煤巖沖擊傾向性及物理力學性質測定專題報告

煤巖沖擊傾向性及物理力學性質測定1 頂板巖層沖擊傾向性測定頂板巖層沖擊傾向性的測定關系到礦井安全生產及煤礦集團的綜合收益，隨著我國煤炭資源的開采活動逐步向深部發(fā)展，沖擊礦壓的研究也需要進一步加強。沖擊傾向性分類及指數的測定是沖擊礦壓研究中的重要環(huán)節(jié)，規(guī)范的沖擊傾向性分類及指數的測定方法是進一步推進沖擊礦壓理論研究及實踐探索的基礎。因此有必要對巖層沖擊傾向性進行定量測定。1.1.1 頂板巖層沖擊傾向性分類及指標巖石沖擊傾向性（bursting liability of rock stratum）是指巖石積蓄變形能并具有產生沖擊破壞的性質。它可用相應的物理力學指數來度量，這些指數可通過實驗室試驗測定。中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會聯(lián)合發(fā)布的沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法第一部分中，就明確規(guī)定了頂板巖層沖擊傾向性分類及指數的測定方法，并對巖石的沖擊傾向性試驗測定作了詳細說明。彎曲能量指數（bending energy index），指在均布載荷作用下，單位寬度巖梁達到極限跨度時積蓄的變形能。頂板巖層沖擊傾向性分類按彎曲能量指數的大小分 3 類，見表 1 - 1。表 1 - 1頂板巖層沖擊傾向性分類及指數類別1 類2 類3 類沖擊傾向無弱強彎曲能量指數/kJUWQ15151201.1.2 頂板巖層沖擊傾向性測定方法1）抗拉強度（tensile strength）煤或巖石在單軸拉應力作用下達到破壞時所承受的最大拉應力。使用巴西劈裂法（splitting test method; Brazilian test）測定試件的抗拉強度，即對實心圓柱體試件施加徑向壓縮線載荷至破壞，確定試件最大拉應力。試件抗拉強度按式（1 - 1）計算：Rt = (2P) (p DL)式中Rt 試件的抗拉強度，單位為兆帕（MPa）；P 試件破壞載荷，單位為牛（N）； D 試件直徑，單位為毫米（mm）； L 試件厚度，單位為毫米（mm）。（1 - 1）注：采用算術平均值計算并確定抗拉強度，計算結果取 3 位有效數字。試驗報告中列出每個試件的測值。2）巖石塊體密度（block density of rock）采用量積法測定塊體的密度，其計算公式如下：r g = Mg(F h)（1 - 2）式中r g 巖石的干塊體密度，單位為克每立方厘米（g/cm3）；Mg 試件烘干后的質量，單位為克（g）； F 試件截面積，單位為平方厘米（cm2）； h 試件的高度，單位為厘米（cm）。注：平行測定三次，取算術平均值。計算結果取三位有效數字。三次測定結果的最大差值不應超過 0.05 g/cm3，否則只能報各試件單個測值，而不報出平均值。3）彈性模量(modulus of elasticity)試件單軸受力時正應力與彈性正應變之比。彈性模量按式進行（1 - 3）計算：Et = (s b - s a )(e b - e a )（1 - 3）式中Et 彈性模量，單位為兆帕（MPa）；s b 應力一應變曲線中直線段始點的應力，單位為兆帕（MPa）；s a 應力一應變曲線中直線段終點的應力，單位為兆帕（MPa）；e b 應力一應變曲線中直線段始點的應變值；e a 應力一應變曲線中直線段終點的應變值。注：計算結果取三位有效數字，試驗報告中列出每個試件的測值。4）上覆巖層載荷計算上覆巖層載荷自煤層頂板起，自下而上，按式計算：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 單位寬度上覆巖層載荷，MPa；Ei (i = 1, 2,L, n)上覆各巖層的彈性模量，MPa；hi (i = 1, 2,L, n)上覆各巖層的厚度，m；ri (i = 1, 2,L, n)上覆各巖層的塊體密度，Kg/m3；g 重力加速度，N/Kg。當 n+1 層對第 1 層的載荷小于第 n 層對第 1 層的載荷時，計算終止，取第 n 層的計算結果。5）彎曲能量指數(bending energy index)單一頂板彎曲能量指數的計算是基于簡支梁理論假設進行的，其受力分析如圖 1 - 1 所示。q x圖 1 - 1簡支梁受力圖圖中 q 是煤層上部頂板施加給巖層的載荷，取單位寬度巖梁 b=1m。h 為待測巖層的厚度。由材料力學的知識可知簡支梁上任意點 x 處的彎矩為極限巖梁跨度為M = qLbx4Rt 3qL = h2 - qbx2 2（1 - 5）（1 - 6）把式（1 - 5）、（1 - 6）代入全巖梁的應變能公式，得出單一頂板彎曲能量指數公式：WQtU= 102.6(R )5 2 h2(q1 2 E)（1 - 7）式中UWQ 單一頂板彎曲能量指數，kJ； Rt 巖石試件的抗拉強度，Mpa； h 單一頂板厚度，m；nE 巖石試件的彈性模量，Mpa。復合頂板彎曲能量指數按式計算：UWQS = UWQii=1式中UWQS 復合頂板彎曲能量指數，kJ；UWQi 第 i 層彎曲能量指數，kJ；（1 - 8）n 頂板分層數，復合頂板厚度一般取至煤層上頂板 30m。注：UWQ 、UWQS 、UWQi 計算結果取 3 位有效數字。1.2 采樣巖樣取自口孜東煤礦頂、底板巖樣，運輸過程中采用塑料保護巖樣，防止巖樣在運輸過程中發(fā)生破裂，影響后期的實驗測定。1.3 試樣加工與試驗頂板巖層沖擊傾向性鑒定試樣加工與試驗遵照中華人民共和國國家標準沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法第一部分的規(guī)定執(zhí)行。1.3.1 試樣加工將巖樣夾持在鉆石機的加工平臺上，用金剛石鉆頭鉆取 5050100 的巖樣，用來做單向抗壓試驗；鉆取直徑為 50 mm 的巖樣，然后用鋸石機將巖樣鋸成高 25 mm 圓盤體，用來做抗拉試驗；本次試驗采用量積法來測定頂板巖層的密度，取做單向抗壓試驗的試件作為量積法測定頂板巖層密度的試件。鉆、鋸巖樣時均用水冷卻，最后在磨平機上將巖樣兩端磨平，研磨時要求試樣兩端面不平行度不得大于 0.05 mm，上下端直徑偏差不得大于 0.3 mm。共加工頂板巖樣 10 塊，有效試樣 9 塊。其中，5 塊試件用于單向抗拉；4 塊試件用于單向抗壓；在單向抗壓的試件中，取 3 件來測定頂板巖層的密度。加工成型的煤樣參數見表 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加工成型的頂板巖樣參數序號試件編號直徑/mm高度/mm實驗方式1RT150.0029.75單向抗拉2RT249.8027.66單向抗拉3RT350.0025.89單向抗拉4RT449.8027.79單向抗拉5RT550.0027.22單向抗拉6RC149.80103.10單向抗壓7RC249.70103.20單向抗壓8RC349.70105.30單向抗壓9RC449.80104.50單向抗壓頂板巖樣破壞前的實物照片見圖 1 - 2，頂板巖樣破壞后的實物照片見圖 1 - 3。圖 1 - 2頂板巖樣破壞前的實物照片1.3.2 實驗系統(tǒng)圖 1 - 3頂板巖樣破壞后的實物照片實驗加載裝置采用高精度、可控制加載速度的深圳新三思材料檢測有限公司生產的SANS 材料實驗機，用于進行煤巖加載和應力應變全過程曲線的測定。實驗系統(tǒng)如圖 1 - 4所示，這種實驗機能夠人為設定加載方式，由計算機直接控制加載的過程。1.4 試驗處理結果及分析圖 1 - 4SANS 材料試驗機1.4.1 抗拉強度（tensile strength）煤或巖石在單軸拉應力作用下達到破壞時所承受的最大拉應力。使用劈裂法（splitting test method; Brazilian test），由式（1 - 1）可以算出頂板巖石的抗拉強度，其測定結果如表 1 - 3 所示。表 1 - 3頂板巖樣抗拉強度測定結果試件編號直徑/mm厚度/mm破壞載荷/KN抗拉強度/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 巖石塊體密度（block density of rock）采用量積法測量試件的塊體密度。由式（1 - 2）可以算出頂板巖石的塊體密度，其測定結果如表 1 - 4 所示。表 1 - 4頂板巖樣密度測定結果試件編號直徑/mm高度/mm體積/cm3質量/g塊體密度/(g/cm3)平均塊體密度/(g/cm3)RC149.80103.10200.82500.862.492.47RC249.70103.20200.21495.552.48RC349.70105.30204.28499.292.441.4.3 彈性模量(modulus of elasticity)試件單軸受力時正應力與彈性正應變之比。由式（1 - 3）可以算出頂板巖石的彈性模量，其測定結果如表 1 - 5 所示。表 1 - 5頂板巖樣彈性模量測定結果試樣編號直線段始點應力值/MPa直線段終點應力值/MPa直線段始點應變值/10-3直線段終點應變值/10-3彈性模量/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 彎曲能量指數(bending energy index)綜合上述各數據代入式（1 - 7）、（1 - 8），求得頂板巖層的彎曲能量指數，如表 1 - 6所示。表 1 - 6頂板沖擊傾向性測試結果巖樣抗拉強度/MPa彈性模量/GPa距地表距離/m彎曲能指數/kJ頂板巖樣4.393.05860268沖擊傾向性強沖擊傾向1.5 主要結論1）根據巖樣沖擊傾向性指數的測定結果，測得口孜東礦送檢煤層上覆頂板的彎曲能量指數為 268 kJ，為強沖擊傾向。2）上述實驗室測定結果僅指煤層頂板巖樣自身的物理力學屬性。礦井生產過程中的實際沖擊危險性還需綜合考慮采動應力、地質構造以及其它造成應力集中的影響因素等。1.6 主要附圖圖 1 - 5RT1 載荷位移曲線圖 1 - 6RT2 載荷位移曲線圖 1 - 7RT3 載荷位移曲線圖 1 - 8RT4 載荷位移曲線圖 1 - 9RT5 載荷位移曲線圖 1 - 10RC1 載荷位移曲線圖 1 - 11RC2 載荷位移曲線圖 1 - 12RC3 載荷位移曲線圖 1 - 13RC4 載荷位移曲線2 底板巖層物理力學性質2.1 底板巖樣抗壓強度的測定1）定義巖樣抗壓強度是指巖樣試件單向受壓力作用破壞時，單位面積上所承受的荷載。2）方法提要將巖樣夾持在鉆石機的加工平臺上，用金剛石鉆頭鉆取 5050100 的試件，用來做單向抗壓試驗，加工成型的試件尺寸參數如表 2 - 1 所示。表 2 - 1抗壓強度試件的尺寸參數試件編號直徑/mm高度/mm試驗方式FC154.21100.70單向抗壓FC254.38107.30單向抗壓FC354.20108.06單向抗壓在 SANS 材料試驗機下以 0.050.1 MPa 的速度加載，直至破壞，記錄此時試驗機的峰值載荷。3）結果計算巖樣單向抗壓強度按式計算：R = P F 10式中R 試件單向抗壓強度，MPa；P 試件破壞載荷，kN；F 試件初始截面積，cm2。底板巖樣抗壓強度計算結果見表 2 - 2。表 2 - 2底板巖樣單軸抗壓強度測定結果（2 - 1）試件編號直徑/mm試件面積/cm2破壞載荷/KN抗壓強度/MpaFC154.2123.0891.05439.5FC254.3823.23102.97644.3FC354.2023.07106.19546.0平均值43.32.2 底板巖樣彈性模量的測定1）定義巖石在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關系（即符合胡克定律）,其比例系數稱為巖石的彈性模量。2）方法提要將巖樣夾持在鉆石機的加工平臺上，用金剛石鉆頭鉆取 5050100 的試件，用來做單向抗壓試驗，加工成型的試件尺寸參數如表 2 - 1 所示。繪制巖樣在單軸壓縮破壞試驗中的應力-應變曲線，尋找該曲線上的直線段 ab，求該直線的斜率即為煤樣的彈性模量。3）結果計算巖樣彈性模量按式計算：Et = (sb -sa ) (eb - ea )式中Et 彈性模量，單位為兆帕（MPa）；（2 - 2）sb 應力一應變曲線中直線段始點的應力，單位為兆帕（MPa）；sa 應力一應變曲線中直線段終點的應力，單位為兆帕（MPa）；eb 應力一應變曲線中直線段始點的應變值；ea 應力一應變曲線中直線段終點的應變值。底板巖樣彈性模量計算結果見表 2 - 3。表 2 - 3底板巖樣彈性模量測定結果試樣編號直線段始點應力值/MPa直線段終點應力值/MPa直線段始點應變值/10-3直線段終點應變值/10-3彈性模量/GpaFC128.6676.3311.9924.103.94FC219.3846.0912.1120.563.16FC315.1733.0111.5217.433.02平均值3.372.3 底板巖樣抗拉強度的測定1）定義巖石抗拉強度是指巖石試件在單向受拉條件下，破壞時的最大拉應力。2）方法提要本試驗采用劈裂法來測定巖樣的單向抗拉強度。將巖樣夾持在鉆石機的加工平臺上，用金剛石鉆頭鉆取直徑為 50 mm 的巖樣，然后用鋸石機將巖樣鋸成高 25 mm 的圓盤體，用來做抗拉試驗，加工成型的試件尺寸參數如所示表 2 - 4。表 2 4抗拉強度試件的尺寸參數試件編號直徑/mm厚度/mm試驗方式CT154.1027.71單向抗拉CT254.2027.02單向抗拉CT354.1028.70單向抗拉CT449.8025.40單向抗拉CT549.8628.85單向抗拉在 SANS 材料試驗機下以 0.030.05 MPa 的速度加載，直至破壞，記錄此時試驗機的峰值載荷。3）結果計算Rt = 2P p DL式中Rt 試件的抗拉強度，單位為兆帕（MPa）；（2 - 3）P 試件破壞載荷，單位為牛（N）； D 試件直徑，單位為毫米（mm）； L 試件厚度，單位為毫米（mm）。底板巖樣抗拉強度計算結果見表 2 - 5。表 2 - 5底板巖樣抗拉強度測定結果試件編號直徑/mm厚度/mm破壞載荷/KN抗拉強度/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 底板巖樣內聚力、內摩擦角的測定1）定義巖石的抗剪強度指巖石抵抗剪切破壞的極限強度（剪切面上的切應力），它是巖石力學形式中的重要指標之一。粘結力（內聚力）和內摩擦角是表達巖石剪斷條件的基本參數。2）方法提要將巖樣夾持在鉆石機的加工平臺上，用金剛石鉆頭鉆取直徑為 50 mm 的巖樣，然后用鋸石機將巖樣鋸成高 50 mm 的圓盤體，用來做抗剪試驗，加工成型的試件尺寸參數如表 2- 6 所示。表 2 - 6抗剪強度試件的尺寸參數試件編號直徑/mm高度/mm試驗方式FS154.2152.49抗剪FS254.1551.88抗剪FS354.1052.09抗剪FS454.3851.78抗剪FS554.2052.09抗剪在裝有剪切夾具的 SANS 材料試驗機下以 0.51.0 MPa 的速度加載直至破壞，記錄此時試驗機的峰值載荷。3）結果計算巖樣試件剪切破壞面上的正應力和剪應力按式計算：s = P F cosa 10t = P F sin a 10式中s 正應力，MPa；t 剪應力，MPa；P 試件剪斷破壞載荷，kN；（2 - 4）（2 - 5）F 剪切面面積，cm2；a 試件與水平面的夾角， o 。巖樣試件剪切破壞面上的正應力和剪應力之間有以下關系：t =s tan j +C式中tan j 巖石抗剪內摩擦系數； C 巖石的粘結力（內聚力）。巖樣抗剪破壞計算結果見表 2 - 7。表 2 - 7巖樣抗剪破壞測定結果（2 - 6）試件編號直徑/mm剪切面積/mm2剪切角度/破壞載荷/KN最大正應力/Mpa最大剪應力/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 所得的巖樣抗剪破壞面上的正應力s 和抗剪強度t ，可得巖樣的破壞強度包絡線如圖 2 - 1 所示。圖 2 - 1巖樣的破壞強度包絡線由圖 2 - 1 及式（2 - 6）可知，底板巖樣的內聚力C =2.60 MPa，內摩擦角j =45.6。2.5 主要結論測得口孜東煤礦底板巖層各力學性能參數如下：底板巖樣抗壓強度 R =43.3 MPa、底板巖樣抗拉強度 Rt =3.52 Mpa，底板巖樣彈性模量 Et =3.37 GPa。底板巖樣的內聚力C =2.60 MPa，內摩擦角j =45.6。2.6 主要附圖圖 2 - 2FC1 載荷位移曲線圖 2 - 3FC2 載荷位移曲線圖 2 - 4FC3 載荷位移曲線圖 2 - 5CT1 載荷位移曲線圖 2 - 6CT2 載荷位移曲線圖 2 - 7CT3 載荷位移曲線圖 2 8CT4 載荷位移曲線圖 2 - 9CT5 載荷位移曲線圖 2 - 10FS1 載荷位移曲線圖 2 - 11FS2 載荷位移曲線圖 2 - 12FS3 載荷位移曲線圖 2 - 13FS4 載荷位移曲線圖 2 - 14FS5 載荷位移曲線專題部分參考文獻1 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 23561.1-2009.煤和巖石物理力學性質測