軟弱圍巖相似材料力學特性實驗研究

楊昌艷，韋忠跟

（1.霍林郭勒市職業技術中學，內蒙古 霍林郭勒 029200；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

傳統的資源開采中，軟巖由于其松、軟、散、碎的特點，給工程帶來極大的不便，成為關鍵性技術難題，物理模擬可以對深部開采中諸多工程開展的整個動態過程實現室內再現，可控性強[1-2]。在相似模擬試驗中，相似材料的選擇、配比是很重要的一個環節，對材料的物理力學性質具有很大的影響。對于相似材料的選擇及配比，國內外學者做了大量的工作。隨著相似理論及技術的發展，董金玉、王漢鵬、韓伯鯉等學者通過選擇不同材料和配比模擬不同種類的巖石[3-5]。史小萌、劉保國、肖杰等對以水泥和石膏為膠結材料、石英砂和重晶石粉為骨料的相似材料，并規范了其制作原料與工藝[6]。武伯弢選擇重晶石粉、石膏、細砂、洗衣液和水模擬Ⅳ級軟弱圍巖[7]。牛雙建結合深部軟巖強度和變形特征研制了以河砂為骨料，松香酒精溶液為黏結劑的深部軟巖新型相似模擬材料。王永巖、李劍光選用70#瀝青和海砂為材料進行深部軟巖的模擬[8]，李媛再此基礎上選擇硬質瀝青作為膠結劑，砂和鋅粉作為骨料，橡膠粉作為調節劑研制出一種模擬軟巖的相似材料[9]。任松選擇工業鹽、精鐵粉為骨料，環氧樹脂、乙二胺為黏合劑構成相似材料得出了金壇鹽巖蠕變的材料配比[10]。劉德軍、呂晶采用精鐵粉、石英砂和重晶石粉為骨料，以松香酒精溶液為膠結劑研制出具有流變特性的鹽巖相似材料配比[11]。

從軟巖的低強度、大變形而言，以水泥和石膏作為膠結劑的傳統材料模擬硬巖尚可，難以完全的模擬軟巖的力學性質。并且傳統的以重晶石粉、鐵精粉為骨料配制的相似材料密度偏大。因此，在前人的基礎上，研究本著簡單易行且能更有效的模擬軟弱圍壓的原則，選擇以河砂、重晶石粉、橡膠粉、石膏、石蠟油為原材料配制出一種相似材料，分析原材料以及養護時間對相似材料力學性質的影響。

1 相似理論

根據相似三定律，要求模型的幾何尺寸、邊界條件以及相似材料的密度、抗壓強度、彈性模量、泊松比等都遵循一定的規律。由相似三定律可得如下相似條件[12]：

式中：Cσ為應力相似比；Cr為重度相似比；CL為尺寸相似比；CE為彈性模量相似比；Cε為應變相似比；Cδ為位移相似比；Cφ為內摩擦角相似比；Cμ為泊松比相似比；Cg為重力相似比；Cσc為抗壓強度相似比；Cσt為抗拉強度相似比；CC為黏聚力相似比。

選取幾何相似比為CL=10。根據原巖材料的力學參數，計算得出相似材料的相關力學系數值。設：泊松比為μ；內摩擦角為φ；抗壓強度為σc；彈性模量為E；黏聚力為c；長度為L；密度為ρ。原巖與相似材料力學性質見表1。

表1 原巖與相似材料力學性質

2 試件的制作及配制方案

2.1 試件的制作

本實驗采用直徑為0.12～0.21 mm 的清潔河砂，重晶石粉的粒徑為38～48 μm，橡膠粉粒徑為380 μm，石膏選取建筑石膏，液體石蠟相對密度為0.80～0.85。原材料有河砂、重晶石粉、橡膠粉、石膏、石蠟油、檸檬酸。相似材料配比方案見表2。

表2 相似材料配比方案

由于橡膠粉的憎水性使得材料界面結合較差，在制作試件之前，需經改性處理。處理過程為：先將橡膠粉塊研磨為橡膠粉，然后在質量比為1%的飽和NaOH 溶液中浸泡30 min，橡膠粉與所浸泡的NaOH溶液質量比為1∶10～1∶15，然后用清水沖洗橡膠粉，最后在通風處自然晾干[13]。制作流程如下：①刷洗所需模具，并用保鮮膜覆蓋模具內表面（防止脫模時造成試件破損）；②按質量百分比稱取所需水，并在其中融入質量百分比為1%的檸檬酸；③將稱取好的材料人工攪拌3～5 min 直到材料顏色均勻；④按照質量百分比稱取所需石蠟油；⑤將之前稱取的水倒入攪拌完畢的材料中，浸潤2 min 后攪拌均勻，緊接著倒入石蠟油，在攪拌均勻；⑥將攪拌均勻的材料分層倒入模具，每層3～4 cm，使用夯實器擊實；⑦將做好的模具放在通風處，1 d 后脫模，用保鮮膜包裹并貼上標簽，每隔2 d 進行1 次養護；⑧用巖石切割機將上述試件加工成抗壓、抗拉、抗剪試驗標準試件即5 cm × 5 cm × 10 cm、5 cm × 5 cm × 2.5 cm、5 cm × 5 cm × 5 cm，誤差要求均為±0.2 cm。

2.2 試件的基本力學試驗

相似材料的基本力學試驗在SANS 電液伺服萬能試驗機上進行，所采用的應變采集設備為靜態泰斯特3822 應變采集儀。試驗共14 組配比，每組配比的抗壓、抗拉、抗剪試樣各5 個，選取試驗結果相差不大的3 個數據求平均值作為該配比的力學參數，試件養護時間均為7 d。試驗數據見表3。

表3 試驗數據

3 原材料對相似材料性質的影響分析

通過單軸抗壓試驗測得單軸抗壓強度，同時獲得應力-應變曲線，通過劈裂試驗獲得材料的抗拉強度，通過抗剪試驗得到內摩擦角及黏聚力。在此基礎上分析不同原材料含量以及養護時間對相似材料的力學性質的影響。

1）砂子與橡膠粉的比例對相似材料的影響。砂子與橡膠粉的比例與抗壓強度、彈性模量的關系如圖1。隨著砂子和橡膠粉的比例由3∶1 增加到13∶1，材料的抗壓強度逐漸上升，在11∶1 后抗壓強度有所下降，與此同時材料的彈性模量趨于平穩。在一定程度內，提升砂子的含量有助于增加材料的內摩擦角，所以抗壓強度和彈性模量會有所增加，但是砂子的含量過高導致材料的孔隙率增加黏聚力下降導致抗壓強度有所減少。

圖1 砂子與橡膠粉的比例與抗壓強度、彈性模量的關系

2）砂子與重晶石粉的比例對相似材料的影響。砂子與重晶石粉的比例與抗壓強度、彈性模量的關系如圖2。橡膠粉不變的情況下（含量為10%），隨著砂子含量的增加，材料的彈性模量和抗壓強度都隨之增高，在1:1 之后材料的抗壓強度急劇下降而彈性模量繼續增加后趨于平穩。這是由于砂子含量增加而重晶石粉減少導致材料內部孔隙率急劇下降，而石膏和重晶石粉的黏聚力不足以保證材料的抗壓強度繼續增加。

圖2 砂子與重晶石粉的比例與抗壓強度、彈性模量的關系

3）重晶石粉與橡膠粉的比例對相似材料的影響。重晶石粉與橡膠粉的比例與抗壓強度、彈性模量的關系如圖3。重晶石粉是屬于用來增加材料密度的細骨料。隨著重晶石粉增加抗壓強度和彈性模量增加，但是當重晶石粉含量到達一定程度時，材料的抗壓強度有所減少，因為重晶石粉雖然增加了密實度，但是橡膠粉的減少導致了材料的黏聚力下降。

圖3 重晶石粉與橡膠粉的比例與抗壓強度、彈性模量的關系

4）養護時間對相似材料的影響。由于相似材料中含橡膠粉和石蠟油，而橡膠粉和液體石蠟具有一定的憎水性，并且含有石膏，凝固較快。在自然風干的情況下，試件表面和內部的含水率不同，若不對其養護，試件表面在5 d 之后出現裂紋，對試件的強度有很大影響。在骨膠比6∶1∶0.06，骨料比為4.5∶4.5∶1配比條件下進行試驗，得出不同養護時間試件抗壓強度與彈性模量的關系如圖4，不同養護時間內摩擦角與黏聚力的關系如圖5。

圖4 不同養護時間試件抗壓強度與彈性模量的關系

圖5 不同養護時間內摩擦角與黏聚力的關系

4 結語

以河砂、重晶石粉、橡膠粉為骨料，石膏、石蠟油為膠結劑，通過不同配比下的基本力學試驗得到了基本滿足油頁巖相似要求的配比；當骨膠比（骨∶膏∶蠟）為6∶1∶0.06，骨料比（砂∶石粉∶橡）為5∶4.5∶0.5 的相似材料，養護時間為7 d 時，與原巖力學性質具有更好的一致性，滿足相似比為10 的相似材料配制要求；隨著河砂的比例增加或在河砂含量不變的情況下增加重晶石粉的含量，相似材料的抗壓強度先增加后略有減少，彈性模量則趨于穩定；隨著養護時間的增加，材料的力學性能趨于穩定，為縮短工期，故養護時間選擇7 d。