岩石点荷载强度与单轴抗压强度线性关系试验_和卢斌.pdf

第42卷第3期 2014年6月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.3 Jun. 2014 COAL GEOLOGY 2.安徽理工大学煤矿安全高效开采 省部共建重点实验室，安徽淮南232001;3.天津商业大学工商管理学院，天津300134 摘要针对目前岩石点荷载试验大部分采用规则试件进行，试件加工制作及试验的过程繁琐、成 本高的问题，通过自制点荷载试验仪以及RMT-1508岩石力学伺服试验机，对煤矿顶底板常见岩 性进行不规则岩石试件点荷载试验和规则岩石试件羊轴抗压试验。试验结果表明不规则岩石点 荷载强度基本上满足正态分布规律，同时，点荷载破坏载荷与破坏面积之间呈线性关系，不同载 荷破坏面积对点荷载试验中的尺寸、形状效应基本上没有太大的影响。通过分析点荷载强度与羊 轴抗压强度两者间的关系，得出通过点荷载强度确定单轴抗压强度的经验公式。 关键词点荷载强度；单轴抗压强度；不规则岩块；直信区间 中图分类号.TD 325 文献标识码ADOI I 0.3969/j.issn.I001-1986.2014.03.01 6 Linear relationship between point load strength and uniaxial compressive strength of rock I 2 I 2 HE Lubin’ ,FU Zhiliang’ ,WANGQiang’,FANG Tengjiao’ ,GAO Nana I. School of Energy and Sa ｝均，AnhuiUniversity of Science and Technology, Huainan 232001, China; 2. Key Laboratory of Coal Mine Safety and High-Efficiency Mining Cosponsored by Anhui Province 3. Business Institute，刀anjinUniversity of Commerce，刀α,Uin300134, China Abstract Self-developed point load tester and RMT- l 50B rock mechanics testing system were used to investigate the point load strength and uniaxial compressive strength of the rock in the roof and floor of coal seam. The results show that irregular rock point load strength basically meets the criteria of Gaussian distribution. Meanwhile, failure load of point load and failure area show a linear relationship. The different failure load areas have no influence on size and shape e仔ect in point load test. By analyzing the relationship between point load strength and uniaxial compressive strength, empirical fo口nulaof using point load strength to quickly and accurately dete口nineuniaxial compr巳ssivestrength is obtained. Key words point load strength; uniaxial compressive strength; iπegular rock block; confidence interval 通常通过点荷载试验法获得岩石的点荷载强度 指数1.，并以此来估算岩石的抗压强度［1-5］。但是， 大部分点荷载试验采用规则试件进行试验，试件的 加工制作及试验过程过于繁琐，成本太高。因此， 必须寻找一种简单、可靠并且能在现场迅速测定岩 石抗压强度的方法［6-7］。 本文以煤矿顶底板常见的粉砂岩、细砂岩、中 砂岩、粗砂岩、砂质泥岩以及碳质泥岩6种岩石的 不规则试件作为研究对象，分别对点荷载、单轴抗 压进行对比试验研究，进而得出一套适用于采矿工 程的快速测定岩石单轴抗压强度的经验方法［8］。 1 试验材料与试验方法 1.1 试件制备 试样主要来自内蒙古陶忽图矿、淮北海孜矿以 收稿日期2013-03-07 及淮南地区部分煤矿。岩样采集深度为313.34～ 864.35 m，主要岩性包括粉砂岩、细砂岩、中砂岩、 粗砂岩、砂质泥岩和碳质泥岩。现场钻取大尺寸的 岩心后，用塑料纸和胶带密封好，井贴上标签运至 实验室。 根据单轴抗压试验要求将岩心统一加工成圆柱 体［9］，直径为47-53mm，高径比满足1.8-2.3即可。 点荷载试验在现场取用不规则试件，经过筛选， 选取一定尺寸的试件进行试验，对于端面不平整而 无法在锥头上放置的试件，用于锤略加修整，剔除 有明显弱面或损伤的岩样［10］，一般情况下选取直径 为30mm＂三fl，三70mm，不规则试件的最短边长L 在30-50mm，加载间距D与短边长度L之比，即 DIL为0.3～1.2，均可近似的认为满足工程需要［II仆］。 图l为不规则试件尺寸。 作者简介和卢斌（1987一），男，山西晋城人，硕士研究生，从事岩石力学及矿山压力研究 ChaoXing 第3期和卢斌等岩石点荷载强度与单轴抗压强度线性关系试验 69 耐三 11 w2 图l不规则试件尺寸 Fig. I Size of irregular rocks 1.2 试验仪器准备 a.点荷载仪器 按照国际岩石力学学会的要求，设计制作了一 台点荷载仪，其压头直径为10mm，顶角为60。。 仪器构造与压头的设计见图2。 图2点荷载仪及压头 Fig.2 Point load tester and pressure head 点载荷仪包括JLHT型传感器、JC-4A智能静 态应变仪、QYL-lOT立式液压千斤顶、电子游标卡 尺、底座及支架等。主要技术参数见表l。 表1主要技术参数 Table I Major technical parameters 名称 JLHT型传感器 QYL-lOT立式液压千斤顶 JC-4A智能静态应变仪 量抽IJ精度 0.05 起升高度运l15 mm （最大试验力100kN 0.1满量程士2个字 b. RM下150岩石力学试验系统 本文对岩石单轴抗压强度的测试是在 RM下1508岩石力学伺服试验机上完成的。试验过 程中，操作者可以转换控制方式和试验参数；也可 以预先设置试验步骤，由计算机自动完成。试验结 束后，系统自动退回到初始状态，并显示出试验结 果（图3）。 1.3 试验方法 a.点荷载试验 点荷载试验是将按要求加工好的岩石试样置于 两个锥状压头之间，通过千斤顶对试样垂直层理施 加集中荷载，直至破坏，记录岩石破坏的最大载荷 图3RM下1508岩石力学试验系统 Fig.3 RMT 1508 rock mechanics testing system 强度，最后根据破坏荷载强度及破坏载荷面积求出 岩石的点荷载强度。其中，破坏载荷面积Ar指加载 点破坏截面的面积．等效于边长为De正方形的面 积，即 A「Dc24WD／π（I b.羊轴抗压试验 开始加载时，岩石试件在单轴压力下达到破坏 的极限强度，数值等于破坏时的最大压应力，其抗 压强度等于破坏时的荷载与受力截面积之比。 1.4 数据处理 a.点荷载强度计算 对于不规则岩样试件，其点荷载强度大小为 I.＝工7“2 D 式中De为等效直径，mm。 对于不规则岩石试件，轴向垂直层理试验，D/ 4WDπ。其中，D为两个加载点间距，W为垂直加 载点的最小横截面的宽度w，与最大横截面的宽度 W2之和的一半。 为使不同尺寸岩石试验的结果具有可靠性，必 须采用尺寸修正。即将不同尺寸的点荷载强度修正 为等效岩心直径De等于50mm的点荷载强度fs50），即 标准点荷载强度，按下式计算 /5csoi T x / 5 3 尺寸修正系数T，由下式求得 TDc/50045 4 b.单轴抗压强度确定 单轴抗压强度为岩样承受的最大压应力F，其 关系式 R ＝互 A 5 c.区间估计方法 前提条件为该指标服从正态分布X～Np,if, 则X置信水平为I-a的置信区间为 ChaoXing 丁0 煤田地质与勘探第42卷 2 试验结果分析 去；王刊号击）6 2.1 各类型试验情况 式中王为均值，S为标准差.n为样本容量，ta为 t分布的双侧分位数。 6种岩性试件数量的统计情况见表2。其中，符号 “／”前的数据为试验前准备的数量，后面的数据为实际 有效的数据；不含符号“／”的数据，试验数据全部有效。 2.2 点载荷强度试验 d.统计参数标准值的确定 由概率数理统计表查得置信度为95，其t 分布双侧位数为1.971956。 2.2.1 点载荷强度试验与载荷破坏面积之间的关系 由图4看出，不规则粉砂岩、细砂岩、粗砂 岩、中砂岩、砂质泥岩和碳质泥岩的点荷载破坏 载荷与破坏面积之间均呈线性关系，它们之间的 比值为一常数，其范围为0.08-0.32，变异系数为 0.130 6。不同的破坏载荷面积Ar对点荷载试验中 的尺寸、形状的效应基本上没有太大的影响，因 此在一定程度上消除了点荷载试验中的尺寸、形 状的效应问题。 根据式（2）一式（5）分别确定均值仇、标准差βe 和变异系数5。 Ia, θ＝...三L一 7 2.2.2 点载荷强度试验直方图和正态分布曲线 . I Ia I Pe lI ta; 干\ 8 岩性 粗彤、岩 却i砂岩 中砂岩 粉砂岩 砂质泥岩 碳质泥岩 3.0 z 2.5 」＜ ._ 2.0 号1.5 运1.0 Z』＼宅银川军撞 0.5 句LEI－－nu 010 匀，＆ AUζJAUζJAU . 15 δ＝主L βe 9 由图5可以看出，不规则粉砂岩、细砂岩、粗 砂岩、中砂岩、砂质泥岩和碳质泥岩的点荷载破坏 强度都基本上满足正态分布规律。其中，粉砂岩点 表2试样描述 Table 2 Description of test specimen 单轴抗压强度试｛牛数量／个 9 9 9/8 9/7 9 9/6 y 0.0808x 4.0 R -00006 z」43.5 ._ 3.0 这幸后运2.5 2.0 运1.5 1.0 . 0.5 20 25 30 35 破坏I时积Icm a）半fl砂rt yO. I 193x 10 R 0.1718 运辐- 运4 主至2 7 12 17 22 00 破坏l削和（I cm2 d）中砂轩 点荷载强度试f牛数量／个备注 7 10 218/199 234/200 207/200 212/200 203/200 253/200 . . 12 有明显弱而、损伤及风化的岩石试件共有126个（粗 ltJ;岩25个、细砂岩19个、中砂岩17个、粉砂岩27个、 砂质泥岩20个、泥岩18个） y0. 1396x 2 7r 0c/ilif R 0.465 --6 罢这; 运3 2/ 17 22 o 15 25 35 破坏而积／cm破坏闹’积Icm2 b）纠｜｜砂和 c）粉彤、持 y0.3196x 4.0 R -1.0837 35 3.0 t 2.5 根2.0 运1.5 运1.0 0.5 20 30 40 o 7 12 17 22 27 32 破坏而在（I cm 破坏附l布“m e）砂质泥岩f碳质泥主f 图46种岩石点载荷强度值与破坏载荷面积之间的关系 Fig.4 Relationship between point load strength and failure area of six kinds of rocks ChaoXing 71 70 60、。 。、 50 i 40 兰奇 30 t2 20恙’ 10 。 和卢斌等．岩石点荷载强度与单轴抗压强度线性关系试验 so 45 40 35 心，＿30 2主25 20 15 IO 5 0 严、v、r、。、，『”1旷＇r、c、－＜’、旷，r、c、，－＜＇、 0 ＜＇飞旷、r、0F啡、、口。。－r“l ir、r、0、r、l专于 000-----c斗r、I，－、I，－、j俨、＇＜＇飞＜＂＞ 相彤、斗f点向载强度l、／k b Ill砂轩 E二3频二和 一’一11态纱布民｜ 100 90 80 o“- 70报 60余 50 fc 40 ;f- 30 li去 20 IO 0 第3期 so 45 40 35 时30 芷25 - 20 15 IO 5 0寸 一、。一、。一、。一、。一、。－、。－、。一、o.--- 0、，，.v、r、。。0P『严、电，.、ζ，r、0、0F、1＜＇、v、、D俨叶 0000一－一一一一－N N ＜＇』叫俨斗 相l砂r,点街载强度I,I k a）籽l砂If 频，f\ 160 140 、。 120 100更 、、－、 8 卡＝ 60主 40 20 0 E二J）励和 一一ii＇.态分11i闲 。。俨、4俨叶俨、t“ 俨、a俨4“ n r、c、，－＜＇、旷ar、 0 0 O一一一一 相1砂r,点向载强度IIkN d）巾砂r, Nm e c ,..., 0 80 70 60 50 斗争－ 军主40 30 20 IO 0 45 40 、。 35 30报 才『 25 “““ 20与L IH事 IO 0 60 频率 一－－ii二态分布网 h 由．咀 』h－v咀 』hBm L民 』户 咕 ，m ／ ’’ t hEeT嘘 h叮叮和咐 怀血肉街肌 占H 业债 sem山布川 w hEN砂 h 苛N FE一 卜寸－ 寸－－ A H V AUAU A U A吨、J、，－ uf阳回 IO 50 50 45 40 式 35主2 30公 25 “- 20 15部 IO 、 。 E二J）顷，于 一一11态、分布院｜ 。。 f’、 「「严、r「f「「「俨’、 俨吗、r、tp、“ p、 --r、＇＂＇俨’＇r「 丰nrt1.-rt点向载如交I_/kN （门以质泥γf 问』户口 ．一一 mNC 60 IO 0 “ 0 50 40 ‘辛辛－ 尝到 20 35 30 京 25-._ 20要 ＼气 15比 咱p IO兰兰 5 。 频率 一’－11态分布阿 r、 r、 ∞咀』户 r、r、r、r、p、r、 寸寸叮叮寸、T “ 严、电T旷飞、or、 非n彤、斗f点街载强j交I,k e）砂质i尼去 r、 飞 70 60 50 ;;,_ 40 5罢30 20 IO 0 专 罔56种岩石点载荷强度直方罔和l正态分布［Ill线 Histogram and normal distribution curves of point load str巳ngthof rocks 在95的置信度下，通过对不同岩性试件变异 系数、置信区间以及标准差等进行分析可知中砂 岩变异系数最小，为0.0185，说明它的点荷载强度 较为稳定；而砂质泥岩的变异系数最大，为0.09口， 可以看出它的点荷载强度离散性较大。这是由于人为 加载的时候，手动加载千斤顶容易导致荷载的不稳 定。在这种情况下，可以用液压千斤顶来代替手 Fig.5 荷载强度在1.61～2.06kN频率较大，同理，细砂岩、 粗砂岩、中砂岩、砂质泥岩和碳质泥岩点荷载强度 分别在1.45～2.77kN、3.97～5.47kN、0.52-1.32kN、 4.47- 6.47 kN、1.73～2.73kN频率分布较大，说明这 些岩石试件的点荷载强度值在相应的区间范围内分 布较为广泛，通过统计学分析，图形在相应区间内 基本上满足正态分布规律。其试验结果统计见表3。 表3点荷载强度试验结果统计 Table 3 Statistics of point load strength result 标准差变异系数If.信区间d干iii差置信度I分布双似IJ位数 o IJuI 6 0.086 0.95 均值／kN 1.6631.786 1.2461.418 1.971 956 。135 0.036 。18 0.116 0.03 1 2 0.043 5 0.7620.835 4.1814.45 4.474.83 1.481.71 0.442 0.615 0.018 5 0.068 4 0.059 1.724 1.332 0.09 1 3 0.261 0.967 1.292 0.83 1 0.799 4.316 4.651 1.595 岩性 粗彤、岩 细砂岩 中彤、岩 粉砂岩 砂质泥岩 碳质泥岩 ChaoXing 化。在这种情况下，可以通过增加一些试验样品数 量来尽量减少误差。 经验方程建立 对室内测试所得的不规则岩石点荷载强度J,50 和岩石单轴抗压强度Re数据进行统计后，选用了其 中的150组数据。岩石选择同一批试件，通过绘制 曲线，形象的描述了不规则岩石点荷载强度J,50）和 开始时均呈现增长的趋势，荷载基本上均呈平缓的 上升趋势。当达到最大应力时，荷载开始卸压，曲 线呈快速下降的趋势。由此可以得出岩石破坏所 受的应力越大，整体上其破坏应变也越大。其实验 结果统计见表4。 第42卷 23.3829.86 39.5848.72 34.8153.99 15.0724.38 22.8227.51 38.7150.3 置信区间 2.5 5 5 4 4 图66种岩石单轴抗压强度应力－应变曲线 Curves of uniaxial compressive strength and stress-strain of six kinds of rocks 2 2 3 1业变 b fllllY岩 J也变 t）碳质泥岩 2 3 1，证交 d）巾砂轩 1.5 表4单轴抗压强度试验结果统计 Statistics of test result of uniaxial compressive strength 标准差变异系数 。142 0.281 0.101 0.12 0.21 0.11 0.5 180 160 ε 140 2 120 -100 -; 80 ;, 60 『40 20 0 0 100 80 2 60 -R 4。 但 20 0 0 70 而60 50 之40 -R 30 120 IO 05 煤田地质与勘探 2.4 4.939 9.14 2.54 5.57 6.27 3.09 5 6 6 根据表4，通过对不同岩性试件变异系数、置 信区间以及标准差等进行分析可知中砂岩标准差 和变异系数都较小，说明测得它的单轴抗压强度变 化幅度小，越稳定；而细砂岩的变异系数和标准差 都较大，可以看出它的单轴抗压强度稳定性较差。 这是由于在长期地质形成过程中大量岩石存在着明 显的节理裂隙，使得岩石发育不完整，影响强度变 动加载的千斤顶，尽量减少误差。 单轴抗压强度试验 由岩石单轴抗压强度试验也力一应变曲线（图6 可以看出，粉砂岩、细砂岩、粗砂岩、中砂岩、砂 质泥岩和碳质泥岩的单轴抗压强度应力应变曲线 5 4 5 4 2 3 J也变 e）砂质泥Ti 4 单轴抗压强度/kN 3 j，让变 c）粉砂岩 3 J悦变 a）和彤、岩 26.62 25.16 44.15 19.73 44.51 44.4 Table 4 2 2 Fig.6 140 120 100 80 60 40 20 oL 0 120 100 α3 主80 -60 仨40 -20 。 。 6。 但50 主40 -30 J旦20 10 0 0 国ι芝飞【它三 粗砂岩 细砂岩 中li.l、岩 粉砂岩 砂质泥岩 碳质泥岩 岩性 72 2.3 ChaoXing 第3期和卢斌等．岩石点荷载强度与单轴抗压强度线性关系试验 73 岩石单轴抗压强度Re之间的关系，得出了它们之间 的关系式。如图7为点荷载强度fs50）和单轴抗压强 度Re曲线图。 主100 y 16.081x R 0.747 8 nUAUAυAU 。。 ζUA 吨句，＆ 飞皑皑照国摇摆将 .. 2 4 6 点荷载强度l刑。／kN 图7点荷载强度I 叫50）和岩石单轴抗压强度Re之间的关系 Fig.7 Relationship between point load I,csoand uniaxial compressive load Re 通过图7可以看出不规则岩石点荷载强度和 单轴抗压强度之间存在着较好的线性相关性。实验 结果显示不规则岩石试件的点荷载强度均值为 2.408 7 kN，单轴抗压强度均值为40.2367 kN，对 散点进行线性回归，得出了它们之间的关系式 R06.08J/5侧，相关系数为0.7478，曲线拟合度比 较好。 1985年国际岩石力学学会测试方法委员会修订 点荷载试验方法工作组推荐经验公式R22lscsoJ。 通过与所测得的关系式比较，精确度为73.1，基 本上满足工程实践的需求，对岩土及采矿方面的岩 石力学试验有很大的适用性，从而进一步节省人力、 物力。 3结论 通过在室内条件下对6种岩性岩石的点荷载强 度和单轴抗压强度进行统计和分析得如下结论 a.点荷载破坏载荷强度与破坏面积之间存在 一定的线性关系，破坏载荷面积对点荷载试件的尺 寸、形状的效应基本上没有太大的影响。 b.通过不同形状、尺寸岩石试件的不规则岩 石试件点荷载试验，得出一个较为可靠的岩石抗压 强度经验方程，其精度73左右，满足了工程需要。 c.通过对几种岩性点荷载强度和单轴抗压强 度分析可知中砂岩的变异系数和标准差都较小， 说明它的强度值较为稳定；而细砂岩和砂质泥岩的 变异系数和标准差较大，产生这种原因主要是由于 岩石存在着明显的节理裂隙，使得其发育不完整， 加载时影响强度变化。 参考文献 川郭曼丽试论岩石点荷载试验适用性［J].岩土力学，2003. 243 488-494 [2］中华人民共和国水利部GB50218一1994工程岩体分级标 准［SJ.北京中国计划出版社，199510一17. 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