3煤層及其頂(沖擊傾向性鑒定)

汶上義橋煤礦 3煤層及其頂、底板沖擊傾向性鑒定試驗報告煤科總院北京開采研究所巖石力學實驗室天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部2012年10月8日委托單位：汶上義橋煤礦有限責任公司項目名稱：汶上義橋煤礦 3煤層及其頂、底板沖擊傾向性鑒定試驗標準： 《煤和巖石物理力學性質測定方法》 MT44-87、MT45-87、MT47-87、MT173-87、GB/T25217.1-2010、GB/T25217.2-2010等試驗設備：德國 WPM1000kN的萬能試驗機等試驗人員：邢潤娥，陳慶釗數(shù)據(jù)處理：楊磊報告編寫：楊磊審核：潘俊鋒煤炭科學研究總院北京開采研究所巖石力學實驗室二〇一二年十月八日TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"礦井概況 1\o"CurrentDocument"采樣 1\o"CurrentDocument"試驗項目 2\o"CurrentDocument"煤樣的物理力學性質 2\o"CurrentDocument"煤樣的物理性質 2\o"CurrentDocument"煤樣的力學性質 3\o"CurrentDocument"巖樣的物理力學性質 3\o"CurrentDocument"巖樣的物理性質 3\o"CurrentDocument"巖樣的力學性質 3\o"CurrentDocument"煤的沖擊傾向性鑒定 3\o"CurrentDocument"頂、底板巖層沖擊傾向性鑒定 3\o"CurrentDocument"試件加工與試驗 5\o"CurrentDocument"試件加工 5\o"CurrentDocument"試件數(shù)量 5\o"CurrentDocument"試驗 5\o"CurrentDocument"試驗設備與儀器 5\o"CurrentDocument"試驗方法 5\o"CurrentDocument"試驗結果 7\o"CurrentDocument"煤層試樣物理力學性質 7煤層試樣的物理性質 7\o"CurrentDocument"煤層試樣的力學性質 7煤層圍巖試樣物理力學性質 8煤層圍巖試樣的物理性質 8煤層圍巖試樣的力學性質 9\o"CurrentDocument"煤層沖擊傾向性鑒定 12\o"CurrentDocument"頂、底板巖層沖擊傾向性鑒定 14\o"CurrentDocument"3 號煤頂板沖擊傾向性鑒定結果 14結論15礦井概況義橋井田位于山東省汶上縣義橋鄉(xiāng)境內，距汶上縣城區(qū) 12km。地理坐標：東經(jīng)1163100～1163530，北緯353900～354130，東西長約 6.8km，南北寬約 4.6km，面積約 31.4km2。兗 （州）～新（鄉(xiāng)）鐵路橫穿井田南側，西到菏澤與京九鐵路相連， 至新鄉(xiāng)與京廣鐵路相接， 東至兗州與京滬鐵路線和兗 （州）石（臼所）鐵路連通。兗 （州）汶（上）公路橫貫井田區(qū)東北側，公路四通八達，交通十分方便。圖 1-1為義橋井田的交通位置圖。1-1交通位置圖采樣本次實驗采樣進行沖擊傾向性鑒定及常規(guī)物理、 力學性質測定。 為保證測定結果的準確性，選取兩個地方進行采樣，具體采樣位置見圖 2-1。測定的煤巖層為3號煤層及其頂?shù)装鍘r層，圖 2-2為3煤層頂?shù)装宓刭|柱狀圖。2-1取樣位置圖中粒砂巖砂質泥巖煤泥巖細砂巖2-23煤層地質柱狀圖3試驗項目3.1煤樣的物理力學性質3.1.1煤樣的物理性質3.1.2煤樣的力學性質分別測試 3號煤層試樣的單軸抗拉強度、 單軸抗壓強度、 彈性模量、 泊松比、變角剪強度、粘結力和內摩擦角。巖樣的物理力學性質巖樣的物理性質分別測試 3號煤層圍巖試樣的視密度和含水率。巖樣的力學性質分別測試 3號煤層圍巖試樣的單軸抗拉強度、 單軸抗壓強度、 彈性模量、 泊松比、變角剪強度、粘結力和內摩擦角。煤的沖擊傾向性鑒定分別測試 3號煤層試樣的動態(tài)破壞時間、彈性能量指數(shù)和沖擊能量指數(shù)等，依此判定義橋煤礦 3號煤層的沖擊傾向性。煤的沖擊傾向性的鑒定遵照中華人民共和國標準 《煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》 (GB/T25217.2-2010)，根據(jù)送檢煤樣測試及計算數(shù)據(jù)進行評判。表3-1是判定煤的沖擊傾向性類別的依據(jù)。表3-1煤的沖擊傾向性類別、名稱及指數(shù)類別Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類沖擊傾向無弱強指數(shù)動態(tài)破壞時間msDT50050DT500DT50彈性能量指數(shù)WET<22WET 5WET5沖擊能量指數(shù)KE<1.51.5KE5KE 5單軸抗壓強度MPaRc<7c7Rc14Rc14c備注：當 DT、WET、KE、UCS的測定值發(fā)生矛盾時，應增加試件數(shù)量，其分類可采用模糊綜合評判的方法或概率統(tǒng)計的方法。頂、底板巖層沖擊傾向性鑒定板彎曲能量指數(shù)，判定 3號煤層頂、底板的沖擊傾向性。巖層的沖擊傾向性鑒定遵照中華人民共和國煤炭行業(yè)標準 《頂板巖層沖擊傾向分類及指數(shù)的測定方法》 (GB/T25217.1-2010)，根據(jù)送檢巖樣測試及計算數(shù)據(jù)進行評判。表 3-2是判定巖層沖擊傾向性類別的依據(jù)，底板巖層沖擊傾向性參照頂板巖層計算方法確定。表3-2頂板巖層沖擊傾向性類別、名稱及指數(shù)類別Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類名稱無沖擊傾向弱沖擊傾向強沖擊傾向彎曲能量指數(shù) /kJUWQ≤1515<UWQ≤120UWQ>1204試件加工與試驗試件加工與試驗遵照中華人民共和國煤炭行業(yè)標準 《煤和巖石物理力學性質測定方法》 MT44-87、MT45-87、MT47-87、MT173-87及《煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》 (GB/T25217.2-2010)、《頂板巖層沖擊傾向分類及指數(shù)的測定方法》(GB/T25217.1-2010)的規(guī)定執(zhí)行。試件加工首先將煤、巖塊夾持在鉆石機的加工平臺上，用金剛石鉆頭鉆取直徑為50mm煤、巖試樣。然后用鋸石機將煤、巖試樣鋸成高 100mm和25mm左右的圓柱體。鉆和鋸煤、 巖試件時用水冷卻。 最后在磨平機上將煤、 巖試件兩端磨平，研磨時要求試件兩端面不平行度不得大于 0.01mm，上、下端直徑的偏差不得大于0.2mm，并用乳化液冷卻。試件數(shù)量試件尺寸及數(shù)量，根據(jù)合同規(guī)定的測定指標，按煤、巖性質，測定方法的規(guī)定執(zhí)行。試件尺寸分別為 φ50×10m0m、φ50×50mm和φ50×25m，共加工煤巖m樣試件116塊。試驗試驗設備與儀器試驗設備有 WPM25kN的德國材料試驗機、德國 WPM1000kN的萬能試驗機。測試設備有采集速度為 0.1ms的高速計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、 MDG動態(tài)電阻應變儀、 KC型靜態(tài)電阻應變儀及配套的載荷和位移傳感器。試驗方法(1)力學性質測試方法試件的單軸抗拉強度采用巴西法間接測定，試驗是在 WPM25kN的德國材料試驗機上進行。試件的單軸抗壓強度及彈性模量、泊松比的測定是在德國WPM1000kN的萬能試驗機上進行的。（2）煤動態(tài)破壞時間、彈性能量指數(shù)和沖擊能量指數(shù)測定方法a．動態(tài)破壞時間用載荷傳感器測量試件承受的載荷， 直至試件破壞。 測得的信號通過動態(tài)電阻應變儀傳給 0.1ms級的計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)， 該系統(tǒng)根據(jù)測得數(shù)據(jù)， 直接繪出相應的動態(tài)破壞時間曲線， 并可將曲線圖中最大破壞載荷的關鍵處放大， 精確地給試件的動態(tài)破壞時間（ DT值）。b．彈性能量指數(shù)用載荷傳感器測量試件承受的載荷， 用位移傳感器測量試件的軸向變形， 直至試件破壞。測得的信號，由計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄、貯存，并直接繪出彈性能量指數(shù)計算圖，再由計算機直接積分出彈性應變能值和總應變能值。c．沖擊能量指數(shù)用載荷傳感器測量試件承受的載荷，用位移傳感器測量試件的全程軸向變形，用0.1ms級高速計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集測得的數(shù)據(jù)， 并根據(jù)測試數(shù)據(jù)給出試件的全應力應變曲線圖， 再按標準要求由計算機積分出峰值前積聚的變形能和峰值后耗損變形能。試驗結果煤層試樣物理力學性質煤層試樣的物理性質山東義橋煤礦 3號煤層試樣物理性質測定結果見表 5-1表5-1山東義橋煤礦 3號煤層試樣的物理性質測試結果樣別視密度 /kg·m-3含水率 %3煤11346.452.7021348.203.1431364.403.06平均值13532.97煤層試樣的力學性質山東義橋煤礦 3號煤層試樣的力學性質測定結果見表 5-2、5-3。圖5-1、5-2是山東義橋煤礦 3號煤層試樣的應力 -應變曲線圖和強度曲線圖。表5-2山東義橋煤礦 3號煤層試樣的力學性質測試結果項目樣別單向抗壓強度/MPa單向抗拉強度/MPa彈性模量/GPa泊松比粘結力/MPa內摩擦角/°強度公式3煤112.230.705.340.315.629τ=5.6+σtg29°212.741.32//317.630.665.410.35415.280.81//5/1.78//平均值14.471.055.380.33表5-3山東義橋煤礦 3煤層試樣抗剪切強度測試結果 (MPa)項目樣別38°45°53°61°正應力剪應力正應力剪應力正應力剪應力正應力剪應力3煤118.7614.6612.0412.048.8211.714.107.40218.4514.4117.9617.9610.8714.433.666.61319.4315.1814.0614.065.977.925.239.43416.5112.9012.8112.819.7512.942.875.195-13號煤層試樣應力 -應變曲線圖5-13號煤層試樣應力 -應變曲線圖平均值18.2914.2914.2214.228.8611.753.977.15圖5-23號煤層試樣強度曲線圖煤層圍巖試樣物理力學性質煤層圍巖試樣的物理性質3號煤層圍巖試樣物理性質測定結果見表5-3。3號煤層圍巖試樣物理性質測定結果見表樣別視密度 /kg·m-3含水率 %頂板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煤層圍巖試樣的力學性質3號煤層圍巖試樣的力學性質測定結果見表 5-4、5-5。圖5-3至5-6是山東義橋煤礦 3號煤層圍巖試樣的應力 -應變曲線圖和強度曲線圖。表5-4山東義橋煤礦 3號煤層圍巖試樣力學性質測試結果項目樣別單向抗壓強度/MPa單向抗拉強度/MPa彈性模量/GPa泊松比粘結力/MPa內摩擦角/°強度公式頂板159.097.6726.680.2219.125τ=19.1+σtg25°252.986.84//383.047.6842.120.30473.877.82//551.967.87//平均值64.197.5834.400.26底板162.375.5324.750.2216.528τ=16.5+σtg28°243.455.3018.620.34366.977.0622.140.18449.084.59//562.886.56//平均值56.955.8121.840.25με5-4底板試樣應力 -應變曲線圖5-6底板試樣強度曲線圖煤層沖擊傾向性鑒定山東義橋煤礦 3號煤層試樣動態(tài)破壞時間， 沖擊能量指數(shù)和彈性能量指數(shù)等測定結果見表 5-7。山東義橋煤礦 3號煤層試樣的動態(tài)破壞時間測試平均值為 161ms，大于 50ms，小于 500ms，按標準中的判斷指標應為弱沖擊傾向性；沖擊能量指數(shù)的測試平均值為 1.38，小于 1.5，按標準的判斷指標應為無沖擊傾向性； 彈性能量指數(shù)的測試平均值為 2.28，大于 2，小于 5，按標準的判斷指標應為弱沖擊傾向性；單軸抗壓強度的測試平均值為 14.47，大于 14，按標準的判斷指標應為強沖擊傾向性。根據(jù)判定煤層沖擊傾向性 4個指數(shù)各自特性， 對各指標進行綜合判定 3號煤層屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的煤層。圖5-7是山東義橋煤礦 3號煤層試樣的動態(tài)破壞時間曲線， 圖5-8是3號煤層試樣的沖擊能量曲線，圖 5-9是3號煤層試樣的彈性能量曲線。

表5-7山東義橋煤礦 3號煤層試樣沖擊傾向性各項指數(shù)測定結果樣別煤樣編號動態(tài)破壞時間DT/ms沖擊能量指數(shù)/KE彈性能量指數(shù)/WET單軸抗壓強度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沖擊傾向性判定結果弱沖擊傾向性無沖擊傾向性弱沖擊傾向性強沖擊傾向性5-7山東義橋煤礦5-7山東義橋煤礦3號煤層試樣動態(tài)破壞時間曲線L(mm)L(mm)185-9山東義橋煤礦 3號煤層試樣彈性能量曲線頂、底板巖層沖擊傾向性鑒定3號煤頂板沖擊傾向性鑒定結果表5-8為義橋煤礦 3號煤頂板巖層彎曲能量計算結果， 根據(jù)標準可用抗拉強度代替抗彎強度。義橋煤礦 3號煤頂板巖層彎曲能量指數(shù)為 272.23kJ，大于 120kJ，按國家標準GB/T25217.