煤岩冲击倾向性及物理力学性质测定专题报告

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 1 - 1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/kJUWQ15151201.1.2 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：Rt = (2P) (p DL)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）。（1 - 1）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：r g = Mg(F h)（1 - 2）式中r g 岩石的干块体密度，单位为克每立方厘米（g/cm3）；Mg 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：Et = (s b - s a )(e b - e a )（1 - 3）式中Et 弹性模量，单位为兆帕（MPa）；s b 应力一应变曲线中直线段始点的应力，单位为兆帕（MPa）；s a 应力一应变曲线中直线段终点的应力，单位为兆帕（MPa）；e b 应力一应变曲线中直线段始点的应变值；e 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：1 11 12 2q = 10-6 E h 3 g (r h + r h+L + r h )(E h 3 + E h 3 +L + E h 3 ) （1 - 4）n n1 12 2n n式中q 单位宽度上覆岩层载荷，MPa；Ei (i = 1, 2,L, n)上覆各岩层的弹性模量，MPa；hi (i = 1, 2,L, n)上覆各岩层的厚度，m；ri (i = 1, 2,L, n)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。q x图 1 - 1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 处的弯矩为极限岩梁跨度为M = qLbx4Rt 3qL = h2 - qbx2 2（1 - 5）（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：WQtU= 102.6(R )5 2 h2(q1 2 E)（1 - 7）式中UWQ 单一顶板弯曲能量指数，kJ； Rt 岩石试件的抗拉强度，Mpa； h 单一顶板厚度，m；nE 岩石试件的弹性模量，Mpa。复合顶板弯曲能量指数按式计算：UWQS = UWQii=1式中UWQS 复合顶板弯曲能量指数，kJ；UWQi 第 i 层弯曲能量指数，kJ；（1 - 8）n 顶板分层数，复合顶板厚度一般取至煤层上顶板 30m。注：UWQ 、UWQS 、UWQi 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 试样加工将岩样夹持在钻石机的加工平台上，用金刚石钻头钻取 5050100 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 1 - 2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1RT150.0029.75单向抗拉2RT249.8027.66单向抗拉3RT350.0025.89单向抗拉4RT449.8027.79单向抗拉5RT550.0027.22单向抗拉6RC149.80103.10单向抗压7RC249.70103.20单向抗压8RC349.70105.30单向抗压9RC449.80104.50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 1 - 2顶板岩样破坏前的实物照片1.3.2 实验系统图 1 - 3顶板岩样破坏后的实物照片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。1.4 试验处理结果及分析图 1 - 4SANS 材料试验机1.4.1 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 1 - 3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/MpaRT150.0029.759.1433.91RT249.8027.669.3614.33RT350.0025.8911.4325.62RT449.8027.799.2774.27RT550.0027.228.1653.82平均值4.391.4.2 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 1 - 4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)RC149.80103.10200.82500.862.492.47RC249.70103.20200.21495.552.48RC349.70105.30204.28499.292.441.4.3 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。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 1 - 5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/GpaRC111.4527.936.9112.343.03RC26.6016.064.537.902.81RC315.2834.978.6714.543.36RC410.4824.728.0212.773.00平均值3.051.4.4 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 1 - 6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4.393.05860268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 1 - 5RT1 载荷位移曲线图 1 - 6RT2 载荷位移曲线图 1 - 7RT3 载荷位移曲线图 1 - 8RT4 载荷位移曲线图 1 - 9RT5 载荷位移曲线图 1 - 10RC1 载荷位移曲线图 1 - 11RC2 载荷位移曲线图 1 - 12RC3 载荷位移曲线图 1 - 13RC4 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 5050100 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 2 - 1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FC154.21100.70单向抗压FC254.38107.30单向抗压FC354.20108.06单向抗压在 SANS 材料试验机下以 0.050.1 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：R = P F 10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 2 - 2底板岩样单轴抗压强度测定结果（2 - 1）试件编号直径/mm试件面积/cm2破坏载荷/KN抗压强度/MpaFC154.2123.0891.05439.5FC254.3823.23102.97644.3FC354.2023.07106.19546.0平均值43.32.2 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 5050100 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：Et = (sb -sa ) (eb - ea )式中Et 弹性模量，单位为兆帕（MPa）；（2 - 2）sb 应力一应变曲线中直线段始点的应力，单位为兆帕（MPa）；sa 应力一应变曲线中直线段终点的应力，单位为兆帕（MPa）；eb 应力一应变曲线中直线段始点的应变值；ea 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 2 - 3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/GpaFC128.6676.3311.9924.103.94FC219.3846.0912.1120.563.16FC315.1733.0111.5217.433.02平均值3.372.3 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 2 4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CT154.1027.71单向抗拉CT254.2027.02单向抗拉CT354.1028.70单向抗拉CT449.8025.40单向抗拉CT549.8628.85单向抗拉在 SANS 材料试验机下以 0.030.05 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Rt = 2P p DL式中Rt 试件的抗拉强度，单位为兆帕（MPa）；（2 - 3）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 2 - 5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/MpaCT154.1027.717.3333.11CT254.2027.027.7133.35CT354.1028.707.9253.25CT449.8025.408.8544.46CT549.8628.857.7113.41平均值3.522.4 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 2 - 6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FS154.2152.49抗剪FS254.1551.88抗剪FS354.1052.09抗剪FS454.3851.78抗剪FS554.2052.09抗剪在装有剪切夹具的 SANS 材料试验机下以 0.51.0 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：s = P F cosa 10t = P F sin a 10式中s 正应力，MPa；t 剪应力，MPa；P 试件剪断破坏载荷，kN；（2 - 4）（2 - 5）F 剪切面面积，cm2；a 试件与水平面的夹角， o 。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：t =s tan j +C式中tan j 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（2 - 6）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/MpaFS154.212308.076531.1605.7112.24FS254.152302.966028.8496.2610.85FS354.102298.715515.3913.845.48FS454.382322.575016.2144.495.35FS554.202307.224524.7607.597.59由表 2 - 7 所得的岩样抗剪破坏面上的正应力s 和抗剪强度t ，可得岩样的破坏强度包络线如图 2 - 1 所示。图 2 - 1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j =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 Et =3.37 GPa。底板岩样的内聚力C =2.60 MPa，内摩擦角j =45.6。2.6 主要附图图 2 - 2FC1 载荷位移曲线图 2 - 3FC2 载荷位移曲线图 2 - 4FC3 载荷位移曲线图 2 - 5CT1 载荷位移曲线图 2 - 6CT2 载荷位移曲线图 2 - 7CT3 载荷位移曲线图 2 8CT4 载荷位移曲线图 2 - 9CT5 载荷位移曲线图 2 - 10FS1 载荷位移曲线图 2 - 11FS2 载荷位移曲线图 2 - 12FS3 载荷位移曲线图 2 - 13FS4 载荷位移曲线图 2 - 14FS5 载荷位移曲线专题部分参考文献1 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 23561.1-2009.煤和岩石物理力学性质测