松軟圍巖力學(xué)特性試驗(yàn)分析

夏孝夠

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州機(jī)電工程分院,江蘇徐州 221011）

松軟圍巖力學(xué)特性試驗(yàn)分析

夏孝夠

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州機(jī)電工程分院,江蘇徐州 221011）

針對煤巷松軟圍巖的變形問題，通過對其進(jìn)行單向抗壓、三向抗壓和抗拉等一系列的試驗(yàn)，獲取了其主要力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)以及應(yīng)力—應(yīng)變曲線，同時對其破壞機(jī)理進(jìn)行分析。

軟巖；力學(xué)性質(zhì)；三軸抗壓

1 前言

隨著開采深度的不斷增加，許多布置在軟巖中的巷道變形越來越嚴(yán)重，支護(hù)相當(dāng)困難，因此軟巖的研究問題成了目前工程界最為關(guān)注的問題之一。

2 工程背景

某礦工作面地面標(biāo)高30.45m，工作面標(biāo)高-720 m～-777m，煤層厚度4.2m，煤層傾角平均15°。直接頂為深灰色砂質(zhì)泥巖，厚約3.0m；老頂為灰白色中細(xì)石英砂巖,厚約7～20m，裂隙發(fā)育；直接底為黑灰色砂質(zhì)泥巖，厚約5.0m。在松軟圍巖中布置巷道，巷道圍巖穩(wěn)定性差，遇水極易膨脹，使巷道掘進(jìn)和回采期間支護(hù)困難，通過對巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)研究,揭示了軟巖的力學(xué)特性和軟巖破壞機(jī)理,為指導(dǎo)大變形巷道工程支護(hù)實(shí)踐提供了理論依據(jù)。

3 軟巖的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

巖樣取自直接頂?shù)纳百|(zhì)泥巖,試驗(yàn)主要包括單向抗壓強(qiáng)度、三向抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度等力學(xué)特性試驗(yàn)。

3.1 單向抗壓試驗(yàn)

在單向壓縮試驗(yàn)中，外界環(huán)境對軟巖的強(qiáng)度影響較大。如溫度、濕度和加載速率對軟巖性質(zhì)的影響，外界環(huán)境變化不太大的情況下都能引起軟巖性質(zhì)的明顯變化。

對于砂質(zhì)泥巖的單向抗壓特性，在室溫天然含水狀態(tài)下通過RMT巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，加載速率為0.02mm/s，測試結(jié)果見表1。

表1 單向壓縮試驗(yàn)結(jié)果

3.2 三向抗壓試驗(yàn)

表2 三向壓縮試驗(yàn)結(jié)果

3.3 單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

巖石的抗拉強(qiáng)度采用劈裂法,將圓柱狀巖石試件置于壓力機(jī)承壓板上,并在試件與上下承壓板間各設(shè)置一根鋼筋壓條, 然后加壓,試件受力后沿徑向裂開破壞,根據(jù)彈性理論求其抗拉強(qiáng)度。測試結(jié)果見表3。

表3 巖石抗拉試驗(yàn)結(jié)果

4 測試結(jié)果分析

由圖1、2可知，巖石的強(qiáng)度在有圍壓的狀態(tài)下明細(xì)增加，從變形曲線上看，巖石可近似地看作塑性變形→彈性變形→塑性變形的過程，主要是孔隙和裂隙為主的變形。在壓應(yīng)力作用下，巖石中的孔隙和裂隙逐漸閉合，巖石的剛度增大，曲線斜率也逐步增大。隨著壓應(yīng)力的增加，孔隙和裂隙閉合到一定程度后，巖石在壓應(yīng)力的作用下發(fā)生彈性變形，其后裂隙擴(kuò)展成新的裂隙，直到發(fā)生破壞。在單向壓縮試驗(yàn)時，巖石呈脆性破壞，破壞過程瞬時完成，破壞時發(fā)出較低且清脆的聲音。隨著圍壓的增大，巖石的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化：逐漸由彈脆性→彈塑性轉(zhuǎn)變。在壓應(yīng)力達(dá)到峰值后，由于巖石中存在弱面，強(qiáng)度相對較低，低強(qiáng)度部分將逐漸產(chǎn)生屈服弱化，巖石呈現(xiàn)剪切破壞，破壞過程有一定的延時，破壞時有一定的軟化特性。巖石的單向壓縮破壞形式與劈裂破壞形式相似，類似內(nèi)部的拉伸破壞；巖石的三向壓縮破壞形式是剪切破壞。因此巖石的破壞形式，按其機(jī)理來說只有拉伸破壞和剪切破壞兩種，而通常所說的巖石被“壓壞”實(shí)質(zhì)上是不存在的。

圖1 單向壓縮- 應(yīng)變曲線

圖2 圍壓=5MPa時- 曲線

5 結(jié)論

通過分析軟巖在不同應(yīng)力狀態(tài)下的破壞狀況得知，單向壓縮破壞表現(xiàn)為脆性破壞，產(chǎn)生這種破壞的原因是巖石中裂隙發(fā)生和發(fā)展的結(jié)果。三向壓縮破壞表現(xiàn)為剪切破壞，巖石中存在軟弱結(jié)構(gòu)面，軟弱結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)力大于該面上的強(qiáng)度時，巖石就沿著弱面產(chǎn)生剪切滑移，從而導(dǎo)致巖石的剪切破壞。

[1]曹輝,楊小聰,解聯(lián)庫,郭利杰.某礦巖石力學(xué)特性及力學(xué)參數(shù)相關(guān)研究[J].中國礦業(yè),2010（07）.

[2]王東,劉長武,王丁等.三向應(yīng)力下典型巖石破壞預(yù)警及峰后特性[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2012（02）.

夏孝夠（1973—），男，江蘇無錫人，碩士研究生，主要從事礦壓方面的教學(xué)與科研工作。