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煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法
中国矿权网（） 发布时间：2012-2-14 12:54:18
　　本标准以中波科技合作项目"煤层冲击倾向性的研究"等成果及十几年来广泛应用为依据，参考了原煤炭工业部颁布的《冲击地压煤层安全开采暂行规定》，对MT/T 174-1987《煤层冲击倾向指数测定方法》进行了修订。
　　本标准修改了煤的动态破坏时间、弹性能量指数的测定方法，补充了冲击能量指数的测定及煤层冲击倾向性分类。
　　本标准自生效之日起，代替MT/T 174-1987。
　　本标准的附录A是标准的附录，附录B、附录C、附录D、附录E是提示的附录。
　　本标准由国家煤炭工业局行业管理司提出。
　　本标准由煤炭工业煤矿专用设备标准化技术委员会归口。
　　本标准由煤炭科学研究总院北京开采研究所负责起草。
　　本标准主要起草人：王淑坤、齐庆新、康立军。
　　本标准委托煤炭科学研究总院北京开采研究所负责解释。
　　1   范围
　　本标准规定了煤层冲击倾向性分类及冲击倾向指数测定所采用的设备、仪器、试件、测定步骤和计算方法。
　　本标准适用于煤层冲击倾向性分类以及在实验室条件下，能够加工成标准试件的煤的冲击倾向指数的测定。
　　2           引用标准
　　下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
　　MT 44-1987煤和岩石单向抗压强度及软化系数的测定方法
　　3           定义和符号
　　本标准采用下列定义和符号。
　　3.1     煤层冲击倾向性bursting liability of coal
　　煤体所具有的积蓄变形能并产生冲击式破坏的性质。煤层冲击倾向性的强弱，可用一个指数或几个指数来衡量。冲击倾向性分强冲击倾向、弱冲击倾向、无冲击倾向。
　　3.2     动态破坏时间duration of dynamic fracture
　　煤试件在单轴压缩状态下，从极限强度到完全破坏所经历的时间，单位ms，用DT表示。
　　3.3     弹性能量指数elastic strain energy index
　　煤试件在单轴压缩状态下，当受力达到某一值时（破坏前）卸载，其弹性变形能与塑性变形能
　　（耗损变形能）之比，用WET表示。
　　3.4     冲击能量指数bursting energy index
　　煤试件在单轴压缩状态下，应力应变全过程曲线中，峰值前积蓄的变形能与峰值后耗损的变形能之比，用KE表示。
　　4   煤层冲击倾向性分类、名称及分类指数
　　煤层冲击倾向性按煤的冲击倾向指数值的大小分3类，类别、名称及指数见表1。

表1  煤层冲击倾向性分类、名称及指数
类 别
1 类
2 类
3 类
名 称
无冲击倾向
弱冲击倾向
强冲击倾向
指  数
动态破坏时间ms
DT>500
50<DT≤500< DIV>
DT≤50
弹性能量指数
WET <2
2≤WET<5
WET≥5
冲击能量指数
KE<1.5
1.5≤KE<5
KE≥5
    注：当DT、WET、KE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进行。
　　5   设备、仪器、量具
　　5.1     试件加工设备、量具
　　a） 钻石机、磨石机、锯石机：
　　b） 游标卡尺，最小分度值0.02mm；
　　c） 直角尺、百分表及百分表架：
　　d） 水平检测台。
　　5. 2     试验设备#仪器
　　a） 材料试验机，精度不低于2级。材料试验机度盘，应满足式（1）：
　　1.25Pmax<PO<5PMAX&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP; （1）< FONT>
　　式中  Po--材料试验机度最大值，kN；
　　Pmax--预计试件的最大破坏载荷，kN。
　　b） 电液伺服试验机（或刚性试验机），精度不低于2级：
　　c） 载荷传感器，量程小于150 kN；
　　d） 位移传感器，量程不大于5mm；
　　e） 动态电阻应变仪，工作频率应不小于2000Hz；
　　f） 磁带记录仪，工作频率应不小于1000 Hz；
　　g） 记忆示波器，时间精度不小于1ms；
　　h） X-Y函数记录仪。
　　也可采用其它设备和仪器，但精度不得低于本标准的相应规定。
　　5        试件
　　6.1       规格
　　标准试件采用圆柱体，ф48~ф55mm，高径比1.5~2.2。
　　没有条件加工成圆柱体试件时，可采用50mm×50mm×50mm（或50mm×50mm×100mm）的方形柱体。
　　6.2     加工精度
　　试件两端面平行度公差为0.05mm；试件上、下端直径之差应小于0.20mm；轴向垂直度要求：将试件立放在水平检测台上，用直角尺紧贴试件表面，两者之间无明显缝隙。
　　6.3       数量
　　每个指数每组试件不得少于5个。
　　6.4     含水状态试件制备后，放在底部有水的干燥器内1~2d，使试件保持一定湿度，但试件不得接触水面。
　　7   动态破坏时间测定
　　7.1     测定系统
　　图1给出了磁带记录仪记录动态破坏时间的测定系统，也可采用能满足测定精度、可实现动态破坏时间曲线记录的其它测定系统。
　　7.2     测定步骤
　　7.2.1   测定前核对试件分组、试件编号，检查加工精度并测量尺寸，对试件节理、裂隙、含水状态及加工过程中出现的问题等进行描述，并填入附录B（提示的附录）的表格中。
　　7.2.2   开动材料试验机，使其处于可用状态。将载荷传感器、试件置于材料试验
　　1-下承压板；2-球形座；3-载荷传感器；4-试件；5-上承压板；
　　6-动态应变仪；7-磁带记录仪；8-记忆示波器；9-函数记录仪
　　图1  磁带记录仪测定系统
　　机下承压板的球形座上，并使三者轴线重合，见图1。调整球形座，使试件受力均匀。加压时应加保护罩。
　　7.2.3           按各仪器使用方法连接电路，进行预热、试与检查，使其处于工作状态。选择合适的记录速度、增益，保证在最低和最高载荷下信号不失真。
　　对于试验采用磁带记录仪的记录方法，应按以下步骤进行：
　　a）先启动磁带记录仪磁带，然后以0.5MPa/s~1.0MPa/s的速度对试件加载直至破坏，继续记录5s后停止磁带记录。
　　b）记录破坏载荷、带速、道数、放大倍率、磁带走码及测定过程中出现的现象，对破坏状态进行描述或摄影，分别填入附录B、附录C（提示的附录）的表格中。
　　C）磁带机倒带到初始带码，以记录时的带速、放大倍率回放载荷信号。用记忆示波器捕捉煤试件的动态破坏过程。在X-Y函数记录仪上绘出动态破坏时间曲线。标注试件编号、破坏载荷、时间标距等。
　　7.3     测定结果计算
　　7. 3.1   煤的动态破坏时间由动态破坏时间曲线来确定，见图2。确定方法可按附录A（提示的附录）进行。将动态破坏时间值填入附录B、附录C的表格中。
　　7. 3.2   每组试件的动态破坏时间（取整数）按式（2）计算：
　　（2）
　　式中DTs--平均动态破坏时间，ms；
　　DTi--第i个试件动态破坏时间，ms：
　　ED-破坏时间；CD-破坏过程；OC-加载过程
　　图2  煤的动态破坏时间曲线
　　n--每组试件个数。
　　注：DT、DTi、DTs的计算结果取整数。
　　8   弹性能量指数测定
　　8.1     测定系统
　　测定系统见图3。测定也可采用能够绘出加卸载曲线的其它仪器、仪表。
　　1-下承压板；2-球形座；3-载荷传感器；4-试件；5-上承压板；
　　6-位移传感器；7-磁力表架；8-X-Y函数记录仪；9-动态电阻应变仪
　　图3  弹性能量指数测定系统
　　8.2     测定步骤
　　8.2.1   测定前核对试件分组、试件编号、检查加工精度、测量尺寸。对试件节理、裂隙、含水状态及加工过程中出现的问题等进行描述，并填入附录D（提示的附录）的表格中。
　　8.2.2   材料试验机度盘的选择按5.2a）执行。
　　8.2.3   任取3个试件，按MT 44煤和岩石单向抗压强度测定方法进行试验，测出煤的平均破坏载荷值，以此为参考值，估计用于测定弹性能量指数的试件的卸载值。
　　8.2.4   将载荷传感器和试件放在材料试验机下承压板的球形座上，并使三者的轴线重合，见图3。调整球形座，使试件受力均匀。
　　8.2.5   依次将载荷传感器和位移传感器同动态电阻应变仪、X-Y函数记录仪连接，见图3。接通仪器电源，预热、调试、检查，使之处于待机工作状态。
　　8.2.6   开动材料试验机，使上承压板与试件接触（但此时试件应未受力）。安装位移传感器，调整X-Y函数记录仪的零点，放下记录笔。然后，以0.5MPa/s~1.0MPa/s的速度对试件加载。当加载到平均破坏载荷的75%~85%时，以相同的速度卸载，卸载至平均破坏载荷的1%~5%，同时绘出载荷__变形曲线。然后继续对试件加载直至破坏，记下破坏载荷，描述破坏特征，填入附录D的表格中。
　　8.3     测定结果计算
　　8.3.1   测定结果检查：
　　测定结果应满足式（3）：
　　0.7Pc≤Pc，≤0.9 Pc                                                        （3）
　　式中 Pc--试件破坏载荷，k N；
　　Pc--卸载时载荷，k N。
　　当Pc，不满足上式时，该数据舍弃，然后补充试件数量，直至满足上式要求的试件数不少：
　　8.3.2    弹性能量指数计算：
　　8.3.2.1  单一试件弹性能量指数计算：
　　图4给出了弹性能量指数的计算示意图。
　　弹性能量指数按（4）式和（5）式计算：
　　（4）
　　图4  弹性能量指数计算图
　　ФSP=ФC-ФSE                                                                                                      (5)
　　式中WET--弹性能量指数；
　　ФSE  --弹性应变能，其值为卸载曲线下的面积（见图4画斜线部分），cm2；
　　Фc--总应变能，其值为加载曲线下的面积，cm2；
　　ФSP--塑性应变能，其值为加载曲线和卸载曲线所包络的面积，cm2。
　　弹性应变能、总应变、塑性应变能可用求积仪求出，也可用其它方法求出。
　　8.3.2.2  每组试件平均弹性能量指数计算：
　　对于一组试件，其平均弹性能量指数按式（6）计算：
　　（6）
　　式中  WETS--弹性能量指数平均值；
　　WETi--第i个试件弹性能量指数；
　　n--试件个数&
　　注：WET、WETS、WETi计算结果取一位小数。
　　9   冲击能量指数测定
　　9.1     测定系统
　　冲击能量指数测定采用电液伺服试验机或刚性试验机进行。图5、图6给山了两种试验系统实例。
　　9.2     测定步骤
　　1-上承压板；2-试件；3-球形座；4-垫块；5-下承压板；
　　6-磁力表架；7-位移传感器；8-控制柜；9-X-Y函数仪
　　图5  电液伺服试验机应力应变全程曲线测定系统
　　1-上承压板；2-刚性柱；3-磁性表座；4-位移传感器；5-试件；6-载荷传感器；
　　7-球形座；8-下承压板；9-动态电阻应变仪；10-X-Y函数记录仪
　　图6  刚柱式刚性试验机应力应变全程曲线测定系统
　　9.2.1    按7.2.1的规定，描述内容，并填入附录E（提示的附录）的表格中。
　　9.2.2    度盘选择按5.2a）执行。
　　9.2.3    电液伺服试验机的应变速率范围一般为0.5×10-5~1.0×10-5mm/s，试验时根据试件的力学特性和试验机类型选择适应的变形速率。
　　9.2.4    采用电液伺服试验机的测定步骤如下：
　　a） 将试件置于试验机的下承压板中心，调整球形座，使试件受力均匀。
　　b） 开动试验机，使试件与上承压板接触便停机。此时，载荷显示器有少许的载荷指示，这时将位移传感器安在上、下承压板之间，位移信号输出端接入X-Y函数记录仪的位移端子上。调整、检查函数记录仪，使之处于工作状态。
　　c） 调整、检查试验机各旋钮，使之处于正确的工作位置。放下记录笔，开动试验机，按给定的变形速率对试件加载至极限载荷之时，可适当调整应变速率直至残余强度之后任意一点停机，应力应变全过程曲线绘出。将破坏载荷、破坏状态描述填入附录E的表格中。
　　9.2.5    刚性试验机的试验方法由类型而定，按9.2.4步骤进行。
　　9.3     测定结果计算
　　9.3.1    应力应变全过程曲线特性：
　　两类典型的应力应变全过程曲线如图7所示。以过峰值C点的垂线CQ为分界，峰值后曲线位于CQ右侧为、I类应力应变全过程曲线，位于CQ左侧为Ⅱ类应力应变全过程曲线。具有Ⅱ类曲线的煤属强冲击倾向，毋需计算冲击能量指数。具有I类曲线的煤试件计算冲击能量指数。
　　图7  两类典型的应力应变全过程曲线
　　9.3.2    单一试件冲击能量指数：
　　图8给出冲击能量指数计算示意图。
　　冲击能量指数按式（7）计算：
　　（7）
　　式中  As--峰值前积聚的变形能；
　　图8  冲击能量指数计算示意图
　　Ax--峰值后耗损变形能；
　　KE--冲击能量指数。
　　注：
　　1. As的值等于0C曲线下的面积，Ax的值等于CD曲线下的面积。As 、Ax的值可用求积仪求出，或用其它方法求出。
　　2.D为残余强度的初始点，D点的确定方法是：做0C曲线的切线交ε轴于E，截取QF=QE，过F点做ε轴的垂线与峰后曲线的交点即是D。
　　9.3.3    每组试件平均冲击能量指数：
　　对于一组试件，其平均冲击能量指数按式（8）计算：
　　（8）
　　式中KES--冲击能量指数平均值；
　　KEi--第i个试件冲击能量指数；
　　n--试件个数.
　　注:KE、KES、KEi的计算结果取2位小数。

附 录 A
（标准的附录）
煤的动态破坏时间的整理方法
A1 煤的动态破坏时间的整理方法
煤的冲击倾向性的强弱，采用综合分析的整理方法。图A1图A2图A3给出了动态破坏时间典型曲线。
A1.1 对于抗压强度较高、完整性好的煤样，煤的动态破坏时间典型曲线如图A1所示，其中DT值为试件从极限载荷至完全失去承载能力时所经历的时间。
A1.2 对于脆性较高、裂隙发育的煤，动态破坏时间曲线出现一个以上的台阶。台阶基本分两种情况（图A2），一种情况为台阶处载荷值呈增加趋势（图A2a），DT值为载荷呈明显下降的拐点起至载荷为零时所经历的时间：另一种情况为曲线近似水平（图A2b），DT值根据经验可取降荷率为15%~20%之间台阶处起至载荷降为零时所经历的时间。降荷率按下式计算：

式中η——降荷率；
Pc——极限载荷，kN；
P´——台阶最高点载荷值，kN。
A1.3 对于抗压强度一般的煤，其动态破坏时间曲线也可能出现多个台阶或台阶不明显的斜线，但试件承载能力总是趋于下降（图A3），DT值由图A3直接确定。

Pc——试件破坏载荷，kN；DT——煤的动态破坏时间，ms。
附 录 B
（提示的附录）

煤的动态破坏时间测定记录表
送样单位： 采样地点： 测定日期：
煤样编号
试件编号
试件描述
试件尺寸直径×高cm×cm
截面积cm2
破坏载荷kN
抗压强度MPa
破坏时间ms
备注
测定前
测定后

测定： 计算： 审核：