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3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/T25217.1-2010、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

二〇一二年十月八日

1矿井概况1

2采样1

3试验项目2

3.1煤样的物理力学性质2

3.1.1煤样的物理性质2

3.1.2煤样的力学性质3

3.2岩样的物理力学性质3

3.2.1岩样的物理性质3

3.2.2岩样的力学性质3

3.3煤的冲击倾向性鉴定3

3.4顶、底板岩层冲击倾向性鉴定3

4试件加工与试验5

4.1试件加工5

4.2试件数量5

4.3试验5

4.3.1试验设备与仪器5

4.3.2试验方法5

5试验结果7

5.1煤层试样物理力学性质7

5.1.1煤层试样的物理性质7

5.1.2煤层试样的力学性质7

5.2煤层围岩试样物理力学性质8

5.2.1煤层围岩试样的物理性质8

5.2.2煤层围岩试样的力学性质9

5.3煤层冲击倾向性鉴定12

5.4顶、底板岩层冲击倾向性鉴定14

5.4.13号煤顶板冲击倾向性鉴定结果14

结论

15

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1163100～1163530，北纬353900～354130，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。

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。

2-1取样位置图

中粒砂岩

砂质泥岩

煤

泥岩

细砂岩

2-23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

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/T25217.2-2010），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

Ⅰ类

Ⅱ类

Ⅲ类

冲击倾向

无

弱

强

指

数

动态破坏时间

ms

DT500

50DT500

DT50

弹性能量指数

WET<2

2WET5

WET5

冲击能量指数

KE<1.5

1.5KE5

KE5

单轴抗压强度

MPa

Rc<7c

7Rc14

Rc14c

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

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/T25217.1-2010），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

Ⅰ类

Ⅱ类

Ⅲ类

名称

无冲击倾向

弱冲击倾向

强冲击倾向

弯曲能量指数/kJ

UWQ≤15

15

UWQ>120

4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/T25217.2-2010）、《顶板岩层冲击倾向分类及指数的测

定方法》（GB/T25217.1-2010）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φ50×10m0m、φ50×50mm和φ50×25m，共加工煤岩m

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/kg·m-3

含水率%

3煤

1

1346.45

2.70

2

1348.20

3.14

3

1364.40

3.06

平均值

1353

2.97

5.1.2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

1

12.23

0.70

5.34

0.31

5.6

29

τ=5.6+σtg29°

2

12.74

1.32

/

/

3

17.63

0.66

5.41

0.35

4

15.28

0.81

/

/

5

/

1.78

/

/

平均值

14.47

1.05

5.38

0.33

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

剪应力

正应力

剪应力

3煤

1

18.76

14.66

12.04

12.04

8.82

11.71

4.10

7.40

2

18.45

14.41

17.96

17.96

10.87

14.43

3.66

6.61

3

19.43

15.18

14.06

14.06

5.97

7.92

5.23

9.43

4

16.51

12.90

12.81

12.81

9.75

12.94

2.87

5.19

平均值

18.29

14.29

14.22

14.22

8.86

11.75

3.97

7.15

图5-23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

3号煤层围岩试样物理性质测定结果见表

5-3。

样别

视密度/kg·m-3

含水率%

顶板

1

2549.66

0.68

2

2535.62

0.72

3

2520.46

0.97

平均值

2535

0.79

底板

1

2541.86

0.80

2

2546.04

0.88

3

2555.55

0.87

平均值

2548

0.85

5.2.2煤层围岩试样的力学性质

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

1

59.09

7.67

26.68

0.22

19.1

25

τ=19.1+σtg25°

2

52.98

6.84

/

/

3

83.04

7.68

42.12

0.30

4

73.87

7.82

/

/

5

51.96

7.87

/

/

平均值

64.19

7.58

34.40

0.26

底板

1

62.37

5.53

24.75

0.22

16.5

28

τ=16.5+σtg28°

2

43.45

5.30

18.62

0.34

3

66.97

7.06

22.14

0.18

4

49.08

4.59

/

/

5

62.88

6.56

/

/

平均值

56.95

5.81

21.84

0.25

με

5-4底板试样应力-应变曲线图

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Ⅱ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/MPa

3煤

1

58

1.60

/

12.23

2

65

2.11

2.29

12.74

3

216

1.08

1.86

17.63

4

328

1.16

3.24

15.28

5

136

0.96

1.71

/

平均值

161

1.38

2.28

14.47

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

L（mm）

18

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

5.4.13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/T25217.1-2010所示规定，该煤层顶板岩层应属Ⅲ类，为具有强冲击倾向

性的顶板岩层。

表5-83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

/MPa

弯曲能量指数

/kJ

顶板

0.50

34.40

7.58

272.23

合计

/

/

/

272.23

5.4.23号煤底板冲击倾向性鉴定结果

表5-9为义桥煤矿3号煤底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号煤底板岩层弯曲能量指数为4.47kJ，小于15kJ，按国家标准

GB/T25217.1-2010所示规定，该煤层底板岩层应属Ⅰ类，为具有无冲击倾向性的底板岩层。

表5-93号煤底板岩层弯曲能量

项目

样别

载荷

/MPa

弹性模量

/GPa

抗拉强度

/MPa

弯曲能量指数

/kJ

底板

0.037

21.84

5.81

4.47

合计

/

/

/

4.47

6结论

（1）根据送检煤样测定的数据，判定山东义桥煤矿3号煤层属于Ⅱ类，为

具有弱冲击倾向性的煤层。

（2）根据送检岩样测定的数据，判定山东义桥煤矿3号煤层顶板岩层属于

Ⅲ类，为强冲击倾向性的顶板岩层；底板岩层属于Ⅰ类，为无冲击倾向性的底板

岩层。

本试验结果仅是针对山东义桥煤矿送检的3号煤层及其顶底板岩层在现阶

段开采条件下做出的有关煤层本身是否具有冲击倾向性的鉴定。

在开采过程中，

煤、岩层是否发生冲击还同其开采条件和应力集中情况有关，应具体问题具体分

析。

建议：

鉴于义桥煤矿送检的3号煤岩层经鉴定具有冲击倾向性，建议对该煤层的采

掘工作面开展生产过程中的冲击危险性评价，以指导安全防护措施实施。

煤炭科学研究总院北京开采研究所

岩石力学实验室

2012年10月8日