岩石力学参数测试.doc

3.2 侏罗系煤岩层物理力学性质测试3.2.1试验仪器及原理本试验采用电子万能压力试验机(图3.24)对侏罗系、石炭系岩石试样进行抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度的测定。 (a) 电子万能压力试验机 (b) 单轴抗压强度测试 (c) 抗拉强度测试 (d) 抗剪强度测试图3.24 岩石力学电子万能压力试验机及试验过程(1) 岩石抗压强度测定：单轴抗压强度的测定：将采集的岩块试件放在压力试验机上，按规定的加载速度(0.1mm/min)加载至试件破坏。根据试件破坏时，施加的最大荷载P，试件横断面A便可计算出岩石的单轴抗压强度S，见式(3.1)。S= (3.1)一般表面单轴抗压强度测定值的分散性比较大，因此，为获得可靠的平均单轴抗压强度值，每组试件的数目至少为3块。(2) 岩石抗拉强度的测定：做岩石抗拉试验时，将试件做成圆盘形放在压力机上进行压裂试验，试件受集中荷载的作用，见式(3.2)。S= (3.2)式中：S岩石抗拉强度 MPa； P 岩石试件断裂时的最大荷载，KN； D 岩石试件直径； T 岩石试件厚度。为使抗拉强度值较准确，每种岩石试件数目至少3块。(3) 岩石抗剪强度测定：将岩石试件放在两个钢制的倾斜压模之间，然后把夹有试件的压模放在压力实验机上加压。当施加荷载达到某一值时，试件沿预定的剪切面剪断，见式(3.3)。 (3.3)式中：P试件发生剪切破坏时的最大荷载；T施加在破坏面上的剪切力；N作用在破坏面上的正压力；A剪切破坏面的面积；作用在破坏面上的剪应力；作用在破坏面上的正应力；破坏面上的角度。每组取3块试件，变换不同的破坏角，根据所得的数值，便可在坐标系上画出反映岩石发生剪切破坏的强度曲线。并可求出反映岩石力学性质的另外两个参数：粘聚力c及内摩察角。3.2.2 标准岩样加工根据需要和所在矿的条件，在晋华宫矿12#煤层2105巷顶板钻取岩样，钻孔长度约22m，在。根据各段岩心长度统计结果，晋华宫矿顶板岩层的RQD值为72.4%，围岩质量一般。岩心取出后，随即贴上标签，用透明保鲜袋包好以防风化，之后装箱，托运到实验室，经切割、打磨、干燥制成标准的岩石试样，岩样制作过程见图3.25。 (a) 封装 (b) 切割 (c) 磨光 (d) 干燥图3.25 标准岩样制作过程根据岩性将晋华宫矿12#煤层2105巷顶板分为三层，其中06.85m为砂质泥岩，6.8511.66m为粉砂岩，11.6622.0m为细砂岩。由于永定庄矿岩心钻孔深度仅为8m，除去前面约2m的煤层，实际岩样长度约为6m，且均为细砂岩，故不对其进行分层。综上，本次试验共有4种岩样，每种岩样制作3个50mm100mm的标准单轴压缩试验试件、3个50mm25mm的标准劈裂拉伸试验试件和15个50mm50mm的标准抗剪强度试验试件，共制作12个单轴压缩试验试件、12个劈裂拉伸试验试件和60个抗剪强度试验试件。3.3.3侏罗系煤岩层物理力学性质测试结果晋华宫矿12#煤层2105巷顶板岩石单轴抗压强度测试结果见表3.12，破坏形式见图3.26；抗拉强度测试结果见表3.13，破坏效果见图3.27；抗剪强度测试结果见表3.14，关系曲线见图3.28，破坏形式见图3.29所示。表3.12 晋华宫矿12#煤层2105巷顶板岩石单轴抗压强度测试结果地点岩性编号高度/mm直径/mm质量/g密度/kg/m3平均值/kg/m3弹性模量/GPa平均值/GPa单轴抗压强度/MPa平均值/MPa三分层细砂岩0193.7 51.5 499.50 2559.13 2584.03 2.83 3.19 44.11 61.30 0293.4 51.4 509.22 2627.50 3.09 53.41 0392.8 51.3 491.87 2565.46 3.67 86.39 二分层粉砂岩0194.6 51.5 484.34 2457.85 2537.04 2.99 3.09 49.06 46.58 0294.8 51.2 491.20 2516.10 3.12 44.59 0391.5 51.2 496.70 2637.17 3.15 46.08 一分层砂质泥岩0191.2 51.2 489.13 2604.95 2627.62 2.35 2.77 25.28 25.99 0292.5 51.3 522.60 2733.40 2.88 33.58 0394.6 51.3 497.53 2544.51 3.06 19.12 (a) 砂质泥岩单轴抗压试验破坏形式 (b) 粉砂岩单轴抗压试验破坏形式 (c) 细沙岩单轴抗压试验破坏形式 (d) 细砂岩单轴抗压试验破坏形式(永定庄矿)图3.26 大同矿区岩石单轴抗压强度试验破坏形式表3.13 大同矿区岩石单轴抗拉强度测试结果地点岩性编号高度/mm直径/mm破坏峰值/KN抗拉强度/MPa平均值/MPa三分层细砂岩012351.36.19 3.34 4.06 0222.151.27.74 4.36 0320.451.47.38 4.48 二分层粉砂岩0127.951.410.51 4.67 4.93 0227.951.415.71 6.98 0327.451.486.95 3.14 一分层砂质泥岩0122.7451.48.56 4.67 3.85 0228.5451.47.81 3.39 0329.551.48.29 3.48 图3.27 大同矿区岩石抗拉强度试验破坏形式表3.14 大同矿区岩石抗剪强度测试结果地点岩性编号高度/mm直径/mm应力峰值/KN倾角/正应力/MPa剪应力/MPa正应力平均值/MPa剪应力平均值/MPa粘聚力/MPa内摩擦角/三分层细砂岩XS-151.1 51.1 86.7 4523.49 23.49 22.89 22.89 5.45 37.33 XS-252.9 51.2 78.6 4520.52 20.52 XS-352.2 51.1 93.1 4524.67 24.67 XS-453.1 51.3 50.3 5011.87 14.14 13.08 15.59 XS-547.3 51.1 40.2 5010.70 12.75 XS-647.4 51.0 62.7 5016.68 19.88 XS-752.1 51.3 38.6 558.28 11.83 7.64 10.91 XS-851.0 50.9 32.3 557.14 10.19 XS-952.1 51.3 34.9 557.49 10.70 XS-1052.0 50.9 28.9 605.46 9.46 5.60 9.69 XS-1151.0 50.9 27.5 605.30 9.17 XS-1250.8 51.1 31.3 606.03 10.44 XS-1352.0 51.1 26.4 654.20 9.00 4.11 8.81 XS-1447.2 51.2 24.1 654.21 9.04 XS-1553.5 51.1 25.3 653.91 8.39 二分层粉砂岩FS-152.0 51.0 73.4 4519.57 19.57 17.49 17.49 4.92 38.55 FS-252.0 51.0 70.94518.91 18.91 FS-352.0 51.0 52.5 4514.00 14.00 FS-451.0 51.0 33.9 508.38 9.99 16.27 19.38 FS-551.0 51.0 96.6 5023.88 28.45 FS-652.1 51.5 69.0 5016.54 19.71 FS-751.1 52.2 24.7 555.32 7.59 5.51 7.87 FS-852.0 52.1 24.3 555.14 7.34 FS-951.8 52.2 28.7 556.08 8.69 FS-1050.9 51.3 24.5 604.69 8.12 4.42 7.66 FS-1150.2 52.1 21.3 604.08 7.07 FS-1252.1 51.2 24.0 604.51 7.81 FS-1350.9 51.1 36.8 655.98 12.83 5.20 11.14 FS-1449.3 50.8 21.9 653.69 7.92 FS-1551.2 51.1 36.6 655.91 12.68 一分层砂质泥岩SN-151.0 51.0 187.0 4550.84 50.84 31.03 31.03 4.75 40.34 SN-253.0 52.0 110.0 4528.23 28.23 SN-352.0 52.0 53.6 4514.03 14.03 SN-452.0 51.0 61.8 5014.97 17.84 15.00 17.87 SN-551.0 52.0 66.5 5016.12 19.21 SN-652.0 51.0 57.4 5013.90 16.57 SN-753.0 51.0 23.8 555.06 7.23 6.50 9.28 SN-853.0 51.0 52.0 5511.04 15.76 SN-951.0 53.0 16.0 553.40 4.85 SN-1052.0 51.0 26.8 605.06 8.76 5.13 8.89 SN-1152.0 51.0 27.8 605.25 9.09 SN-1252.0 51.0 27.0 605.09 8.82 SN-1353.0 51.0 33.6 655.25 11.27 4.35 9.32 SN-1451.0 51.0 19.3 653.13 6.71 SN-1551.0 51.0 28.7 654.66 9.99 (a) 砂质泥岩关系曲线 (b) 粉砂岩关系曲线 (c) 细砂岩关系曲线 (d) 细砂岩关系曲线(永定庄矿)图3.28 大同矿区岩石抗剪强度测试关系曲线 图3.29 大同矿区岩石抗剪强度试验破坏形式以往工程对忻州窑矿、同家梁矿和煤峪口矿11#、12#等侏罗系煤岩层物理力学性质进行了测试，结果见表3.15表3.18：表3.15 忻州窑矿东三盘区11#煤岩层围岩的物理力学性质位置层位岩性密度/g/cm3抗压强度/MPa抗拉强度/MPa抗剪强度弹性模量/GPa泊松比粘聚力/MPa内摩擦角/顶板四分层中细砂岩2.34 128.4 10.74 14.95 27.07 21.8 0.28 三分层粉砂岩2.43 34.8 10.73 17.70 19.30 18.6 0.19 二分层细砂岩2.39 120.4 9.72 13.35 31.41 23.4 0.23 一分层粉砂岩2.31 117.3 9.50 11.75 27.81 17.6 0.31 11#煤层煤1.29 19.9 3.13 4.81 25.90 底板一分层细砂岩2.58 98.2 10.67 14.90 26.60 16.8 0.21 二分层粉砂岩2.50 108.3 7.73 12.06 26.90 20.9 0.36 三分层中砂岩2.50 99.9 10.63 13.02 30.00 22.1 0.17 表3.16 同家梁矿11#煤岩层围岩的物理力学性质位置层位岩性密度/g/cm3抗压强度/MPa抗拉强度/MPa抗剪强度弹性模量/GPa泊松比粘聚力/MPa内摩擦角/顶板三分层粉砂岩2.61 144.4 7.97 13.30 20.00 23.0 0.19 二分层细砂岩2.63 104.4 7.71 8.76 32.80 22.9 0.23 一分层粉砂岩2.53 112.5 8.06 13.06 28.50 12.5 11#煤层煤1.26 14.5 2.31 3.53 27.40 底板一分层粉砂岩2.55 119.8 8.13 12.23 20.90 13.4 0.25 二分层细砂岩2.59 126.2 10.06 6.65 34.20 19.3 0.14 三分层粉砂岩2.40 120.3 7.94 11.40 24.10 18.3 0.20 四分层细砂岩2.68 98.2 11.82 13.37 22.90 20.3 0.13 表3.17 忻州窑矿西一盘区12#煤岩层围岩的物理力学性质位置层位岩性密度/g/cm3抗压强度/MPa抗拉强度/MPa抗剪强度弹性模量/GPa泊松比粘聚力/MPa内摩擦角/顶板三分层中砂岩2.90 136.3 9.80 7.85 31.70 21.1 0.11 二分层粉砂岩2.89 139.2 10.23 12.04 20.60 23.8 0.17 一分层细砂岩2.88 157.4 9.95 9.10 29.80 23.7 0.11 12#煤层煤1.22 26.0 2.60 5.11 29.50 底板一分层泥岩2.73 45.3 11.40 14.10 22.90 8.0 0.16 二分层细砂岩2.82 118.1 5.39 8.89 31.00 23.8 0.11 表3.18 煤峪口矿410