1、2.2 實驗測定內容實驗測定內容包括：（1）單向抗壓強度；（2）單向抗拉強度；（3）彈性模量； （4）泊松比；（5）內聚力； （6）內摩擦角。2.3 實驗設備（1）抗剪實驗采用的儀器設備為：WE-60型萬能材料試驗機，見圖2.1。（2）抗壓和變形實驗采用的儀器設備為： WE-30型萬能材料試驗機，見圖2.2； 靜態電阻應變儀（型號YJ-31）； 電阻應變計（型號：BF12010AA；電阻值：120.2±0.1歐姆；靈敏系數：2.14±1%；級別：A），見圖2.3。（a）WE-60型萬能材料試驗機 （b）抗剪夾具（變角剪）圖2.1 WE-60型萬能材料試驗機與抗剪夾具圖2.2

2、 WE-30型萬能材料試驗機 （a）靜態電阻應變儀 （b）電阻應變計圖2.3 靜態電阻應變儀與電阻應變計（3）抗拉實驗采用的實驗設備為：WE-10型萬能材料試驗機（圖2.4）。 （a）WE-10型萬能材料試驗機 （b）抗拉夾具圖2.4 WE-10型萬能材料試驗機與抗拉夾具2.4 測量工器具（1）游標卡尺，精度為0.02mm；（2）天平（最大量程1000g，精確值1g）；（3）水平檢測臺。2.5 實驗采用標準實驗按照中華人民共和國煤炭工業部標準（1987-11-18 發布，1987-12-10實施）規定的“煤和巖石物理力學性質測定方法”進行實驗測定，包括：MT-38-87 煤和巖石物理力學性質測

3、定的采樣一般規定；MT-44-87 煤和巖石單向抗壓強度及軟化系數測定方法；MT-45-87 煤和巖石變形參數測定方法；MT-46-87 煤和巖石抗拉強度測定方法；MT-47-87 煤和巖石抗剪實驗方法。各項實驗所需標準試樣尺寸與最低數量見表2.1。表2.1 各項實驗所需標準式樣尺寸與數量表測定項目標準式樣尺寸（cm）標準式樣最低數量單向抗壓強度直徑5，高103個變形參數直徑5，高103個單向抗拉強度直徑5，高2.53個抗剪強度直徑5，高105個2.6 巖樣加工為測定巖樣的物理力學性質，首先要對原始巖樣進行加工，使其符合測量標準，方可進行測定。首山一礦郵寄巖樣共5塊，其中煤樣2塊，分別為己15

4、煤和己16、17煤，己15煤直接頂、底板和基本頂巖樣各1塊，圖2.5為郵寄來的部分巖樣。 （a）下位直接頂巖樣 （b）煤樣圖2.5 首山一礦郵寄來的部分巖樣對巖樣進行標準規格加工。巖樣的鉆取采用CS200型自動取芯機，加工后的巖樣的直徑約為50mm，運用巖石切割機對取芯后的巖樣進行切割，用磨石機進行端面磨平，加工后巖樣長度為100mm。巖樣加工機械為，巖石自動取芯機、巖石切割機、磨石機或磨床，見圖2.6。 （a）巖石自動取芯機 （b）巖石切割機 （c）側面雙端面磨石機 （d）正面雙端面磨石機圖2.6 巖石自動取芯機、切割機與磨石機提取到的巖芯如圖2.7所示。 （a）巖石試樣 （b）己15煤巖芯

5、圖2.7 提取到的部分巖芯切割后巖樣見圖2.8。通過加工最后成形巖樣為實驗規程所要求的圓柱體，巖樣各邊長誤差不超過-0.1+0.3mm，兩端不平行度不大于0.1mm。將巖樣放在水平檢測臺上，用直角尺緊貼巖樣垂直測邊，要求兩者之間無明顯縫隙，所加工巖樣表面光滑，沒有明顯缺陷（極個別數量不足巖樣除外）。 （a）巖石試件 （b）己15煤樣試件圖2.8 加工后的部分巖樣2.7 巖樣試驗 巖樣抗剪試驗對加工后巖樣進行抗剪強度測定。圖2.9為用于做抗剪試驗的巖樣。在測定前，首先對巖樣進行直徑和長度的測量。測量直徑與長度的工具為游標卡尺，其測量量程為300 mm，精確度為0.02 mm。 （a）巖樣試件 （

6、b）煤樣試件圖2.9 做抗剪試驗的部分巖樣對于抗剪強度的測定，巖石會表現出剪切破壞的性質。一般較堅硬的脆性巖石都能表現出拉伸破壞的性質。（1）實驗步驟 核對巖樣名稱和巖樣編號，對巖樣顏色、顆粒、層理、節理、裂隙、風化度以及加工過程中出現的問題進行分析，從中選15個成型較好的進行編號，上位砂泥巖試件標號1-11-3，下位泥巖試件標號2-12-3，己15煤試件標號3-13-3，下位己16、17煤試件標號4-14-3，上位細砂巖試件標號5-15-3； 在40°60°范圍內選擇3個或5個以上的剪切角度。按照不同的剪切角度將巖樣分組編號，并在巖樣上畫出剪切線； 檢查巖樣加工精度，測量

7、巖樣尺寸，按剪切方向，高和直徑各測量兩次，取其算術平均值； 選擇壓力機刻度盤時，一般應滿足下式： （2-1）式中：為預計最大破壞載荷，kN；為材料試驗機度盤最大值，kN。 調整材料試驗機刻度盤指針為零，使材料試驗機處于工作狀態。將已調好的變角剪切夾具下座放在材料試驗機上，使其中心線與承壓板中心線重合，裝上巖樣并安好夾具上座，調整承壓板球形座，使變角剪切夾具受力均勻； 夾具與巖樣調整好后，以0.51.0MPa/s的速度加載直至破壞。加載時，人員要離開工作臺，保持一定距離并采取適當的保護措施。圖2.10為上位直接頂巖層的加載及破壞后巖樣。 （a）加載（1-1） （b）破壞后試件（1-1）圖2.10

8、 加載及破壞后的上位直接頂試件（2）實驗數據通過對15個巖樣試件的實驗室抗剪強度測定，得到數據見表2.2。表2.2巖樣抗剪實驗破壞載荷（kN）數據表抗剪標號角度高度載荷正應力剪應力上位砂泥巖1-1455.0417372.250.51-2504.9810437.537.51-3555.164212.317.5下位泥巖2-1455.1022694.466.02-2505.0317362.462.32-3554.979427.539.2己15煤3-1455.204719.613.73-2505.206122.022.03-3555.00205.88.3己16、17煤4-1455.105121.715

9、.14-2505.155818.618.54-3554.79248.111.4上位細砂巖5-1454.9825579.255.05-2505.1218762.562.55-3555.2311339.255.6（3）巖樣的抗剪實驗計算及相關參數分析巖樣的抗剪實驗如圖2.11所示。巖石的抗剪強度是指巖石抵抗剪切破壞的極限強度即剪切面上的切向應力。它是巖石力學性質中最重要的指標之一。剪切破壞面AB上正應力和剪應力的計算。1-鋼墊板；2-變角剪切夾具上座；3-規則巖樣；4-變角剪切夾具下座；5-滾柱圖2.11 變角剪切夾具各測定角度下的平均正應力值和平均剪應力值直角坐標系中，不同角度下的平均測值的的連

10、線為曲線，如圖2.12所示。為了便于工程上的應用，可將巖石“正應力-剪應力”強度曲線簡化為直線，簡化后可用下列方程表示： （2-2）式中：為巖石強度曲線在軸上的截距，即巖石的內聚力；為巖石強度曲線的傾角，即巖石的內摩擦角。= f（） 圖2.12 巖石剪切強度曲線粘結力（內聚力）和內摩擦角的值是表達巖石剪斷條件的基本參數，巖石力學實驗規范所規定的抗剪強度實驗就是測定粘結力（內聚力）和內摩擦角這兩項指標。而抗剪強度和這兩個參數之間有著密切的關系。和值的計算：在簡化后的直線上任意取點1點和2點，求出剪應力和，正應力和，代入下面的公式，即可求出和的值。 =- （2-3） （2-4） 巖樣抗拉試驗做抗拉

11、試驗的巖樣如圖2.13所示，測定前，首先對巖樣進行了直徑和長度的測量。測量直徑與長度的工具為游標卡尺，其測量量程為300 mm，精確度為0.02 mm。實驗步驟 測定前核對巖樣名稱和巖樣編號，對巖樣顏色、顆粒、層理、節理、裂隙、風化程度以及加工過程中出現的問題進行統計，上位砂泥巖試件標號1-41-6，下位泥巖試件標號2-42-6，己15煤試件標號3-43-6，上位細砂巖試件標號4-44-6，己16、17煤試件標號5-45-6； 檢查巖樣加工精度，測量巖樣尺寸； 選擇材料試驗機度盤時，一般應滿足下式 （2-5）式中：為預計最大破壞載荷，kN；為材料試驗機度盤最大值，kN。 （a）上位直接頂試件

12、（b）己15煤樣試件圖2.13 做抗拉試驗的部分試件 通過巖樣直徑的兩端，沿軸線方向畫兩條互相平行的線作為加載地基線，把巖樣放入夾具內，夾具上下刀刃對準加載基線，用兩側夾持螺釘固定好巖樣，見圖2.14；1-尖端為R1刀刃；2-夾具座；3-刀承；4-巖樣；5-夾持螺釘圖2.14 劈裂法抗拉夾具示意圖 把夾好巖樣的夾具放入材料試驗機上、下承壓板之間，使巖樣的中心線和材料試驗機的中心線在一條直線上，見圖2.15；1-承壓板；2-巖樣；3-鋼絲圖2.15載荷位置示意圖 開動材料試驗機，施加幾百牛頓載荷后，松開夾具兩側夾持螺釘，然后以0.030.05Mpa/s速度加載，直到破壞。 記錄破壞載荷，對破壞后

13、的巖樣進行拍照，見圖2.16。 （a）上位直接頂試件（2-4） （b）上位直接頂破壞試件（2-4） （c）己15煤試件（3-4） （d）己15煤破壞試件（3-4）圖2.16部分巖樣的抗拉試驗（2）實驗數據通過對15個巖樣的實驗室抗拉強度的測定，得到數據，見表2.3。表2.3 巖樣抗拉實驗數據表巖樣編號直徑（cm）高度(cm)破壞載荷(kN)抗拉強度（Mpa）均值1-44.942.933.591.581.221-54.942.82.421.121-64.942.92.180.972-45.02.94.171.821.372-55.02.72.661.262-65.02.582.101.043-4

14、4.973.21.210.480.473.400.653-54.973.271.100.433-64-44-54-65-45-45-64.974.994.994.995.015.015.013.43.123.23.102.92.963.031.338.517.509.021.971.481.090.503.482.993.710.860.640.46（3）巖樣的抗拉強度的計算巖樣單向抗拉強度的計算公式: （2-6）式中：為巖樣的抗拉強度，Mpa；為巖樣的破壞載荷，kN；為巖樣的直徑，cm；為巖樣的厚度，cm。 巖樣抗壓及變形實驗在測定前，首先對巖樣進行了直徑和長度的測量。實驗步驟 測定前核對巖

15、樣名稱和巖樣編號，對巖樣顏色、顆粒、層理、節理、裂隙、風化度以及加工過程中出現的問題進行描述，上位砂泥巖試件標號1-71-9，下位泥巖試件標號2-72-9，己15煤試件標號3-73-9，己16、17煤試件標號4-74-9，上位細砂巖試件標號5-75-9。 檢查巖樣的加工精度，測量巖樣的尺寸（應在巖樣高度中部兩個互相垂直的方向測量其直徑，取算術平均值）填入記錄表內。 選擇壓力機度刻盤時，一般應滿足下式： （2-7）式中：為預計最大破壞載荷，kN；為材料試驗機度盤最大值，kN。 啟動材料試驗機，使材料試驗機處于工作狀態。將巖樣置于材料試驗機承壓板中心，調整球形座，使巖樣上下在受力均勻，巖樣為脆性巖

16、石時，應加設保護外罩。 以0.51.0Mpa/s的速度加載直至破壞。 記錄破壞載荷以及加壓過程中出現的現象，并對破壞后的巖樣進行描述和拍照，如圖2.17。 （a）上位直接頂試件（2-7） （b）上位直接頂破壞試件（2-7） （c）己15煤試件（3-7） （d）己15煤破壞試件（3-7）圖2.17 部分巖樣的抗壓試驗（2）實驗數據通過對15個試件的實驗室抗壓強度測定，得到數據見表2.4。（3）相關參數分析巖石的變形實驗過程與抗壓實驗相同，巖石的單軸抗壓強度和彈性模量、泊松比等力學參數取決于巖石的組成結構、礦物顆粒性質以及微觀裂隙等，對這些參數的測定十分重要。表2.4 巖樣抗壓實驗數據表抗壓編號載

17、荷極限（KN）抗壓強度（MPa）平均上位砂泥巖1-72.0310.81-81.819.69.41-91.487.9下位泥巖2-75.0226.62-84.6724.825.72-94.8625.815煤下位16煤上位細砂巖3-70.824.43-80.924.94.23-94-74-84-95-75-85-90.640.940.820.91.531.331.243.45.04.44.88.17.16.54.77.2 巖樣單軸抗壓強度的計算 （2-8）式中：為巖樣單向抗壓強度，Mpa；為巖樣的破壞載荷，kN；為巖樣的初始載面積，cm2。 應力的計算 （2-9）式中：為應力，Mpa；為與應變相對應的載荷，Mpa；為巖樣的初始載面積，cm2。 彈性模量的計算彈性模量可按下式計算。 （2-10）式中：為切線（彈性）模量；為應力應變曲線中直線段始點的應力，Mpa；為應力應變曲線中直線段終點的應力，Mpa；為應力應變曲線中直線段始點的應變值；為應力應變曲線中直線段終點的應變值。 泊松比的計算根據應力縱向應變和應力橫向應變兩曲線上的對應直線段部分縱向應變和橫向應變的平均值計算泊松比 （2-11）式中：為應力橫向應變曲線上對應直線段部分應