3煤层及其顶冲击倾向性鉴定

1、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/T25217.2-2010 等试验设备：德国 WPM1000kN勺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二0一二年十月八日1 矿井概况12

2、 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

3、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 14结论151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12kni地理坐标：东经 116 31 00 116 35 30 ,北纬 35 39 00 35 41 30 ,东西长约 6.8km,南 北宽约4.6km,面积约31.4km20兖（州）新（乡）铁路横穿井田南侧，西到范泽 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

4、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 o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/ - A ：3 J中粒砂岩 1 ,砂质泥岩 1煤 泥岩 - 4 ；细砂岩图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、

5、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

6、性类别、名称及指数类别I类n类出类冲击倾向无弱强指数动态破坏时间msDT 50050 DT 500DT 50弹性能量指数Wet <22 WET5Wet 5冲击能量指数Ke<1.51.5 Ke 5Ke 5单轴抗压强度MPaRc<7 c7 Rc 14Rc 14 c备注：当DT、Wt、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

7、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、名称及指数类另II类n类出类名称无冲击倾向弱冲击倾向强冲击倾向弯曲能量指数/kJU wq w 1515<Uwq & 120U WQ >1204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 25

8、217.2-2010)、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 (|)50X 100m>65050mm和

9、650X 25mm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

10、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，

11、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另视密度/kg m-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

12、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。56+(T tg29 °212.741.32/317.630.665.410.35415.280.81/5/1.78/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38°45°53°61 °正应力剪应力正应力剪应力正应力男应力正应力男应力3煤118.7614.6612.0

13、412.048.8211.714.107.40218.4514.4117.9617.9610.8714.433.666.61319.4315.1814.0614.065.977.925.239.43416.5112.9012.8112.819.7512.942.875.19艮£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平均值18.2914.2914.2214.228.8611.753.977.155.2 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

14、理性质测试结果样另视密度/kg m-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口项目 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

15、式顶板159.097.67126.680.2219.125M9.1+ b tg25 °252.986.84/383.047.6842.120.30473.877.82/551.967.87/平均值64.197.5834.400.26底板162.375.5324.750.2216.528。46.5+(T tg28 °243.455.3018.620.34366.977.0622.140.18449.084.59/562.886.56/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）图5-3顶板试样应力-应变曲线图图5-4底

16、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50m6 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

17、指数各自特性，对各指标进行综合判定3号煤层属 于R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j 一一样 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

18、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L(mm)图5-8山东义桥煤矿3号煤层试样冲击能量曲线18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田类，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载荷/MPa弹性模量/GPa抗拉强度/M