专题-煤岩冲击倾向性及物理力学性质测定.pdf

专专 题题 部部 分分 煤岩冲击倾向性及物理力学性质测定 1 顶板岩层冲击倾向性测定 1 1 概述 顶板岩层冲击倾向性的测定关系到矿井安全生产及煤矿集团的综合收益 随着我国煤 炭资源的开采活动逐步向深部发展 冲击矿压的研究也需要进一步加强 冲击倾向性分类 及指数的测定是冲击矿压研究中的重要环节 规范的冲击倾向性分类及指数的测定方法是 进一步推进冲击矿压理论研究及实践探索的基础 因此有必要对岩层冲击倾向性进行定量 测定 1 1 1 顶板岩层冲击倾向性分类及指标顶板岩层冲击倾向性分类及指标 岩石冲击倾向性 bursting liability of rock stratum 是指岩石积蓄变形能并具有产生冲 击破坏的性质 它可用相应的物理力学指数来度量 这些指数可通过实验室试验测定 中 华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会联合发布的 冲击 地压测定 监测与防治方法 第一部分中 就明确规定了顶板岩层冲击倾向性分类及指数 的测定方法 并对岩石的冲击倾向性试验测定作了详细说明 弯曲能量指数 bending energy index 指在均布载荷作用下 单位宽度岩梁达到极限 跨度时积蓄的变形能 顶板岩层冲击倾向性分类按弯曲能量指数的大小分 3 类 见表 1 1 表表 1 1 顶板岩层冲击倾向性分类及指数顶板岩层冲击倾向性分类及指数 类别 1 类 2 类 3 类 冲击倾向 无 弱 强 弯曲能量指数 kJ UWQ 15 15120 1 1 2 顶板岩层冲击倾向性测定方法顶板岩层冲击倾向性测定方法 1 抗拉强度 tensile strength 煤或岩石在单轴拉应力作用下达到破坏时所承受的最大拉应力 使用巴西劈裂法 splitting test method Brazilian test 测定试件的抗拉强度 即对实心 圆柱体试件施加径向压缩线载荷至破坏 确定试件最大拉应力 试件抗拉强度按式 1 1 计算 2 tRPDL 1 1 式中 tR 试件的抗拉强度 单位为兆帕 MPa P 试件破坏载荷 单位为牛 N D 试件直径 单位为毫米 mm L 试件厚度 单位为毫米 mm 注 采用算术平均值计算并确定抗拉强度 计算结果取 3 位有效数字 试验报告中列 出每个试件的测值 2 岩石块体密度 block density of rock 采用量积法测定块体的密度 其计算公式如下 ggMF h 1 2 式中 g 岩石的干块体密度 单位为克每立方厘米 g cm3 gM 试件烘干后的质量 单位为克 g F 试件截面积 单位为平方厘米 cm2 h 试件的高度 单位为厘米 cm 注 平行测定三次 取算术平均值 计算结果取三位有效数字 三次测定结果的最大 差值不应超过 0 05 g cm3 否则只能报各试件单个测值 而不报出平均值 3 弹性模量 modulus of elasticity 试件单轴受力时正应力 与弹性正应变 之比 弹性模量按式进行 1 3 计算 tbabaE 1 3 式中 tE 弹性模量 单位为兆帕 MPa b 应力一应变曲线中直线段始点的应力 单位为兆帕 MPa a 应力一应变曲线中直线段终点的应力 单位为兆帕 MPa b 应力一应变曲线中直线段始点的应变值 a 应力一应变曲线中直线段终点的应变值 注 计算结果取三位有效数字 试验报告中列出每个试件的测值 4 上覆岩层载荷计算 上覆岩层载荷自煤层顶板起 自下而上 按式计算 63333 1 11 1221 122 10 nnnn qE h ghhhE hE hE h 1 4 式中 q 单位宽度上覆岩层载荷 MPa 1 2 iE in 上覆各岩层的弹性模量 MPa 1 2 ih in 上覆各岩层的厚度 m 1 2 iin 上覆各岩层的块体密度 Kg m3 g 重力加速度 N Kg 当 n 1 层对第 1 层的载荷小于第 n 层对第 1 层的载荷时 计算终止 取第 n 层的计算 结果 5 弯曲能量指数 bending energy index 单一顶板弯曲能量指数的计算是基于简支梁理论假设进行的 其受力分析如图 1 1 所 示 x q 图图 1 1 简支梁受力图简支梁受力图 图中 q 是煤层上部顶板施加给岩层的载荷 取单位宽度岩梁 b 1m h 为待测岩层的厚 度 由材料力学的知识可知简支梁上任意点 x 处的弯矩为 2 22MqLbxqbx 1 5 极限岩梁跨度为 43tLhRq 1 6 把式 1 5 1 6 代入全岩梁的应变能公式 得出单一顶板弯曲能量指数公式 5 2 21 2 102 6 WQt URhqE 1 7 式中 WQ U 单一顶板弯曲能量指数 kJ t R 岩石试件的抗拉强度 Mpa h 单一顶板厚度 m E 岩石试件的弹性模量 Mpa 复合顶板弯曲能量指数按式计算 1 n WQSWQi i UU 1 8 式中 WQS U 复合顶板弯曲能量指数 kJ WQi U 第 i 层弯曲能量指数 kJ n 顶板分层数 复合顶板厚度一般取至煤层上顶板 30m 注 WQ U WQS U WQi U计算结果取 3 位有效数字 1 2 采样 岩样取自口孜东煤矿顶 底板岩样 运输过程中采用塑料保护岩样 防止岩样在运输 过程中发生破裂 影响后期的实验测定 1 3 试样加工与试验 顶板岩层冲击倾向性鉴定试样加工与试验遵照中华人民共和国国家标准 冲击地压测 定 监测与防治方法 第一部分的规定执行 1 3 1 试样加工试样加工 将岩样夹持在钻石机的加工平台上 用金刚石钻头钻取 50 50 100 的岩样 用来做 单向抗压试验 钻取直径为 50 mm 的岩样 然后用锯石机将岩样锯成高 25 mm 圆盘体 用来做抗拉试验 本次试验采用量积法来测定顶板岩层的密度 取做单向抗压试验的试件 作为量积法测定顶板岩层密度的试件 钻 锯岩样时均用水冷却 最后在磨平机上将岩样两端磨平 研磨时要求试样两端面 不平行度不得大于 0 05 mm 上下端直径偏差不得大于 0 3 mm 共加工顶板岩样 10 块 有效试样 9 块 其中 5 块试件用于单向抗拉 4 块试件用于 单向抗压 在单向抗压的试件中 取 3 件来测定顶板岩层的密度 加工成型的煤样参数见表 1 2 表 1 2 表 1 2 表 1 2 表 1 2 表 1 2 表 1 2 表 1 2 表表 1 2 加工成型的顶板岩样参数加工成型的顶板岩样参数 序号 试件编号 直径 mm 高度 mm 实验方式 1 RT1 50 00 29 75 单向抗拉 2 RT2 49 80 27 66 单向抗拉 3 RT3 50 00 25 89 单向抗拉 4 RT4 49 80 27 79 单向抗拉 5 RT5 50 00 27 22 单向抗拉 6 RC1 49 80 103 10 单向抗压 7 RC2 49 70 103 20 单向抗压 8 RC3 49 70 105 30 单向抗压 9 RC4 49 80 104 50 单向抗压 顶板岩样破坏前的实物照片见图 1 2 顶板岩样破坏后的实物照片见图 1 3 图图 1 2 顶板岩样破坏前的实物照片顶板岩样破坏前的实物照片 图图 1 3 顶板岩样破坏后的实物照片顶板岩样破坏后的实物照片 1 3 2 实验系统实验系统 实验加载装置采用高精度 可控制加载速度的深圳新三思材料检测有限公司生产的 SANS 材料实验机 用于进行煤岩加载和应力应变全过程曲线的测定 实验系统如图 1 4 所示 这种实验机能够人为设定加载方式 由计算机直接控制加载的过程 图图 1 4 SANS 材料试验机材料试验机 1 4 试验处理结果及分析 1 4 1 抗拉强度 抗拉强度 tensile strength 煤或岩石在单轴拉应力作用下达到破坏时所承受的最大拉应力 使用劈裂法 splitting test method Brazilian test 由式 1 1 可以算出顶板岩石的抗 拉强度 其测定结果如表 1 3 所示 表表 1 3 顶板岩样抗拉强度测定结果顶板岩样抗拉强度测定结果 试件编号 直径 mm 厚度 mm 破坏载荷 KN 抗拉强度 Mpa RT1 50 00 29 75 9 143 3 91 RT2 49 80 27 66 9 361 4 33 RT3 50 00 25 89 11 432 5 62 RT4 49 80 27 79 9 277 4 27 RT5 50 00 27 22 8 165 3 82 平均值 4 39 1 4 2 岩石块体密度 岩石块体密度 block density of rock 采用量积法测量试件的块体密度 由式 1 2 可以算出顶板岩石的块体密度 其测 定结果如表 1 4 所示 表表 1 4 顶板岩样密度测定结果顶板岩样密度测定结果 试件编号 直径 mm 高度 mm 体积 cm3 质量 g 块体密度 g cm3 平均块体密度 g cm3 RC1 49 80 103 10 200 82 500 86 2 49 2 47 RC2 49 70 103 20 200 21 495 55 2 48 RC3 49 70 105 30 204 28 499 29 2 44 1 4 3 弹性模量弹性模量 modulus of elasticity 试件单轴受力时正应力 与弹性正应变 之比 由式 1 3 可以算出顶板岩石的弹性模量 其测定结果如表 1 5 所示 表表 1 5 顶板岩样弹性模量测定结果顶板岩样弹性模量测定结果 试样编号 直线段始点 应力值 MPa 直线段终点 应力值 MPa 直线段始点 应变值 10 3 直线段终点 应变值 10 3 弹性模量 Gpa RC1 11 45 27 93 6 91 12 34 3 03 RC2 6 60 16 06 4 53 7 90 2 81 RC3 15 28 34 97 8 67 14 54 3 36 RC4 10 48 24 72 8 02 12 77 3 00 平均值 3 05 1 4 4 弯曲能量指数弯曲能量指数 bending energy index 综合上述各数据代入式 1 7 1 8 求得顶板岩层的弯曲能量指数 如表 1 6 所示 表表 1 6 顶板冲击倾向性测试结果顶板冲击倾向性测试结果 岩样 抗拉强度 MPa 弹性模量 GPa 距地表距离 m 弯曲能指数 kJ 顶板岩样 4 39 3 05 860 268 冲击倾向性 强冲击倾向 1 5 主要结论 1 根据岩样冲击倾向性指数的测定结果 测得口孜东矿送检煤层上覆顶板的弯曲能 量指数为 268 kJ 为强冲击倾向 2 上述实验室测定结果仅指煤层顶板岩样自身的物理力学属性 矿井生产过程中的 实际冲击危险性还需综合考虑采动应力 地质构造以及其它造成应力集中的影响因素等 1 6 主要附图 图图 1 5 RT1 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 1 6 RT2 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 1 7 RT3 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 1 8 RT4 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 1 9 RT5 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 1 10 RC1 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 1 11 RC2 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 1 12 RC3 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 1 13 RC4 载荷位移曲线载荷位移曲线 2 底板岩层物理力学性质 2 1 底板岩样抗压强度的测定 1 定义 岩样抗压强度是指岩样试件单向受压力作用破坏时 单位面积上所承受的荷载 2 方法提要 将岩样夹持在钻石机的加工平台上 用金刚石钻头钻取 50 50 100 的试件 用来做 单向抗压试验 加工成型的试件尺寸参数如表 2 1 所示 表表 2 1 抗压强度试件的尺寸参数抗压强度试件的尺寸参数 试件编号 直径 mm 高度 mm 试验方式 FC1 54 21 100 70 单向抗压 FC2 54 38 107 30 单向抗压 FC3 54 20 108 06 单向抗压 在 SANS 材料试验机下以 0 05 0 1 MPa 的速度加载 直至破坏 记录此时试验机的 峰值载荷 3 结果计算 岩样单向抗压强度按式计算 10RP F 2 1 式中 R 试件单向抗压强度 MPa P 试件破坏载荷 kN F 试件初始截面积 cm2 底板岩样抗压强度计算结果见表 2 2 表表 2 2 底板岩样单轴抗压强度测定结果底板岩样单轴抗压强度测定结果 试件编号 直径 mm 试件面积 cm2 破坏载荷 KN 抗压强度 Mpa FC1 54 21 23 08 91 054 39 5 FC2 54 38 23 23 102 976 44 3 FC3 54 20 23 07 106 195 46 0 平均值 43 3 2 2 底板岩样弹性模量的测定 1 定义 岩石在弹性变形阶段 其应力和应变成正比例关系 即符合胡克定律 其比例系数称 为岩石的弹性模量 2 方法提要 将岩样夹持在钻石机的加工平台上 用金刚石钻头钻取 50 50 100 的试件 用来做 单向抗压试验 加工成型的试件尺寸参数如表 2 1 所示 绘制岩样在单轴压缩破坏试验中的应力 应变曲线 寻找该曲线上的直线段 ab 求该 直线的斜率即为煤样的弹性模量 3 结果计算 岩样弹性模量按式计算 tbaba E 2 2 式中 t E 弹性模量 单位为兆帕 MPa b 应力一应变曲线中直线段始点的应力 单位为兆帕 MPa a 应力一应变曲线中直线段终点的应力 单位为兆帕 MPa b 应力一应变曲线中直线段始点的应变值 a 应力一应变曲线中直线段终点的应变值 底板岩样弹性模量计算结果见表 2 3 表表 2 3 底板岩样弹性模量测定结果底板岩样弹性模量测定结果 试样编号 直线段始点 应力值 MPa 直线段终点 应力值 MPa 直线段始点 应变值 10 3 直线段终点 应变值 10 3 弹性模量 Gpa FC1 28 66 76 33 11 99 24 10 3 94 FC2 19 38 46 09 12 11 20 56 3 16 FC3 15 17 33 01 11 52 17 43 3 02 平均值 3 37 2 3 底板岩样抗拉强度的测定 1 定义 岩石抗拉强度是指岩石试件在单向受拉条件下 破坏时的最大拉应力 2 方法提要 本试验采用劈裂法来测定岩样的单向抗拉强度 将岩样夹持在钻石机的加工平台上 用金刚石钻头钻取直径为 50 mm 的岩样 然后用 锯石机将岩样锯成高 25 mm 的圆盘体 用来做抗拉试验 加工成型的试件尺寸参数如所示 表 2 4 表表 2 4 抗拉强度试件的尺寸参数抗拉强度试件的尺寸参数 试件编号 直径 mm 厚度 mm 试验方式 CT1 54 10 27 71 单向抗拉 CT2 54 20 27 02 单向抗拉 CT3 54 10 28 70 单向抗拉 CT4 49 80 25 40 单向抗拉 CT5 49 86 28 85 单向抗拉 在 SANS 材料试验机下以 0 03 0 05 MPa 的速度加载 直至破坏 记录此时试验机的 峰值载荷 3 结果计算 2RtPDL 2 3 式中 Rt 试件的抗拉强度 单位为兆帕 MPa P 试件破坏载荷 单位为牛 N D 试件直径 单位为毫米 mm L 试件厚度 单位为毫米 mm 底板岩样抗拉强度计算结果见表 2 5 表表 2 5 底板岩样抗拉强度测定结果底板岩样抗拉强度测定结果 试件编号 直径 mm 厚度 mm 破坏载荷 KN 抗拉强度 Mpa CT1 54 10 27 71 7 333 3 11 CT2 54 20 27 02 7 713 3 35 CT3 54 10 28 70 7 925 3 25 CT4 49 80 25 40 8 854 4 46 CT5 49 86 28 85 7 711 3 41 平均值 3 52 2 4 底板岩样内聚力 内摩擦角的测定 1 定义 岩石的抗剪强度指岩石抵抗剪切破坏的极限强度 剪切面上的切应力 它是岩石力 学形式中的重要指标之一 粘结力 内聚力 和内摩擦角是表达岩石剪断条件的基本参数 2 方法提要 将岩样夹持在钻石机的加工平台上 用金刚石钻头钻取直径为 50 mm 的岩样 然后用 锯石机将岩样锯成高 50 mm 的圆盘体 用来做抗剪试验 加工成型的试件尺寸参数如表 2 6 所示 表表 2 6 抗剪强度试件的尺寸参数抗剪强度试件的尺寸参数 试件编号 直径 mm 高度 mm 试验方式 FS1 54 21 52 49 抗剪 FS2 54 15 51 88 抗剪 FS3 54 10 52 09 抗剪 FS4 54 38 51 78 抗剪 FS5 54 20 52 09 抗剪 在装有剪切夹具的 SANS 材料试验机下以 0 5 1 0 MPa 的速度加载直至破坏 记录此 时试验机的峰值载荷 3 结果计算 岩样试件剪切破坏面上的正应力 和剪应力 按式计算 cos10P F 2 4 sin10P F 2 5 式中 正应力 MPa 剪应力 MPa P 试件剪断破坏载荷 kN F 剪切面面积 cm2 试件与水平面的夹角 岩样试件剪切破坏面上的正应力 和剪应力 之间有以下关系 tan C 2 6 式中 tan 岩石抗剪内摩擦系数 C 岩石的粘结力 内聚力 岩样抗剪破坏计算结果见表 2 7 表 2 7 岩样抗剪破坏测定结果 试件编号 直径 mm 剪切面积 mm2 剪切角度 破坏载荷 KN 最大 正应力 Mpa 最大 剪应力 Mpa FS1 54 21 2308 07 65 31 160 5 71 12 24 FS2 54 15 2302 96 60 28 849 6 26 10 85 FS3 54 10 2298 71 55 15 391 3 84 5 48 FS4 54 38 2322 57 50 16 214 4 49 5 35 FS5 54 20 2307 22 45 24 760 7 59 7 59 由表 2 7 所得的岩样抗剪破坏面上的正应力 和抗剪强度 可得岩样的破坏强度包 络线如图 2 1 所示 图图 2 1 岩样的破坏强度包络线岩样的破坏强度包络线 由图 2 1 及式 2 6 可知 底板岩样的内聚力C 2 60 MPa 内摩擦角 45 6 2 5 主要结论 测得口孜东煤矿底板岩层各力学性能参数如下 底板岩样抗压强度R 43 3 MPa 底板 岩样抗拉强度Rt 3 52 Mpa 底板岩样弹性模量 t E 3 37 GPa 底板岩样的内聚力C 2 60 MPa 内摩擦角 45 6 2 6 主要附图 图图 2 2 FC1 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 2 3 FC2 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 2 4 FC3 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 2 5 CT1 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 2 6 CT2 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 2 7 CT3 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 2 8 CT4 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 2 9 CT5 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 2 10 FS1 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 2 11 FS2 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 2 12 FS3 载荷位移曲线载荷位移曲线 图图 2 13 FS4 载荷位移曲线载荷位移曲线 图 2 14 FS5 载荷位移曲线 专题部分参考文献 1 中华人民共和