煤巖沖擊傾向性及物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定1 頂板巖層沖擊傾向性測(cè)定頂板巖層沖擊傾向性的測(cè)定關(guān)系到礦井安全生產(chǎn)及煤礦集團(tuán)的綜合收益，隨著我國(guó)煤炭資源的開采活動(dòng)逐步向深部發(fā)展，沖擊礦壓的研究也需要進(jìn)一步加強(qiáng)。沖擊傾向性分類及指數(shù)的測(cè)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(shù)的測(cè)定方法是進(jìn)一步推進(jìn)沖擊礦壓理論研究及實(shí)踐探索的基礎(chǔ)。因此有必要對(duì)巖層沖擊傾向性進(jìn)行定量測(cè)定。1.1.1 頂板巖層沖擊傾向性分類及指標(biāo)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(chǎn)生沖擊破壞的性質(zhì)。它可用相應(yīng)的物理力學(xué)指數(shù)來(lái)度量，這些指數(shù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)定。中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)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(shù)的測(cè)定方法，并對(duì)巖石的沖擊傾向性試驗(yàn)測(cè)定作了詳細(xì)說(shuō)明。彎曲能量指數(shù)（bending energy index），指在均布載荷作用下，單位寬度巖梁達(dá)到極限跨度時(shí)積蓄的變形能。頂板巖層沖擊傾向性分類按彎曲能量指數(shù)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(shù)類別1 類2 類3 類沖擊傾向無(wú)弱強(qiáng)彎曲能量指數(shù)/kJUWQ15151201.1.2 頂板巖層沖擊傾向性測(cè)定方法1）抗拉強(qiáng)度（tensile strength）煤或巖石在單軸拉應(yīng)力作用下達(dá)到破壞時(shí)所承受的最大拉應(yīng)力。使用巴西劈裂法（splitting test method; Brazilian test）測(cè)定試件的抗拉強(qiáng)度，即對(duì)實(shí)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(yīng)力。試件抗拉強(qiáng)度按式（1 - 1）計(jì)算：Rt = (2P) (p DL)式中Rt 試件的抗拉強(qiáng)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(shù)平均值計(jì)算并確定抗拉強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果取 3 位有效數(shù)字。試驗(yàn)報(bào)告中列出每個(gè)試件的測(cè)值。2）巖石塊體密度（block density of rock）采用量積法測(cè)定塊體的密度，其計(jì)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(zhì)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(cè)定三次，取算術(shù)平均值。計(jì)算結(jié)果取三位有效數(shù)字。三次測(cè)定結(jié)果的最大差值不應(yīng)超過(guò) 0.05 g/cm3，否則只能報(bào)各試件單個(gè)測(cè)值，而不報(bào)出平均值。3）彈性模量(modulus of elasticity)試件單軸受力時(shí)正應(yīng)力與彈性正應(yīng)變之比。彈性模量按式進(jìn)行（1 - 3）計(jì)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(yīng)力一應(yīng)變曲線中直線段始點(diǎn)的應(yīng)力，單位為兆帕（MPa）；s a 應(yīng)力一應(yīng)變曲線中直線段終點(diǎn)的應(yīng)力，單位為兆帕（MPa）；e b 應(yīng)力一應(yīng)變曲線中直線段始點(diǎn)的應(yīng)變值；e a 應(yīng)力一應(yīng)變曲線中直線段終點(diǎn)的應(yīng)變值。注：計(jì)算結(jié)果取三位有效數(shù)字，試驗(yàn)報(bào)告中列出每個(gè)試件的測(cè)值。4）上覆巖層載荷計(jì)算上覆巖層載荷自煤層頂板起，自下而上，按式計(jì)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(dāng) n+1 層對(duì)第 1 層的載荷小于第 n 層對(duì)第 1 層的載荷時(shí)，計(jì)算終止，取第 n 層的計(jì)算結(jié)果。5）彎曲能量指數(shù)(bending energy index)單一頂板彎曲能量指數(shù)的計(jì)算是基于簡(jiǎn)支梁理論假設(shè)進(jìn)行的，其受力分析如圖 1 - 1 所示。q x圖 1 - 1簡(jiǎn)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(cè)巖層的厚度。由材料力學(xué)的知識(shí)可知簡(jiǎn)支梁上任意點(diǎn) 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(yīng)變能公式，得出單一頂板彎曲能量指數(shù)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(shù)，kJ； Rt 巖石試件的抗拉強(qiáng)度，Mpa； h 單一頂板厚度，m；nE 巖石試件的彈性模量，Mpa。復(fù)合頂板彎曲能量指數(shù)按式計(jì)算：UWQS = UWQii=1式中UWQS 復(fù)合頂板彎曲能量指數(shù)，kJ；UWQi 第 i 層彎曲能量指數(shù)，kJ；（1 - 8）n 頂板分層數(shù)，復(fù)合頂板厚度一般取至煤層上頂板 30m。注：UWQ 、UWQS 、UWQi 計(jì)算結(jié)果取 3 位有效數(shù)字。1.2 采樣巖樣取自口孜東煤礦頂、底板巖樣，運(yùn)輸過(guò)程中采用塑料保護(hù)巖樣，防止巖樣在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生破裂，影響后期的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。1.3 試樣加工與試驗(yàn)頂板巖層沖擊傾向性鑒定試樣加工與試驗(yàn)遵照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)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(jī)的加工平臺(tái)上，用金剛石鉆頭鉆取 5050100 的巖樣，用來(lái)做單向抗壓試驗(yàn)；鉆取直徑為 50 mm 的巖樣，然后用鋸石機(jī)將巖樣鋸成高 25 mm 圓盤體，用來(lái)做抗拉試驗(yàn)；本次試驗(yàn)采用量積法來(lái)測(cè)定頂板巖層的密度，取做單向抗壓試驗(yàn)的試件作為量積法測(cè)定頂板巖層密度的試件。鉆、鋸巖樣時(shí)均用水冷卻，最后在磨平機(jī)上將巖樣兩端磨平，研磨時(shí)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(lái)測(cè)定頂板巖層的密度。加工成型的煤樣參數(shù)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(shù)序號(hào)試件編號(hào)直徑/mm高度/mm實(shí)驗(yàn)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(shí)物照片見圖 1 - 2，頂板巖樣破壞后的實(shí)物照片見圖 1 - 3。圖 1 - 2頂板巖樣破壞前的實(shí)物照片1.3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖 1 - 3頂板巖樣破壞后的實(shí)物照片實(shí)驗(yàn)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(cè)有限公司生產(chǎn)的SANS 材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，用于進(jìn)行煤巖加載和應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1 - 4所示，這種實(shí)驗(yàn)機(jī)能夠人為設(shè)定加載方式，由計(jì)算機(jī)直接控制加載的過(guò)程。1.4 試驗(yàn)處理結(jié)果及分析圖 1 - 4SANS 材料試驗(yàn)機(jī)1.4.1 抗拉強(qiáng)度（tensile strength）煤或巖石在單軸拉應(yīng)力作用下達(dá)到破壞時(shí)所承受的最大拉應(yīng)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(qiáng)度，其測(cè)定結(jié)果如表 1 - 3 所示。表 1 - 3頂板巖樣抗拉強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果試件編號(hào)直徑/mm厚度/mm破壞載荷/KN抗拉強(qiáng)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(cè)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(cè)定結(jié)果如表 1 - 4 所示。表 1 - 4頂板巖樣密度測(cè)定結(jié)果試件編號(hào)直徑/mm高度/mm體積/cm3質(zhì)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(shí)正應(yīng)力與彈性正應(yīng)變之比。由式（1 - 3）可以算出頂板巖石的彈性模量，其測(cè)定結(jié)果如表 1 - 5 所示。表 1 - 5頂板巖樣彈性模量測(cè)定結(jié)果試樣編號(hào)直線段始點(diǎn)應(yīng)力值/MPa直線段終點(diǎn)應(yīng)力值/MPa直線段始點(diǎn)應(yīng)變值/10-3直線段終點(diǎn)應(yīng)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(shù)(bending energy index)綜合上述各數(shù)據(jù)代入式（1 - 7）、（1 - 8），求得頂板巖層的彎曲能量指數(shù)，如表 1 - 6所示。表 1 - 6頂板沖擊傾向性測(cè)試結(jié)果巖樣抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa距地表距離/m彎曲能指數(shù)/kJ頂板巖樣4.393.05860268沖擊傾向性強(qiáng)沖擊傾向1.5 主要結(jié)論1）根據(jù)巖樣沖擊傾向性指數(shù)的測(cè)定結(jié)果，測(cè)得口孜東礦送檢煤層上覆頂板的彎曲能量指數(shù)為 268 kJ，為強(qiáng)沖擊傾向。2）上述實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果僅指煤層頂板巖樣自身的物理力學(xué)屬性。礦井生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際沖擊危險(xiǎn)性還需綜合考慮采動(dòng)應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造以及其它造成應(yīng)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(xué)性質(zhì)2.1 底板巖樣抗壓強(qiáng)度的測(cè)定1）定義巖樣抗壓強(qiáng)度是指巖樣試件單向受壓力作用破壞時(shí)，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(jī)的加工平臺(tái)上，用金剛石鉆頭鉆取 5050100 的試件，用來(lái)做單向抗壓試驗(yàn)，加工成型的試件尺寸參數(shù)如表 2 - 1 所示。表 2 - 1抗壓強(qiáng)度試件的尺寸參數(shù)試件編號(hào)直徑/mm高度/mm試驗(yàn)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(yàn)機(jī)下以 0.050.1 MPa 的速度加載，直至破壞，記錄此時(shí)試驗(yàn)機(jī)的峰值載荷。3）結(jié)果計(jì)算巖樣單向抗壓強(qiáng)度按式計(jì)算：R = P F 10式中R 試件單向抗壓強(qiáng)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(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表 2 - 2。表 2 - 2底板巖樣單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果（2 - 1）試件編號(hào)直徑/mm試件面積/cm2破壞載荷/KN抗壓強(qiáng)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(cè)定1）定義巖石在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系（即符合胡克定律）,其比例系數(shù)稱為巖石的彈性模量。2）方法提要將巖樣夾持在鉆石機(jī)的加工平臺(tái)上，用金剛石鉆頭鉆取 5050100 的試件，用來(lái)做單向抗壓試驗(yàn)，加工成型的試件尺寸參數(shù)如表 2 - 1 所示。繪制巖樣在單軸壓縮破壞試驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)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(jié)果計(jì)算巖樣彈性模量按式計(jì)算：Et = (sb -sa ) (eb - ea )式中Et 彈性模量，單位為兆帕（MPa）；（2 - 2）sb 應(yīng)力一應(yīng)變曲線中直線段始點(diǎn)的應(yīng)力，單位為兆帕（MPa）；sa 應(yīng)力一應(yīng)變曲線中直線段終點(diǎn)的應(yīng)力，單位為兆帕（MPa）；eb 應(yīng)力一應(yīng)變曲線中直線段始點(diǎn)的應(yīng)變值；ea 應(yīng)力一應(yīng)變曲線中直線段終點(diǎn)的應(yīng)變值。底板巖樣彈性模量計(jì)算結(jié)果見表 2 - 3。表 2 - 3底板巖樣彈性模量測(cè)定結(jié)果試樣編號(hào)直線段始點(diǎn)應(yīng)力值/MPa直線段終點(diǎn)應(yīng)力值/MPa直線段始點(diǎn)應(yīng)變值/10-3直線段終點(diǎn)應(yīng)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(qiáng)度的測(cè)定1）定義巖石抗拉強(qiáng)度是指巖石試件在單向受拉條件下，破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力。2）方法提要本試驗(yàn)采用劈裂法來(lái)測(cè)定巖樣的單向抗拉強(qiáng)度。將巖樣夾持在鉆石機(jī)的加工平臺(tái)上，用金剛石鉆頭鉆取直徑為 50 mm 的巖樣，然后用鋸石機(jī)將巖樣鋸成高 25 mm 的圓盤體，用來(lái)做抗拉試驗(yàn)，加工成型的試件尺寸參數(shù)如所示表 2 - 4。表 2 4抗拉強(qiáng)度試件的尺寸參數(shù)試件編號(hào)直徑/mm厚度/mm試驗(yàn)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(yàn)機(jī)下以 0.030.05 MPa 的速度加載，直至破壞，記錄此時(shí)試驗(yàn)機(jī)的峰值載荷。3）結(jié)果計(jì)算Rt = 2P p DL式中Rt 試件的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表 2 - 5。表 2 - 5底板巖樣抗拉強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果試件編號(hào)直徑/mm厚度/mm破壞載荷/KN抗拉強(qiáng)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(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的測(cè)定1）定義巖石的抗剪強(qiáng)度指巖石抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度（剪切面上的切應(yīng)力），它是巖石力學(xué)形式中的重要指標(biāo)之一。粘結(jié)力（內(nèi)聚力）和內(nèi)摩擦角是表達(dá)巖石剪斷條件的基本參數(shù)。2）方法提要將巖樣夾持在鉆石機(jī)的加工平臺(tái)上，用金剛石鉆頭鉆取直徑為 50 mm 的巖樣，然后用鋸石機(jī)將巖樣鋸成高 50 mm 的圓盤體，用來(lái)做抗剪試驗(yàn)，加工成型的試件尺寸參數(shù)如表 2- 6 所示。表 2 - 6抗剪強(qiáng)度試件的尺寸參數(shù)試件編號(hào)直徑/mm高度/mm試驗(yàn)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(yàn)機(jī)下以 0.51.0 MPa 的速度加載直至破壞，記錄此時(shí)試驗(yàn)機(jī)的峰值載荷。3）結(jié)果計(jì)算巖樣試件剪切破壞面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力按式計(jì)算：s = P F cosa 10t = P F sin a 10式中s 正應(yīng)力，MPa；t 剪應(yīng)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(yīng)力和剪應(yīng)力之間有以下關(guān)系：t =s tan j +C式中tan j 巖石抗剪內(nèi)摩擦系數(shù)； C 巖石的粘結(jié)力（內(nèi)聚力）。巖樣抗剪破壞計(jì)算結(jié)果見表 2 - 7。表 2 - 7巖樣抗剪破壞測(cè)定結(jié)果（2 - 6）試件編號(hào)直徑/mm剪切面積/mm2剪切角度/破壞載荷/KN最大正應(yīng)力/Mpa最大剪應(yīng)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(yīng)力s 和抗剪強(qiáng)度t ，可得巖樣的破壞強(qiáng)度包絡(luò)線如圖 2 - 1 所示。圖 2 - 1巖樣的破壞強(qiáng)度包絡(luò)線由圖 2 - 1 及式（2 - 6）可知，底板巖樣的內(nèi)聚力C =2.60 MPa，內(nèi)摩擦角j =45.6。2.5 主要結(jié)論測(cè)得口孜東煤礦底板巖層各力學(xué)性能參數(shù)如下：底板巖樣抗壓強(qiáng)度 R =43.3 MPa、底板巖樣抗拉強(qiáng)度 Rt =3.52 Mpa，底板巖樣彈性模量 Et =3.37 GPa。底板巖樣的內(nèi)聚力C =2.60 MPa，內(nèi)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(xiàn)1 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 23561.1-2009.煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)