松软围岩力学特性试验分析

夏孝够

（江苏联合职业技术学院徐州机电工程分院,江苏徐州 221011）

松软围岩力学特性试验分析

夏孝够

（江苏联合职业技术学院徐州机电工程分院,江苏徐州 221011）

针对煤巷松软围岩的变形问题，通过对其进行单向抗压、三向抗压和抗拉等一系列的试验，获取了其主要力学试验指标以及应力—应变曲线，同时对其破坏机理进行分析。

软岩；力学性质；三轴抗压

1 前言

随着开采深度的不断增加，许多布置在软岩中的巷道变形越来越严重，支护相当困难，因此软岩的研究问题成了目前工程界最为关注的问题之一。

2 工程背景

某矿工作面地面标高30.45m，工作面标高-720 m～-777m，煤层厚度4.2m，煤层倾角平均15°。直接顶为深灰色砂质泥岩，厚约3.0m；老顶为灰白色中细石英砂岩,厚约7～20m，裂隙发育；直接底为黑灰色砂质泥岩，厚约5.0m。在松软围岩中布置巷道，巷道围岩稳定性差，遇水极易膨胀，使巷道掘进和回采期间支护困难，通过对巷道围岩的力学性质研究,揭示了软岩的力学特性和软岩破坏机理,为指导大变形巷道工程支护实践提供了理论依据。

3 软岩的力学性质试验

岩样取自直接顶的砂质泥岩,试验主要包括单向抗压强度、三向抗压强度、劈裂抗拉强度等力学特性试验。

3.1 单向抗压试验

在单向压缩试验中，外界环境对软岩的强度影响较大。如温度、湿度和加载速率对软岩性质的影响，外界环境变化不太大的情况下都能引起软岩性质的明显变化。

对于砂质泥岩的单向抗压特性，在室温天然含水状态下通过RMT岩石力学试验机进行，加载速率为0.02mm/s，测试结果见表1。

表1 单向压缩试验结果

3.2 三向抗压试验

表2 三向压缩试验结果

3.3 单轴抗拉强度试验

岩石的抗拉强度采用劈裂法,将圆柱状岩石试件置于压力机承压板上,并在试件与上下承压板间各设置一根钢筋压条, 然后加压,试件受力后沿径向裂开破坏,根据弹性理论求其抗拉强度。测试结果见表3。

表3 岩石抗拉试验结果

4 测试结果分析

由图1、2可知，岩石的强度在有围压的状态下明细增加，从变形曲线上看，岩石可近似地看作塑性变形→弹性变形→塑性变形的过程，主要是孔隙和裂隙为主的变形。在压应力作用下，岩石中的孔隙和裂隙逐渐闭合，岩石的刚度增大，曲线斜率也逐步增大。随着压应力的增加，孔隙和裂隙闭合到一定程度后，岩石在压应力的作用下发生弹性变形，其后裂隙扩展成新的裂隙，直到发生破坏。在单向压缩试验时，岩石呈脆性破坏，破坏过程瞬时完成，破坏时发出较低且清脆的声音。随着围压的增大，岩石的力学性质发生了变化：逐渐由弹脆性→弹塑性转变。在压应力达到峰值后，由于岩石中存在弱面，强度相对较低，低强度部分将逐渐产生屈服弱化，岩石呈现剪切破坏，破坏过程有一定的延时，破坏时有一定的软化特性。岩石的单向压缩破坏形式与劈裂破坏形式相似，类似内部的拉伸破坏；岩石的三向压缩破坏形式是剪切破坏。因此岩石的破坏形式，按其机理来说只有拉伸破坏和剪切破坏两种，而通常所说的岩石被“压坏”实质上是不存在的。

图1 单向压缩- 应变曲线

图2 围压=5MPa时- 曲线

5 结论

通过分析软岩在不同应力状态下的破坏状况得知，单向压缩破坏表现为脆性破坏，产生这种破坏的原因是岩石中裂隙发生和发展的结果。三向压缩破坏表现为剪切破坏，岩石中存在软弱结构面，软弱结构面上的剪应力大于该面上的强度时，岩石就沿着弱面产生剪切滑移，从而导致岩石的剪切破坏。

[1]曹辉,杨小聪,解联库,郭利杰.某矿岩石力学特性及力学参数相关研究[J].中国矿业,2010（07）.

[2]王东,刘长武,王丁等.三向应力下典型岩石破坏预警及峰后特性[J].西南交通大学学报,2012（02）.

夏孝够（1973—），男，江苏无锡人，硕士研究生，主要从事矿压方面的教学与科研工作。