巷道賦存灰白砂巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

李二強(qiáng)，韓六平（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，貴州畢節(jié)551700）

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巷道賦存灰白砂巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

李二強(qiáng)，韓六平
（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，貴州畢節(jié)551700）

摘要：對于承受四面來壓荷載、服務(wù)年限較長的巷道工程，獲取巖石的物理力學(xué)性質(zhì)具有十分重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。通過對南山煤礦現(xiàn)場取樣，隨后將巖樣加工成標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，在常規(guī)試驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，研究了該礦賦存灰白砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：（1）單軸壓縮試驗(yàn)條件下，灰白砂巖抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比分別為40.55-85.39MPa、23.6-40.6GPa、0.22-0.32，并表現(xiàn)出較大差異性；（2）灰白砂巖在單軸壓縮試驗(yàn)條件下其破壞形式以豎向劈裂為主，并出現(xiàn)有試樣整體破碎現(xiàn)象。該研究結(jié)果為巷道工程的掘進(jìn)、設(shè)計(jì)及維護(hù)提供了有力的基礎(chǔ)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巷道；灰白砂巖；單軸壓縮；力學(xué)性質(zhì)

巷道工程是我國礦山開采[1]的主要工程，在我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中，工程建設(shè)不同程度會涉及到巖體工程[2]，比如煤炭資源開采、大型水電工程建設(shè)以及高鐵建設(shè)中的隧道工程等。結(jié)合礦山開采針對巷道工程建設(shè)涉及的巖體進(jìn)行基礎(chǔ)研究具有相當(dāng)必要性[3]，巖石的基礎(chǔ)物理力學(xué)性質(zhì)諸如抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角等是巖石力學(xué)性質(zhì)及工程巖體分類[4]的主要組成因素，故在工程現(xiàn)場其物理力學(xué)性質(zhì)會對巷道工程的掘進(jìn)、設(shè)計(jì)及維護(hù)產(chǎn)生直接作用[5-6]。由此可見研究巖石基礎(chǔ)物理力學(xué)性質(zhì)對工程建設(shè)的重要性。相關(guān)學(xué)者針對板巖[7]、泥巖[8]的力學(xué)特性開展了基礎(chǔ)研究，同時(shí)也有學(xué)者僅針對砂巖的吸水特性進(jìn)行了相關(guān)研究[9-10]。在此結(jié)合南山煤礦新采區(qū)的開拓建設(shè)，通過現(xiàn)場取樣結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對南山礦東部區(qū)灰白砂巖開展了基礎(chǔ)研究，利用現(xiàn)場工程與理論分析相結(jié)合的方法，研究了巷道賦存灰白砂巖單軸試驗(yàn)下的力學(xué)性質(zhì)，并為現(xiàn)場工程的有效支護(hù)及有序建設(shè)奠定基礎(chǔ)[1,3]。

1現(xiàn)場取樣

南山煤礦目前正在進(jìn)行東部地區(qū)巷道開拓，巷道圍巖巖性為無層理灰白砂巖，砂質(zhì)膠結(jié)，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜。為深入研究該礦灰白砂巖物理力學(xué)特性，結(jié)合南山礦的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及巷道變形特征，選取典型巷道賦存圍巖作為研究對象。適時(shí)在南山煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場取樣，隨后將巖樣密封運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。

具體取樣過程如下。第一步：確定取樣地點(diǎn)，運(yùn)送取樣設(shè)備；第二步：取樣設(shè)備連接好風(fēng)管和水管；第三步：把鉆頭對準(zhǔn)巷道爆破巖石，且垂直其平面；第四步：打開水源啟動動力，并及時(shí)記錄初始數(shù)據(jù)；第五步：調(diào)整好水量及風(fēng)量，進(jìn)行鉆取巖樣；第六步：并記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)如時(shí)間及水量；第七步：取出巖樣，用保鮮膜密封保存，后續(xù)進(jìn)行蠟封。

取樣如圖1、圖2所示，現(xiàn)場取樣分別在-160運(yùn)輸大巷、-310強(qiáng)力皮帶道、-120總回上山巷道進(jìn)行，本文選取-160運(yùn)輸大巷3塊標(biāo)準(zhǔn)巖樣進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。所取巖樣呈灰白色，結(jié)構(gòu)致密，覆蓋少量大顆粒，表面較光滑，以蒙脫石、鈉長石和石英為主。為便于研究在此統(tǒng)稱灰白砂巖。

圖1　現(xiàn)場取樣鉆機(jī)

圖2　蠟封巖樣

2單軸壓縮試驗(yàn)研究

2.1灰白砂巖單軸壓縮試驗(yàn)

圖3　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用伺服加載試驗(yàn)機(jī)，同時(shí)為了巖樣的泊松比，在試件軸向和徑向分別貼應(yīng)變計(jì)，加載時(shí)同時(shí)記錄試件的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)變。試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。

具體試驗(yàn)步驟如下。第一步：安裝軸向引伸計(jì)和徑向引伸計(jì)，使引伸計(jì)各引腳接觸試件表面；第二步：將試件置于試驗(yàn)機(jī)的承壓板中心，調(diào)節(jié)球形支座，使試件受力均勻；第三步：以軸向變形0.002mm/s的速率加荷，每秒采集1次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集荷載和變形值，直至破壞；第四步：記錄加荷過程及破壞時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象，并對破壞后的試件進(jìn)行描述。具體單軸壓縮變形應(yīng)力～應(yīng)變曲線如圖4-圖6所示。

圖4　12001#灰白砂巖單軸壓縮變形應(yīng)力～應(yīng)變曲線圖

圖5　12008#灰白砂巖單軸壓縮變形應(yīng)力～應(yīng)變曲線

圖6　12013#灰白砂巖單軸壓縮變形應(yīng)力～應(yīng)變曲線

東部區(qū)北部-120總回上山巷道試樣實(shí)驗(yàn)前后照片如圖7-圖9所示，對比灰白砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比所表現(xiàn)的較大差異性。其破壞形式表現(xiàn)較為一致，即以豎向劈裂為主，并出現(xiàn)有試樣整體破碎現(xiàn)象。其破壞機(jī)制具體來說即是砂巖在單軸加載過程中，在內(nèi)部的缺陷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，使巖塊產(chǎn)生平行于劈裂方向的拉應(yīng)力，在其缺陷或者軟弱結(jié)構(gòu)面處局部拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度時(shí)，缺陷或軟弱結(jié)構(gòu)面會持續(xù)快速發(fā)展并導(dǎo)致巖樣的劈裂。

圖7　12001#灰白砂巖單軸壓縮變形是試驗(yàn)前后照片

圖8　12008#灰白砂巖單軸壓縮變形試驗(yàn)前后照片

圖9　12013#灰白砂巖單軸壓縮變形試驗(yàn)前后照片

2.2灰白砂巖試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

（1）砂巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為R=P/A

式中R―砂巖樣單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）

P―試件破壞荷載（N）

A―試件面積（mm2）

（2）計(jì)算平均彈性模量和平均泊松比計(jì)算公式Eav=(σb-σa)/(εlb-εla)μav=(εdb-εda)/(εlb-εla)

式中Eav―砂巖樣平均彈性模量（MPa）

μav―砂巖樣（煤）平均泊松比

σa―應(yīng)力與縱向應(yīng)變直線段起始點(diǎn)的應(yīng)力值（MPa）

σb―應(yīng)力與縱向應(yīng)變直線段終點(diǎn)的應(yīng)力值（MPa）

εlb―應(yīng)力為σb時(shí)的縱向應(yīng)變值

εla―應(yīng)力為σa時(shí)的縱向應(yīng)變值

εdb―應(yīng)力為σb時(shí)的橫向應(yīng)變值

εda―應(yīng)力為σa時(shí)的橫向應(yīng)變值

結(jié)合上述公式、單軸壓縮變形應(yīng)力～應(yīng)變曲線及試驗(yàn)實(shí)測值得出灰白砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　試樣單軸壓縮實(shí)驗(yàn)計(jì)算表

試驗(yàn)試樣均為砂巖，主要為灰白中砂巖和灰白細(xì)砂巖。在干燥條件下，試樣單軸抗壓強(qiáng)度最大為85.39Mpa，最小為35.01Mpa，并結(jié)合力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出了巖石的主要物理力學(xué)參數(shù)，為指導(dǎo)現(xiàn)場支護(hù)、地應(yīng)力測試等奠定了基礎(chǔ)。

3主要結(jié)論

（1）單軸壓縮試驗(yàn)條件下，灰白砂巖抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比分別為40.55-85.39 MPa、23.6-40.6 GPa、0.22-0.32，平均抗壓強(qiáng)度、平均彈性模量和平均泊松比分別為58.7MPa、30.8 GPa及0.29，并表現(xiàn)出較大差異性，在實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合實(shí)地調(diào)查合理應(yīng)用。

（2）灰白砂巖在單軸壓縮試驗(yàn)條件下，其破壞形式以豎向劈裂為主，并出現(xiàn)試樣整體破碎現(xiàn)象，其破壞特征和巷道大變形破壞基本相符，且劈裂破壞是由缺陷或者軟弱結(jié)構(gòu)面處局部拉應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度造成的。

（3）單軸壓縮試驗(yàn)條件下研究獲取的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等力學(xué)性質(zhì)可為諸如巷道模擬支護(hù)、物理模型試驗(yàn)、工程巖體分類及地應(yīng)力測試等工作奠定基礎(chǔ)。

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（責(zé)編：葉莉責(zé)校：明茂修）

ExperimentalStudy on M echanical Propertiesof Gray Sandstone in Roadway

LIEr-qiang,HAN Liu-ping
(SchoolofCivilEngineering，Guizhou University of Engineering Science,Bijie，Guizhou551700，China)

Abstract：For roadway engineering,which is subjected to pressure loading and long service life,obtain?ing the rock’s physical andmechanical properties have very important theoretical and practical significance.Through field sampling in Nanshan coalmine,then be processed into standard samples that take underuniaxi?al compression test,on the basis of routine testing work,the physical and mechanical properties of the gray sandstone in thisminewere studied.Experimental results show:（1）under uniaxial compression test,compres?sive strength,elastic modulus and Poisson's ratio of gray sandstone respectively are 40.55-85.39 MPa、23.6-40.6 GPa、0.22-0.32,and showed a big difference;（2）the failuremode of the gray sandstone under the testcondition ismainly based on verticalsplitting,and there isa phenomenon of thewhole fractureof the spec?imen.This research results provide a strong basis for the development,design andmaintenance of the roadway engineering.

Key words：Roadway;Gray Sandstone;UniaxialCompression;Mechanical Property

作者簡介：李二強(qiáng)(1987-)，男，河南駐馬店人，貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木建筑工程學(xué)院教師，碩士。研究方向：巖土力學(xué)與巷道支護(hù)。韓六平(1985-)，男，山西運(yùn)城人，貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木建筑工程學(xué)院教師，碩士。研究方向：巖土工程。

基金項(xiàng)目：貴州省聯(lián)合基金“深部軟巖水理作用與強(qiáng)度軟化實(shí)驗(yàn)研究”，項(xiàng)目編號：黔科合LH字[2014]7522號。

收稿日期：2015-12-10

中圖分類號：O319.56

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-0239（2016）01-0155-06