巖石物理性質對單軸抗壓強度的影響分析

陳法彬 周愛武

(江蘇地質礦產設計研究院，江蘇 徐州 221006)

巖石單軸抗壓強度就是巖石在無側限條件下，受軸向載荷達到破壞的極限值，在數值上等于破壞時的最大壓應力，為巖石最為重要的力學參數之一。巖石抗壓強度通常在實驗室內用壓力機測得。巖石抗壓強度的影響因素很多，例如巖石的生成條件、風化狀況、取樣條件、試件加工因素、及實驗儀器及人為誤差等;除上述因素外，巖石本身的物理性質如巖石的塊體密度、孔隙率及膠結方式也與其抗壓強度有著密切關系，本文主要以大南湖礦區巖樣為例，探討巖石抗壓強度與其物理性質之間的關系。

1 試件制備

大南湖礦區選取的試驗樣品為地質鉆孔芯樣，巖心直徑約5cm，巖性以砂質泥巖、粉砂巖、砂礫巖及細粒砂巖為主，無明顯裂隙或解理發育，多為水平層理，產狀近水平，無風化，均質性較好，現場采樣后及時進行了蠟封，并在運輸過程中避免劇烈震蕩，故在同一試驗條件下，影響抗壓強度的其他因素可以得到很好控制。

單軸抗壓強度的加工尺寸為Φ50mm×100mm的圓柱體，并用同批試件通過量積法進行塊體密度測試，并用破碎機、制樣機及分樣篩制取巖石顆粒，利用比重瓶法測試巖石顆粒密度，以便計算巖石孔隙率。

2 試驗過程與結果

2.1 單軸抗壓強度測試

將試件置于試驗機承壓板中心，調整球形座，使兩端面接觸均勻;以每秒0.5MPa的速度加荷至試件破壞，記錄破壞載荷。

2.2 塊體密度測試

ρ——巖石塊體密度(g/mm3);

M——試件質量(g);

V——試件體積(mm3)。

2.3 孔隙率測試

首先比重瓶法測定巖石顆粒密度及巖石的自然含水率，利用一下公式測定巖石的孔隙率:

n——巖石孔隙率;

ρk——巖石顆粒密度(g/mm3);

ρ——巖石塊體密度(g/mm3);

2.4 巖石單軸抗壓強度試驗結果及物理性質描述結果如表1所示:

表1 巖石物理性質描述及強度測試結果

序號 巖性 膠結物 膠結方式塊體密度 孔隙率 抗壓強度(Kg/m3)(%) (MPa)4 細粒砂巖 硅質 基底膠結2548 4.29 121.2 5 細粒砂巖 泥質 孔隙膠結2418 9.94 40.7 6 砂礫巖 泥質 基底膠結2601 5.02 60.0 7 沙質泥巖 鈣質 孔隙膠結2291 12.71 47.0 8 沙質泥巖 泥質 孔隙膠結2340 11.01 43.1 9 沙質泥巖 泥質 孔隙膠結2296 13.59 35.9 10 沙質泥巖 泥質 孔隙膠結2301 13.41 42.0 11 沙質泥巖 鈣質 孔隙膠結2378 11.92 54.8 12 細粒砂巖 泥質 孔隙膠結2330 13.09 34.7 13 沙質泥巖 泥質 接觸膠結2104 18.65 13.6…… …… …… …… …… …… ……

3 試驗結果分析

3.1 巖石膠結狀況與抗壓強度的關系

通過該礦區巖石物理性質及單軸抗壓強度結果對比可以看出，沉積巖類的膠結狀況與其強度有著密切關系，首先從膠結物成分方面可以看出，硅質膠結的巖石抗壓強度最高，而泥質膠結的巖石抗壓強度最低，鈣質膠結的巖石強度介于硅質與泥質膠結巖石之間;就膠結方式而言，基底膠結的沉積巖石由于其顆粒之間的接觸面積較大，巖石較為致密，故而抗壓強度最大，孔隙膠結的巖石強度次之，接觸膠結的巖石抗壓強度最小，多為軟巖類。

3.2 巖石塊體密度孔隙率與抗壓強度關系

巖石塊體密度與孔隙率通常也會反映其抗壓強度，該礦區巖石塊體密度約為2000～2700kg/m3，孔隙率從2.7%到22%不等，隨著孔隙率的增大巖石易見疏松，故孔隙率的高低與巖石塊體密度的大小密切相關。結果顯示，巖石抗壓強度隨著巖石孔隙率增大，塊體密度變小，其抗壓強度值也明顯變小。

巖石單軸抗壓強度對地質鉆孔取芯要求較高，鑒于巖石抗壓強度與其物理性質的密切關系，可以通過對巖石物理性質的測定，再結合測井結果及巖石沉積條件分析等綜合考慮，初步判斷巖石抗壓強度大小，為接下來的巷道建設及煤礦安全生產提供依據。

[1]孫麗，論述巖石抗拉強度與單軸抗壓強度兩者之間的聯系[J].水利工程，2012(14).