煤岩的物理机械性质
煤岩地层岩石的力学特性分析(初稿)
煤岩地层岩石的力学特性分析摘要：煤岩地层岩石的力学特性包括变形特征和强度特征。
本文对煤岩的力学特性进行了系统的分析，探讨了岩石试件在各种载荷作用下的变形规律和开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，为煤矿的开采和煤层气的开发提供理论依据。
关键词：煤岩力学特性变形特征强度特征1、煤岩的结构构造特征岩石的组成成分、结构构造特征造成了岩石物质成分的非均质性、物理力学性质的各向异性和结构构造的不连续性。
这是区别于其他力学材料的最突出特征，而煤岩层的这些特征尤为显著。
煤岩的非均质性和各向异性突出表现在其组成成分在同一煤层中纵向（垂直层理）和横向不同方向和深度上的差异，以及在其生成过程中所形成的明显层状构造和孔隙结构所体现出的差异。
通常煤岩中存在有两组近于垂直的割理，主要裂隙组面割理发育较完善延伸可至数百米，而端割理发育在面理之间，沟通了面割理。
两组割理与层理面近于垂交或陡角相交。
由于煤岩层状构造发育，空隙结构特殊，构造作用对后期的改造或产生裂隙，都充分体现出了煤岩结构构造的不连续性。
2、煤岩地层岩石的强度特征2．1单轴压缩条件下煤岩的强度特征对鲍店矿3煤31个煤样和新河矿3煤48个煤样在MTS815.03岩石伺服试验机上采用s15-⨯的轴向应变加载速度进行10mm/单轴压缩试验(加载方向均垂直于煤层层面),得出的详细力学参数见论文第3章表.33和.34,结果汇总在表4.1中。
煤岩强度较低且离散性大的原因除与试验条件、取样制样技术等外在因素有关外,第2章的研究结果表明,主要与其微组分、微孔隙裂隙、微结构等内在因素有关。
对煤岩单轴抗压强度的试验结果表明,煤岩强度与其容重、空隙率、含水率、煤体结构以及煤岩变质程度等有关。
具体来讲,煤块的单轴抗压强度随其容重的增加而增加;随其孔隙率的增加而减小;煤体节理裂隙越发育,其强度越低;受火成岩影响,煤的变质程度越高,其强度越高。
2．2三轴压缩条件下煤样的强度特征岩石在三轴压缩条件下的最大承载能力称三轴极限强度或三轴压缩强度氏,恒定围压下岩样破坏后,应力应变曲线中不随压缩变形增大而变化的轴向应力称残余强度氏。
煤岩组分的性质及变化
煤岩组分性质差异
样品 原料煤 镜质组 惰质组 Mad % 7.43 6.40 6.88 Ad % 4.43 2.37 3.54 Vdaf % 36.43 39.60 25.30 FCdaf % 63.57 60.40 74.70
样品 原料煤 镜质组 惰质组
Cdaf % 79.77 77.83 82.63
Hdaf % 4.67 5.03 3.77
Odaf % 14.37 15.94 12.62
Ndaf % 0.99 1.01 0.80
Sdaf % 0.20 0.19 0.18
煤岩组分工艺性质
• 粘结性：镜质组 壳质组 惰质组 粘结性：镜质组>壳质组 壳质组>惰质组 • 气化反应性：镜质组 惰质组 气化反应性：镜质组>惰质组 • 活性/惰性：惰质组由于先期脱去小分子 活性 惰性： 惰性 物质而变成比较惰性的
煤化过程显微脆度的变化
• 焦煤中镜质组 显微脆度最大
煤化过程中显微组分密度变化
• 随煤化程度增高， 随煤化程度增高， 各种显微组分密 度差异逐渐趋于 一致 • 在碳含量为 ％ 在碳含量为87％ 时，镜质组密度 有一极小值
煤化过程中显微组分反射率变化趋势
• 镜质组：变化均匀且 镜质组： 灵敏 • 惰质组：低煤级阶段 惰质组： 增长较快，煤化后期 增长较快， 增长较慢 • 壳质组：低煤阶阶段 壳质组： 增长缓慢， 增长缓慢，中煤化烟 煤阶段迅速增长， 煤阶段迅速增长，焦 煤阶段与镜质组一致
煤岩组分的物理性质（ 煤岩组分的物理性质（二）
• 密度：惰质组 镜质组 壳质组 密度：惰质组>镜质组 镜质组>壳质组 • 孔隙： 孔隙： 丝炭的总孔容比镜煤大3-4倍 丝炭的总孔容比镜煤大 倍； 丝炭孔隙以大孔为主， 丝炭孔隙以大孔为主，镜煤孔隙以微孔为主 • 反射率： 反射率： 显微组分反光强度与垂直入射光强度的比值 惰质组>镜质组 镜质组>壳质组 惰质组 镜质组 壳质组 • 导电性：镜煤电阻率高于丝炭，但煤的导电性 导电性：镜煤电阻率高于丝炭， 质主要取决于其它成因因素（煤级、矿物） 质主要取决于其它成因因素（煤级、矿物）
第四章++煤岩学基础
（3）反射荧光色
煤的磨光面用蓝光或紫外光激发而呈现的颜色，称为反 射荧光色。反射荧光色随煤岩组分和煤化程度的不同而 变化，有绿黄色、黄色、棕色等。随煤级增高，荧光减 弱，至高煤阶荧光消失。
(1)镜质组：透射光下呈透明到半透明，呈黄色或橙红 色，较均一，不含或少含矿物质，见垂直裂纹。普通反 射光下呈灰色，油浸反射光下呈深灰色，无突起。
受到煤化程度、煤岩组成和煤风化程度的影响。
（一）颜色
煤的颜色是煤对不同波长可见光波吸收的结果。在不同 的光学条件下，煤呈现不同的颜色。在普通白光照射下， 煤表面反射光线所显示的颜色称为表色。
腐植煤的表色随煤化程度的增高而变化：
①褐煤通常为褐色、褐黑色；
②低中煤化程度的烟煤为黑色，
③高煤化程度的烟煤为黑色略带灰色，无烟煤往往为灰 黑色，带硬度是指煤抵抗外来机械作用的能力。随着外加机 械作用力的性质不同，煤的硬度表现形式也不一样。煤 的硬度分为刻划硬度、压痕硬度和磨损硬度三类。
刻划硬度在矿物学里一般指物质刺入另外一种较软物质 的能力。常以莫氏矿物硬度单位计算，是用标准矿物刻 划煤所测定的相对硬度。即滑石1(硬度最小），石膏2， 方解石3，萤石4，磷灰石5，正长石6，石英7，黄玉8， 刚玉9，金刚石10。宏观煤岩成分中，暗煤硬度最大， 亮煤、镜煤硬度小。煤的硬度还与煤级有关，褐煤和中 煤化程度的烟煤硬度最小，为2~2.5，无烟煤硬度最大， 接近4。
1.表色
根据表色可以明显地区别出褐煤、烟煤和无烟煤。腐泥 煤的表色变化较大，有深灰色、棕褐色、甚至灰绿色至 黑色。煤中的水分能使颜色加深，而煤中的矿物质往往 使煤的颜色变浅。
2.粉色
煤研成粉末的颜色称为粉色。它可用钢针刻划煤的表面 或用镜煤在未上釉的瓷板上刻划条痕而得，粉色也称条 痕色。煤的粉色一般略浅于表色。粉色较固定，用粉色 判断煤的煤化程度效果较好。
矿山机械复习题及参考答案
中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案矿山机械(专科)一、填空题：1.煤岩的物理性质主要包括、、、等。
2.截齿按齿头几何形状不同分为、两种。
3.机械化采煤工作面分为、两类。
4.采煤机螺旋滚筒主要由、、、等部件组成。
5.刨煤机的截深一般为。
6.刨煤机刨头有、之分。
7.连续采煤机是用于采煤法的采煤机。
8.煤壁与铲煤板间应留间隙一般为。
9.采煤工作面的推移液压缸的形成应较截深大。
10.煤岩的力学性质主要包括、、、、等。
11.刨煤机按刨削速度和刮板速度之间的关系分为、。
12.采煤机的基本作业参数包括、、、、、等。
13.液压凿岩机按操作方式不同分为、两种。
14.目前我国矿山使用最为广泛的提升机为、两种。
15.液压支架按支护方式和结构特点分为、、三种。
16.截齿按安装方式不同分为、两种。
17.滚筒式采煤机根据工作机构型式不同分为、、三类。
18.刨链的牵引力主要包括、、等。
19.静力刨煤机按刨头的导向方式分为、、三种。
20.采煤机工作面的“三机”是指、、。
21.桥式转载机机身由、、三部分组成。
22.掘进机按所掘断面的形状分为、两类。
23.采掘机械按作用不同分为、、。
24.采煤机械主要实现、的机械化。
25.大型掘进机械可分为、两类。
26.装载机械常见的类型、。
27.耙斗装载机适用于角度倾斜巷道。
28.液压支架是以为动力。
29.液压支架能实现对顶板的、、、等工序的机械化。
30.多绳摩擦式提升机又分为、。
31.第一代采煤机为。
32.煤岩的密度一般在范围内变化。
33.采煤机向遥控及自动控制发展，逐步过渡到等34.综采可采用使采煤机滚筒进入煤壁。
35.液压凿岩机钻孔直径通常为。
36.悬臂式掘进机按掘进对象分为、、三种。
37.导轨式凿岩机按重量又可分为、、三种。
38.单体液压支柱工作循环包括、、、 4个过程。
39.通风系统按通风机和巷道布置方式不同分为、、三种。
40.煤岩是、、的脆性物质。
41.切削破碎过程对应的作用力包括、、。
宏观煤岩组成和煤的物理性质
第一节宏观煤岩组成和煤的物理性质一、腐植煤的宏观煤岩成分和宏观煤岩类型（一）宏观煤岩成分宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组成单位，包括：镜煤、亮煤、暗媒和丝炭。
其中镜煤和丝炭是简单的煤岩成分，亮煤和暗煤是复杂的煤岩成分。
1．丝炭外观象木炭，颜色灰黑，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽。
丝炭疏松多孔，性脆易碎，能染指。
丝炭的空腔常被矿物质所充填。
矿化丝炭坚硬致密，比重大。
在煤层中，一般丝炭的数量不多，常呈扁平透镜体沿煤的层面分布，大多厚1～2毫米至几毫米，有时也能形成不连续的薄层。
显微镜下观察，丝炭是具有明显的植物细胞结构的丝炭化组织(图版Ⅱ一3，Ⅱ-4)，有时还能看到年轮结构，组成单一，是一种简单的煤岩成分。
丝炭含氢量低，含碳量高，没有粘结性；由于孔隙度大，吸氧性强，丝炭容易发生氧化和自燃。
2．镜煤镜煤呈黑色，光泽强，质均匀而脆，具有贝壳状断口。
内生裂隙特别发育，内生裂隙面常呈眼球状，有时充填有方解石、黄铁矿等薄膜。
镜煤容易破碎成棱角状小块。
在煤层中镜煤常呈透镜状或条带状，大多厚几毫米到1～2厘米，有时呈线理状夹在亮煤或暗煤中。
显微镜下观察，镜煤的轮廓清楚，质地纯净，主要是由木质纤维组织经过凝胶化作用变成的，它也是一种简单的煤岩成分（图版Ⅱ一1）。
在四种煤岩成分中，镜煤的挥发分和含氢量高，粘结性强。
3．亮煤亮煤是最常见的煤岩成分。
不少煤层以亮煤为主组成较厚的分层，甚至整个煤层。
亮煤的光泽仅次子镜煤，性较脆，内生裂隙发育，比重较小，有时也有贝壳状断口。
亮煤的均一程度不如镜煤，表面隐约可见微细纹理，亮度和内生裂隙发育程度逊于镜煤。
显微镜下观察，亮煤的组成比较复杂，它以凝胶化组分为主。
亮煤中还含有不同数量的丝炭化组分及稳定组分。
4．暗煤暗煤的特点是光泽暗淡，一般呈灰黑色，致密，比重大，内生裂隙不发育，坚硬而具韧性。
在煤层中，可以由暗煤为主形成较厚的分层，甚至单独成层。
显微镜下观察，暗煤的组成相当复杂，一般凝胶化组分比较少，矿物质含量较高。
矿山机械考试内容
1.采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎煤岩矿体是采掘机械最主要的功能。
3.煤岩的物理性质：密度、湿度、松散性、稳定性4.煤岩的机械性质：强度、硬度、弹性、塑性与脆性、坚固性、截割阻抗、磨砺性、破碎性能指标5.截割阻抗：单位截割深度作用于刀具上的截割阻力第二章1.掘进设备按掘进工艺分为钻眼爆破法掘进设备和综合机械化掘进设备。
2.完成钻爆法掘进工序所需设备：钻(凿)孔机械、装载机械、转载机械及巷道支护及修整机械等。
3.设备配套机械化作业线主要形式有：①耙斗装载机为主的机械化作业线：②凿岩台车为主的机械化作业线：③钻装机为主的机械化作业线：4.凿岩机冲击破碎原理：工作时活塞作高频往复运动，不断地冲击钎尾。
在冲击力的作用下，呈尖楔状的钎头将岩石压碎并凿入一定的深度，形成一道凹痕。
活塞退回后，钎杆转过一定角度，活塞向前运动，再次冲击钎尾，又形成一道新的凹痕。
两凹痕之间的扇形岩块被由钎头上产生的水平分力剪碎。
活塞不断地冲击钎尾，并从钎杆的中心孔连续输入压缩空气或压力水，将岩砟排出孔外，即可形成一定深度的圆形钻孔。
5.钻孔机械按动力不同可分为气动、液压、电动和内燃凿岩机四类。
6.气动凿岩机按操作方式不同分手持式、支腿式和导轨式；按频率分低频凿岩机和高频凿岩机；按转钎机构分内回转式凿岩机和外回转式凿岩机。
7.气动凿岩机组成：冲击配气机构、转钎机构、排屑机构和润滑机构等8.液压凿岩机组成：冲击机构、转钎机构、蓄能机构、排屑机构等。
9.转钎机构其液压马达有齿轮马达、叶片马达和摆线马达三种。
10.凿岩台车组成：凿岩机、钻臂(包括推进器)、行走机构、控制系统、操作台和动力源(泵站)等。
11.为完成平巷掘进，凿岩台车应实现下列运动：①行走运动，以便台车进入和退出工作面；②推进器变位和钻臂变幅运动，以实现在断面任意位置和任意角度钻眼；③推进运动，使凿岩机沿钻孔轴线前进和后退。
12. 凿岩台车的回转机构：齿条齿轮式、液压缸圆盘式、液压马达—蜗轮副。
1第一章 煤岩截割理论
• • • • •
• 煤岩的机械性质—— 煤岩体受到机械施加的外力时所表现的 性质。 • 强度：煤岩体在一定条件下受外力作用开 始破坏时所具有的极限应力值。 • 硬度：煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能。 • 接触强度： • 弹性：当撤消所受外力后，煤岩恢复原来 形状和体积的性能。 • 塑性：当作用于煤岩体上的外力消失后， 其形状和体积不能得到恢复的性能。
• •
• 为了提高破落效果，还可采用高频电磁波、超声 波、热力和水射流等辅助手段。 • 存在的问题：比能耗较高，经济性较差；高压水 射流发生装置、回转接头和管道等制造技术要求 高，使用寿命短。 • 破落机械的结构和参数对破落过程的影响主要研 究：破落机构的结构和参数对载荷、比能耗、破 碎块度分布规律、粉尘生成率、刀具使用寿命吧 及运转平稳性等的影响。 • 煤岩破碎理论研究方法主要有：①现场试验法;② 模化试验法 ;③“纯”化试验法
• 一、切削破岩机理 • 关于切削破落煤岩的过程，流行的机理学 说主要有楔裂说、剪裂说、密实核说、断 裂力学说和剪切变形说等。 • 密实核说是拉伸和剪切联合作用的切削破 煤(岩)机理学说，截割机理如图1-2所示。
•
截齿刀刃接触煤体时产生集中应力，当 达到极限值时，煤岩体会被局部粉碎成粉 末，形成处于体积压缩状态的核，称为密 实核。密实核位于紧贴刀具前面的煤岩体 内，使煤岩受到向自由表面作用的拉伸力。 刀具继续向前移落 而使煤岩表面形成缺口。密实核中的少量 粉末沿着刀具的前面高速喷出，使密实核 的体积缩小，压强降低。刀具继续向前移 动，密实核又重新发育，其体积和压强又 逐渐增大，导致小块Ⅱ崩落。如此反复多 次，崩落的块率渐渐变大，最后沿着裂纹 ED崩落大块Ⅳ，使密实核消失。
•
为了合理地设计、制造和使用新型采掘机械，以及探 求高效低能耗破碎煤岩，必须研究煤岩的物理、机械 性质。 煤岩的物理性质 容重(密度）：单位体积煤岩在干燥状态下的重量（质 量）。它在很大程度上反应了煤岩的机械强度。 湿度：用其含水率表示。 松散性：煤岩被破碎后，其容积增大的性能。 稳定性：煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。
煤岩地层岩石的力学特性分析(初稿)
煤岩地层岩石的力学特性分析摘要：煤岩地层岩石的力学特性包括变形特征和强度特征。
本文对煤岩的力学特性进行了系统的分析，探讨了岩石试件在各种载荷作用下的变形规律和开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，为煤矿的开采和煤层气的开发提供理论依据。
关键词：煤岩力学特性变形特征强度特征1、煤岩的结构构造特征岩石的组成成分、结构构造特征造成了岩石物质成分的非均质性、物理力学性质的各向异性和结构构造的不连续性。
这是区别于其他力学材料的最突出特征，而煤岩层的这些特征尤为显著。
煤岩的非均质性和各向异性突出表现在其组成成分在同一煤层中纵向（垂直层理）和横向不同方向和深度上的差异，以及在其生成过程中所形成的明显层状构造和孔隙结构所体现出的差异。
通常煤岩中存在有两组近于垂直的割理，主要裂隙组面割理发育较完善延伸可至数百米，而端割理发育在面理之间，沟通了面割理。
两组割理与层理面近于垂交或陡角相交。
由于煤岩层状构造发育，空隙结构特殊，构造作用对后期的改造或产生裂隙，都充分体现出了煤岩结构构造的不连续性。
2、煤岩地层岩石的强度特征2．1单轴压缩条件下煤岩的强度特征对鲍店矿3煤31个煤样和新河矿3煤48个煤样在MTS815.03岩石伺服试验机上采用s15-⨯的轴向应变加载速度进行10mm/单轴压缩试验(加载方向均垂直于煤层层面),得出的详细力学参数见论文第3章表.33和.34,结果汇总在表4.1中。
煤岩强度较低且离散性大的原因除与试验条件、取样制样技术等外在因素有关外,第2章的研究结果表明,主要与其微组分、微孔隙裂隙、微结构等内在因素有关。
对煤岩单轴抗压强度的试验结果表明,煤岩强度与其容重、空隙率、含水率、煤体结构以及煤岩变质程度等有关。
具体来讲,煤块的单轴抗压强度随其容重的增加而增加;随其孔隙率的增加而减小;煤体节理裂隙越发育,其强度越低;受火成岩影响,煤的变质程度越高,其强度越高。
2．2三轴压缩条件下煤样的强度特征岩石在三轴压缩条件下的最大承载能力称三轴极限强度或三轴压缩强度氏,恒定围压下岩样破坏后,应力应变曲线中不随压缩变形增大而变化的轴向应力称残余强度氏。
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5．坚固性 坚固性是一种表示煤岩破碎难易程度的综合指标。 普氏用坚固性系数(又称普氏系数)来表示煤岩的坚固性大 小。可以通过采样、捣碎、筛分、量筒测高的方法来求得工 作面煤岩的坚固性系数，也可以根据煤岩的极限抗压强度的 大小近似地确定3;
σy
30
对于具有不同坚固性系数的岩石，应选用与之相适应的破 碎方法和采掘机械。
9.破碎特性 所截获的煤岩块度，不仅与采掘机械的结构和截割参 数有关，也取决于煤岩被截割时不同的破碎特性。 破碎特性指数还可以用于煤尘生成能力的分组。 10.截割可碎性 截割可碎性是评价截割时煤层的可破碎性，可定义为：
0.38 A R= B +1
第一篇 第一章 煤岩的物理机械性质
采掘机械的工作对象是煤和岩石，为了合理地设计、制造 和选用采掘机械，必须对煤和岩石的物理机械性质有所了解。
一、煤岩的物理性质
煤岩的物理性质主要是指容重、湿度、松散性、孔隙性、 导电性和热胀性以及稳定性等，其中与采掘密切相关的有以下 几种： 1．容重 煤岩的容重是指单位体积煤岩在干燥状态下的重量(质 量)。它在很大程度上反映了煤岩的机械强度。 2．湿度 煤岩的湿度用其含水率表示。含水率是指在煤岩的缝隙中 存留的水的重量与煤岩固体重量之比。含水率高的煤岩体，结 构被弱化，其强度明显降低。采掘这样的煤岩时，功率消耗会 明显降低，而且粉尘也将减少。但巷道的围岩易产生变形，巷 道维护的难度增加。
6．截割阻抗 利用专用设备，采用标准刀具（截割刃宽度为20㎜，截 角为40度，后角10度）对煤岩进行截割测试，求得单位截割 深度作用于刀具上的截割阻力值即为截割阻抗（又叫抗截强 度或截割阻力系数）。 7.摩擦与磨蚀性 煤岩磨损钢铁和硬质合金的烈度称为磨蚀性，它是煤岩 对金属、硬质合金和其他固体磨蚀能力的度量。 8.蠕变与松弛 煤岩体在长时间持续不变化的载荷作用下，其变形增加 的过程称为煤岩体的蠕变。 煤岩体在一定的载荷作用下保持其变形量为常数而应力 下降的现象，称为煤岩体的松弛。
3．接触强度 接触强度 Ph 可按n次下压测压头上的载荷值 (岩石材料 脆性破坏的瞬间压头的载荷，单位为N)与压头下表面积S(单 位 mm 2 )之比来确定 n
Ph =
∑p
i =1
i
MPa
ns
4．弹性、塑性与脆性 弹性：即当撤消所受外力后，煤岩恢复原来形状和体积 的性能。 塑性：即当作用于煤岩体上的外力消失后，其形状和体 积不能得到恢复的性能。 脆性：即煤岩被破碎时不带残余变形的性能。
3．松散性 松散性是指煤岩被破碎后，其容积增大的性能。破碎 后与破碎前煤岩的容积之比称为煤岩的松散比(或称松散 系数)。 4．稳定性． 煤岩的稳定性是指煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷 的性能。
二、煤岩的机械性质
煤岩的机械性质是指煤岩体受到机械施加的外力时所 表现的性质。在破碎煤岩时，可借助于煤岩的机械性质选 择对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状等。因 此，采用机械法破岩时，了解煤岩的机械性质尤为重要。 煤岩的机械性质主要是指强度、硬度、接触强度、弹 塑性和脆性、坚硬度、截割阻抗、摩擦与磨蚀性等。
1．强度 煤岩体在一定条件下受外力作用开始破坏时所具有的极 限应力值称为煤岩的强度。由于煤岩为非均质材料，各向异 性，其抗压、抗剪和抗拉强度(分别用σ y 、 σ j 和 σ l 表示) 在数值上大约有如下关系：
σ y : σ j : σ l = 1: 0.3 : 0.1
层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理不 发育的煤岩体；沿垂直层方向的强度要高于平行层理方向的 强度。 2．硬度 煤岩的硬度是指煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能，它反映 煤岩体在较小的局部面积上抵抗外力作用而不被破坏的能力。 其大小取决于煤岩体的结构、组成颗粒的硬度及形状和排列 方式等。硬度越大，截割、钻凿越困难。