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；
τ——作用在破坏面上的剪应力；
——作用在破坏面上的正应力；
α——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0~6.85m为砂质泥岩，6.85~11.66m为粉砂岩，11.66~22.0m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50mm×100mm的标准单轴压缩试验试件、3个50mm×25mm的标准劈裂拉伸试验试件和15个50mm×50mm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。
33.3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
01
93.7
51.5
499.50

2559.13
2584.03
2.83
3.19
44.11
61.30
02
93.4
51.4
509.22
2627.50
3.09
53.41
03
92.8
51.3
491.87
2565.46
3.67
86.39
二分层
粉砂岩
01
94.6
51.5
484.34
2457.85
2537.04
2.99
3.09
49.06
46.58
02
94.8
51.2
491.20
2516.10
3.12
44.59
03
915
51.2
496.70
2637.17
3.15
46.08
一分层
砂质泥岩
01
91.2
51.2
489.13
2604.95
2627.62
2.35
2.77
25.28
25.99
02
92.5
51.3
522.60
2733.40
2.88
33.58
03
94.6
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
01
23
51.3
6.19
3.34
4.06
02
22.1
51.2
7.74
4.36
03
20.4
51.4
7.38
4.48
二分层
粉砂岩
01
27.9
51.4
10.51
4.67
4.93
02
27.9
51.4
15.71
6.98
03
27.4
51.48
6.95
3.14
一分层
砂质泥岩
01
22.74
51.4
8.56
4.67
3.85
02
28.54
51.4
7.81
3.39
03
29.5
51.4
8.29
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-1
51.1
51.1
86.7
45
23.49
23.49
22.89
22.89
5.45
37.33
XS-2
52.9
51.2
78.6
45
20.52
20.52
XS-3
52.2
51.1
93.1
45
24.67
24.67
XS-4
53.1
51.3
50.3
50
11.87
14.14
13.08
15.59
XS-5
47.3
51.1
40.2
50
10.70
1275
XS-6
47.4
51.0
62.7
50
16.68
19.88
XS-7
52.1
51.3
38.6
55
8.28
11.83
7.64
10.91
XS-8
51.0
50.9
32.3
55
7.14
10.19
XS-9
52.1
51.3
34.9
55
7.49
10.70
XS-10
52.0
50.9
28.9
60
5.46
9.46
5.60
9.69
XS-11
51.0
50.9
27.5
60
5.30
9.17
XS-12
50.8
51.1
31.3
60
6.03
10.44
XS-13
52.0
51.1
26.4
65
4.20
9.00
4.11
8.81
XS-14
47.2
51.2
24.1
65
4.21
9.04
XS-15
53.5
51.1
25.3
65
3.91
8.39
二分层
粉砂岩
FS-1
52.0
51.0
73.4
45
19.57
19.57
17.49
17.49
4.92
38.55
FS-2
52.0
51.0
70.9
45
18.91
18.91
FS-3
52.0
51.0
52.5
45
14.00
14.00
FS-4
51.0
51.0
33.9
50
8.38
9.99
16.27
19.38
FS-5
51.0
51.0
96.6
50
23.88
28.45
FS-6
52.1
51.5
69.0
50
16.54
19.71
FS-7
51.1
52.2
24.7
55
5.32
7.59
5.51
787
FS-8
52.0
52.1
24.3
55
5.14
7.34
FS-9
51.8
52.2
28.7
55
6.08
8.69
FS-10
50.9
51.3
24.5
60
4.69
8.12
4.42
7.66
FS-11
50.2
52.1
21.3
60
4.08
7.07
FS-12
52.1
51.2
24.0
60
4.51
7.81
FS-13
50.9
51.1
36.8
65
5.98
12.83
5.20
11.14
FS-14
49.3
50.8
21.9
65
3.69
7.92
FS-15
51.2
51.1
36.6
65
5.91
12.68
一分层
砂质泥岩
SN-1
51.0
51.0
187.0
45
50.84
50.84
31.03
31.03
4.75
40.34
SN-2
53.0
52.0
110.0
45
28.23
28.23
SN-3
52.0
52.0
53.6
45
14.03
14.03
SN-4
52.0

51.0
61.8
50
14.97
17.84
15.00
17.87
SN-5
51.0
52.0
66.5
50
16.12
19.21
SN-6
52.0
51.0
57.4
50
13.90
16.57
SN-7
53.0
51.0
23.8
55
5.06
7.23
6.50
9.28
SN-8
53.0
51.0
52.0
55
11.04
15.76
SN-9
51.0
53.0
16.0
55
3.40
4.85
SN-10
52.0
51.0
26.8
60
5.06
8.76
5.13
8.89
SN-11
52.0
51.0
27.8
60
5.25
9.09
SN-12
52.0
51.0
27.0
60
5.09
8.82
SN-13
53.0
51.0
33.6
65
5.25
11.27
4.35
9.32
SN-14
51.0
51.0
19.3
65
3.13
6.71
SN-15
51.0
51.0
28.7
65
4.66
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
1410
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
二分层
粉砂岩
2.49
81.8
5.00
5.53
33.00
15.8
0.26
一分层
细砂岩
2.38
134.3
11.53
17.50
25.00
20.2
0.17
12#煤层
煤
1.26
23.9
3.20
3.07
28.40

底板
一分层
泥岩
2.01
121.7
5.55
6.37
36.90
19.90
0.08
二分层
细砂岩
2.54
105.2
6.55
8.66
30.00
25.20
0.12