煤矿砂岩双向加载下力学特性及破坏特征实验分析郝建忠

煤矿砂岩双向加载下力学特性及破坏特征实验分析郝建忠
发布时间：2021-11-03T09:55:32.722Z 来源：基层建设2021年第24期作者：郝建忠[导读] 煤矿砂岩安全性关系着煤矿的正常运行。

砂岩安全性与剪切破坏等，需要通过双向加载下力学特性及破坏特征实验分析，得到对应的门槛值，随后精准评估砂岩的安全性、剪切破坏程度。

以双向机载力学特性及破坏特征试验分析为中心陕西铜川矿业玉华煤矿陕西省铜川 727000摘要：煤矿砂岩安全性关系着煤矿的正常运行。

砂岩安全性与剪切破坏等，需要通过双向加载下力学特性及破坏特征实验分析，得到对应的门槛值，随后精准评估砂岩的安全性、剪切破坏程度。

以双向机载力学特性及破坏特征试验分析为中心，结合试验数据统计与结果分析，得到相关参数，为煤矿砂岩施工安全性提高提供参考。

关键词：煤矿砂岩；双向加载；力学特性；破坏特征
煤矿砂岩双向加载下力学特性及破坏特征实验研究，是针对煤矿砂岩开采处理，受到开采深度的影响，开采现场结构体会出现压缩应力变化，若无法妥善调节，会增加岩爆的风险，威胁开采现场操作人员安全。

面对这种情况，必须加大煤矿砂岩双向加载下力学特性及破坏特征实验研究力度，掌握力学特性变化规律，借助强度以及破坏性特征实验，寻找其中隐藏的破坏机理，为后续煤矿砂岩开采施工提供更多经验。

一、煤矿砂岩双向机载下力学特性研究现状煤矿砂岩双向机载下力学特性研究中，主要包括循环荷载、静载加载两方面。

其中静载作用方面研究经验丰富，尤其是破坏理论以及力学特性[1]。

近些年循环荷载研究力度加大，从岩石结构特征方面着手，深度研究力学特性，综合理论与实验，正确认识煤矿砂岩双向机载的本构关系，并且对力学特性方面存在的差异有所掌握。

但是煤矿砂岩双向机载作用下，因为本构关系的影响，面对持续递增的双向机载变化，砂岩结构会受到不同程度的破坏[2]。

参考煤矿砂岩在洪水期基段，被水波过度冲击后，不仅需要承受水波本身的压力，还要兼顾水位深度变化下所产生的压力，水压的持续增加，岩石本体结构所受压迫增大，这其间必须对岩石力学特性深层次研究，随即制定更妥善地处理方案[3]。

以双向机载为在实验模拟条件，根据循环荷载以及递增条件下的静载形成分析模拟组合，客观剖析岩石结构中出现的变形情况，对破坏规律准确掌握，随即为岩体工程的正常进行以及安全评价提供参考[4]。

二、煤矿砂岩双向加载下力学特性及破坏特征实验（一）科学准备试验材料试验材料的研究对象为砂岩，选取均质性与强度等条件比较好的砂岩材料。

提前对煤矿砂岩选材进行常规力学性能测试，并记录测试参数。

根据测试参数对标准试件进行制作。

此次试验所制作的试件样品以圆柱体为主，标准为Ф50mm×Ф100mm。

经过反复研磨，将试样的不平行度控制到≤0.02mm，不垂直度控制到≤0.02mm。

检查表面不存在明显缺陷并且光滑度达到规定标准后，检测试样体积密度，规定标准为2.54g/㎝³。

（二）砂岩静载条件下力学特性试验基本力学指标是力学特性试验的重要前提，为了保证试验顺利完成，必须进行单轴压缩实验。

试验的基本条件是加载速率，以1kN/s为基准，及时对破坏峰值应力、应变值与弹性模量等进行试验。

具体结果详见表1。

表1-静载压缩试验
试件编号
加载
速率
破坏峰
值应力
（MPa）
破坏
时应变值
（10-
2）
弹性模
量
（GPa）
J11kN/s82.94 1.3438.94 J21kN/s89.76 1.558.38
J31kN/s87.21 1.4398.65
根据表1中的数据统计结果可以发现，在相同机载速率条件下，单轴抗压强度平均值达到86.64MPa；弹性模量的平均值是8.66GPa；应变值平均数是1.446（10-2）。

（三）砂岩循环荷载条件下力学特性试验
循环荷载条件下的试验，前提是连续静载，组合加载的情况下，对力学特性加以试验并统计相关数据。

具体试验条件详见表2。

表2-循环荷载、静载组合下砂岩力学特性试验条件
试件编号
循环
荷载振幅
静载加
载速率
循环
荷载振动
频率
A130kN0.5kN/s1Hz A230kN1kN/s1Hz A330kN2kN/s1Hz A430kN4kN/s1Hz A530kN8kN/s1Hz B130kN1kN/s0.5Hz B230kN1kN/s1Hz B330kN1kN/s2Hz B430kN1kN/s4Hz C115kN1kN/s1Hz C230kN1kN/s1Hz C360kN1kN/s1Hz C490kN1kN/s1Hz C5120kN1kN/s1Hz
1.试验加载处理将试验仪器控制界面调整到余弦振动窗口，分别对界面中的控制方式、目标速度、最终速度、频率、半周个数以及增量、最终目标等录入参数，随后对余弦波曲线进行加载。

观察曲线变化，将波谷各点以直线连接的方式，得到斜率α，斜率等同于静载加载速率。

2.试验数据处理
根据试验数据对应变-时间、载荷、变形等关系曲线加以绘制。

应变-时间曲线方面，明确曲线的应变标准值，对比曲线变化计算应变率。

应变-应变曲线方面，是对砂岩应变全过程进行体现，通过曲线波峰不同点的连接，观察曲线变化。

其中曲线若处于向上弯曲状态，则代表斜率在不断增大，这其间砂岩主体结构存在明显裂缝现象。

随着弯曲度的变化，斜率下降，则代表裂缝正处于与压密状态。

由此得到砂岩弹性模量。

3.试验结果整理
综合试验研究情况，对循环荷载、静载连续组合下砂岩力学特性与破坏特征深层次分析。

3.1循环荷载、静载连续组合条件下，循环荷载振幅统一为30kN条件下，静载加载速率以0.5kN/s、1kN/s、2kN/s、4kN/s、8kN/s基础上，砂岩力学特性影响见表3。

表3-砂岩力学特性静载加载速率变化下的影响结果
试件编号
循环荷
载振幅
（kN）
循环荷
载加载频率
（Hz）
静载加
载速度
（kN/s）
破坏峰
值强度
（MPa）
破坏
峰值应变
（10-
2）
循环
次数
弹性模
量
（GPa）
A13010.583.88 1.496277.57.91
A2301183.27 1.465138.57.98
A3301281.80 1.23068.58.09
A4301491.34 1.17939.59.91
A5301899.82 1.23718.511.95
结合表3中的影响结果可以发现，静载加载速度递进增加，循环荷载加载频率不变的情况下，组合加载强度并不会受到过大的影响，尤其是破坏峰值强度。

由此看出，双向加载下砂岩力学特性变化有明确规律可循，循环荷载加载频率固定，静载加载速度随着不断递进增加，弹性模量也递进增加。

三、结论
综上所述，通过对煤矿砂岩双向加载下力学特性的研究与破坏特征相关试验，对砂岩力学特性有更全面地了解。

通过试验结果分析发现，循环荷载频率不变的基础上，静载加载速率递增的条件下，力学特性应变率随之增加。

以加载速率2kN/s为参考点，低于参考点的情况下，弹性模量以及破坏特征强度等变化明不明显，高于参考点的情况下，弹性模量以及破坏特征强度等变化相对明显。

由此可以看出，砂岩本身结构与弹性模量、力学特性变化等规律分析有门槛值，参考门槛值准确预估煤矿砂岩在施工中的剪切破坏程度。

参考文献：
[1]贠小有，杨小林，哈尼·S·米特里.煤矿砂岩双向加载下力学特性及破坏特征实验研究[J].河南理工大学学报（自然科学版），2008，27（1）：104-110.
[2]李文帅，王连国，陆银龙，等.真三轴条件下砂岩强度，变形及破坏特征试验研究[J].采矿与安全工程学报，2019，36（001）：191-197.
[3]杨少春，史国宠，周克来，等.动荷载作用下砂岩力学特性试验研究[J].工程与建设，2019，33（01）：79-81.
[4]刘运思，王世鸣，颜世军，等.基于声发射实验层状砂岩力学特性及破坏机理[J].中南大学学报：自然科学版，2019（6）：1419-1427.。