《巖體工程力學》實驗指導書-2012

1、巖石力學實驗指導書河南理工大學能源學院 采礦工程實驗室 2012.9.10 煤和巖石物理力學性質測定的采樣一般規(guī)定1、 在選擇采樣方法時，以及在采樣操作過程中，應使試樣原有結構和狀態(tài)盡量不受破壞，一般采用打鉆取樣，也可以在巷道中或回采工作面采空區(qū)及煤壁直接采樣。2、 采樣地點應該符合研究的目的要求，并應特別注意巖（煤）樣的代表性。在研究某一局部地點的巖石性質時，應在所研究地點附近，找具有代表性的采樣點采樣；在研究較大范圍內的巖石性質時，應根據巖性變化情況，分別在幾個具有代表性的采樣點采樣；當沿層厚變化較大時應分別在上、中、下不同部位采樣。每組巖（煤）樣應采自巖性相同的同一層位。對巖性變化很大的

2、巖層，禁止將在不同地點和不同部位采取的巖（煤）樣編為一組。3、 鉆孔取樣應盡量垂直層面打鉆，偏斜不大于5。有特殊困難不能做到上述要求，應注明偏斜角度。盡量不采樣爆破方法采樣，以產生大量人為裂隙。如只能用爆破方法時，也應降低炮眼的裝藥量，以減小其影響。所采煤塊和巖塊的規(guī)格大體為長寬高20cm20cm15cm的立方體。4、 采樣時應有專人做好巖（煤）樣描述記錄和編號工作。巖塊巖樣編號方式采用，等標記，其中羅馬數字表示煤層別，前一個阿拉伯數字表示煤層頂板（底板）之第幾層，后一個阿拉伯數字表示該巖層之第幾塊巖樣。阿拉伯字在上（分子）表示為頂板巖樣，在下（分母）表示底板巖樣。煤塊煤樣編號方式可采用（II

3、-1），（II-2），羅馬數字表示煤層別，阿拉伯數字表示第幾塊煤樣。鉆孔采樣時應附柱狀圖，巖芯巖（樣）編號可采用柱狀圖上的巖層層序號。編號用顏色漆寫在巖（煤）樣上，同時在巖（煤）樣上用符號“ ”表明其層理方向。5、 每組煤樣或巖樣的數量，應滿足試樣制備的需要，按要求測定的項目確定?？紤]到加工是的損耗以及偏離度大于20是試樣數量要適當增高等因素，采樣時一般應按表列數量的兩倍采取。對于軟巖，采樣數量還應該更大一些。6、 煤樣或巖樣采好后，迅即用紙包好，寫上編號，運到井上后立即浸蠟整體封固。對松軟吸水風化的煤和巖石最好能在井下立即包裝封固。7、 試樣封固后裝入上下四周均填塞木屑的木箱內，編號發(fā)運到實

4、驗單位巖（煤）樣送驗單地質時代及說明柱狀圖層次累厚層厚煤巖名稱巖性描述采樣地點采樣日期采樣方法采樣深度巖芯總長度分段編號分段長度巖煤樣編號實驗目的和要求備注1234567891011121314151617注：1、簡要地質說明包括采樣地點及其附近地質構造，裂隙和節(jié)理情況；2、巖性描述填寫，巖石主要充分，顏色，顆粒，膠結物，巖（煤）層沿厚度巖性變化；3、柱狀圖應該做出詳細分層；4、非鉆孔取樣時，本表2，4，12三欄取消，13改為巖（煤）樣塊數編號，14改為巖（煤）樣規(guī)格。各項實驗所需標準試樣尺寸與最低數量表測定項目標準試樣尺寸，cm標準試樣數量備 注真密度巖粉300g可用測視密度的試樣粉碎視密度

5、，吸水性和含水率用量積法測視密度時，可采用測定力學性質的試件，用不規(guī)則的試樣時，可用加工規(guī)則試樣時剩余的邊角料單向抗壓強度直徑5，高103個每個煤、巖塊尺寸不小于10cm。在上中下部位采取變形參數直徑5，高103個單向抗拉強度直徑5，高2.55個抗剪實驗(變角法)5559個抗剪實驗直徑2.5，高103個三軸實驗直徑5，高105個堅固性系數煤塊6個膨脹率高2，徑高比2.53個膨脹應力高2，徑高比2.53個耐崩解性大致球形40-50一個450g點荷載強度直徑5，高徑比0.8-1.45個規(guī)則實驗雙點間距0.3-0.515不規(guī)則實驗實驗一 巖石單軸壓縮實驗一、實驗目的：1. 掌握巖石單軸抗壓強度、彈性

6、模量、泊松比的測定方法。2. 了解巖石單軸壓縮過程的變形特征。3. 了解巖石的破壞類型。二、實驗設備、儀器和材料1. 試件加工設備：鉆石機、鋸石機、磨石機。2. 檢測工具：游標卡尺（精度0.02mm）、直角尺、水平檢測臺、百分表及百分表架。3. 實驗設備及儀器：YE-600型液壓材料試驗機；靜態(tài)電阻應變儀。4. 實驗材料：電阻應變片（BX-120型），膠結劑，清潔劑，脫脂棉，測試導線等。三、石試件的規(guī)格、加工精度、數量及含水狀態(tài)1. 試件規(guī)格：標準試件均采用垂直于巖石層理的方向鉆取，直徑為50（-0.2+0.6）mm，高徑比為2（-0.2+0.2）的圓柱體，對于一些裂隙比較發(fā)育的試樣，可采用5

7、0mm50mm100mm的立方體，對于礫巖等大顆粒巖石，試件尺寸應放大，其直徑應大于巖石最大顆粒尺寸的10倍，高徑比不小于1.8；由于特殊原因（巖石松軟）不能制取標準試件時，可采用非標準試件，需在實驗結果加以說明。2. 試件加工精度： a 平行度：試件兩端面的平行度偏差不得大于0.1mm。檢測方法如圖1-1所示，將試件放在水平檢測臺上，調整百分表的位置，使百分表的測頭緊貼試件表面，然后水平移動試件百分表指針的擺動幅度小于10格。 b 直徑偏差：試件兩端的直徑偏差不得大于0.2mm，用游標卡尺檢查。34121百分表 2-百分表架 3-試件 4水平檢測臺圖1-1 試件平行度檢測示意圖 c 軸向偏差

8、：試件的兩端面應垂直于試件軸線。檢測方法如圖1-2所示，將試件放在水平檢測臺上，用直角尺緊貼試件垂直側邊，轉動試件兩者之間無明顯縫隙。2311直角尺 2-試件 3- 水平檢測臺圖1-2 試件軸向偏差度檢測示意圖 3.試件數量： 每種狀態(tài)下同一層煤、巖試件的數量一般不少于3個，當實驗目的對試件數量有專門要求時，試件的數量可根據實驗目的的要求另行確定。 4.試件的含水狀態(tài)： a.自然含水狀態(tài)：試件制成后，放在底部有水的干燥器內12天，以保持一定的濕度，但試件不得接觸水面。 b.干燥狀態(tài)：將試件放在105110的烘箱內干燥24小時。 c.其他含水狀態(tài)按委托單位的要求確定，在實驗報告中加以說明。四、電

9、阻應變片的粘貼1.應變片的檢查：要求電阻絲平直，間距均勻，無黃斑，電阻值一般選用120歐姆，測量片和補償片的電阻差值不超過0.5歐姆。2.粘貼位置確定：縱向和橫向應變片均粘貼在試件中部，盡可能避開裂隙，節(jié)理等弱面，每個試件縱向和橫向各貼一片。3.電阻片粘貼工藝：試件表面清洗處理涂膠貼片固化處理焊接導線防潮處理。五、實驗步驟1. 測定前核對巖石名稱和試件編號，并對試件的顏色、顆粒、層理、裂隙、風化程度、含水狀態(tài)等問題進行描述。2. 檢查試件加工精度，測量試件尺寸，一般在試件中部兩個互相垂直方向測量直徑計算平均值。3. 將電阻應變儀接通電源并預熱數分鐘后, 連接測試導線，接線方式采用半橋連接。4.

10、 將試件放置在實驗機的承壓板中心，調整試件位置和球形座，使試件上表面與上承壓板接觸均勻，然后縱、橫應變片分別進行反復預調平衡。5. 施加初載荷，檢查試驗機和應變片工作情況，正常后以0.20.3 kN/s的加載速度均勻加載，按估計破壞載荷的十分之一間隔讀數，紀錄相應載荷下的應變值，直至試件完全破壞。每個測試過程讀數不得少于7個點，同一試件的縱、橫應變值盡可能同時讀出。6. 記錄破壞載荷值以及加載過程中出現的現象，并對試件的破壞形態(tài)進行描述。六、實驗結果 1. 單軸抗壓強度： 式中： RC試件單軸抗壓強度，Pa； P試件破壞載荷，N； S試件初始截面積，m2。巖石單軸抗壓強度測定結果填入表1-1。

11、 表1-1 單軸抗壓強度測定結果巖石名稱 試 件編 號巖 性描 述試件尺寸破壞載荷(kN)抗壓強度 MPaDL(mm)單值均值2. 巖石單軸壓縮應力-應變曲線繪制：檢測實驗結果，廢棄可疑數據，分別計算應力值，縱向應變1、橫向應變2以及體積應變值v，體積應變值按下式計算： 計算結果填入表1-2。以軸向應力為縱坐標，以應變?yōu)闄M坐標描出各測點并光滑連接各測點。巖石試件單軸壓縮的應力-應變曲線如圖1-3。表1-2 巖石試件變形測定紀錄試件編號 載荷（KN）項目1020204050607080901001101軸向應力（MPa）縱向應變1橫向應變2體積應變v2軸向應力（MPa）縱向應變1橫向應變2體積應

12、變v3軸向應力（MPa）縱向應變1橫向應變2體積應變v1-21-v1-11/10-3 1/MPa圖1-3 巖石試件單軸壓縮的應力-應變曲線3/10-3ABCD1.02.03.04.05.0-1.02.0-3.00.0202060801003.彈性模量: 根據各巖石試件單軸壓縮的應力-應變曲線計算彈性模量，由于巖石壓縮過程中各個階段的變形情況有所不同，彈性模量分為切線模量E（彈性模量）和割線模量E50（變形模量），其值分別以下式計算： 式中： 應力-應變曲線中直線段的應力增量，MPa；應力-應變曲線中直線段的應變增量；巖石的單向抗壓強度的50%的應力值，MPa； 巖石試件承受應力時的縱向應變值。

13、4.泊松比:巖石在單軸壓縮過程中縱向變形的同時橫向也發(fā)生相應變形，把應力-縱向應變和應力-橫向應變兩曲線上對應直線段縱向應變和橫向應變的平均值計算泊松比：式中：巖石的泊松比；應力-縱向應變曲線中對應直線段部分的應變的平均值； 應力-橫向應變曲線中對應直線段部分的應變的平均值。巖石的彈性模量E、變形模量E50及泊松比測定結果填入表1-3：表1-3 巖石的彈性模量E、變形模量E50及泊松比測定結果巖石名稱試件編號巖 性描 述彈性模量E（GPa）變形模量E50（GPa）泊松比單值均值單值均值 單值均值 七、回答問題1. 試驗機上為何要配備球形調節(jié)座？2. 影響實驗結果的實驗因素有那些？ 3. 巖樣的

14、描述主要包括那些內容？4. 巖樣破壞的類型有那幾種？5. 你對本實驗的建議和意見。 實驗二 巖石抗拉強度測定一、實驗目的：掌握用劈裂法測定巖石抗拉強度的測定方法，并與巖石的抗壓強度作比較，從而了解巖石的強度特點。二、實驗設備和量具 1.試件加工設備：鉆石機、鋸石機、磨石機。2.檢測工具：游標卡尺（精度0.02mm），直角尺、水平檢測臺、百分表及百分表架。3.實驗設備及儀器：YE-600型液壓材料試驗機；劈裂夾具。 三 、試件的規(guī)格、加工精度、數量及含水狀態(tài)1.試件規(guī)格：標準試件均采用垂直于巖石層理的方向鉆取，直徑為50（-0.2+0.6）mm，25（-0.2+0.2）mm盤體試件，對于一些裂隙

15、比較發(fā)育的試樣，可采用50mm50mm25mm的立方體試件。 2.試件加工精度、數量和含水狀態(tài)與同實驗一的要求相同。四、實驗步驟1. 測定前核對巖石名稱和試件編號，并對試件的顏色、顆粒、層理、裂隙、分化程度、含水狀態(tài)等問題進行描述。2. 檢查試件加工精度，測量試件尺寸。3. 通過試件直徑的兩端，沿軸線畫兩條相互平行的線作為加載基線。將巖石試件放置劈裂夾具內，加具的上、下刀刃對準加載基線，用兩側加持螺釘固定好試件如圖2-1。4. 把夾好的試件放入試驗機的上、下承壓板之間，使試件的中心線和試驗機的中心線在一條直線上，調整試件位置和球形座，使刀刃與試件均勻接觸。5. 開動試驗機，松開劈裂夾具兩側的加

16、持螺釘，然后以0.030.05kN/s的加載速度均勻加載，直至破壞。6. 記錄破壞載荷，觀測破壞類型描述。若破裂面沒有通過加載基線，舍去該值。六、實驗結果 1. 巖石單向抗拉強度： 式中： RC試件單軸抗拉強度Pa； P試件破壞載荷，N； D試件直徑（方試件D為高度），m；L試件厚度，m。 巖石單向抗拉強度測定結果填入表2-1。表2-1 巖石單向抗拉強度測定結果巖 石名 稱試件編號巖 性描 述試件尺寸破壞載荷(kN)抗拉強度 MPaDL(mm)單值均值七、回答問題1. 巖石的抗拉強度有哪幾種測定方法，各自特點？2. 你認為影響抗拉強度實驗結果的因素有那些？3. 你對本次實驗的建議和意見。 實驗

17、三 巖石的三軸壓縮實驗一、實驗目的：掌握巖石在軸對稱應力組合方式（12=3）應力條件下的三軸實驗方法，并能根據實驗結果計算出巖石的內摩擦角與粘結力，繪制出巖石的強度曲線。二、實驗設備、儀器和材料1. 試件加工設備：鉆石機、鋸石機、磨石機。2. 檢測工具：游標卡尺（精度0.02mm）、直角尺、水平檢測臺、百分表及百分表架。3. 實驗設備及儀器：YE-2000型液壓材料試驗機；三軸壓力室；三軸液壓源。4. 實驗材料：塑料熱縮管、密封膠帶等。三、石試件的規(guī)格、加工精度、數量及含水狀態(tài)1. 試件規(guī)格：標準試件均采用垂直于巖石層理的方向鉆取，直徑為50（-0.2+0.6）mm，高徑比為2（-0.2+0.

18、2）的圓柱體。2. 試件加工精度和含水狀態(tài)：試件加工精度與實驗一相同。3. 試件數量：每種巖石同一狀態(tài)下，每個參數實驗的試件數量一般不少于5試件做不同圍壓下的三軸壓縮實驗。三、 實驗步驟。1. 測定前核對巖石名稱和試件編號，并對試件的顏色、顆粒、層理、裂隙、風化程度、含水狀態(tài)等問題進行描述。 2. 檢查試件加工精度，測量試件尺寸，一般在試件中部兩個互相垂直方向測量直徑計算平均值。3. 圍壓力的選擇應與所研究的范圍內實際情況選定，一般可根據巖層在礦井所處的深度或原巖應力狀況來確定圍壓的范圍（5MPa、10MPa、15MPa、20MPa和25MPa）。 4. 選擇試驗機度盤，一般應滿足 0.2P0

19、Pmax0.8P，選600 kN。式中：P0試驗機度盤的最大值，kN；Pmax預計試件最大破壞載荷，kN。5. 試件的安裝,把上、下墊塊端面擦凈，將試件置于上、下墊塊之間使三者中心為一條直線，將試件與墊塊套塑料熱縮管，用吹風機加熱塑料熱縮管包裹試件，塑料熱縮管與墊塊間用膠布纏緊，并再用密封圈固定試件兩端見圖4-1。打開三軸壓力室上壓蓋，再將制備好的試件下墊塊置下放入三軸壓力室底座中心，上好壓力室頂蓋活塞，然后打開壓力室的放氣閥，啟動圍壓油泵向壓力室注油排氣，當壓力室有油排除時關閉排氣閥。再將裝有試件的三軸壓力室放入試驗機下承壓板上，并使三軸壓力室的中心與試驗機的中心一致。12341上墊塊；2密

20、封圈；3巖石試件；4下墊塊圖4-1 試件防油安裝示意圖6. 接通電源，開動開壓力機，打開送油閥，使壓力機的下承壓板的拖輪離開軌道510mm左右，關閉送油閥，調整試驗機上承壓板位置與壓力室的上壓頭接觸，緩緩打開送油閥施加50 kN的縱向載荷固定試件.7. 施加圍壓，緩緩施加圍壓到指定值，穩(wěn)定數分鐘后，使圍壓保持恒定時，要求變動范圍不應超過選定的2%。8. 以0.51.0 kN/s的加載速度均勻加載，直至試件破壞，立即打開液壓泵的卸載閥卸圍壓，再打開試驗機的回油閥卸軸壓，紀錄破壞載荷及對應圍壓值。9. 打開壓力室的放氣閥，卸掉上壓蓋取出試件，破壞類型描述。 四、 實驗結果計算與整理1.計算一定側壓

21、力作用下巖石的抗壓強度1max： 式中： 1max在一定圍壓作用下的巖石抗壓強度，Pa； P縱向破壞載荷，N； F受壓試件初始截面積，m2。圖4-2 圍壓與軸向應力關系曲線 2. 計算內摩擦角和粘結力。在直角坐標系繪制圍壓力3與軸向抗壓強度1max的關系曲線圖4-2， 對各測點進行線性回歸，計算出其斜率m和縱軸上的截距b,即線性方程，其中m和b可用下式計算： 根據庫倫摩爾準則，巖石的內摩擦角和粘結力c可利用參數m和b按下式計算： 圖4-3 巖石三軸試驗摩爾園及包絡線 6. 繪制摩爾園及其包絡線：在相同比例的直角坐標系內，選取35個3值，用回歸后的直線方程計算出相應的1值。分別以（3+1）/2，

22、0為圓心，以（1-3）/2為半徑繪制出一組摩爾圓，摩爾圓的外包絡線即為該組巖石的強度曲線，包絡線在Y軸上的截距為粘結力，與X軸的夾角為內摩擦角。巖石三軸壓縮實驗結果填入表4-1。 表4-1 三軸壓縮實驗結果巖石名稱編號巖性描述試件尺寸3/MPa破壞載荷/kN1maxMPamb/MPa內摩擦角/度凝聚力c/ MPaDL/mm12345五、 回答問題1. 影響實驗結果的實驗因素有那些？2. 三軸實驗過程中主要主意事項有哪幾項？3. 通過三軸實驗說明巖樣的承載能力與哪些因素有關？4. 你對本次實驗的建議和意見。實驗四、伺服試驗機演示實驗一、實驗目的：1. 熟悉巖石伺服試驗機的基本功能；2. 了解巖石

23、服試驗機的基本實驗方法。二、試驗系統(tǒng)簡介： RMT-150B電液伺服控制巖石力學試驗系統(tǒng)是專為巖石和混凝土一類的工程材料進行力學性能設計的。具有軸向壓縮和水平剪切兩種加載方式。最大軸向載荷為100噸，最大剪切載荷50噸，該系統(tǒng)試驗功能齊全，操作方便，自動化程度高，試驗完全在計算機控制下進行。試驗過程中，可以進行干預，轉換控制方式和試驗參數；也可以預先設置試驗步驟，由計算機自動完成，試驗數據自動采樣，實時顯示，試驗結束后，系統(tǒng)可自動退出到初始狀態(tài)，并能方便地給出試驗結果，可輸出各種圖表和原始試驗數據。三、系統(tǒng)功能： 主要功能：可以進行單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗、間接拉伸試驗、直接拉伸試驗、剪切試

24、驗和疲勞等試驗。四、控制方式： 控制方式：力控制、位移控制和行程控制。五、系統(tǒng)組成： 主要組成：控制計算機、伺服控制器、三軸液壓源、液壓動力源、主加載架。 六 系統(tǒng)附件：主要附件：三軸液壓室、上、下剪切盒、滾軸板、直接拉伸裝置、間接拉伸裝置、承壓座和墊板等。七、伺服控制原理：在計算機上設定的數字控制值，由伺服控制器轉換成電信號驅動伺服閥動作，使加載油缸動作同時位移傳感器或力傳感器采集位移或力值，再由伺服控制器轉換成數字信號，兩者的差值，再經伺服控制器轉換成電信號對伺服閥進行調整，直到滿足設定的控制條件。 實驗五 巖石點荷載強度實驗一、實驗目的： 1. 掌握煤和巖石試件點荷載強度測定方法。2.

25、了解煤和巖石抗壓強度、抗拉強度與點荷載強度的折算關系。二 實驗設備、儀器1. 試件加工設備：鉆石機、鋸石機。2. 檢測工具：游標卡尺；3. 實驗設備：數顯式點荷載儀。 三 巖石試件的規(guī)格、加工精度、數量及含水狀態(tài)1. 試件規(guī)格： 試件采用圓柱體，垂直層理鉆取。直徑為50（-0.2+0.6）mm，高徑比為0.81.4的圓柱體，對于兩端面無特殊要求。 2. 試件數量：每個參數實驗的試件數量一般510試件。3. 試件的含水狀態(tài)：一般采用自然含水狀態(tài)，其他含水狀態(tài)加以說明。四、實驗步驟1. 測定前核對巖石名稱和試件編號，并對試件的顏色、顆粒、層理、裂隙、分化程度、含水狀態(tài)等問題進行描述。2. 用游標卡尺測量試件尺寸。3. 接通數數顯點荷載儀電源，調整加載間距。4. 選擇點荷載測量范圍，一般選020 kN。5. 將試件放