煤的坚固性系数快速测定方法及使用的便携式测定装置的制作方法

文档序号:5864766阅读:269来源:国知局
专利名称:煤的坚固性系数快速测定方法及使用的便携式测定装置的制作方法
技术领域
本发明涉及媒矿开采安全技术,具体涉及煤的坚闺性系数快速测定方法及 使用的便樣式鲷定装里。
技术背景煤与瓦斯突出(以下筒称突出)U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闳素,其主要与煤的机械强度、裂隙的发育程度和煤的结构等^it有关.对于突出煤层,煤的强度等力学^it測定比较复杂,而 煤的坚固性系数(f值)的測定則要比较简单,所以, 一般用f值来综合反映煤 ^欢坏能力,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則》和《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》(MT637-1996 ) 均将煤的坚爾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 性日常预測工作中,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 高预測突出的准确性。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,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MITN9—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, 自粉碎Wt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重来计算f值。但是,"落锤法"操作比钇眛烦,基本上都是在实验室进行測定,不太适合井下i接测定,而且测定时间较长,不能 适应工作面快速预測突出危险性的要求.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ii^L现察,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mt明,在测试环境、煤的密度、煤样的粒径、煤样筒的直径和加栽速 M本相同的条件下,煤样的变形量厶L (L广L2)主要与加栽压力(P)和煤的 坚固性系数(f )有关(参见闺1),当加力的过程和数值固定后,f与AL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AL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(参见困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Ol-3,),用专用的便携式測定装置,通itA工加栽方式对煤样进行压缩,根据煤 样变形量随着加栽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,计算媒体的坚固性系数。 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ilUI快速測定i^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。本发明所迷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(l)取煤样井下通过钻机在预定^i;深度处打钻,在孔口用組合筛子接 取煤粉;纽合鋒子上面筛子的筛孔为0)3鹏、下面筛子的筛孔为①1鹏;将取得 的煤粉通过組合鋒子充分筛分,留在下面篩子中的煤粉即为Ol ~ 3鹏的煤样;(2 )准备测定装里反^Jt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 固性系数快速測定装置垂直放置,去掉前端盖,使压缩腔口朝上;(3) 装煤样将0 1~3鹏的煤样充分混合后,"便携式煤的坚固性系数 快速测定装里的压缩腔内,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 ^: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,分刺记录压力表指针穗定达到第一预定压力为0.2 MPa~ 1. OMPa和第二^定压力为2. 0 MPa ~ 4. OMPa时刻度指针的行程;(5) 计算压缩量上迷两个预定压力时的行程差AL,该行程差即为煤样 压缩量;(6 )计^W的f值根振已经建立好的煤样压缩量与标准f值之间的函 数关系,计算煤榉的f值,该f值即为煤的预定深部处煤体的坚固性系数; 计算公式为/,j^+6r+c式中-煤的坚闺性系数;i —煤样的压缩量(即第二和第一预定压力点时的行程差),咖; a、 b、 c——系数,在/=0.2的情况下,煤样筒的压缩腔内径、长 度和预定压力值处于上迷设定范围内时,三者的取值范围如下a = 0. 008 ~0. 0015, b- —0. 45 ~-0. 35 ,c=2. 0~3. 5。本发稱的另一个目的是提供一种便携式煤的坚固性系数快速测定装置,其 结构紧凑,操作简便,測定速度快,适合于在井下直接测定沐的坚固性系数。本发明所迷的便構式煤的坚固性系数快速测定装置,包括煤样筒、分别与 煤样筒两端配合的前端盖和后端盖,在煤样筒的中部设有行程槽,其特征是 煤样简的内腔分为压飨腔和活塞腔两个部分,在活塞腔内设有压縮活塞,在压 缩活塞内的油压腔中设有油压活塞,压力表穿过行程槽与压缩活塞配合连接并 与油压腔;^通,压力表安装接头上的刻度指针与行程槽边的位移刻度对应; 导杆的一端穿过后端盖与油压活塞连接,导杆的另一端与加力旋钮连接.便構式煤的坚闺性系数快速測定装置的測定原理在于通过加力旋钮的旋 转和导杆的前进,使油压活塞产生移动引起油压腔中油压的升高,油压使压缩 活塞产生移动給寡样臚中的煤样加压,煤样粉碎,并通过刻度指针和位移刻度 记录压缩量,根振规定压力差下的煤样压缩量与"落锤法"测定的标准f值之 间的函数关系,计算出煤的坚固性系数。经过大量使用上述装置测定煤的坚固性系数的试验,确定了关鍵的设计参 数,如煤屑量(由内径为O15 30mm、压缩腔长度为40 ~ IOO咖的煤样筒的容 积确定)、第一、笫二预定加压值(0. 2 MPa ~ 1. 0MPa、 2. 0 MPa ~ 4. 0MPa )、加 栽速度(小于liM/ii in),并对测试操作进行了规范,以保证测试过程的一致性和測试鑰果樹搴确牲。本发嘴的特点是通itA工加力的方式,使煤样粉碎,根据粉碎后的煤样 的压缩量与媒的坚固性系数的关系,实现煤的坚固性系数的快速测定;测定装 置通itA工旋转"加力旋钮"加压、液压油传递压力推动压缩活塞运动、压力 表显示加压值、衧程捎针指示压缩量等方式,实现煤样的加压、粉碎、压力值 及压缩重的指示,最后通过煤样的压缩量与煤的坚固性系数的函数关系计算f 值。本发明和现軒的"落锤法"测定方法及装置相比,具有以下主要优点 (1)可对编的坚闺性系数实现快速测定.采用现行的"落锤法"测定方法 及装置,測定一組煤的坚闺性系数, 一般需要30min以上,如果加上从井下采 ^L煤样送鰣地面实验室的时间, 一般需要1天时间。而采用本发明的方法和装 置,則可在5旗in内完成測定;(2 )可实Jlfc并下的直接測定。现行的"落锤法"测定方法及装置用于实验 室测定,不适宜丼下湘湿、昏暗、风速大、地面浮煤多、各种作业装备及人员 烦杂等恶劣坏壤条件.而本发明的方法及装置,操作简单,具有不受环境条件 限制的优点;(3)可以对工作面深部煤的坚固性系数进行多点測定,满足工作面煤与瓦 斯突出危險牲籲測的要求。现行的"落锤法"测定方法及装置多采用块煤进行 测定, 一艉采用工作面暴露煤壁的块煤样,如果要测定工作面深部煤的坚固性 系数,則需JNI躅钻M专门的取芯钻杆,搮作非常麻烦。而本发明的方法及 装置,采用##瀨定,只需使用井下广泛使用的普通钻M钻杆就可完成,所 以,可以,驀翁采取工作面深部的煤样进行測定,另外,测定工作面深部煤的坚圃性系教是鵜足工作面煤与瓦斯突出危险性预测的必然要求,这样才能及 时发现煤层抗破坏能力的变化。(4)澜定装置结构紧凑、体积小、重量轻,便于携带、搮作简单,现行的"落锤法"测定装置包括煤样筒(700咖长、直径80咖的钢筒)、落锤(2. 4kg )、 专用量筒、天平、筛子、臼等,配套组件多,相互独立,重量大,不便携带, H作复杂.而本发明的測定装置结构紧凑、体积小、重量小于lkg,便于携带和井下现场賴定,it作筒单。附困说明困l是煤屑总变形量与加栽压力和坚固性系数的关系曲线图。 困2是f值与AL的关系曲线图。困3是便構式煤的坚闺性系数快速测定装置的结构示意图。
具体实施方式
参见酶l,在钃试环境、煤的密度、煤样的粒径、煤样博的直径和加栽i1^ JM^Ii同鎿条件平进軒实验,得到煤样的压缩变形量AL (Li—LJ主要与加栽 压力(P)和煤的坚闺性系数(f )的关系曲线困,当加力的过程和数值固定后, f与厶L就可影威一函数关系。麥见躅2,遄过大量的询睑,应用数据拟合方法根据P和AL的数值变化函 数关系得出f儀的大小。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,建立压缩量与煤的坚固性系数f的函 教关系曲織闺.麥见棒3,瞽油压活塞7"压缩活塞5内的油压腔6,再一起装入中部开 有##槽4皭蟓梯黹1中,油压活塞7将煤样筒1的内腔分为压飨腔12和活塞腔13两个部分,并在行程槽4的边缘刻出位移刻度14;将前端袅2和后端盖3分别配合在煤样筒1的两端,导杆10的一端穿过端 盖3中心的孔与油压活塞7连接,导杆10的另一端与加力旋钮11配合连接;将压力表8通过g槽4安装在压缩活塞上,并使压力表安装接头上的刻 度指针9与##褙4边蟓的位移刻度14对应,便携式煤的坚固性系数快速测定 装置的压力表可以随压縮活塞来回移动,记录压缩量;使用上迷的装置,可进行煤的坚固性系数的快速测定,其步骤如下 (l)取煤样井下通过钻机在预定^&深度处打钻,在孔口用组合筛子接 ^t煤粉;组合縴子上面筛子的筛孔为①3咖、下面筛子的筛孔为①1咖;将取得 的煤粉通itlt合鋒子充分獰分,留在下面筛子中的煤粉即为Ol ~ 3咖的煤样;(2 )准备鲥定装置反转便携式煤的坚固性系数快速測定装置的加力旋钮 11,使压缩铱塞7后退,将刻度指针9指向位移刻度14的0位置,然后, 携式煤的坚稱性系数快速測定装置垂直放置,去掉前端盖2,使压缩腔口朝上;(3) 装煤样将《>1~3鹏的煤样充分混合后,^V便携式煤的坚固性系数 快速测定装置的压缩腔12内,使煤样自然装满至与压缩腔孔口持平,旋紧前端 盖2封闭;(4) 压缩煤样转动便構式煤的坚固性系数快速测定装置的加力旋钮ll, 匀速、緩慢地加压,分別记录压力表指针稳定达到第一预定压力为0.2 MPa~ 1. OMPa和第二预定压力为2. 0 MPa ~ 4. OMPa时刻度指针的行程;(5) 计算压縮量计算上迷两个预定压力时的行程差AL,该行程差即为 煤样压缩量;(6) 诗算鑲榉的f傕##€*经建立好的煤样压縮量与标准f值之间的函数关系,计算煤样的f值,该f值即为煤体预定深部处煤体的坚固性系数;计算公式为 式中/--煤的坚闺性系数;jr --煤梯的压縮量(即第二和第一预定压力点时的行程差),mm; a、 b、 c——系数,在/=0.1-1.2的情况下,煤样筲的压缩腔内径、长 度和预定压力值处于上迷设定范闺内时,三者的取值范围如下a = 0. 008 ~ 0.0015, b= —0. 45 ~ —0. 35c=2. 0~3. 5。
权利要求
1. 煤的坚固性系数快速测定方法,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11,使压缩活塞7后退,将刻度指针指向位移刻度4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2,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12内,使煤样自然装满至与压缩腔孔口持平,旋紧前端盖2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11,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)计算压缩量计算上述2个预定压力时的行程差ΔL,该行程差即为煤样压缩量;(6)计算煤样的f值根据已经建立好的煤样压缩量与标准f值之间的函数关系,计算煤样的f值,该f值即为煤的预定深部处煤体的坚固性系数。
2、 便癱iU^坚鬮牲系数快速测定装置,包括煤样筒(1)、分別与煤样筒 两鏞配合6^l蠊暴U)和后端盖(3),在煤样筒的中部设有行程槽(4),其特 征是煤样爽(1)的沟腔分为压缩腔(12 )和活塞腔(13)两个部分,在活塞腔(13 )内傲有瑪飨活塞(5 ),在压缩活塞内的油压腔(6 )中设有油压活塞(7 ), 压力表(8)穿过行程槽(4)与压缩活塞配合连接并与油压腔相连通,压力表 安装接头上的刻度指针(9)与行程槽边的位移刻度(14)对应;导杆(10)的 一端穿过后端盖(3)与油压活塞连接,导杆的另一端与加力旋钮(11)连接。 3、根耱杈利要求2所述的煤的坚固性系数快速测定的便携式测定装置, 其特征在于煤样筒(l)中压缩腔的长度为40. 0咖一100. 0mm,直径为①15隨 3tom毫米,
全文摘要
本发明涉及煤的坚固性系数快速测定方法,其步骤如下取煤样用组合筛子接取Φ1~3mm煤粉;准备测定装置将便携式煤的坚固性系数快速测定装置垂直放置;装煤样将Φ1~3mm的煤样装入测定装置;压缩煤样转动加力旋钮加压,分别记录压力表指针稳定达到压力时刻度指针的行程;计算压缩量计算煤的煤体的坚固性系数。本发明还涉及便携式煤的坚固性系数快速测定装置,包括煤样筒,其特征是煤样筒的内腔分为压缩腔和活塞腔,煤样筒的活塞腔一段开有行程槽,行程槽边刻有位移刻度。同时井下的直接、多点、快速煤的坚固性系数,测定装置结构紧凑、便于携带、操作简单。
文档编号G01N1/08GK101236145SQ200710078150
公开日2008年8月6日 申请日期2007年1月29日 优先权日2007年1月29日
发明者胜 刘, 康建宁, 文光才, 赵旭生, 邹银辉 申请人:煤炭科学研究总院重庆分院
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