巷道赋存灰白砂岩力学性质试验研究

李二强，韩六平（贵州工程应用技术学院土木建筑工程学院，贵州毕节551700）



巷道赋存灰白砂岩力学性质试验研究

李二强，韩六平
（贵州工程应用技术学院土木建筑工程学院，贵州毕节551700）

摘要：对于承受四面来压荷载、服务年限较长的巷道工程，获取岩石的物理力学性质具有十分重要的理论及现实意义。通过对南山煤矿现场取样，随后将岩样加工成标准试件进行单轴压缩试验，在常规试验工作的基础上，研究了该矿赋存灰白砂岩的物理力学性质。试验研究结果表明：（1）单轴压缩试验条件下，灰白砂岩抗压强度、弹性模量和泊松比分别为40.55-85.39MPa、23.6-40.6GPa、0.22-0.32，并表现出较大差异性；（2）灰白砂岩在单轴压缩试验条件下其破坏形式以竖向劈裂为主，并出现有试样整体破碎现象。该研究结果为巷道工程的掘进、设计及维护提供了有力的基础依据。

关键词：巷道；灰白砂岩；单轴压缩；力学性质

巷道工程是我国矿山开采[1]的主要工程，在我国的经济建设过程中，工程建设不同程度会涉及到岩体工程[2]，比如煤炭资源开采、大型水电工程建设以及高铁建设中的隧道工程等。结合矿山开采针对巷道工程建设涉及的岩体进行基础研究具有相当必要性[3]，岩石的基础物理力学性质诸如抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角等是岩石力学性质及工程岩体分类[4]的主要组成因素，故在工程现场其物理力学性质会对巷道工程的掘进、设计及维护产生直接作用[5-6]。由此可见研究岩石基础物理力学性质对工程建设的重要性。相关学者针对板岩[7]、泥岩[8]的力学特性开展了基础研究，同时也有学者仅针对砂岩的吸水特性进行了相关研究[9-10]。在此结合南山煤矿新采区的开拓建设，通过现场取样结合室内实验对南山矿东部区灰白砂岩开展了基础研究，利用现场工程与理论分析相结合的方法，研究了巷道赋存灰白砂岩单轴试验下的力学性质，并为现场工程的有效支护及有序建设奠定基础[1,3]。

1现场取样

南山煤矿目前正在进行东部地区巷道开拓，巷道围岩岩性为无层理灰白砂岩，砂质胶结，地质构造比较复杂。为深入研究该矿灰白砂岩物理力学特性，结合南山矿的工程地质和水文地质条件及巷道变形特征，选取典型巷道赋存围岩作为研究对象。适时在南山煤矿进行了现场取样，随后将岩样密封运至实验室进行室内实验研究。

具体取样过程如下。第一步：确定取样地点，运送取样设备；第二步：取样设备连接好风管和水管；第三步：把钻头对准巷道爆破岩石，且垂直其平面；第四步：打开水源启动动力，并及时记录初始数据；第五步：调整好水量及风量，进行钻取岩样；第六步：并记录监测数据如时间及水量；第七步：取出岩样，用保鲜膜密封保存，后续进行蜡封。

取样如图1、图2所示，现场取样分别在-160运输大巷、-310强力皮带道、-120总回上山巷道进行，本文选取-160运输大巷3块标准岩样进行相关试验。所取岩样呈灰白色，结构致密，覆盖少量大颗粒，表面较光滑，以蒙脱石、钠长石和石英为主。为便于研究在此统称灰白砂岩。

图1　现场取样钻机

图2　蜡封岩样

2单轴压缩试验研究

2.1灰白砂岩单轴压缩试验

图3　试验装置

试验采用伺服加载试验机，同时为了岩样的泊松比，在试件轴向和径向分别贴应变计，加载时同时记录试件的轴向应力和径向应变。试验加载装置如图3所示。

具体试验步骤如下。第一步：安装轴向引伸计和径向引伸计，使引伸计各引脚接触试件表面；第二步：将试件置于试验机的承压板中心，调节球形支座，使试件受力均匀；第三步：以轴向变形0.002mm/s的速率加荷，每秒采集1次数据。数据采集系统自动采集荷载和变形值，直至破坏；第四步：记录加荷过程及破坏时出现的现象，并对破坏后的试件进行描述。具体单轴压缩变形应力～应变曲线如图4-图6所示。

图4　12001#灰白砂岩单轴压缩变形应力～应变曲线图

图5　12008#灰白砂岩单轴压缩变形应力～应变曲线

图6　12013#灰白砂岩单轴压缩变形应力～应变曲线

东部区北部-120总回上山巷道试样实验前后照片如图7-图9所示，对比灰白砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比所表现的较大差异性。其破坏形式表现较为一致，即以竖向劈裂为主，并出现有试样整体破碎现象。其破坏机制具体来说即是砂岩在单轴加载过程中，在内部的缺陷附近产生应力集中，使岩块产生平行于劈裂方向的拉应力，在其缺陷或者软弱结构面处局部拉应力达到其抗拉强度时，缺陷或软弱结构面会持续快速发展并导致岩样的劈裂。

图7　12001#灰白砂岩单轴压缩变形是试验前后照片

图8　12008#灰白砂岩单轴压缩变形试验前后照片

图9　12013#灰白砂岩单轴压缩变形试验前后照片

2.2灰白砂岩试验数据整理

（1）砂岩试样单轴抗压强度计算公式为R=P/A

式中R―砂岩样单轴抗压强度（MPa）

P―试件破坏荷载（N）

A―试件面积（mm2）

（2）计算平均弹性模量和平均泊松比计算公式Eav=(σb-σa)/(εlb-εla)μav=(εdb-εda)/(εlb-εla)

式中Eav―砂岩样平均弹性模量（MPa）

μav―砂岩样（煤）平均泊松比

σa―应力与纵向应变直线段起始点的应力值（MPa）

σb―应力与纵向应变直线段终点的应力值（MPa）

εlb―应力为σb时的纵向应变值

εla―应力为σa时的纵向应变值

εdb―应力为σb时的横向应变值

εda―应力为σa时的横向应变值

结合上述公式、单轴压缩变形应力～应变曲线及试验实测值得出灰白砂岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等数据如表1所示。

表1　试样单轴压缩实验计算表

试验试样均为砂岩，主要为灰白中砂岩和灰白细砂岩。在干燥条件下，试样单轴抗压强度最大为85.39Mpa，最小为35.01Mpa，并结合力学实验得出了岩石的主要物理力学参数，为指导现场支护、地应力测试等奠定了基础。

3主要结论

（1）单轴压缩试验条件下，灰白砂岩抗压强度、弹性模量和泊松比分别为40.55-85.39 MPa、23.6-40.6 GPa、0.22-0.32，平均抗压强度、平均弹性模量和平均泊松比分别为58.7MPa、30.8 GPa及0.29，并表现出较大差异性，在实际工程中应结合实地调查合理应用。

（2）灰白砂岩在单轴压缩试验条件下，其破坏形式以竖向劈裂为主，并出现试样整体破碎现象，其破坏特征和巷道大变形破坏基本相符，且劈裂破坏是由缺陷或者软弱结构面处局部拉应力达到抗压强度造成的。

（3）单轴压缩试验条件下研究获取的抗压强度、弹性模量和泊松比等力学性质可为诸如巷道模拟支护、物理模型试验、工程岩体分类及地应力测试等工作奠定基础。

参考文献：

[1]何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005（16）2803-2813.

[2]何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2002.

[3]何满潮.软岩工程技术现状与展望，世纪之交软岩工程技术现状与展望[M]北京：煤炭工业出版社，1999:1-9.

[4]中华人民共和国建设部.GB/T50266-99，工程岩体试验方法标准[S].北京：中国计划出版社，1999.

[5]Zhibiao Guo,Xiaojie Yang,etc.A study ofsupport strategies in deep soft rock:The horsehead crossing roadway in Daqiang Coal M ine[J].International Journal of M ining Science and Technology，2012，(5)：665-667.

[6]M alin M yrin,KatarinaM alaga The Durability ofHydrophobic Treatmentson Gotland Sandstone[J].Fracture and Failure of National Building Stones,2006,Springer:577-590.

[7]杨春和，冒海军，王学潮，等.板岩遇水软化的微观结构及力学特性研究[J].岩土力学，2006(12)：2090-2098.

[8]柳培玉，张娜，何满潮，等.平庄煤矿砂质泥岩吸水特性试验研究[J].金属矿山，2011（6）：43-46.

[9]周莉，何满潮，李京阳，等.砂岩吸水特性试验[J].解放军理工大学学报，2009（6）：580-585.

[10]孙强，姜春露，朱术云，等.饱水岩石水稳试验及力学特性研究[J].采矿与安全工程学报，2011（2）:236-240.

（责编：叶莉责校：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

作者简介：李二强(1987-)，男，河南驻马店人，贵州工程应用技术学院土木建筑工程学院教师，硕士。研究方向：岩土力学与巷道支护。韩六平(1985-)，男，山西运城人，贵州工程应用技术学院土木建筑工程学院教师，硕士。研究方向：岩土工程。

基金项目：贵州省联合基金“深部软岩水理作用与强度软化实验研究”，项目编号：黔科合LH字[2014]7522号。

收稿日期：2015-12-10

中图分类号：O319.56

文献标识码：A

文章编号：2096-0239（2016）01-0155-06