CN110610062B - 一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量计算方法，所述岩石弹性模量计算方法考虑了实际巷道围岩的蠕变特性，通过单一岩石试件某一围压下全应力——应变曲线试验及多水平轴压下稳定蠕变试验，获得全应力——应变曲线和岩石稳定蠕变终止轨迹线，稳定蠕变终止轨迹线与全应力——应变曲线峰前段交点为稳定蠕变下阈值，与峰后段交点为稳定蠕变上阈值；所述稳定蠕变下阈值与坐标原点的连线斜率即为长期静荷载作用下的岩石弹性模量。该方法获得的岩石弹性模量与以往的峰值点杨氏弹性模量相比考虑了围岩的蠕变特性，更加符合客观实际，使用峰值点杨氏弹性模量计算提高了围岩的自承载能力，而这是巷道变形破坏问题一直未能解决的根本原因之一。

Description

一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量计算方法

技术领域

本发明涉及巷道支护技术领域，具体是一种研究实际巷道围岩在长期处于稳定荷载作用时岩石弹性模量的测试及计算方法。

背景技术

岩石的弹性模量一直是煤矿巷道支护设计的重要参数，对巷道围岩分区类别、各分区边界位置、各分区应力应变分布规律的确定都起着至关重要的作用，是煤矿巷道支护参数量化设计的重要依据。

目前在巷道支护技术领域所使用的岩石弹性模量皆是以单一岩石试件在快速加载作用下获得的全应力——应变曲线为依据计算得到的，这严重忽视了实际巷道围岩的蠕变特性，因此，以此为依据进行的围岩变形机理的分析难以获得准确的围岩变形分区的分区类别，更无法获得准确的各围岩变形分区的边界位置，于是巷道支护参数的量化设计也就无从谈起。时至今日，巷道围岩冒顶、片帮、底臌等现象依然普遍存在就是最客观的佐证。

揭示问题存在的根源，并逐一予以解决是我们最终解决问题的必要途径。提供一种能够反映巷道围岩蠕变特性的岩石弹性模量计算方法正是基于这一思想。

发明内容

本发明的目的是提供一种长期荷载作用下岩石弹性模量的计算方法，通过确定稳定蠕变终止轨迹线与全应力——应变曲线峰前段的交点，获得稳定蠕变下阈值点，并以此计算出岩石弹性模量。该方法考虑了实际巷道围岩在长期静荷载作用下产生的蠕变特性，能更加准确的反映巷道围岩变形的本质机理。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量计算方法，所述岩石弹性模量测试方法考虑了实际巷道围岩的蠕变特性，通过单一岩石试件某一围压下的全应力——应变曲线试验及同一围压多水平轴压下的稳定蠕变试验，获得一条全应力——应变曲线和岩石的稳定蠕变终止轨迹线，稳定蠕变终止轨迹线与全应力——应变曲线峰前段的交点为稳定蠕变下阈值，与峰后段的交点为稳定蠕变上阈值。其中，稳定蠕变下阈值与坐标原点的连线斜率即为巷道围岩在长期静荷载作用下的岩石弹性模量。

作为优选，本发明提供的一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量计算方法，所述的岩石稳定蠕变终止轨迹线，是对应某一围压下的不同应力水平轴压下的稳定蠕变实验，该组试验可以确定出各应力水平轴压对应的稳定蠕变终止点，对这些点进行直线拟合(或曲线拟合)即可获得一条与全应力——应变曲线相交的直线(或曲线)，该直线(或曲线)即为对应围压情况下的稳定蠕变终止轨迹线。

作为优选，本发明提供的一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量计算方法，所述的稳定蠕变上下阈值，为稳定蠕变终止轨迹线与全应力——应变曲线之间交点的纵坐标，其中，稳定蠕变终止轨迹线与全应力——应变曲线峰前段的交点为稳定蠕变下阈值点，稳定蠕变终止轨迹线与全应力——应变曲线峰后段的交点为稳定蠕变的上阈值点，稳定蠕变下阈值为岩石仅发生弹性变形与开始发生稳定蠕变的分界应力值，稳定蠕变上阈值为岩石发生稳定蠕变与开始发生不稳定蠕变的分界应力值。

作为优选，本发明提供的一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量计算方法，包括如下步骤：

1)设计某一围压下的岩石三轴全应力——应变试验，通过该试验获取该围压下的全应力——应变曲线。

2)对应上述试验中的围压值，进行同一围压下多轴压水平稳定蠕变试验，获得不同轴压对应的稳定蠕变试验直线段，找出各直线段上的稳定蠕变终止点对应的坐标值(最大蠕变对应点的坐标值)。

3)依据不同轴压对应的最大稳定蠕变点的坐标值，在对应围压的全应力——应变曲线所在的坐标平面上标示出上述各坐标值对应的坐标点，并对这些点进行直线(或曲线)拟合即可获得一条与全应力——应变曲线相交的稳定蠕变终止轨迹线，从而确定出稳定蠕变上下阈值点。

4)通过直线连接坐标原点与稳定蠕变下阈值点，该直线的斜率即为所求的长期静荷载作用下的岩石弹性模量。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明所提供的岩石弹性模量是通过岩石稳定蠕变下阈值点与岩石全应力应变曲线坐标平面内的坐标原点之间的连线斜率计算得到的，解决了以往岩石弹性模量均未考虑巷道围岩蠕变特性的实际问题，提升了煤矿巷道围岩支护参数的准确度，对优化巷道围岩支护方案，增强煤矿巷道的安全性具有重要作用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明实施例中提供的一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量计算方法原理示意图；

图2是本发明实施例1提供的一种岩石试件在围压为3MPa情况下的岩石弹性模量确定分析图；

图3是本发明实施例2提供的一种岩石试件在围压为11MPa情况下的岩石弹性模量确定分析图；

图中：1—岩石的全应力—应变曲线；2—岩石稳定蠕变终止轨迹线；3—岩石稳定蠕变下阈值点；4—岩石稳定蠕变上阈值点；5—本发明实施例1中的一种岩石试件在围压为3MPa情况下的岩石全应力—应变曲线；6—本发明实施例1中的岩石试件在围压为3MPa情况下的岩石稳定蠕变终止轨迹线；7—本发明实施例1中的岩石试件在围压为3MPa情况下的岩石稳定蠕变下阈值点；8—本发明实施例1中的岩石试件在围压为3MPa情况下的岩石稳定蠕变上阈值点；9—本发明实施例2中的一种岩石试件在围压为11MPa情况下的岩石全应力—应变曲线；10—本发明实施例2中的岩石试件在围压为11MPa情况下的岩石稳定蠕变终止轨迹线；11—本发明实施例2中的岩石试件在围压为11MPa情况下的岩石稳定蠕变下阈值点；12—本发明实施例2中的岩石试件在围压为11MPa情况下的岩石稳定蠕变上阈值点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，岩石三轴全应力——应变试验的次数，以及同一围压下多轴压水平稳定蠕变试验的轴压组数和对应时间的设定，均按照具体试验情况进行选取，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

依据图1所示基本原理，本发明的实施例1提供了一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量计算方法，操作步骤如下：

1)选取一组岩石试件，依据图1所示原理，设计1组三轴压缩试验以获取岩石三轴全应力——应变曲线，选取围压3MPa，该组包含3次试验，可获得3条全应力——应变曲线，选择其中最理想的1条曲线供本次计算使用，如图2所示曲线5。

2)开展同一围压下多轴压水平稳定蠕变试验，对应于上述试验设计的3MPa围压，本试验设计为4组，分别对应轴压14MPa、17MPa、20MPa和23MPa。由此可得到轴压分别为14MPa、17MPa、20MPa、23MPa时的4条稳定蠕变直线。

3)对应于上述3MPa围压下的每一条稳定蠕变曲线，都可以得到一个稳定蠕变终止点，这些点的拟合直线(或曲线)就是稳定蠕变终止轨迹线6，该线与3MPa围压下全应力——应变曲线之间的下交点就是该围压下的稳定蠕变下阈值点7，该线与3MPa围压下全应力——应变曲线之间的上交点就是该围压下的稳定蠕变上阈值点8，3MPa围压下的稳定蠕变试验曲线如图2所示。

4)用直线连接图2中的坐标原点O与稳定蠕变下阈值点7，该直线的斜率即为所求的该种岩石在长期静荷载作用下的弹性模量。

计算结果：围压3MPa的情况下，计算得到该种岩石的弹性模量为0.4167×10⁴MPa。

实施例2：

依据图1所示基本原理，本发明的实施例2提供了一种长期荷载作用下的岩石弹性模量计算方法，操作步骤如下：

1)选取一组岩石试件，设计1组三轴压缩试验以获取岩石三轴全应力——应变曲线，选取围压11MPa，该组包含3次试验，可获得3条全应力——应变曲线，选择其中最理想的1条曲线供本次计算使用，如图3所示曲线5。

2)开展同一围压下多轴压水平稳定蠕变试验，对应于上述试验设计的7MPa围压，本试验设计为5组，分别对应轴压30MPa、34MPa、38MPa、42MPa和46MPa，由此可得到5条稳定蠕变曲线。

3)对应于上述11MPa围压下的每一条稳定蠕变曲线，都可以得到一个稳定蠕变终止点，这些点的拟合直线(或曲线)就是稳定蠕变终止轨迹线10，该线与11MPa围压下全应力——应变曲线之间的下交点就是该围压下稳定蠕变下阈值点11，该线与11MPa围压下全应力——应变曲线之间的上交点就是该围压下稳定蠕变上阈值点12，11MPa围压下的稳定蠕变试验曲线如图3所示。

4)用直线连接图3中的坐标原点O与稳定蠕变下阈值点，该直线的斜率即为所求的该种岩石在长期稳定荷载作用下的弹性模量。

计算结果：围压11MPa的情况下，计算得到该种岩石的弹性模量为0.5455×10⁴MPa。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (3)

1.一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量测试方法，其特征在于：所述岩石弹性模量计算方法考虑了实际巷道围岩的蠕变特性，通过单一岩石试件某一围压下的全应力——应变曲线试验及同一围压多水平轴压下的稳定蠕变试验，获得一条全应力——应变曲线和岩石的稳定蠕变终止轨迹线，稳定蠕变终止轨迹线与全应力——应变曲线峰前段的交点为稳定蠕变下阈值，与峰后段的交点为稳定蠕变上阈值；所述的稳定蠕变下阈值为岩石仅发生弹性变形与开始发生稳定蠕变的分界应力值，在岩石的全应力——应变曲线上表示为稳定蠕变终止轨迹线与全应力——应变曲线峰前段的交点的纵坐标值；所述的稳定蠕变上阈值为岩石发生稳定蠕变与开始发生不稳定蠕变的分界应力值，在岩石的全应力——应变曲线上表示为稳定蠕变终止轨迹线与全应力——应变曲线峰后段的交点的纵坐标值；其中，稳定蠕变下阈值与坐标原点的连线斜率即为巷道围岩在长期静荷载作用下的岩石弹性模量。

2.根据权利要求1所述的一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量测试方法，其特征在于：所述的岩石稳定蠕变终止轨迹线，是通过某一围压下不同轴压的稳定蠕变实验确定出各轴压下的稳定蠕变终止点，对这些点进行直线拟合即可获得一条与全应力——应变曲线相交的直线，该直线即为对应围压下的稳定蠕变终止轨迹线。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种长期静荷载作用下的岩石弹性模量测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设计某一围压下的岩石三轴全应力——应变试验，通过该试验获取该围压下的全应力——应变曲线；

2)对应上述试验中的围压值，进行同一围压下多轴压水平稳定蠕变试验，获得不同轴压对应的稳定蠕变试验直线段，找出各直线段上的稳定蠕变终止点对应的坐标值，即不同轴压下对应的最大蠕变对应点的坐标值；

3)依据不同轴压对应的最大稳定蠕变点的坐标值，在对应围压的全应力——应变曲线所在的坐标平面上标示出上述各坐标值对应的坐标点，并对这些点进行直线拟合即可获得一条与全应力——应变曲线相交的稳定蠕变终止轨迹线，从而确定出稳定蠕变上下阈值点；

4)通过直线连接坐标原点与稳定蠕变下阈值点，该直线的斜率即为所求的长期静荷载作用下的岩石弹性模量。

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