（矿业工程专业论文）煤岩力学性质试验及综放面顺槽锚杆支护参数优化与应用研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 煤岩力学性质试验及综放面顺槽锚杆支护参数优化与应用研究 摘要 综采放顶煤技术在我国取得了较好的技术经济效益，并具有广阔的发展前景。 长期以来，综放工作面回采巷道的支护大都采用棚子支护，严重影响了综放工作 面的推进速度，阻碍了综放设备能力的发挥，高强度锚杆支护系统作为一种先进 的支护形式，与棚子支护形式相比，具有许多不可比拟的优越性，但对综放工作 面锚周机理及支护设计方法的认识相对滞后，影响了锚杆支护发展的进程。 因为沉积岩的组分、结构复杂，沉积环境差异较大，因此，同一种沉积岩的力学 参数相差较大，综放工作面顺槽锚杆支护参数设计必须以具体位置、具体条件下 的力学参数为依据，本文针对鲁西矿业有限公司3 下i 0 1 工作面具体条件，采用 世界先进水平的m t s s l 5 0 3 电液伺服试验系统对3 下煤及其顶底板细砂岩进行了 单轴及三轴压缩试验，得出了准确的岩石力学参数。分析表明，在单轴压缩时， 煤岩受压变形均经历了原生裂隙压密闭合阶段、线弹性变形阶段、新裂隙产生、 扩展和贯通阶段以及裂隙加 通和破坏阶段，煤岩体的受压变形与其内部裂隙 的加密、扩展、演化过程密切相关；在三轴压缩时，随围压增加，觫石* ，礴性 模量、极限强度、残余强度均随之增大，在较高围压作用下，破坏后煤体虽然出 现了较大变形，但仍具有较高的残余强度，煤的这种力学性质对于围岩较破碎的 煤巷锚杆支护具有重要的指导意义。 在岩石力学试验的基础上，分析了锚杆对软弱破碎煤体的轴向及横向锚固机 理。锚杆对于软弱破碎煤体的锚固作用一方面通过其轴向作用改善围岩的受力状 态，使围岩由单向、二向受力状态向二向、三向受力状态转化，从而明显提高锚 固范围内煤体的极限强度和残余强度，提高煤体的自支承能力，改善煤体的支护 效果；另一方面通过其横向作用，阻止围岩裂隙等弱面的相对运动，提高弱面的 抗剪能力，通过上述两方面的作用，可以较大程度地提高锚固煤体的综合强度， 并可使锚固煤体具有较强的可塑性，使巷道围岩整体稳定性大大提高。 针对鲁西矿业有限公司3 下1 0 1 工作面具体顶底板条件，采用f l a c 数值计算 软件对工作面顺槽不同锚杆长度及间排距作用下的围岩应力及变形进行了计算分 析，结果表明，原岩应力影响下的煤巷，煤巷锚杆支护长度取1 9 m ，锚杆支护间 i i 东北大学硕士学位论文摘要 排距取0 8 * 0 8 m 为既经济又合理的指标；超前支承压力影响下的煤巷，锚杆长度 取2 i m ，间排距采用0 7 5 0 7 5 m 较合理。 现场应用的锚杆支护参数一般选用困难条件下的一种方式，即超前支承压力 状态下锚杆支护间排距和锚杆长度：锚杆长度2 2 m 扣除0 i m 的外露部分后为有 效长度，锚杆支护间排距0 7 5 x 0 8 0 m 。锚杆支护参数的优化结果应用于3 下l o l 工作面顺槽的实践结果表明，巷道围岩变形较小，整体稳定性较好。说明支护参 数是合理的，同时证明了论文研究成果的正确性。 关键词综放工作面顺槽锚杆支护力学性质试验锚固机理 围岩变形 i l l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e s to f c o a la n df a c ea n d o p t i m i z a t i o n a n d a p p f i c a t i o no f b o l t i n g p a r a m e t e r si n a b s t r a c t b yd r a w i n gm e t h o do ff u l l y - m e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n g ，c h i n a h a v ea c h i e v e db e t t e rv a l u ei nt e c h n o l o g ya n de c o n o m i c a n dt h i s t e c h n i q u eh a sw i d es p a c ef o rd e v e l o p m e n t f o ral o n gt i m e ，m a i n s u p p o r t i n gt y p e i ng a t e - w a y so ft h ef a c ei sf r a m e dt i m b e r ，w h i c h h a sl i m i t e dm i n i n gs p e e da n d c a p a c i t y o f f u l l y - m e c h a n i z e d e q u i p m e n t a sa na d v a n c e ds u p p o r t i n gs y s t e m ，r e i n f o r c e ds u p p o r t w i t ha n c h o rb o l th a sm a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t hf r a m e dt i m b e r s t r a t ab o l t i n gm e t h o dh a sb e e ni n f l u e n c e do ni t s d e v e l o p m e n t ， b e c a u s et h e o r e t i cs t u d i e sa b o u ts t r a t ab o l t i n ga n d d e s i g n i n g m e t h o da r er e l a t i v e l yl a g g e d b e c a u s ec h e m i c a le l e m e n t s ，s t r u c t u r e sa n ds e d i m e n t a r y e n v i r o n m e n to f s e d i m e n t a r y r o c ka r e v e r yc o m p l i c a t e d ， i t s m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s a r e d i f f e r e n t d e s i g n i n gp a r a m e t e r s o f s t r a t ab o l t i n go ft h eg a t e - w a y sm u s tb eb a s e do nd e f i n e da r e aa n d a c t u a lc o n d i t i o n s s t u d y o ft h e s u b j e c t i su n d e rt h et r u e c i r c u m s t a n c eo f3 1 0 1 c o a lf a c ei nl u x ic o a lm i n i n gc o r p o r a t i o n l i m i t e d b yu n i a x i a la n dt r i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e s st e s t sw i t h t h es e r v o c o n t r o l l e dr o c km e c h a n i c a lt e s ts y s t e m ( m t s 8 1 5 0 3 ) w h i c h i sa d v a n c e di nt h ew o r l d ，t h i s p a p e rf i n d sa c c u r a t em e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f 3 c o a ls e a ma n df i n es a n ds t o n e s w h i c ha r et h er o o f o rt h ef l o o ro fn o 3c o a ls e a m t h ea n a l y s e ss t a t et h a ta sf o l l o w u n d e rt h eu n i a x i a lp r e s s u r e ，a l lt h e c o m p r e s s e dd e f o r m a t i o no f c o a le x p e r i e n c e st h es t a g eo f o r i g i n a lc r a c k sp r e s s e dc l o s i n g ，t h e s t a g e o fl i n e a re l a s t i c d e f o r m a t i o n ，t h es t a g e o fn e wc r a c k s e m e r g i n gd e v e l o p i n g1i n k i n g u p ，a n dt h es t a g eo fc r a c k si n c r e a s i n g t v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1i n k i n g u pd e s t r o y i n g t h ec o m p r e s s e dd e f o r m a t i o no fc o a lm a s sh a s c l o s e l yr e l e v a n t t ot h e i n c r e a s i n gd e v e l o p i n ga n de v o l u t i o no f c r a c k si ni t ，u n d e rt h et r i a x i a lp r e s s u r e ，w i t ht h ei n c r e a s eo f c o n f i n i n g ，a l l o ft h ee l a s t i c m o d u l u sa n d1 i m i t s t r e n g t h a n d r e s i d u a ls t r e n g t hi n c r e a s e t h o u g ht h ec o a lh a sb e e nd e s t r o y e da n d m u c hd e f o r m a t i o nh a sa p p e a r e du n d e rh i g h e rc o n f i n i n gp r e s s u r e ，t h e r e s i d u a l s t r e n g t h o fc o a li ss t i l l r e l a t i v e l yh i g h e r t h i s m e c h a n i c a lc h a r a c t e rh a si m p o r t a n ti n s t r u c t i n gm e a n i n gt oa n c h o r b o l t i n gu s e d i nf r a c t u r e dc o a lm a s s b a s e do nt h er e s u l t so fr o c km e c h a n i c a lt e s t ，t h i sp a p e r a n a l y s e st h eb o l t i n gm e c h a n i s mt os t r e n g t h e ns o f ta n dc r a c k e dc o a l s e a mi na x i a lo rc r o s sd i r e c t i o n t h eb o l t i n ga c t i o no fa n c h o rb o l t t oc o a lm a s sl i e si nt w os i d e sa sf o l l o w s o nt h eo n eh a n d ，b o l t i n g e x e r t sa x i a lc o m p r e s s i o no nc o a lm a s ss ot h a ti m p r o v e si t ss t r e s s s t a t ea n dt u r n st h es t r e s ss t a t eo fc o a lm a s sf r o mu n i a x i a lo r t w o d i r e c t i o n a ls t a t et ot w o d i r e c t i o n a lo rt h r e e d i r e c t i o n a l s t a t e t h e r e f o r et h e1i m i ts t r e n g t ha n dr e s i d u a ls t r e n g t ho fc o a l m a s sw i t hi nt h e b o l t i n gr a n g e i n c r e a s e o b v i o u s l y ，a n d t h e s e l f b e a r i n ga b i l i t ya n ds u p p o r t i n ge f f e c ta r ea l li m p r o v e d o n t h eo t h e rh a n d ，b o l t i n ge x e r t st r a n s v e r s ec o m p r e s s i o no nc o a lm a s s s ot h a tl i m i t st h ew e a k p l a n e ss u c ha sf r a c t u r et om o v er e l a t i v e l y a n de n h a n c e st h es h e a rs t r e n g t ho fc o a lm a s s o w n i n gt ot h et w o s i d e so fa c t i o n ，t h e c o m p r e h e n s i v es t r e n g t ho fc o a lm a s sw i t h b o l t i n gi sr e l a t i v e l yi m p r o v e d ，a n dt h ec o a lm a s sw i t hb o l t i n gh a v e b e t t e rp l a s t i c i t yw h i c hc a nh i g h l y i m p r o v et h ee n t i r es t a b i l i t y o fr o a d w a y r o c km a s s u n d e rt h ea c t u a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o no f3 1 0 1c o a lf a c ei n l u x ic o a l m i n e ，t h i sp a p e rd e s i g n sn u m e r i c a lm o d e l so f g a t e s u p p o r t e d w i t hd i f f e r e n t l e n g t h a n di n t e r v a lo fb o l t sa n d c a l c u l a t e ss t r e s sa n dd e f o r m a t i o n o fr o c km a s s e s r e s u l t so f s i m u l a t i o np r e s e n tt h a ts c i e n t i f i c l e n g t ha n di n t e r v a lo fb o l t s a r e1 9 ma n d0 8 * 0 8 mr e s p e c t i v e l yu n d e rt h ec o n d i t i o no fi n i t i a l v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t r e s s e s ，a n d i ft h e g a t e s a r e i m p a c t e db y a b u t m e n t p r e s s u r e ， s c i e n t i f i c l e n g t h a n di n t e r v a lo fb o l t ss h o u l db e2 i ma n d 0 7 5 * 0 7 5 mr e s p e c t i v e l y t h eb o l t i n gs u p p o r t i n gp a r a m e t e r sa p p l i e do ns i t eo f t e nt a k e t h em a t t e ru n d e rd i f f i c u l tc o n d i t i o n i tm e a n st h a tt h el e n g t ha n d i n t e r v a lo fb o l t s u n d e ra b u t m e n t p r e s s u r e s h o u l db e2 2 m s u b t r a c t e d0 1 m o fo u t s i d ea n d 0 7 5 * 0 8 0 m a p p l i c a t i o n o f o p t i m i z e d r e s u l t si ng a t e - w a y so f3 1 0 1c o a l f a c e s t a t e st h a t d e f o r m a t i o no fr o c km a s si ss m a l la n ds t a b i l i t yo fg a t ei sb e t t e r t h e s ep r o v et h a ts u p p o r t i n gp a r a m e t e r si nf i e l da r ef e a s i b l ea n d a l s ot h e o r e t i cr e s u l t so ft h ep a p e ra r ec o r r e c t k e yw o r d sf u l l y m e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gf a c e ：s t r a t ab o l t i n g ； d e f o r m a t i o no fr o c km a s s ：p r i n c i p l e so fa n c h o rb o l t ： g a t e w a y ；t e s to fm e c h a n i c a lp r o p e r t y v i 声明 本人声明所呈交的论文是在导师的指导下完成的。文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明，并表示感谢。 本人始篇歹k 日期：枷；7 - ，p 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 课题研究的意义 我国是世界上的主要产煤大国之一，厚煤层的储量十分丰富，占总储量的 4 5 6 3 ，产量则占原煤产量的4 4 8 。长期以来，由于受煤层赋存条件、开采习惯， 以及开采设备等因素的限制，厚煤层的开采一般采用整层开采、分层开采和放顶 煤开采三种方法进行。其中综放技术自1 9 8 2 年被引进到我国后，1 9 8 4 年便开始了 工业性试验。十几年来，综放技术以其高产、高效、低耗、安全等优势在我国得 到了迅速发展。目前，我国综采放顶煤技术已走在了世界的前列。 综采放顶煤技术已在我国取得了较好的技术经济效益，并具有广阔的发展前 景。大量的生产实践表明，综放开采在采场和回采巷道的矿山压力显现与围岩控 制方面与其它开采方法明显不同。近几年，关于综放采场的煤岩稳定性及其控制 的研究得到了国内外学者的重视，并取得了大量成果。但是在综放工作面回采巷 道，尤其是综放沿空掘巷的矿压显现及其控制方面所做的工作却很少，大多沿用 现在的支护理论和支护形式。从目前的发展看，综放工作面顺槽的矿压理论与支 护技术是制约综放开采迸一步发展的主要因素之一”，。 长期以来，综放工作面回采巷道，包括实体煤巷道和沿空顺槽的支护多采用 棚、金属支架等支护形式。随着综采设备能力、生产技术和管理水平的不断提高， 传统的巷道支护形式严重地影响到综采工作面的推进速度，阻碍了综放设备能力 的充分发挥，迫切需要改善综放工作面回采巷道的支护技术。 高强度锚杆支护系统作为一种先进的支护形式，与其它支护方式相比，其显 著的优越性表现在：及时加固围岩，充分利用围岩的自支承能力：减小围岩变形， 防止巷道围岩出现严重变形和片帮，改善巷道的稳定状况；大幅度降低巷道支护 成本，提高了掘进工效；同时减少了支护材料运输量，减轻了工人的劳动强度等。 目前，锚杆支护已广泛应用于采区煤巷中，并取得了巨大成功。综采放顶煤工作 面回采巷道以及沿空顺槽也开始大量采用锚网支护，但对锚杆支护机理及支护设 计方法的认识却相对滞后，影响了锚杆支护发展的进程。因此，研究综放工作面 顺槽锚杆支护机理，确定锚杆支护参数优化方法对于综放工作面安全高效生产具 有重要经济意义和社会意义。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 课题的研究现状及存在问题 目前，在国外主要产煤国家，锚杆支护技术已得到广泛应用，且技术先进。 美国凭借其地质条件简单的优势，锚杆占整个煤矿支护形式的比例达9 0 以上【1 ，2 】； 澳大利亚结合自身条件，应用岩石力学原理和综合实测技术发展锚杆支护技术【l l 】； 井下巷道基本均采用锚杆支护；法国和德国的锚杆支护比例也已占到了5 0 以上。 我国从1 9 5 6 年起在煤矿使用锚杆，至今已有四十余年的历史，六、七十年代末锚 杆支护就已进入采区。目前，1 、i i 、i 类回采巷道锚杆支护技术已经基本解决， 可在全国推广应用1 2 ，1 0 1 。综放工作面回采巷道的锚杆支护也已开始了应用一。 锚杆支护技术的大发展。推动了锚杆支护理论的研究工作，国内外均在这方 面做了大量的研究工作，取得了许多有价值的成果t 4 , 5 , 7 , 9 。例如锚杆的悬吊理论、 组合梁理论、压缩拱理论、围岩松动圈理论、最大水平应力理论等。这些研究工 作均在实践中得到了不同程度的应用。近几年来，国内外开展了对锚杆锚固后岩 体力学性能改善的研究【6 r 1 ，这些研究均深度不同的探讨了锚杆加固后提高岩石强 度、弹性模量、粘聚力及内摩擦角的问题，并取得了相应的成果，但对综放工作 面回采巷道采用锚杆支护的认识还不够全面，取得的成果也只是阶段性的。本文 将结合煤岩三轴力学性质试验结果以及综放面顺槽围岩变形特点，分析锚杆的锚 固机理及锚杆支护作用效果。 采用锚网支护时，锚杆支护参数的确定方法常见的有数值计算法、理论解析 法、经验公式计算法和分类法等【1 4 , 1 5 】。数值计算法可以考虑较多的因素，可以模 拟复杂的结构模型和支护体，通过对比分析，可以得出较优的支护方案。但这种 方法需要准确确定项底板力学参数、选择先进合理的数值计算软件和有熟悉计算 及经验的研究人员进行分析才能得出满意的结果。理论解析法和经验公式计算法 虽然便于现场技术人员直接运用。但目前人们对煤巷锚杆支护机理的认识还不够 深入，通过简化的数学力学模型与实际差距较大。虽然经验公式在一定应用条件 范围内的可靠性较高，但由于各影响因素与围岩稳定性之间的复杂关系难以用一 个简单的公式来表达，所以计算结果可靠性较差。 无论利用何种计算方法，支护参数的确定方法都是以围岩力学参数为依据的。 因此，煤岩力学参数的可靠与否决定了支护设计的合理与否。我们知道，沉积岩 石的变形与强度特征，除受沉积岩的成份和结构影响外，主要受沉积条件的影响。 沉积岩一般组分复杂多样，煤岩微结构复杂多变，沉积环境也千差万别。因此， 同一种沉积岩的力学性质相差很大，既使在同一煤田，甚至周一矿区，同种煤 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 岩的力数参数也相差很大，如鲁西矿业有限公司，在井田范围内不同位置两个钻 孔的3 。煤及其顶底板细砂岩的单轴抗压强度可相差数倍。因此，确定综放面顺槽 锚杆支护参数时，应采用先进的刚性压力试验机对具体巷道的煤及其顶底板岩石 进行准确的力学参数测试，从而为支护设计提供准确可靠的依据，然后选择科学 合理的数值计算软件进行锚杆支护参数优化，通过计算分析得出最优的支护方案， 然后应用于工程实践。否则，支护设计就会缺乏正确的前提，结论就难阻做到科 学合理，应会造成支护失败或造成经济损失。本文针对鲁西矿业有限公司首采面 3 ，1 0 1 工作面具体条件，采用世界先进的m t s 8 1 5 岩石伺服试验系统对3t1 0 1 工 作面具体的3 ，煤及其顶底板细砂岩进行单轴、三轴岩石力学性质试验，得出准确 可靠的岩石力学参数，在此基础上，采用力学理论分析综放面顺槽围岩锚固机理， 并采用先进的f l a c 数值计算软件对3 ，1 0 1 工作面顺槽锚杆支护进行优化分析， 最终得出合理的支护参数，并在工程实践中检验支护方案的合理性，为煤矿安全、 经济生产服务。 1 3 课题研究方法 根据课题的研究内容，确定本论文采用以下四种研究方法：室内岩石力学性 质试验、数值计算分析、理论研究、现场工程实践及观测分析。 1 3 1 室内岩石力学性质试验 室内岩石力学性质试验试样采自进行工程实践的鲁西矿业有限公司首采面3 ， 1 0 1 工作面3t 煤及其顶底板细砂岩。利用山东科技大学新近从美国购置的世界最 先进水平的m t s s l 5 0 3 电液伺服岩石试验系统对煤岩试样进行单轴、三轴压缩试 验。m t s 8 1 5 岩石伺服试验系统可实现自动数据采集及处理、伺服阀反应灵敏，与 试件直接触的引伸仪可对岩石破坏前后的应力应变进行最准确的测量，同时，实 心钢制荷重架只储存很小的弹性能从而实现刚性压力试验。因此，通过力学试验， 得出煤岩试样的单轴、三轴全应力应变曲线、单轴、三轴岩石力学参数，并分析 煤岩试样在单轴、三轴压缩条件下的变形及强度特征，为进行数值计算及确定合 理的锚杆支护参数提供具体条件下准确可靠的力学参数。 1 3 2 数值计算研究 数值计算方法是一种解决采矿与岩石力学问题的有力工具，在解析解难以得 东北大学硕士学位论文第一章绪论 出的时候，它有着突出的优越性，它可以考虑众多的影响因素，进行多方案的快 速比较，在参数敏感性分析中具有明显的优势，同时有的软件还具有强大的前后 处理功能，显著提高了输入、输出结果的可靠程度，f l a c 软件就是其中之一。 f l a c ( f a s t l a g r a n g i a n a n a l y s i so f c o n t i n u a ) 是一种用于工程力学计算的显式 有限差分程序。该程序可模拟士、岩石等材料的力学行为。 与其它软件相比，f l a c t 2 d j 3 3 主要有以下特点： 混合离散化方法可使得f l a c 在模拟塑性流动和破坏方面比有限元中采用 的一些方法更为合理； f l a c 2 d 3 3 采用了全动态运动方程，即使模拟静态过程也是如此，这就使 f l a c 可以模拟真实的不稳定过程而不至于使数值计算上不稳定。 f l a c e 2 d 1 3 3 中采用显式解法，可模拟任意非线性力学问题。 该软件主要用于采矿工程和地下结构的分析和设计，特别适合于岩土类材料 的破坏分析。故在本论文研究中，采用f l a c t 2 d 1 3 3 数值计算软件计算鲁西矿业有 限公司3 。1 0 1 工作面顺槽不同镪杆支护参数条件下的围岩应力应变情况，通过对 比分析，确定最优的锚杆支护参数。 1 3 3 理论研究 一 主要利用岩石力学、矿山压力理论等的一些观点，分析综放工作面顺槽围岩 锚固机理及论文其它相关内容。 1 3 4 工程实践及观测结果分析 在本论文研究的同时，为研究、验证和应用论文的研究成果，在里能集团鲁 西矿业有限公司首采面3 下1 0 1 工作面顺槽进行了工程实践和相应的矿压观测，通 过对巷道围岩表面变形规律、锚杆受力状态的监铡，不仅充实和完善论文的研究 内容，而且论证了论文研究成果的正确性。 1 4 论文研究的主要内容及结构 第一章，根据目前放顶煤工作面顺槽支护技术发展现状，提出本论文的研究 内容及所要解决的问题；通过参考文献，了解国内外在本课题研究方面的现状及 存在问题；确定论文研究的主要内容及方法，并介绍论文的一些基础条件。 第二章，在介绍m t s 8 1 5 0 3 电液伺服岩石试验系统先进性、功能、特点的基 东北大学硕士学位论文第一章绪论 础上，对鲁西矿业有限公司首采面3 ，1 0 1 工作面3t 煤层及其顶底板细砂岩进行单 轴、三轴压缩试验，并分析煤岩在单轴、三轴压缩条件下强度及变形特征。为进 一步进行顺槽锚杆支护参数优化及分析顺槽围岩锚固机理提供准确可靠的力学参 数及依据。 第三章，在岩石力学试验的基础上，针对放顶煤工作面顺槽围岩变形特点， 采用有关力学理论分析综放面顺槽锚杆支护的横向及纵向机理，为采用锚网支护 综放工作面顺槽提供理论依据。 第四章，采用f l a c 口d 】3 3 数值计算软件对鲁西矿业有限公司3f1 0 l 工作面 顺槽不同锚杆支护参数条件下的支护效果进行计算，并对计算结果进行对比分析， 并最终确定出最优的锚杆支护参数。 第五章，利用上述研究成果在鲁西矿业有限公司3 ，1 0 1 工作面顺槽进行锚网 支护工程实践，并进行相关矿压监测，通过对巷道围岩表面变形规律、锚杆受力 状态等的观测结果分析，论证论文研究成果的正确性。 第六章，总结论文的主要结论。 5 东北大学硕士学位论文第二章煤岩力学性质试验 第二章煤岩力学性质试验 2 1 岩石力学试验及意义 岩石力学是研究岩石或岩体在外力作用下的应力状态、应变状态和破坏条件 等力学特性的学科，它是解决岩石工程( 即与岩石有关的工程) 技术问题的基础。 岩石力学研究的基础是岩石力学试验，因为岩石力学试验一直是人们认识岩石在 不同应力状态下力学性质的主要手段，也是建立强度理论及本构关系的主要依据 2 0 , 2 1 。因此，岩石力学实验具有特别重要意义。正因为如此，受科学技术发展水 平和实验手段的限制，对岩石力学性质富有成果的研究也不过半个世纪左右的时 间。本世纪五十年代末和六十年代初，电子计算机的问世和刚性试验机的诞生， 大大促进了岩石力学的研究。特别是岩石伺服试验系统的问世，确定给岩石力学 试验方法、试验手段和试验技术带来了根本性的变革【2 1 ，2 3 】，通过岩石试件的单轴 压缩试验，可以获得岩石的全应力应变曲线。使人们认识到岩石试件在破坏前有 弹性段和塑性段，同时，岩石具有尺寸效应和形状效应【2 6 l 。通过三轴压缩试验， 使人们搞清了岩石的围压效应，从而认识了围压对岩石变形和破坏的影响，而且 建立了许多更符合实际的强度理论，等等，岩石力学实验是研究岩石力学理论及 工程技术的基础，试验结果的准确程度决定了岩石力学问题计算及工程设计的可 靠程度。因此，岩石力学试验对于岩石力学理论研究及相关工程计算及设计具有 非常重要的意义。 在进行岩石力学性质试验前，必须将煤岩试块加工成标准岩石试样。煤炭工 业出版社1 9 8 2 年7 月出版了国际岩石力学学会实验室和现场标准化委员会的岩 石力学试验建议方法上集一书，该书对岩石力学的一般基本试验提出了一些建 议方法，并为各国所采纳 2 4 筇l 。我国煤炭部、水利部等部门也相应地制订了一套 岩石力学试验规程。所有这些，不论是建议方法，还是试验规程，都对岩石试件 的形状、加工精度、加工方法等都做出了较严格的要求。比如对岩石单轴抗压强 度试验和变形性质试验，国际规定： ( 1 ) 试件应是整齐的园柱体，其高度与直径之比应在2 5 3 0 之间，直径最 好不小于n x 型岩芯尺寸，大致为5 4 m m ，试件直径与岩石内最大颗粒尺寸的比值 至少是1 0 ：1 。 ( 2 ) 试件端面应平整到0 0 2 m m ，对于试件轴的垂直度，不应超过o 0 0 1 孤度 6 东北大学硕士学位论文第二章 煤岩力学性质试验 ( 大约为3 5 ) 或每5 0 m m 不超过0 0 5 r a m 。 ( 3 ) 国内煤炭部的规程也有类似的规定，只是在试件的直径和高度上，根据我国 煤炭部门的实际情况，作了一些相应的变动，如直径要求为5 0 m m 左右，高度与 直径的比为2 0 左右，端面的平整度为0 1 m m 等。另外，还对加载速度和从加载 到破坏的时间进行了规定。 本次试验以里能集团鲁西矿业有限公司首采面3 ，1 0 1 综放面煤层及顶底板砂 岩为研究对象，采用世界先进的m t s s l 5 岩石伺服系统对3 。煤及其顶底板岩石进 行单轴、三轴压缩试验，得出煤岩单轴、三轴全程应力一应变曲线以及单轴、三 轴抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角等力学参数，并分析煤岩强 度及变形特征，为工作面顺槽锚网支护设计等工程技术问题的理论计算和数值分 析提供科学依据。 2 2 试样制备及试验条件 2 2 1 试样制各 3 ，1 0 1 工作面顶板及底板细砂岩是在工作面顺槽中采用向顶板和底板中打钻 取岩芯得到的，3t 煤是在3 。1 0 1 工作面上顺槽迎头采用放炮崩落取得大煤块，现 场取得岩芯和大煤块后即封腊，以保证与现场有相同的湿度和含水率，然后运抵 实验室，在实验室内顶底板细砂岩经过切、磨。加工成标准岩石试件。现场采集 的煤大块在实验室内经过钻、切、磨，加工成标准煤样，由于煤的强度较低，遇 水易膨胀和崩解，在钻取煤芯过程中容易断成几段，在同一个大煤块上加工成几 个标准煤样较困难，因此从现场取得了大量煤大块，尽可能从同一大块煤上加工 成同一性质试验的标准煤样，以尽可能减少由于煤样强度离散性造成的结果误差。 加工后煤岩试样成园柱形，尺寸( 直径x 高度) 5 0 x1 0 0 m m ，其平整度、垂直度 等均能达到岩石试验规范标准。 2 2 2 试验条件 本次试验是在山东科技大学新近从美国m t s 公司引进的m t s s l 5 0 3 电液伺服 岩石试验机上进行。 2 2 2 1m t s 8 1 5 0 3 电液伺服岩石试验系统概况 m t s 8 1 5 0 3 电液伺服岩石试验系统如图2 1 所示。试件及传感器示意图见图 2 2 。 7 东北大学硕士学位论文 第二章煤岩力学性质试验 图2 1m t s 8 1 5 0 3 伺服试验系统图 f i g 2 1 m t s 8 1 5 0 3s e r v - c o n t r o l l e d t e s ts y s t e m 图2 2 试件及传感器示意图 f i g 2 2s k e t c ho f r o c ks a m p l ea n ds a n s e r 系统的主要技术指标见表2 1 。 表2 1 g t s 8 15 0 3 岩石伺服试验系统主要技术指标 t a b l e2 1 t h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f m t s 8 1 5 0 3s e r v - c o n t r o l l e dt e s ts y s t e m 型号 m t s 8 1 5 0 3 液压源流量 3 1 8 l m l n 轴压 4 6 0 k n 伺服阀灵敏度2 9 0 h z 围压 1 4 0 m a 数采通道数1 0 c h a n s 孔隙水压 7 0 m p a 最小采样间隔 5 0 s 直线波、正弦波、三角波、 水渗透压差2 m p a 输出波型 方波等 单轴、三轴试验试样最大 机架刚度1 0 5 1 0 9 n m1 0 0 m m 直径 8 东北大学项士学位论文第二章煤岩力学性质试验 系统的主要特点：全程计算机控制，可实现自动数据采集及处理；配备 三套独立的伺服系统分别控制轴压、围压与孔隙( 渗透) 压力；实心钢制荷重 架只储存很小的弹性能从而实现刚性压力试验；伺服阀反应敏捷( 2 9 0 h z ) ，试 验精度高；与试件直接接触的引伸仪( 美国m t s 公司专利) 可在高温( 2 0 0 ( 2 ) 、 高压( 1 4 0 m p a ) 油中工作，可对岩石破坏前后的应力应变进行最精确测量：可 以采用任意加载波形与加载速率。 2 2 2 2 控制变量的选择 m t s 8 1 5 电液伺服岩石试验系统的特点就是能够自动控制试验过程，如何较好 地控制好试验过程，问题的关键在于控制变量的选择。一般可供选择的控制变量 有三个： 载荷作为主控变量； 轴向应变作为主控变量； 环向应变作为主控变量。 主控变量的选择应根据不同类型岩石和不同类型试验来选择。例如要做岩石 试件的蠕变试验，其目的是观察长期载荷( 恒定载荷) 对岩石变形和破坏的影响， 因此，只能选择载荷作为主控变量。要做岩石的盯一占全程曲线，主控变量应如何 选择呢? 显然，不能选择载荷作为主控变量，因为载荷超过抗压强度后，随着应 变的增加，载荷无法上升，只能造成岩石试件的崩裂，这与一般压力试验机一样。 对于岩石材料，一般都有扩容现象，这就是说，在产生一定变形以后，环向应变 的总和要超过轴向应变，特别是在岩石破坏以后，更是如此，因此一般采用应变 控制能比较完整地得出盯一占全程曲线。对于比较坚硬的脆性岩石，由于其在破坏 以前变形很小，且极易发生脆性破坏，因此试验时采用环向应变更为合理，因为 试件破坏后，环向应变的变化要比轴向应变的变化大得多，轴向应变有微小的变 化，就可使环向应变有较大的变化，因此采用环向应变作为主控变量，可以微小 地控制载荷和轴向应变的变化，从而作出完整的口一占曲线。对于强度不是很高的 沉积岩如砂岩、煤、泥岩等，采用轴向应变也可以得出完整的口一占曲线，但由于 岩石破坏前后应变速度差别较大，在采用轴向应变作为主控变量时，最好峰值前 采用较小的应变速度，峰值后采用较大的应变速度，这样既可节约机时，也可保 证试验效果。 9 东北大学硕士学位论文第二章煤岩力学性质试验 2 3 煤岩单轴压缩试验结果及分析 2 3 1 煤岩单轴压缩试验结果 如前所述，将3t 煤及其顶底板细砂岩加工成标准岩石试件( 对于难加工的煤， 试件高度有些达不到标准) ，每种煤岩试样的试件数为3 个。主控变量采用轴向应 变，峰前加载速度采用o 0 0 0 1 s ，峰后加载速度采用0 0 0 0 2 s 。 单个试件的抗压强度 p o c 2 = s 式中p 破坏载荷，n ； s 一试件初始断面积，1 1 1 2 ； 每组试件的平均抗压强度、弹性模量、 度、弹性模量、泊松比。 ( 2 1 ) 泊松比，即为每种岩石的单轴抗压强 鲁西矿业有限公司3t1 0 1 工作面3t 煤及其顶底板细砂岩的单轴压缩试验结果 见表2 2 。 表2 23 ，煤及顶底板细砂岩单轴抗压强度试验结果 试件 试件尺寸( r a m ) 强度 平均离散 弹横 平均 岩性 极限弹模泊松比平均 编号直径高度强度系数( m p a ) ( m p a )( m p a ) n o 15 09 6 0 l3 2 0 92 3 4 20 1 3 3f 煤n o 25 01 0 02 4 8 62 8 4 38 6 2 3 7 12 3 3 2o 1 9o 1 8 n o 35 09 8 42 8 3 42 2 8 4o 2 2 n o 15 09 9 75 1 9 95 9 2 10 1 1 顶板细 n o 25 09 9 64 2 2 94 7 1 26 8 5 1 6 25 5 2 20 1 20 】l 砂岩 n o 35 09 9 94 7 0 95 4 8 30 1 0 n o 15 01 0 0 0 28 7 1 21 4 0 8 50 0 9 底板细 n o 25 09 9 85 4 9 36 9 8 41 6 s 1 0 0 3 l1 1 1 4 30 1 00 1 0 砂岩 n o 35 09 9 96 7 4 81 0 1 2 40 0 9 5 2 3 2 煤岩单轴压缩试验结果分析 3 块3r 煤单轴压缩盯一占全程曲线、弹模随轴向应变的变化曲线分别见图2 3 、 1 0 查! ! 查兰塑主茔堡笙墨 苎三主鉴生垄芏：生堕! 苎! l 2 4 。3 块顶板细砂岩单轴压缩盯一占全程曲线、弹模随轴向应变的变化曲线分别见 图2 5 、2 6 。3 块底板细砂岩单轴压缩盯一占曲线、弹模随轴向应变的变化曲线分别 见图2 7 、2 8 。 图2 3 - 1 3t 煤单轴压缩盯一占曲线图2 3 - 23 t 煤单轴压缩盯一占曲线 f i g 2 3 1t h e 盯一fc u r v eo f u n i m x i a lc o m p r e s s i v e t e s to f l o w e r3c o a l 锄 f i g 2 3 2t h eo - o 。c u r v eo f u n i a x i a lc o m p r e s s i v e t e s to f l o w e r3c o a ls e s _ q l 图2 3 - 3 3t 煤单轴压缩