煤矿岩石物理力学性质分析

煤矿岩石物理力学性质分析
本文通过对岩石物理力学性质的全面试验分析研究，得到岩石基本物理力学性质参数以及岩石在干燥状态下、自然状态下、饱和状态下的单轴抗压强度，及软化系数，弹性模量和泊松比。

试验结果表明含水量对岩石的抗压强度有着很重要的影响，吸水后的抗压强度明显低于自然状态下的抗压强度，弹性模量和泊松比与抗压强度有着一定的关系。

标签：岩石；物理性质；力学性质
1 前言
目前各项经济建设事业取得了极大的发展，同时，也遇到了许多与工程地质及岩土力学密切相关的技术难题。

如特殊的区域性构造地质、松散破碎复杂岩基、高地应力作用下的软岩、水工隧洞群之间的相互受力作用、高陡岩坡的持续稳定等等工程建设中遇到的十分突出的问题。

岩石是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定規律组合而形成的多种矿物颗粒的集合体，是组成地壳的基本物质。

掌握岩石物理力学性质，对我们更好的研究岩石带给人们的利与弊是很有益处的[1，2]。

岩石在煤矿的开采过程中起着非常重要的作用，在煤矿开采检查井中，岩石的物理力学性质的数据是工程有效进行的必备数据，本文通过辽宁某煤矿勘察煤层顶底板煤样进行物理力学性质试验分析研究，为后续开采提供有力的数据支持。

2 试验样品、仪器和内容
将岩石试样加工成φ50*100mm的圆柱体标准试件，直径允许变化范围为48～52mm，高度允许变化范围95～105mm。

试件两端面不平行度不应大于0.05mm。

把试件放在水平检测台上，边移动边用百分表测定试件的高度，其最大值和最小值的偏差应控制在0.05mm以内。

试件上下端直径偏差不应大于0.3mm。

轴向偏差不应大于0.25。

2.2试验仪器
液压式万能试验机WE-10B。

测量范围0-100kN，精度±1%。

静态电阻应变仪YJ-35。

2.3物理性质试验
岩石物理性质包括颗粒密度、块体天然密度、块体干燥密度、含水率、吸水
性试验。

a.颗粒密度采用水中称量法。

b.块体密度采用量积法。

c.含水率试验：取保持天然含水状态，尺寸大于组成岩石最大矿物颗粒直径的10倍，且质量不少于50g的三个试件，在105-110℃的烘箱内烘干24h后冷却至室温。

d.吸水性试验：将试件放在105-110℃的烘箱内烘干24h后冷却至室温，在盛水容器中放置几根直径相同的玻璃棒，每根玻璃棒间距1～2cm，将岩块架在玻璃棒上，每个试件间距1～2cm，容器中谁高出试件1～2cm，24h后将试件取出，用湿毛巾擦去表面水分。

称量直至恒重。

2.4力学性质试验
岩石力学性质试验包括天然、饱和、干燥状态的单轴抗压强度试验和抗拉强度、弹性模量试验。

a.自然含水状态：试验制备后，室温条件下，放在地部有水的干燥器内1～3d，以保持一定的湿度，但试件不应接触水面。

b.干燥状态：将试件在105-110℃下干燥24h。

c.饱和水状态：利用真空抽气罐进行饱水试验。

d.抗压强度试验：试验机以0.5MPa/s～1.0MPa/s的速度加载直至破坏。

e.抗拉强度试验：材料试验机施加0.1kN～0.5kN的压力，压头与试件接触后松开夹具两侧夹持螺钉，然后以0.03MPa/s～0.05MPa/s的速率加载，直至破坏。

f.弹性模量试验：
按照国家标准GB/T23561.8-2009中的试验要求制备弹性模量试验试件。

试样需要加工成规则试件，每组试件3块，试件尺寸允许变化范围不超过5%。

试件用细砂纸打光表面，用汽油、酒精或丙酮擦拭干净，再用脱脂棉擦拭无粉尘，在粘贴电阻应变片。

将电阻应变仪接上电源，预热0.5h，连接线路，预调平衡。

施加初载荷，检查仪器工作情况，同时观察两边的应变值是否接近，如两边应变值相差较大，则应调整试件位置，使试件受力均匀。

按0.5MPa/s～1.0MPa/s的速度逐级加载。

按估计破坏载荷的十分一间隔读一次读数，记录载荷与应变值，直至破坏。

每个
测试过程读数不少于10个点，同一试件的所有应变值，应尽量同时测出。

3 试验结果及分析
主要有砂岩和泥岩；根据上表可以看出各种岩石的颗粒密度相差不大，均匀分布在2.67～2.73g/cm3之间。

中砂岩的颗粒密度最大为2.73g/cm3，含水率为泥岩最大1.21%。

3.2力学性质试验
单轴抗压强度指岩石试件在无侧隙条件下，受轴向压力作用至破坏时，单位横截面积上所承受的最大压应力。

样品单轴抗压强度在三种状态下的抗压强度及软化系数如表2所示：
同一岩层不同位置的抗压强度存在着一定的差异，在同一组试验中，同一位置取样的岩石的抗压强度离散型也很大。

影响这些因素很多，这些因素主要包括两方面：一方面是岩石本身因素，如岩石的矿物组成、结构构造、密度、风化程度及含水量等。

另一方面是实验条件方面的因素，如时间的几何尺寸、形状、时间加工精度、端面条件、加载速率及温度等因素。

岩石试件单轴受压时，由于种种因素的影响，真实破裂形势是模糊不清的，试件的破坏形式是由端面效应引起的。

由于承压板与试件端面间的摩擦大小不同，造成岩石试件破坏形式不同。

常见的破坏形式主要有脆性破坏、延性破坏、弱面剪切破坏。

A脆性破坏（水平面脆性、垂直面脆性、脆性剪切破坏）大多数坚硬岩石在一定条件下都表现出脆性破坏的性质。

也就是说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。

产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙发生和发展的结果。

B延性破坏。

岩石在破坏之前变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形，流动或挤出，这种破坏称为延性或韧性破坏。

塑性变形是岩石内结晶晶格錯位的结果。

在一些软弱岩石中这种破坏较为常见。

C.弱面剪切破坏
岩体中存在着许多软弱结构面，细微裂隙等弱面，在荷载作用下，弱面上的剪应力一旦超过弱面的抗剪强度时，岩体将弱面剪切破坏，致使岩体产生滑移。

本试验中岩石多表现为脆性破坏，在荷载作用下没有觉察变形就突然破坏。

破坏面与荷载轴线有不确定的夹角。

具有明显的各项异性。

岩石在不同状态（干燥、饱和状态）下的应力-应变曲线形状相似，属于塑性-弹性-塑性阶段，应力应变曲线可以划分为：1.微裂隙压密阶段2.弹性变形阶
段3.裂隙发生和扩展阶段4.裂隙不稳定发展直到破裂阶段5.破裂后阶段。

岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数表示，其软化性取决于它的矿物组成和孔隙性。

岩石内部存在着许多随机分布的孔隙和裂缝，在自然含水状态和饱和含水状态下，这些孔隙和裂隙中必须有水存在。

当水浸入岩石内部时，就顺着裂隙进入，润湿岩石全部自由面每个矿物颗粒。

水分子的介入改变了岩石的物理状态，削弱了颗粒之间的联系，致使岩石的软化性较强，软化系数较小。

软化系数越大说明工程地质性质越好。

3#煤层底板的细砂岩的软化系数为0.78，大于表中其他试样，说明他的工程地质性质要好于其他试样。

但这些样品在浸水时均有气泡冒出，说明均有孔隙发育[3.4]，由于孔隙中的水对岩石中矿物的溶蚀、软化、泥化、风沙以及膨胀作用，表3中可以看出無论是哪种岩性，在浸水后的强度均比干燥状态下的抗压强度有所降低，软化效果很明显。

变形参数弹性模量及泊松比如表3所示：
岩石的弹性模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、孔隙性、含水率、微结构面及其荷载方向的关系等多种因素的影响。

4 结论
（1）岩石的颗粒密度均匀分布在2.67～2.73g/cm3。

（2）岩石强度即便是同一岩层同一位置也会有所不同，主要由于岩性或其他多种因素的影响。

（3）无论是哪种岩性，在浸水后的强度均比干燥状态下的抗压强度有所降低，软化效果很明显。

（4）岩石强度与弹性模量有着一定的关系。

岩石的抗压强度越大，弹性模量越大。

参考文献：
[1]杨更社，孙钧.中国岩石力学的研究现状及其展望分析[J].西安公路交通大学学报，2001，21（3）：5-9.
[2]赵文.岩石力学[D].中南大学出版社，2010.
[3]刘素梅，徐礼华，李彦强.丹江口水库岩石物理力学性能试验研究[J].华中科技大学学报（城市科学版），2007，24（4）：54-58.
[4]刘晋杰.塔山3～5#煤层顶底板岩石物理力学性质测试与分析[J].同煤科技，2006，2：41-43.。