巖石物理力學(xué)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理分析

(遼寧省東煤測(cè)試分析研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

引言

針對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)，探討了巖石力學(xué)常規(guī)試驗(yàn)的方法及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，結(jié)合既有工程，分析了巖石抗壓、抗剪、抗拉和弱面摩擦試驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)處理，所得方法為巖石力學(xué)試驗(yàn)及參數(shù)處理提供借鑒。

一、工程概況

研究區(qū)范圍沿線地形地貌是以剝蝕的殘積丘地貌為主要特征，相對(duì)高差一般在12～32m，僅在K22+000～K25+750范圍為低丘地貌，地形起伏是比較大，最大的相對(duì)高差是40m左右。此范圍內(nèi)山丘地形狀態(tài)一般表現(xiàn)為不規(guī)則的條帶狀，并且地形剝蝕很強(qiáng)烈，在地表自然坡度分布在12～34°，局部山丘基巖露出。區(qū)域內(nèi)沖溝地形一般不陡，沖溝量測(cè)寬度最大為300m，并且在沖溝內(nèi)大量分布著農(nóng)田、水塘。研究區(qū)范圍內(nèi)總體地形地貌特征是：山丘地形起伏比較大，地貌型式多樣，地表水呈發(fā)育狀態(tài)，地形斷裂沖溝是交錯(cuò)狀，凹凸起伏，整體為坡麓向山丘崗地、平原漸變過(guò)渡范圍。路線經(jīng)過(guò)地區(qū)為湖南長(zhǎng)沙為亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)條件，溫度適中，降雨量，四季分選。伴著日高度和角的差異性大，春天溫差變化大，夏初季節(jié)雨水很多，且高溫持久，而冬天嚴(yán)寒偏少。年平均溫度在16.2～17.2℃。全年是以1月份氣溫最冷，月平均溫度在4.1～5.0℃。最熱月份在7月，累計(jì)年平均溫度為29℃。研究范圍內(nèi)風(fēng)向是明顯的季節(jié)特征，冬天普遍為偏北風(fēng)，夏季普遍為偏南風(fēng)。年平均風(fēng)速大約2.6米/秒，風(fēng)速為3.3米/秒，最小風(fēng)速為1.6米/秒。風(fēng)速整體特征是在湘西北大于湘東南，在平原大于山地，全年僅以5月、7月的風(fēng)最大。

二、礦區(qū)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試

（一）巖石物理性質(zhì)試驗(yàn)。礦區(qū)巖石物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)操作包含含水率、吸水性試驗(yàn)、顆粒密度試驗(yàn)和塊體密度試驗(yàn)操作等。開展這一系列操作的目的是能夠更好地研究庫(kù)區(qū)巖樣物理性質(zhì)和基本參數(shù)信息。巖石的基本物理性質(zhì)參數(shù)信息如表1所示。根據(jù)表1數(shù)據(jù)信息發(fā)現(xiàn)1號(hào)巖石比較密實(shí)，總孔隙率小于1%，難于吸水，自然吸水率、飽和吸水率和天然含水率較少。

（二）巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。在具體操作的時(shí)候?yàn)榱四軌蚋玫亓私鈫屋S壓縮條件下的巖石力學(xué)性質(zhì)，就巖塊在干燥、飽和和自然狀態(tài)下的壓縮情況開展了變形試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息總結(jié)出巖石在三種不同狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度和巖石軟化系數(shù)。六種編號(hào)類型巖石的抗壓強(qiáng)度分為干燥、自然、飽和三種類型，1號(hào)到6號(hào)對(duì)應(yīng)的干燥強(qiáng)度分別為190.4MPa、110.18MPa、89.6MPa、163.8MPa、67.6MPa、223.72MPa；1號(hào)到6號(hào)對(duì)應(yīng)的自然強(qiáng)度分別為140.3MPa、47.7MPa、45.43MPa、56.34MPa、48.56MPa、156.98MPa；1號(hào)到6號(hào)對(duì)應(yīng)的飽和強(qiáng)度分別為127.56MPa、26.67MPa、41.65MPa、51.14MPa、28.6MPa、127.08MPa。1號(hào)到6號(hào)對(duì)應(yīng)的軟化系數(shù)分別為0.67、0.24、0.46、0.31、0.42、0.56。（3）巖石破壞特點(diǎn)。在仔細(xì)觀察巖石試件被破壞過(guò)程可以將巖石的最終破壞形式分為以下幾種情況：第一，巖石一端呈現(xiàn)出破裂錐面形狀，在圓錐底部會(huì)產(chǎn)生沿著軸向的張烈破壞情況。第二，巖外表層會(huì)出現(xiàn)破碎的現(xiàn)象，在壓桿失穩(wěn)的作用下破壞巖片，伴隨發(fā)生的還會(huì)出現(xiàn)較大的發(fā)聲。第三，巖樣在單一斷面剪切作用下出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞問(wèn)題。第四，巖樣沿著軸線的方向變化由此出現(xiàn)較多的破裂面，但是這種情況會(huì)貫穿到整個(gè)巖樣的剪切破壞面，這種剪切情況被認(rèn)為是主剪切面。巖樣在出現(xiàn)主剪切面之后還會(huì)出現(xiàn)少量被破壞的現(xiàn)象，甚至還會(huì)掩蓋之前的剪切破壞面。

三、巖石力學(xué)參數(shù)工程處理

（一）巖體抗剪強(qiáng)度的弱化處理

在巖石工程穩(wěn)定性研究中，巖石抗剪切強(qiáng)度指標(biāo)是最為重要的采用指標(biāo)。根據(jù)巖石的強(qiáng)度，普遍擬用費(fèi)辛柯法、Hoek-Brown法、M.Georgi法、RMR分類法和工程經(jīng)驗(yàn)法等實(shí)用方法對(duì)巖石抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行弱化的工程處理。該研究成果主要運(yùn)用在前兩種方法進(jìn)行巖石的抗剪強(qiáng)度弱化處理。

（二）弱面C，φ 值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1.弱面粘結(jié)力的折算

巖體的軟弱面的粘聚力C值不是取決于試樣的尺寸值，僅取決于軟弱夾層的物理性質(zhì)及其弱面的粗糙度，因此軟弱面的粘結(jié)力工程折減方法與巖體強(qiáng)度的工程折減方法完全不一樣，即按工程經(jīng)驗(yàn)值0.5來(lái)折減。

2.軟弱面的摩擦角折算

巖體軟弱面的內(nèi)摩擦角φ 值不僅在于巖體的夾層性質(zhì)，還取決于軟弱面本身的接觸粗糙度影響。按照實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于巖體軟弱面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值查表取適當(dāng)?shù)恼蹨p系數(shù)。

結(jié)語(yǔ)

總之，從我國(guó)各個(gè)礦區(qū)的發(fā)展實(shí)際情況來(lái)看，大多數(shù)的礦井都開始深入深部開采階段。但是受地質(zhì)條件復(fù)雜的影響，一些礦井煤炭資源的開采開始面臨更多的問(wèn)題。為了能夠解決煤炭資源開采可能遇到的一系列安全隱患問(wèn)題，需要相關(guān)人員強(qiáng)化對(duì)地質(zhì)采礦條件的深入研究。而煤層上的覆巖層性質(zhì)是地質(zhì)條件構(gòu)成的重要因素，只有全面的掌握煤層上覆巖層的物理力學(xué)性質(zhì)，才能夠更好地進(jìn)行煤礦資源的開采。