松軟圍巖力學特性試驗分析

夏孝夠

（江蘇聯合職業技術學院徐州機電工程分院,江蘇徐州 221011）

松軟圍巖力學特性試驗分析

夏孝夠

（江蘇聯合職業技術學院徐州機電工程分院,江蘇徐州 221011）

針對煤巷松軟圍巖的變形問題，通過對其進行單向抗壓、三向抗壓和抗拉等一系列的試驗，獲取了其主要力學試驗指標以及應力—應變曲線，同時對其破壞機理進行分析。

軟巖；力學性質；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重，支護相當困難，因此軟巖的研究問題成了目前工程界最為關注的問題之一。

2 工程背景

某礦工作面地面標高30.45m，工作面標高-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泥巖，厚約3.0m；老頂為灰白色中細石英砂巖,厚約7～20m，裂隙發育；直接底為黑灰色砂質泥巖，厚約5.0m。在松軟圍巖中布置巷道，巷道圍巖穩定性差，遇水極易膨脹，使巷道掘進和回采期間支護困難，通過對巷道圍巖的力學性質研究,揭示了軟巖的力學特性和軟巖破壞機理,為指導大變形巷道工程支護實踐提供了理論依據。

3 軟巖的力學性質試驗

巖樣取自直接頂的砂質泥巖,試驗主要包括單向抗壓強度、三向抗壓強度、劈裂抗拉強度等力學特性試驗。

3.1 單向抗壓試驗

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

對于砂質泥巖的單向抗壓特性，在室溫天然含水狀態下通過RMT巖石力學試驗機進行，加載速率為0.02mm/s，測試結果見表1。

表1 單向壓縮試驗結果

3.2 三向抗壓試驗

表2 三向壓縮試驗結果

3.3 單軸抗拉強度試驗

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

表3 巖石抗拉試驗結果

4 測試結果分析

由圖1、2可知，巖石的強度在有圍壓的狀態下明細增加，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。隨著壓應力的增加，孔隙和裂隙閉合到一定程度后，巖石在壓應力的作用下發生彈性變形，其后裂隙擴展成新的裂隙，直到發生破壞。在單向壓縮試驗時，巖石呈脆性破壞，破壞過程瞬時完成，破壞時發出較低且清脆的聲音。隨著圍壓的增大，巖石的力學性質發生了變化：逐漸由彈脆性→彈塑性轉變。在壓應力達到峰值后，由于巖石中存在弱面，強度相對較低，低強度部分將逐漸產生屈服弱化，巖石呈現剪切破壞，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”實質上是不存在的。

圖1 單向壓縮- 應變曲線

圖2 圍壓=5MPa時- 曲線

5 結論

通過分析軟巖在不同應力狀態下的破壞狀況得知，單向壓縮破壞表現為脆性破壞，產生這種破壞的原因是巖石中裂隙發生和發展的結果。三向壓縮破壞表現為剪切破壞，巖石中存在軟弱結構面，軟弱結構面上的剪應力大于該面上的強度時，巖石就沿著弱面產生剪切滑移，從而導致巖石的剪切破壞。

[1]曹輝,楊小聰,解聯庫,郭利杰.某礦巖石力學特性及力學參數相關研究[J].中國礦業,2010（07）.

[2]王東,劉長武,王丁等.三向應力下典型巖石破壞預警及峰后特性[J].西南交通大學學報,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與科研工作。