yùn)動(dòng)、壓力 表顯示加壓值、衧程捎針指示壓縮量等方式，實(shí)現(xiàn)煤樣的加壓、粉碎、壓力值 及壓縮重的指示，最后通過煤樣的壓縮量與煤的堅(jiān)固性系數(shù)的函數(shù)關(guān)系計(jì)算f 值。本發(fā)明和現(xiàn)軒的"落錘法"測定方法及裝置相比，具有以下主要優(yōu)點(diǎn) (1)可對(duì)編的堅(jiān)閨性系數(shù)實(shí)現(xiàn)快速測定.采用現(xiàn)行的"落錘法"測定方法 及裝置，測定一組煤的堅(jiān)閨性系數(shù)， 一般需要30min以上，如果加上從井下采 ^L煤樣送鰣地面實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間， 一般需要1天時(shí)間。而采用本發(fā)明的方法和裝 置，則可在5旗in內(nèi)完成測定；(2 )可實(shí)Jlfc并下的直接測定?，F(xiàn)行的"落錘法"測定方法及裝置用于實(shí)驗(yàn) 室測定，不適宜丼下湘濕、昏暗、風(fēng)速大、地面浮煤多、各種作業(yè)裝備及人員 煩雜等惡劣壞壤條件.而本發(fā)明的方法及裝置，操作簡單，具有不受環(huán)境條件 限制的優(yōu)點(diǎn)；(3)可以對(duì)工作面深部煤的堅(jiān)固性系數(shù)進(jìn)行多點(diǎn)測定，滿足工作面煤與瓦 斯突出危險(xiǎn)牲籲測的要求?，F(xiàn)行的"落錘法"測定方法及裝置多采用塊煤進(jìn)行 測定， 一艉采用工作面暴露煤壁的塊煤樣，如果要測定工作面深部煤的堅(jiān)固性 系數(shù)，則需JNI躅鉆M專門的取芯鉆桿，搮作非常麻煩。而本發(fā)明的方法及 裝置，采用##瀨定，只需使用井下廣泛使用的普通鉆M鉆桿就可完成，所 以，可以,驀翁采取工作面深部的煤樣進(jìn)行測定，另外，測定工作面深部煤的堅(jiān)圃性系教是鵜足工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測的必然要求，這樣才能及 時(shí)發(fā)現(xiàn)煤層抗破壞能力的變化。(4)瀾定裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，便于攜帶、搮作簡單，現(xiàn)行的"落錘法"測定裝置包括煤樣筒(700咖長、直徑80咖的鋼筒)、落錘(2. 4kg )、 專用量筒、天平、篩子、臼等，配套組件多，相互獨(dú)立，重量大，不便攜帶， H作復(fù)雜.而本發(fā)明的測定裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量小于lkg，便于攜帶和井下現(xiàn)場賴定，it作筒單。附困說明困l是煤屑總變形量與加栽壓力和堅(jiān)固性系數(shù)的關(guān)系曲線圖。 困2是f值與AL的關(guān)系曲線圖。困3是便構(gòu)式煤的堅(jiān)閨性系數(shù)快速測定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參見酶l，在钃試環(huán)境、煤的密度、煤樣的粒徑、煤樣博的直徑和加栽i1^ JM^Ii同鎿條件平進(jìn)軒實(shí)驗(yàn)，得到煤樣的壓縮變形量AL (Li—LJ主要與加栽 壓力(P)和煤的堅(jiān)閨性系數(shù)(f )的關(guān)系曲線困，當(dāng)加力的過程和數(shù)值固定后， f與厶L就可影威一函數(shù)關(guān)系。麥見躅2，遄過大量的詢瞼，應(yīng)用數(shù)據(jù)擬合方法根據(jù)P和AL的數(shù)值變化函 數(shù)關(guān)系得出f儀的大小。在試驗(yàn)中，同時(shí)采用現(xiàn)有"落錘法"測定煤的堅(jiān)固性 系數(shù)f值，并以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，建立壓縮量與煤的堅(jiān)固性系數(shù)f的函 教關(guān)系曲織閨.麥見棒3，瞽油壓活塞7"壓縮活塞5內(nèi)的油壓腔6，再一起裝入中部開 有##槽4皭蟓梯黹1中，油壓活塞7將煤樣筒1的內(nèi)腔分為壓饗腔12和活塞腔13兩個(gè)部分，并在行程槽4的邊緣刻出位移刻度14;將前端裊2和后端蓋3分別配合在煤樣筒1的兩端，導(dǎo)桿10的一端穿過端 蓋3中心的孔與油壓活塞7連接，導(dǎo)桿10的另一端與加力旋鈕11配合連接；將壓力表8通過g槽4安裝在壓縮活塞上，并使壓力表安裝接頭上的刻 度指針9與##褙4邊蟓的位移刻度14對(duì)應(yīng)，便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定 裝置的壓力表可以隨壓縮活塞來回移動(dòng)，記錄壓縮量；使用上迷的裝置，可進(jìn)行煤的堅(jiān)固性系數(shù)的快速測定，其步驟如下 (l)取煤樣井下通過鉆機(jī)在預(yù)定^&深度處打鉆，在孔口用組合篩子接 ^t煤粉；組合縴子上面篩子的篩孔為①3咖、下面篩子的篩孔為①1咖；將取得 的煤粉通itlt合鋒子充分獰分，留在下面篩子中的煤粉即為Ol ~ 3咖的煤樣；(2 )準(zhǔn)備鰣定裝置反轉(zhuǎn)便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置的加力旋鈕 11，使壓縮銥塞7后退，將刻度指針9指向位移刻度14的0位置，然后， 攜式煤的堅(jiān)稱性系數(shù)快速測定裝置垂直放置，去掉前端蓋2，使壓縮腔口朝上；(3) 裝煤樣將《>1~3鵬的煤樣充分混合后，^V便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù) 快速測定裝置的壓縮腔12內(nèi)，使煤樣自然裝滿至與壓縮腔孔口持平，旋緊前端 蓋2封閉；(4) 壓縮煤樣轉(zhuǎn)動(dòng)便構(gòu)式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置的加力旋鈕ll， 勻速、緩慢地加壓，分別記錄壓力表指針穩(wěn)定達(dá)到第一預(yù)定壓力為0.2 MPa~ 1. OMPa和第二預(yù)定壓力為2. 0 MPa ~ 4. OMPa時(shí)刻度指針的行程；(5) 計(jì)算壓縮量計(jì)算上迷兩個(gè)預(yù)定壓力時(shí)的行程差A(yù)L，該行程差即為 煤樣壓縮量；(6) 詩算鑲櫸的f傕##€*經(jīng)建立好的煤樣壓縮量與標(biāo)準(zhǔn)f值之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算煤樣的f值，該f值即為煤體預(yù)定深部處煤體的堅(jiān)固性系數(shù)；計(jì)算公式為 式中/--煤的堅(jiān)閨性系數(shù)；jr --煤梯的壓縮量(即第二和第一預(yù)定壓力點(diǎn)時(shí)的行程差)，mm; a、 b、 c——系數(shù)，在/=0.1-1.2的情況下，煤樣筲的壓縮腔內(nèi)徑、長 度和預(yù)定壓力值處于上迷設(shè)定范閨內(nèi)時(shí)，三者的取值范圍如下a = 0. 008 ~ 0.0015， b= —0. 45 ~ —0. 35c=2. 0~3. 5。
權(quán)利要求
1. 煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定方法，其步驟如下(1)取煤樣井下通過鉆機(jī)在預(yù)定煤層深度處打鉆，在孔口用組合篩子接取煤粉；組合篩子上面篩子的篩孔為Φ3mm、下面篩子的篩孔為Φ1mm；將取得的煤粉通過組合篩子充分篩分，留在下面篩子中的煤粉即為Φ1～3mm的煤樣；(2)準(zhǔn)備測定裝置反轉(zhuǎn)便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置的加力旋鈕11，使壓縮活塞7后退，將刻度指針指向位移刻度4的0位置，然后，將便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置垂直放置，去掉前端蓋2，使壓縮腔口朝上；(3)裝煤樣將Φ1～3mm的煤樣充分混合后，裝入便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置的壓縮腔12內(nèi)，使煤樣自然裝滿至與壓縮腔孔口持平，旋緊前端蓋2封閉；(4)壓縮煤樣轉(zhuǎn)動(dòng)便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置的加力旋鈕11，勻速、緩慢地加壓，分別記錄壓力表指針穩(wěn)定達(dá)到第一預(yù)定壓力為0.2MPa～1.0MPa和第二預(yù)定壓力為2.0MPa～4.0MPa時(shí)刻度指針的行程；(5)計(jì)算壓縮量計(jì)算上述2個(gè)預(yù)定壓力時(shí)的行程差ΔL，該行程差即為煤樣壓縮量；(6)計(jì)算煤樣的f值根據(jù)已經(jīng)建立好的煤樣壓縮量與標(biāo)準(zhǔn)f值之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算煤樣的f值，該f值即為煤的預(yù)定深部處煤體的堅(jiān)固性系數(shù)。
2、 便癱iU^堅(jiān)鬮牲系數(shù)快速測定裝置，包括煤樣筒(1)、分別與煤樣筒 兩鏞配合6^l蠊暴U)和后端蓋(3)，在煤樣筒的中部設(shè)有行程槽(4)，其特 征是煤樣爽(1)的溝腔分為壓縮腔(12 )和活塞腔(13)兩個(gè)部分，在活塞腔(13 )內(nèi)傲有瑪饗活塞(5 )，在壓縮活塞內(nèi)的油壓腔(6 )中設(shè)有油壓活塞(7 )， 壓力表(8)穿過行程槽(4)與壓縮活塞配合連接并與油壓腔相連通，壓力表 安裝接頭上的刻度指針(9)與行程槽邊的位移刻度(14)對(duì)應(yīng)；導(dǎo)桿(10)的 一端穿過后端蓋(3)與油壓活塞連接，導(dǎo)桿的另一端與加力旋鈕(11)連接。 3、根耱杈利要求2所述的煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定的便攜式測定裝置， 其特征在于煤樣筒(l)中壓縮腔的長度為40. 0咖一100. 0mm，直徑為①15隨 3tom毫米，
全文摘要
本發(fā)明涉及煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定方法，其步驟如下取煤樣用組合篩子接取Φ1～3mm煤粉；準(zhǔn)備測定裝置將便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置垂直放置；裝煤樣將Φ1～3mm的煤樣裝入測定裝置；壓縮煤樣轉(zhuǎn)動(dòng)加力旋鈕加壓，分別記錄壓力表指針穩(wěn)定達(dá)到壓力時(shí)刻度指針的行程；計(jì)算壓縮量計(jì)算煤的煤體的堅(jiān)固性系數(shù)。本發(fā)明還涉及便攜式煤的堅(jiān)固性系數(shù)快速測定裝置，包括煤樣筒，其特征是煤樣筒的內(nèi)腔分為壓縮腔和活塞腔，煤樣筒的活塞腔一段開有行程槽，行程槽邊刻有位移刻度。同時(shí)井下的直接、多點(diǎn)、快速煤的堅(jiān)固性系數(shù)，測定裝置結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶、操作簡單。
文檔編號(hào)G01N1/08GK101236145SQ200710078150
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2007年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月29日
發(fā)明者勝 劉, 康建寧, 文光才, 趙旭生, 鄒銀輝 申請(qǐng)人:煤炭科學(xué)研究總院重慶分院