煤层及其顶（冲击倾向性鉴定）

汶上义桥煤矿3煤层及其顶、底板冲击倾向性鉴定试 验 报 告煤科总院北京开采研究所岩石力学实验室天地科技股份有限公司开采设计事业部2012年10月8日委托单位：汶上义桥煤矿有限责任公司项目名称：汶上义桥煤矿3煤层及其顶、底板冲击倾向性鉴定试验标准：煤和岩石物理力学性质测定方法MT44-87、MT45-87、MT47-87、MT173-87 、GB/T 25217.1-2010 、GB/T 25217.2-2010等试验设备：德国WPM1000kN的万能试验机等试验人员：邢润娥，陈庆钊数据处理：杨磊报告编写：杨磊审 核：潘俊锋煤炭科学研究总院北京开采研究所岩石力学实验室二一二年十月八日目 录1矿井概况12采样13试验项目23.1 煤样的物理力学性质23.1.1 煤样的物理性质23.1.2 煤样的力学性质33.2 岩样的物理力学性质33.2.1 岩样的物理性质33.2.2 岩样的力学性质33.3 煤的冲击倾向性鉴定33.4 顶、底板岩层冲击倾向性鉴定34试件加工与试验54.1 试件加工54.2 试件数量54.3 试验54.3.1 试验设备与仪器54.3.2 试验方法55试验结果75.1 煤层试样物理力学性质75.1.1 煤层试样的物理性质75.1.2 煤层试样的力学性质75.2 煤层围岩试样物理力学性质85.2.1 煤层围岩试样的物理性质85.2.2 煤层围岩试样的力学性质95.3 煤层冲击倾向性鉴定125.4 顶、底板岩层冲击倾向性鉴定145.4.1 3号煤顶板冲击倾向性鉴定结果145.4.2 3号煤底板冲击倾向性鉴定结果146结论15煤科总院北京开采研究所岩石力学实验室山东汶上义桥煤矿冲击倾向性测定1 矿井概况义桥井田位于山东省汶上县义桥乡境内，距汶上县城区12km。地理坐标：东经11631001163530，北纬353900354130，东西长约6.8km，南北宽约4.6km，面积约31.4km2。兖(州)新(乡)铁路横穿井田南侧，西到菏泽与京九铁路相连，至新乡与京广铁路相接，东至兖州与京沪铁路线和兖(州)石(臼所)铁路连通。兖(州)汶(上)公路横贯井田区东北侧，公路四通八达，交通十分方便。图1-1为义桥井田的交通位置图。图1-1 交通位置图2 采样本次实验采样进行冲击倾向性鉴定及常规物理、力学性质测定。为保证测定结果的准确性，选取两个地方进行采样，具体采样位置见图2-1。测定的煤岩层为3号煤层及其顶底板岩层，图2-2为3煤层顶底板地质柱状图。图2-1 取样位置图图2-2 3煤层地质柱状图3 试验项目3.1 煤样的物理力学性质3.1.1 煤样的物理性质分别测试3号煤层试样的视密度和含水率。3.1.2 煤样的力学性质分别测试3号煤层试样的单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、变角剪强度、粘结力和内摩擦角。3.2 岩样的物理力学性质3.2.1 岩样的物理性质 分别测试3号煤层围岩试样的视密度和含水率。3.2.2 岩样的力学性质分别测试3号煤层围岩试样的单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、变角剪强度、粘结力和内摩擦角。3.3 煤的冲击倾向性鉴定分别测试3号煤层试样的动态破坏时间、弹性能量指数和冲击能量指数等，依此判定义桥煤矿3号煤层的冲击倾向性。煤的冲击倾向性的鉴定遵照中华人民共和国标准煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法（GB/T 25217.2-2010），根据送检煤样测试及计算数据进行评判。表3-1是判定煤的冲击倾向性类别的依据。表3-1 煤的冲击倾向性类别、名称及指数类别类类类冲击倾向无弱强指数动态破坏时间ms弹性能量指数2255冲击能量指数1.51.555单轴抗压强度MPa771414备注：当DT、WET、KE、UCS的测定值发生矛盾时，应增加试件数量，其分类可采用模糊综合评判的方法或概率统计的方法。3.4 顶、底板岩层冲击倾向性鉴定测试3号煤层顶、底板岩层的弯曲强度，依此计算其弯曲能量指数及复合顶板弯曲能量指数，判定3号煤层顶、底板的冲击倾向性。岩层的冲击倾向性鉴定遵照中华人民共和国煤炭行业标准顶板岩层冲击倾向分类及指数的测定方法（GB/T 25217.1-2010），根据送检岩样测试及计算数据进行评判。表3-2是判定岩层冲击倾向性类别的依据，底板岩层冲击倾向性参照顶板岩层计算方法确定。表3-2 顶板岩层冲击倾向性类别、名称及指数类 别类类类名 称无冲击倾向弱冲击倾向强冲击倾向弯曲能量指数/kJ15151204 试件加工与试验试件加工与试验遵照中华人民共和国煤炭行业标准煤和岩石物理力学性质测定方法MT44-87、MT45-87、MT47-87、MT173-87及煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法（GB/T 25217.2-2010）、顶板岩层冲击倾向分类及指数的测定方法（GB/T 25217.1-2010）的规定执行。4.1 试件加工首先将煤、岩块夹持在钻石机的加工平台上，用金刚石钻头钻取直径为50mm煤、岩试样。然后用锯石机将煤、岩试样锯成高100mm和25mm左右的圆柱体。钻和锯煤、岩试件时用水冷却。最后在磨平机上将煤、岩试件两端磨平，研磨时要求试件两端面不平行度不得大于0.01mm，上、下端直径的偏差不得大于0.2mm，并用乳化液冷却。4.2 试件数量试件尺寸及数量，根据合同规定的测定指标，按煤、岩性质，测定方法的规定执行。试件尺寸分别为50100mm、5050mm和5025mm，共加工煤岩样试件116块。4.3 试验4.3.1 试验设备与仪器试验设备有WPM25kN的德国材料试验机、德国WPM1000kN的万能试验机。测试设备有采集速度为0.1ms的高速计算机数据采集处理系统、MDG动态电阻应变仪、KC型静态电阻应变仪及配套的载荷和位移传感器。4.3.2 试验方法（1）力学性质测试方法试件的单轴抗拉强度采用巴西法间接测定，试验是在WPM25kN的德国材料试验机上进行。试件的单轴抗压强度及弹性模量、泊松比的测定是在德国WPM1000kN的万能试验机上进行的。（2）煤动态破坏时间、弹性能量指数和冲击能量指数测定方法a动态破坏时间用载荷传感器测量试件承受的载荷，直至试件破坏。测得的信号通过动态电阻应变仪传给0.1ms级的计算机数据采集处理系统，该系统根据测得数据，直接绘出相应的动态破坏时间曲线，并可将曲线图中最大破坏载荷的关键处放大，精确地给试件的动态破坏时间（DT值）。b 弹性能量指数用载荷传感器测量试件承受的载荷，用位移传感器测量试件的轴向变形，直至试件破坏。测得的信号，由计算机数据采集系统记录、贮存，并直接绘出弹性能量指数计算图，再由计算机直接积分出弹性应变能值和总应变能值。c冲击能量指数用载荷传感器测量试件承受的载荷，用位移传感器测量试件的全程轴向变形，用0.1ms级高速计算机数据采集处理系统采集测得的数据，并根据测试数据给出试件的全应力应变曲线图，再按标准要求由计算机积分出峰值前积聚的变形能和峰值后耗损变形能。5 试验结果5.1 煤层试样物理力学性质5.1.1 煤层试样的物理性质山东义桥煤矿3号煤层试样物理性质测定结果见表5-1。表5-1 山东义桥煤矿3号煤层试样的物理性质测试结果样 别视密度 /kgm-3含水率%3煤11346.452.7021348.203.1431364.403.06平均值13532.975.1.2 煤层试样的力学性质山东义桥煤矿3号煤层试样的力学性质测定结果见表5-2、5-3。图5-1、5-2是山东义桥煤矿3号煤层试样的应力-应变曲线图和强度曲线图。表5-2 山东义桥煤矿3号煤层试样的力学性质测试结果项 目样别单向抗压强度/MPa单向抗拉强度/MPa弹性模量/GPa泊松比粘结力/MPa内摩擦角/强度公式3煤112.230.705.340.315.629=5.6+tg29212.741.32/317.630.665.410.35415.280.81/5/1.78/平均值14.471.055.380.33表5-3 山东义桥煤矿3煤层试样抗剪切强度测试结果(MPa) 项 目样 别38455361正应力剪应力正应力剪应力正应力剪应力正应力剪应力3煤118.7614.6612.0412.048.8211.714.107.40218.4514.4117.9617.9610.8714.433.666.61319.4315.1814.0614.065.977.925.239.43416.5112.9012.8112.819.7512.942.875.19平均值18.2914.2914.2214.228.8611.753.977.15图5-1 3号煤层试样应力-应变曲线图图5-2 3号煤层试样强度曲线图5.2 煤层围岩试样物理力学性质5.2.1 煤层围岩试样的物理性质山东义桥煤矿3号煤层围岩试样物理性质测定结果见表5-3。表5-3 山东义桥煤矿3号煤层围岩试样物理性质测试结果样 别视密度 /kgm-3含水率%顶板12549.660.6822535.620.7232520.460.97平均值25350.79底板12541.860.8022546.040.8832555.550.87平均值25480.855.2.2 煤层围岩试样的力学性质山东义桥煤矿3号煤层围岩试样的力学性质测定结果见表5-4、5-5。图5-3至5-6是山东义桥煤矿3号煤层围岩试样的应力-应变曲线图和强度曲线图。表5-4 山东义桥煤矿3号煤层围岩试样力学性质测试结果项 目 样 别单向抗压强度/MPa单向抗拉强度/MPa弹性模量/GPa泊松比粘结力/MPa内摩擦角/强度公式顶板159.097.6726.680.2219.125=19.1+tg25252.986.84/383.047.6842.120.30473.877.82/551.967.87/平均值64.197.5834.400.26底板162.375.5324.750.2216.528=16.5+tg28243.455.3018.620.34366.977.0622.140.18449.084.59/562.886.56/平均值56.955.8121.840.25表5-6 山东义桥煤矿3煤层围岩抗剪切强度测试结果(MPa) 项 目样 别 38455361正应力剪应力正应力剪应力正应力剪应力正应力剪应力顶板150.9739.8243.2143.2124.9933.1614.7426.59258.7545.9040.0840.0823.2730.8710.0218.08353.0641.4541.0841.0823.7831.5615.1027.23456.7444.3335.3635.3622.6430.0513.2023.81平均值54.8842.8839.9339.9323.6731.4113.2623.93底板155.7743.5740.0040.0032.2442.7812.0521.74259.1846.2431.1531.1523.9331.758.1014.61348.1637.6234.9334.9328.3537.6210.3918.74457.9745.2935.1435.1426.1734.7211.6420.99平均值55.2743.1835.3135.3127.6736.7210.5419.02图5-3 顶板试样应力-应变曲线图图5-4 底板试样应力-应变曲线图图5-5 顶板试样强度曲线图图5-6 底板试样强度曲线图5.3 煤层冲击倾向性鉴定山东义桥煤矿3号煤层试样动态破坏时间，冲击能量指数和弹性能量指数等测定结果见表5-7。 山东义桥煤矿3号煤层试样的动态破坏时间测试平均值为161ms，大于50ms，小于500ms，按标准中的判断指标应为弱冲击倾向性；冲击能量指数的测试平均值为1.38，小于1.5，按标准的判断指标应为无冲击倾向性；弹性能量指数的测试平均值为2.28，大于2，小于5，按标准的判断指标应为弱冲击倾向性；单轴抗压强度的测试平均值为14.47，大于14，按标准的判断指标应为强冲击倾向性。根据判定煤层冲击倾向性4个指数各自特性，对各指标进行综合判定3号煤层属于类，为具有弱冲击倾向性的煤层。图5-7是山东义桥煤矿3号煤层试样的动态破坏时间曲线，图5-8是3号煤层试样的冲击能量曲线，图5-9是3号煤层试样的弹性能量曲线。表5-7 山东义桥煤矿3号煤层试样冲击倾向性各项指数测定结果 样 别煤样编号动态破坏时间DT/ms冲击能量指数/KE弹性能量指数/WET单轴抗压强度Rc/MPa3煤1581.60/12.232652.112.2912.7432161.081.8617.6343281.163.2415.2851360.961.71/平均值1611.382.2814.47冲击倾向性判定结果弱冲击倾向性无冲击倾向性弱冲击倾向性强冲击倾向性图5-7 山东义桥煤矿3号煤层试样动态破坏时间曲线图5-8 山东义桥煤矿3号煤层试样冲击能量曲线图5-9 山东义桥煤矿3号煤层试样弹性能量曲线5.4 顶、底板岩层冲击倾向性鉴定5.4.1 3号煤顶板冲击倾向性鉴定结果表5-8为义桥煤矿3号煤顶板岩层弯曲能量计算结果，根据标准可用抗拉强度代替抗弯强度。义桥煤矿3号煤顶板岩层弯曲能量指数为272.23kJ，大于120kJ，按国家标准GB/T 25217.1-2010所示规定，该煤层顶板岩层应属类，为具有强冲击倾向性的顶板岩层。表5-8 3号煤顶板岩层弯曲能量 项 目样 别