三轴压缩下不同岩性煤岩体的强度及变形特征
三轴压缩试验
三轴压缩试验中文名称：三轴压缩试验英文名称：triaxial compression test定义：遵循技术程序，用3—4个圆柱形试样,分别在不同的围压(即小主应力σ3)下，施加轴向压力(即主应力差σ1－σ3)直至试样破坏，计算抗剪强度参数(黏聚力，内摩擦角)的技术操作。
应用学科：水利科技（一级学科）；岩石力学、土力学、岩土工程（二级学科）；土力学（水利）（三级学科）以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布三轴压缩试验示意图三轴压缩试验三轴压缩试验是测定土抗剪强度的一种较为完善的方法。
三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成。
常规试验方法的主要步骤如下：将土切成圆柱体套在橡胶膜内，放在密封的压力室中，然后向压力室内压入水，使试件在各个方向受到周围压力，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试件内各向的三个主应力都相等，因此不发生剪应力。
然后再通过传力杆对试件施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力，当水平向主应力保持不变，而竖向主应力逐渐增大时，试件终于受剪而破坏。
设剪切破坏时由传力杆加在试件上的竖向压应力为Δσ1，则试件上的大主应力为σ1=σ3+Δσ1，而小主应力为σ3，以(σ1-σ3)为直径可画出一个极限应力圆，如图中的圆I，用同一种土样的若干个试件(三个上)按以上所述方法分别进行试验，每个试件施加不同的周围压力σ3，可分别得出剪切破坏时的大主应力σ1，将这些结果绘成一组极限应力圆，如图中的圆Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。
由于这些试件都剪切至破坏，根据莫尔-库伦理论，作一组极限应力圆的公共切线，即为土的抗剪强度包线，通常可近似取为一条直线，该直线与横坐标的夹角即为土的内摩擦角ψ，直线与纵坐标的截距即为土的内聚力c。
对应于直接剪切试验的快剪、固结快剪和慢剪试验，三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，分为以下三种试验方法：（1）不固结不排水试验试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许排水，试验自始至终关闭排水阀门。
三轴压缩条件下煤岩力学特性及破坏模式
三轴压缩条件下煤岩力学特性及破坏模式任非【摘要】为探究三轴应力环境下某矿区煤样的力学特性及破坏模式,设置围压梯度为0.2、0.4、0.8、1.1、2.0、3.0 MPa,采用电-液伺服试验系统开展室内三轴试验;对试验数据拟合分析,建立峰值抗压强度、弹性模量与围压关系表达式;对煤样破坏特征分析,讨论施加围压大小对煤样试件不同破坏模式的影响程度.结果表明:峰值抗压强度和弹性模量随围压增大呈递增趋势;且峰值抗压强度和弹性模量的增幅随围压增大呈现出先增大后减小的变化规律;峰值抗压强度与围压呈对数函数分布规律;而弹性模量随围压增大呈指数函数形式递增.随着围压增大,煤样破坏形式可能表现为拉伸-拉剪(拉伸主导)-拉剪(剪切主导)-剪切的破坏模式.%In order to investigate the mechanical properties and failure modes of coal samples from a coal mine under triaxial compression environment,setting up confining pressure gradient of 0.2,0.4,0.8,1.1,2.0 and 3.0 MPa,the electro-hydraulic servo testing system is used to carry out the triaxial test;fitting analysis for test data,the expression about relationship of peak compressive strength,elastic modulus and confining pressure is established;failure characteristics of coal samples are analyzed,the impact of applying confining pressure on coal samples with different failure modes is discussed.The results show that:the peak compressive strength and elastic modulus increase with the confining pressure,and the variation of peak compressive strength and elastic modulus increases first and then decreases with the increasing of confining pressure;the peak strength and confining pressure present a logarithmic distribution law;while the elasticmodulus increases exponentially with the increase of confining pressure;with the increase of confining pressure,the failure modes of coal samples may be the tensile-shear (tensile dominated)-shear failure mode.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2018(049)001【总页数】4页(P37-39,43)【关键词】三轴试验;煤样;弹性模量;定量表征;破坏模式【作者】任非【作者单位】三门峡职业技术学院,河南三门峡472000【正文语种】中文【中图分类】TD315掌握煤岩体的力学参数是设计安全高效采煤技术的重要前提。
煤岩强度与变形特征实验研究及其在条带煤柱设计中的应用
ｃ ｏ ｍ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ …ｂ ｅ ｅ ｘ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄ 一Ｅ 二 ４ ９ ５ ５ ． ９ ８ ‘ 一 ， ５ ８ ９ ． １ ０ ６ ｅ ｘ ｐ 〔 一 ３ １ ． ９ ２ ３ ） ； ｔ ｈ ｅ
对建新矿13煤的煤岩力学性质进行系统的实验研究利用数值模拟的方法来优化建新矿13煤条带开采的煤柱尺寸是本论文的主要研究内容a131建新矿13煤的尺寸效砬和形状效应利用mts岩石饲服试验系统进行单轴压缩实验研究建新矿13煤立方体试件尺寸大小对单轴抗压强度的影响利用前人的研究成果回归建新矿t3煤的尺寸效应曲线
ｓ ｉ ｚ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔｃ ａ ｎ ｂ ｅ
ｅ ｘ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄ ａ ｓ ａ ， ＝ ６ ． ９ ２ ８ ＋ １ ３ ０ ． ２ ６ ９ ８ ｅ ｘ ｐ （ － ０ ． １ ０ ５ ９ ５ Ｄ ） ，
ｃ ｙ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｓ ａ ｍ ｐ ｌ ｅ ｉ ｓ ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ａ ｔ ｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ
ｉｓ
ｅ ｘ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄ
ｂ ｙ
ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｎ ｏ ｍ ｉ ａ ｌ
ａＳ
ｔ ｈ ａ ｔ
ｏ ｆ
． ０ ０ ５ ５ １ ＋ （ ２ ． ０ ３ ３ Ｅ 一 ５ ） ＊ ｔ 一 （ ９ ． ７ ５ ４ ￡ 一 ８ ） ＊ ｔ ｚ 一 （ １ ． ５ ７ ８ Ｅ 一 ９ ） ＊ ｔ ３ ＋ （ １ ． ４ １ ７ ￡ 一 １ １ ） ＊ ｔ ０ ｓ （ ｔ ） ＝０
考虑瓦斯压力的煤体三轴抗压强度
内聚力 C
σ， 有： σ = K / tan α t 根据表 1 数据可以计算出 σ = 1． 75 。对表 1 试 修正后的试验结果见表 2 。 验数据进行修正， 2 结果分析
t 2
t
7． 02
4． 02
1． 75
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
37． 0
32． 5 － 0． 113 3． 96 43． 4 54． 2 6． 6 24． 2 34． 2 44． 8 54． 5 － 5． 94 3． 88
图1 有效应力表示的 σ1 － σ3 关系
2 σ1 = K' + σ3 tan α 2
K （ 1 － sinφ） 2cosφ
计算结果列于表 1 。
表1
试样 编号 1 － 3# 4 － 6# 7 － 9# 10 － 12 # 13 － 15 # 16 － 18 # 19 － 21 # 22 － 24 # 25 － 27 # 28 － 30 # 31 － 33
样中应力一部分是由外载引起的， 一部分是由瓦斯 压力引起的， 即
eff eff σ1 = σ1 + φp， σ3 = σ3 + φp
用 σ 和 σ 取代 σ1 和 σ3 ， 内聚力则不会出现 负值。如图 1 。 由于瓦斯压力引起的应力不是均匀分布的， 设 eff eff 应力集中系数为 1 / φ， 则 σ1 和 σ3 可以修正为
。 如前所述， 煤
瓦斯压力的影响： 煤吸附瓦斯后强度降低是由游离 瓦斯和吸附瓦斯共同作用造成的， 游离瓦斯抵消了 一部分主应力， 使得剪切面两侧固体接触部分的正 压力减小， 煤的抗剪强度下降， 吸附瓦斯使煤的表面 张力减小， 煤粒子间的作用力减弱， 削弱了煤的强 。 ， 度 此外煤样吸附瓦斯后 其弹性模量也将发生变 化， 煤样弹性模量随有效侧压的增加而增加 ， 当侧压 不变时， 孔隙瓦斯压力越高， 煤样的弹性模量越小。 煤的强度受其中瓦斯气体的影响较大， 煤体吸 附瓦斯后体积膨胀强度降低， 而煤体释放瓦斯后强 度增加。 3 结 论
考虑瓦斯压力的煤体三轴抗压强度
煤的强度包括煤的抗拉、 抗压、 抗剪强度以及黏聚力 和内摩擦角， 且在很大程度上决定着煤的承载能力 。 煤岩强度的测定方法主要有压缩试验 、 拉伸试验、 剪 切试验等。 1 三轴抗压强度试验
要： 从煤体强度的角度来分析含瓦斯煤岩的破坏行为 ， 通过实验分析了考虑瓦斯压力的含瓦 斯煤岩的抗压强度。研究表明： 在三向应力状态下， 煤样的破坏形态受侧压的影响； 煤样的残余 摘 变形与试验的侧压及本身的强度有关 ， 煤样的强度越大， 残余变形就越小； 在试验侧压的范围内， 煤样的弹性模量随侧压的增大而增大 。与单轴压缩相比， 含瓦斯煤的抗压强度和弹性模量都有 所降低。原因在于： 煤样制备的时候较为松散及瓦斯压力的影响 。 煤的强度受其中瓦斯气体的 煤体吸附瓦斯后体积膨胀强度降低 ， 而煤体释放瓦斯后强度增加。 影响较大， 关键词： 含瓦斯煤岩； 瓦斯压力； 三轴抗压强度； 煤体强度； 煤岩破坏； 残余变形 中图分类号： TD315 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 496X（ 2012 ） 07 － 0023 － 03 Research on Tri － axial Compressive Strength of Gassy Coal Under Gas Pressure
3 KONG Hai － ling1 ， CHEN Zhan － qing2， ， WANG Lu － zhen1
（ 1 ． Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224003 ，China； 2 ． China University of Mining and Technology，Xuzhou 2210083 ， China； 3 ． State Key Laboratory of Geomechanics and Deep Underground Engineering，Xuzhou 2210083 ， China） Abstract： The destruction behavior of gassy coal － rock is analyzed from the perspective of coal mass strength，compressive strength of gassy coal － rock considered gas pressure is analyzed by the experiments． The research result shows that lateral pressure effects on failure mode of gassy coal in three － dimensional stress state； residual deformation of gassy coal is related to experimental lateral pressure and coal strength； the greater of the gassy coal strength is， the smaller of the residual deformation is； the elastic modulus of coal increases with the increasing of lateral pressure within the experimental lateral pressure． Both of the compressive strength and elastic modulus decrease compared with uniaxial compression because of the loose gassy coal in the stage of preparation and the effect of gas pressure． The gas has a great effect on strength of coal． Coal strength decreases when it adsorbs gas，and it enhances when gas is released from coal． Key words： gassy coal － rock； gas pressure； tri － axial compressive strength； coal mass strength； coal and rock failure； residual deformation
岩石三轴压缩强度的测试和解释
岩石三轴压缩强度的测试和解释岩石是地质体中的一种常见材料，其力学性质对于工程建设和地质研究具有重要意义。
岩石的三轴压缩强度是评估其抗压能力的重要指标之一。
本文将介绍岩石三轴压缩强度的测试方法及其解释。
一、测试方法1. 样品制备：从研究区域地质剖面中采集岩心或岩样，保证样品的完整性和代表性。
根据实际需要，将样品修整为规定的几何形状，如圆柱体或长方体。
2. 试样尺寸和形状：根据岩石类型和实验目的，选择试样的尺寸和形状。
常见的试样形状有圆柱体和球体，尺寸则应根据具体实验要求进行确定。
一般要求试样尺寸在一定范围内，以保证实验结果的可比性。
3. 试验设备：进行岩石三轴压缩强度测试，需要使用专用的试验设备，如岩石三轴试验机。
该设备主要由负荷装置、围压装置、应变测量装置和数据采集系统组成。
4. 实验过程：将试样置于试验机上，施加垂直于试样表面的压力，即围压。
同时，在试样的另一侧施加两个垂直方向的应力，即主应力。
应力的施加可通过液压或机械方式实现。
增加主应力的大小和速度要逐渐进行，以保证试样不发生失稳破坏。
5. 强度参数确定：在试验过程中，记录试样的应变和承受的应力。
根据试验数据，确定岩石的三轴压缩强度参数，如强度曲线、极限强度、应力应变曲线等。
二、解释1. 强度曲线：在三轴压缩试验中，通过改变应力状态下的应变量，绘制出岩石试样的应力-应变曲线。
该曲线反映了试样的变形特性和强度状况。
一般来说，岩石的应力-应变曲线表现为线性变化，在达到极限强度点后呈现非弹性变化。
2. 极限强度：岩石的极限强度是指在岩石试样受到最大应力时发生破坏的强度。
通过三轴压缩试验可以确定岩石的极限强度，并用于评估其抗压能力。
3. 应力应变曲线：应力应变曲线是描述岩石在三轴压缩过程中应力和应变关系的图像。
从应力应变曲线中可以获得岩石的变形特性和性能参数，如弹性模量、刚度等。
4. 强度参数的影响因素：岩石的三轴压缩强度受到多种因素的影响，如岩石的物理性质、孔隙率、围压大小、岩石结构和温度等。
岩石三轴孔压
岩石三轴孔压岩石三轴孔压是指在岩石材料中施加三个方向的应力，以模拟实际工程中的应力状态。
岩石作为一种常见的地质材料，在工程建设和地质勘探中起着重要的作用。
了解岩石的力学性质对于工程设计和施工具有重要的指导意义。
岩石的三轴孔压实验是一种常用的试验方法，通过施加不同方向和大小的应力，来研究岩石在不同应力条件下的变形和破坏特性。
这种试验方法可以模拟实际工程中的应力状态，为工程设计和施工提供可靠的依据。
在进行岩石三轴孔压实验时，首先需要准备好试样。
通常采用圆柱形的试样，试样的尺寸和形状要符合实际工程的要求。
然后将试样放入三轴试验机中，施加垂直于试样轴线方向的轴向压力，同时施加两个垂直于轴向方向的侧向压力。
通过改变轴向压力和侧向压力的大小和方向，可以模拟不同的应力状态。
在进行岩石三轴孔压实验时，需要测量试样的应变和应力。
通常使用应变计和压力传感器来进行测量。
通过测量应变和应力的变化，可以得到试样在不同应力条件下的力学特性。
这些数据可以用来分析岩石的强度、变形和破坏特性。
岩石三轴孔压实验可以研究岩石在不同应力条件下的强度、变形和破坏特性。
通过分析实验数据，可以得到岩石的力学参数，如抗压强度、剪切强度、弹性模量等。
这些参数对于工程设计和施工具有重要的指导意义。
岩石三轴孔压实验还可以用来研究岩石的变形和破坏机理。
通过观察试样在不同应力条件下的变形和破坏形态，可以了解岩石的变形和破坏机制。
这对于预测岩石在实际工程中的变形和破坏行为具有重要的意义。
除了岩石三轴孔压实验，还有其他一些试验方法可以用来研究岩石的力学性质。
例如剪切试验、拉伸试验、弯曲试验等。
这些试验方法可以从不同方面了解岩石的力学性质，为工程设计和施工提供更全面的参考。
总之，岩石三轴孔压是一种常用的试验方法，可以模拟实际工程中的应力状态，研究岩石的力学性质。
通过进行这种试验，可以获取岩石的力学参数和变形、破坏特性，为工程设计和施工提供可靠的依据。
同时，还可以了解岩石的变形和破坏机理，为预测岩石在实际工程中的行为提供参考。
三轴试验下煤岩体破坏机制与力学特性分析
８ ２・
科 技 论 坛
三 轴试验 下煤岩 体破坏机制 与力学特性 分析
崔 雷
（ 阜新高等专科 学校， 辽宁 阜新 １ ２ ３ ０ ０ ０ ） 摘 要： 为探 究三轴应力环境 下神 东矿 区煤样的 力学特性及破 坏模 式， 设置 围压梯 度为 ０ ． ２ 、 ０ ． ４ 、 ０ ． ８ 、 １ ． １ 、 ２ ． ０和 ３ ． Ｏ ＭＰ ａ ， 采用电 一液 伺服试验 系统 开展 室 内三轴试验 ； 通过 试验数据拟合分析 ， 建立峰 值抗压强度 、 弹性模量 与围压关 系表达式 ； 基 于煤样试件破 坏特 征 ， 讨 论施加 围压大小对煤样试件不 同破 坏模 式的影 响。研 究结果表 明： （ １ ） 峰值抗压强度和弹性模 量随围压增 大呈递增趋势 ； 且峰值 抗压强度 和弹性模量 的增 幅随围压增大呈现 出先增 大后减 小的变化规律 ； （ ２ ） 峰 值抗压 强度 与围压呈对数 函数 分布规律 ； 而弹性模 量随 围压增 大 呈指数函数形式递增。 （ ３ ） 随着围压增 大， 煤样破 坏形式可能表现 为拉伸 一拉 剪（ 拉伸主导 ） 一拉剪（ 剪切 主导 ） 一剪切 的破坏模式 。 该研 究 结果能够为今 后神 东矿 区煤炭深部开采设计提供有效的 实验参数。 关键 词 ： 三轴试验 ； 煤样 ； 弹性模量 ； 定量表征 ； 破坏模 式 二十世纪五十年代 以来， 我国就开始研究和应用的六型水体下采煤 １ ． ２ ． ３ 上述准备工作完成后， 将带有引伸计的试件置于三轴试验机的 直是我国特殊开采的薄“ 三下” 采煤技术建 筑物下、 水体下 、 铁弱环节， 压力室 ， 放置平稳后向压力室内注油， 直至油液达到预定的位置为止 ， 然 缺乏典型经验它的开采成功＇ 为路下） 。 ３ ０ 多年来， 已从“ 三下” 采出煤炭我 后用螺旋 压 帽组 件封 闭压 力室 。 国类似条件 的大型水体下采煤提供了借 ６亿多吨， 近几年来每年从“ 三 ２试验 结果分 析 下” 采出约鉴。 ３ ０ ０ ０万吨。 通过长期的研究和实践， 我、 国的乐安江下开采 ２１ 常规三轴试验结果 试验结束后对所得数据进行统计。 为避免离散数据对试验结果的影 研究工作， 在开采技术 、 特殊采煤技术得到迅速发展和提高。例如安全措 施和观澳 ０ 手段等方面具有以下特点： １ ９ ８ １ 年淮南矿区成功的进行了淮河 响，对每组围压条件下得到的峰值强度和弹陛模量进行取平均值处理。 及淮堤下 ， 根据历年来乐安江河床两侧的开采开采， 成功的开采 了急倾 以编号为 Ｃ 一 １ 的煤样试件为例进行说明， ｃ为煤样（ ｃ ｏ ａ １ ） 的简称， １ 对应 斜立井煤柱； １ ９ ８ ４实践， 通过预计， 确定 回采上限以上保留 ８ ７年乐乎矿 的围压为 ０ ． ２ Ｍ Ｐ ａ 。由分析可知， 随着围压逐渐增大 ， 煤样试件 的峰值抗 区在无弟四纪隔水层大型水体下采米煤岩柱， 保持 ２ １ ． ７ 倍的深厚化采 取 压强度和弹性模量整体呈增大趋势 。当围压从 ０ ． ４ ＭＰ ａ 增大到 ０ ． ８ ＭＰ ａ 先采 煤；丰城矿 区开 采反斜 井井筒 煤柱 以及 １ ９ ８ ２上层 后采 下层 的 回采 时 ，峰值 强度 和弹性模量 的增 幅分 别为 ２ ６ ． ８ ％和 ２ ９ ． ８ ％；而 围压从 顺序， 两层开采间隔一年湖南资兴矿在大型俱乐部下开采获得成功 以年 ０ ． ８ ＭＰ ａ 增至 １ ． ２ Ｍ Ｐ ａ 后， 对应 增 幅分别 为 ３ ５ ． ４ ％和 １ ； 围压从 ２ ． Ｏ ＭＰ ａ 左 右。 增加到 ３ ． ０ ＭＰ ａ 后发现 ，峰值强度和 漠量的增幅仅为 １ ５ ． ２ ％和 ４ ％。 据不完全统｛ 十， 目前我国“ 三下一上” 压煤量高达 １ ３ ２ 亿ｔ ， 其中村庄 由此可知 ， 增 幅 随围压增 大呈现 出先增 大后 减小 的变化 规律 。这 说 明同 下压煤量达到 ５ ２ ． ２ １ 亿ｔ 。村庄下压煤几乎遍及各个矿区， 占到矿井储量 压仅能在很小的范围内对试件峰值抗压强度和抗压强度起到显著强化 的１ ０ ％一 ３ ０ 】 。这不仅损失了宝贵的煤炭资源 ， 同时还影响矿山生产的 作用。 合理布局。 因此， 制定相应合理的开采技术 ， 对于解决当前村庄下压煤开 ２ ． ２ 峰值强度与围压关系定量表征 采具 有重要 意 义 。 为探究三轴压缩条件下煤样试件的峰值强度与围压的定量关系 ， 采 掌握煤岩体的力学参数是设计安全高效采煤技术 的重要前提 。因 用 线性 、 对数、 指数 和多项式 函数 进行拟 合 。 此， 国内外就煤岩体进行了大量的研究 ， 研究手段主要有室内试验 、 数值 分析可知 ， 线性 、 指数 、 对数和幂 函数拟合程度都达到 ０ ． ９以上 。其 模拟和理论预测等Ｐ 。 郭擎等探索了煤岩全应力应变过程中体应变对渗 中， 对数函数拟合结果为最高 ， 达到 ０ ． ９ ８ ６ 。 因此 ， 认为对数函数更能够表 透率的影响机制 ，发现在整ｄ ＇ － ￣ Ｊ ｎ 载过程中渗透率与体应变变化关系密 征峰值抗压强度和轴向应变的定量关系。 切； 刘玉冰等考虑厚度效应对含瓦斯复合煤岩力学特 『 生的影响， 开展了 ２ ３ 弹陆漠量与围压关系定量表征 三轴压缩试验 ， 认为当厚度 比接近 １ ： １ 时， 易出现峰直 变； 滕腾等 为探究弹性模量与围压的定量关系， 采用类似的拟合方法 ， 计算其 从能量角度 出发 ， 推导了恒定围压下含瓦斯煤样压缩变形 的能量汁算公 复相关系数 Ｒ ｚ 观察发现 ， ｊ 争 性模量随轴向应变增大呈增大趋势。线 胜、
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三轴压缩下不同岩性煤岩体的强度及变形特征张宇;任金虎;陈占清【摘要】There are many lithology of coal and rock in coal mines,its mechanical strength and deforma-tion characteristics directly affect the roadway supporting effect. With CRIMS-DDL600 electronic universal testing machine,the sandstone,coal gangue and triaxial compression tests are carried out under different confining pressures. By means of the criterion of Moore explains different lithology of specimens damage Angle sizes,and by comparing the graphics and analysis of the phenomenon,the effect of confining pres-sure on the three samples stress-strain curve and deformation features is analyzed and compared. The re-sults show that:Specimens with three kinds of properties of the three axial compression process has gone through the initial compaction stage,elastic stage,yield and failure stage,and the more pressure and confi-ning,the longer specimen initial compression phase is;in confining pressure range,three kinds of failure forms of samples are not the same,and specimen failure angle's size of the three kinds of rock are of large difference,meanwhile there peak strength increases with the increase of confining pressure;also there properties are consistent with Coulomb strength criterion,and the size of cohesion and internal friction an-gle is given according to Moore's circle;with the growing of confining pressure,elastic modulus of three kinds increases,and the pressure effect on the elastic modulus varies due to the sample types.%煤矿井下存在多种岩性的煤岩体,其力学强度和变形特征直接影响巷道支护效果.利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,进行了不同围压下砂岩、矸石与煤样的三轴压缩试验,采用莫尔准则诠释了不同岩性的试样破坏角大小不等,通过图形对比和现象分析,得到了围压对3种不同岩性的试样应力、应变曲线及变性特征的影响.结果表明:3种性质的试样三轴压缩过程中都经历了初始压密阶段、弹性阶段、屈服阶段与破坏阶段,且围压越大,试样初始压密阶段越长;在试验加载的围压范围内,3种性质的试样破坏形式并不相同,且3种不同岩性的试样破坏角大小相差较大,砂岩破坏角最大,煤破坏角最小,3种性质的试样其峰值强度随着围压的增大而增长;3种性质的试样符合Coulomb强度准则,依据莫尔应力圆给出3种试样内聚力和内摩擦角的大小;随着围压的增大,3种性质的试样弹性模量呈增大趋势,且围压对试样弹性模量的影响因试样类型的不同而不同.【期刊名称】《西安科技大学学报》【年(卷),期】2015(035)006【总页数】7页(P708-714)【关键词】三轴压缩;围压;破坏形式;峰值强度;弹性模量【作者】张宇;任金虎;陈占清【作者单位】中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221008;中国矿业大学力学与建筑工程学院,江苏徐州221008;内蒙古久和能源装备有限公司研发中心,陕西西安710018;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221008;中国矿业大学力学与建筑工程学院,江苏徐州221008【正文语种】中文【中图分类】TD3150 引言天然岩层大都处于三向应力状态，这种应力状态下岩石的强度及其变形特征，对于研究岩层地质构造形成机制、地下工程围岩稳定性和深孔钻探等方面的工程实际问题具有重要意义［1-2］。
三轴压缩试验是研究岩体在三向应力状态下变形和强度特征的基本途径［3-4］。
众多学者在三轴压缩条件下，对不同岩石做了大量的试验研究，并取得了显著的成果。
杨圣奇［5］对大理岩进行了围压0 -30 MPa 力学试验，探讨大理岩的变形和强度特性;胡卸文［6］对四川普遍分布的侏罗纪红砂岩进行试验研究，得出在不同应力环境下岩石强度参数差异明显，卸荷导致岩石强度参数弱化;尤明庆［7］研究大理岩、砂岩等特性，提出了描述平均模量与围压的指数公式，探讨了杨氏模量与围压的关系;甚多学者对煤岩力学性质特别是三轴压缩条件下的强度及变形特征等做了较多的试验研究［8-10］和理论分析［11-12］，同时也有较多学者探讨了含瓦斯煤岩体、有较高和较低围压煤岩体的力学性质［13-15］抗压和塑形特征［15-16］、岩巷破坏［17-18］和采动破坏机理［19-20］，但以上学者均未对不同岩性的煤岩体在三轴压缩下的强度和变形特征进行研究，文中采用先进的CRIMS -DDL600 电子万能试验机，对澄合煤业集团董家河矿的砂岩、矸石和煤样进行了较为系统的三轴压缩试验，采用莫尔准则诠释了不同岩性的试样破坏角大小不等，通过图形和现象分析，对其强度及其变形特征进行了分析和比较。
室内研究不同围压下3 种试样的强度和变形特征对煤矿井下巷道、采场支护设计和围岩稳定性判定等均有一定的工程实践意义。
1 试验方法和原理1.1 试验设备与试样制备三轴压缩试验在CRIMS -DDL600 电子万能试验机上进行，如图1 所示。
该试验机由加载系统、测量系统和控制系统等部分组成，最大轴向荷载为4 600 kN，最大围压25 MPa，应变率适应范围为10-7 ～10-2 s.试验过程中所有测试参数均由高精度传感器采集并由计算机记录。
图1 CRIMS-DDL600 电子万能试验机Fig.1 CRIMS-DDL600 electronic universal testing machine图2 3 种类别试样的标准试样Fig.2 Three kinds of standard sample试验的试样取自澄合煤业集团董家河矿，试验所用的试样岩性分为3 类，分别为砂岩、矸石和煤样。
3 种试样质地均匀，无肉眼可见裂纹。
试样的加工严格按照《岩石试验方法标准》(GB50218-94)执行，即通过取芯、切割、打磨等过程，制备成标准试样。
试样为长度100 mm，直径50 mm 的圆柱体，并保证试样两端端面不平行度控制在±0.02 mm 以内，避免试样在试验过程中受到偏压造成应力集中而影响试验结果。
从已制作的砂岩、矸石、煤样的标准试样中分别挑选出3个表面无明显裂痕的试样作为研究对象，共计9 个标准试样，并对其进行编号，如图2 所示。
砂岩记为Y1 -1，Y1 -2，Y1 -3，矸石记为G1 -1，G1 -2，G1 -3，煤样记为M1 -1，M1 -2，M1 -3.1.2 试验方法所有试验均采用轴向位移控制的方式加载，加载速度为1.0 mm/min，围压分为3 个等级，分别为3.0，5.0，7.0 MPa. 在每级围压下，试验数量均为1 件，每种岩性的试样试验数量为3 件。
试样采用先加围压至预定值，再进行轴向位移加载直至试样破坏的方法。
试验前所有试样均需用电工胶带包裹，以免油渗透入试样内部降低试样强度，影响试验结果。
1.3 试验原理煤岩体在三轴压缩下的最大承载能力称为三轴峰值强度σs.三轴峰值强度计算公式为式中σs 为不同围压下试样的峰值强度;Pmax为试样轴向破坏荷载;A 为试样的横截面积。
试样的弹性模量可通过以下方法得到。
由Hooke 定律由于加载过程中，围压σ3 保持恒定，故有于是这样从(σ1 - σ3)～ε1曲线的线性回归的斜率可以得到弹性模量E.2 试验结果与分析利用CRIMS -DDL600 电子万能试验机对砂岩、矸石和煤样的标准试样进行三轴压缩试验，直至试样完全破坏。
通过计算机记录的轴向荷载与轴向位移，计算得出试样三轴压缩过程中的应力、应变值，并绘制3 种岩性试样在不同围压下的曲线，如图3 所示。
从图3 可知，3 种岩性试样在不同围压下的峰值强度σ3 和峰值σs应变;针对图3所示的应力-应变曲线采用线性回归方法得3 种岩性试样在不同围压下的弹性模量E，见表1.表1 3 种性质的试样不同围压下的试验结果及参数Tab.1 Test results and parameters of three kinds of sample under different confining pressure试样性质试样编号围压σ3/MPa 峰值强度σs/MPa 峰值应变ε/(mm·mm -1) 弹性模量E/GPa Y1 -1 3.0 59.16 0.022 10 3.893砂岩 Y1 -2 5.0 74.40 0.024 594.943 Y1 -3 7.0 90.32 0.028 595.232 G1 -1 3.0 31.08 0.022 40 2.210矸石 G1 -2 5.0 45.62 0.027 84 3.850 G1 -3 7.0 54.80 0.030 27 4.250 M1 -1 3.0 15.730.030 97 0.544煤样 M1 -2 5.0 25.67 0.035 40 1.329 M1 -3 7.0 31.87 0.041 55 2.0823 试验现象与分析1)从图3 可知，3 种性质的试样在三轴压缩过程中，大都经历了4 个阶段:初始压密阶段、弹性阶段、屈服阶段与破坏阶段。