一种岩石弹蠕模量及其确定方法与流程

本发明涉及煤矿巷道支护技术领域，具体涉及一种岩石弹蠕模量及其确定方法。

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依据，长期以来，用于围岩变形与受力计算用的弹性模量都是对应于单一岩石试件在快速加载作用下获得的岩石全应力——应变曲线的峰值点的割线弹性模量，显然这种方法得到的弹性模量并没有考虑实际煤矿巷道围岩中岩石的蠕变特性，从而使得巷道具体支护参数的计算结果与实际存在较大误差，这也是时至今日，煤矿软岩巷道偏帮、冒顶、断面大幅减小、严重底鼓等现象仍然普遍存在于我国煤矿开采之中的重要原因之一。由此可见，以往使用的弹性模量事实上并不适用于发生有蠕变情况的巷道围岩。

因此，需要提供一种新的基础参数的计算方法，使得以其为计算依据获得的煤矿巷道相关支护参数数值更加符合实际巷道围岩的受力与变形情况。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种岩石弹蠕模量的确定方法，使用岩石的弹蠕模量替代原始的弹性模量进行具体巷道围岩的变形分析计算，简化煤矿巷道围岩支护的量化分析过程和难度，计算方法简便且误差小。

本发明实现发明目的采用如下技术方案：

一种岩石弹蠕模量的确定方法，所述弹蠕模量是基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型中弹性阶段与塑性硬化阶段的替代直线段的斜率；所述替代直线段为图1中的线段oc，所述o点为坐标原点，所述c点为稳定蠕变上阈值点，大量实验表明，对于某一具体的岩石，在所述的基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型中，弹性阶段的线段oe和塑性硬化阶段的线段ec的斜率非常接近，故可近似将该两段直线用线段oc替代，因所述塑性硬化阶段ec段在发生稳定蠕变前后的应力状态可视为不变，而稳定蠕变发生前的围岩变形属快速加载情况下的弹性变形，故整个ec阶段的应力状态可按照弹性理论进行计算，并且可用弹蠕模量作为计算用的弹性模量。因此，塑性硬化阶段的应力状态完全可按照弹性理论进行计算，并且可用弹蠕模量作为计算用的弹性模量。若将弹蠕模量用eec表示，则其计算公式可用公式eec＝(σ1)ec/(ε1)ec表示。式中，(σ1)ec是围岩稳定蠕变上阈值，mpa；(ε1)ec是围岩稳定蠕变上阈值对应的环向应变值；两者均可依据实验室试验获得。

作为优选，本发明提供的一种岩石弹蠕模量的确定方法，所述的基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型表现为图1所示的4个阶段，即oe、ec、cb、ba4个阶段，其中oe表示弹性阶段，ec表示塑性硬化阶段(稳定蠕变阶段)，cb表示塑性软化阶段(非稳定蠕变阶段及岩石剧烈破坏阶段)，ba表示塑性流动阶段(裂隙已经贯通，岩块错动变形阶段)。

作为优选，本发明提供的一种岩石弹蠕模量的确定方法，所述的实用围岩3阶段应变软化模型是由所述的基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型简化得到的，由于如图1所示的直线段oe和eb与直线段oc非常贴近，完全可以用直线段oc替代直线段oe和ec，以此简化围岩变形分区的理论计算；该模型具体表现为oc、cb、ba3个阶段，其中，oc为弹性阶段的线段oe和塑性硬化阶段的线段ec的近似替代线段，cb表示塑性软化阶段(非稳定蠕变阶段及岩石剧烈破坏阶段)，ba表示塑性流动阶段(裂隙已经贯通，岩块错动变形阶段)。

作为优选，本发明提供的一种岩石弹蠕模量的确定方法，所述稳定蠕变上阈值为图1所示的基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型中的c点的应力值，该值为塑性硬化阶段与塑性软化阶段的交点应力值，即岩石从发生稳定蠕变转变为开始发生不稳定蠕变的分界点应力值。

作为优选，本发明提供的一种岩石弹蠕模量的确定方法，所述稳定蠕变下阈值为图1所示的基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型中的e点应力值，该值为弹性阶段与塑性硬化阶段的交点应力值，即岩石由弹性变形转变为发生稳定蠕变变形的交界点应力值。

作为优选，本发明提供的一种岩石弹蠕模量的确定方法，所述弹蠕模量的计算步骤如下：

1)对于选取的岩石试件分别设置单轴压缩试验及稳定蠕变试验，确定出该岩石试件在某一围压下的全应力——应变曲线及相应围压下的稳定蠕变上阈值点，获得稳定蠕变上阈值点对应的应力值和环向应变值。

2)由于弹蠕模量的计算公式可表示为：eec＝(σ1)ec/(ε1)ec，且式中(σ1)ec是围岩稳定蠕变上阈值，(ε1)ec是围岩稳定蠕变上阈值对应的环向应变值，故把试验获得的该围压下的岩石稳定蠕变上阈值与相应的环向应力值带入上述弹蠕模量计算公式，即可获得该岩石的弹蠕模量。

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蠕模量是通过岩石在长期荷载作用下得到的基于岩石蠕变特性的围岩全应力——应变曲线获得的，与以往通过单一岩石试件在快速加载作用下得到的全应力——应变曲线获取的岩石弹性模量相比，考虑了实际煤矿巷道围岩最重要的特性之一——岩石的蠕变特性，并在此软化模型基础上把弹性阶段与塑性硬化阶段简化为一个阶段，以此阶段的斜率作为弹蠕模量进行相关煤矿巷道支护参数的量化设计，得到的相关计算结果更加符合岩石的实际性质，且误差小。该方法能够很好的简化煤矿巷道围岩支护的量化分析研究工作。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型的示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种岩石试件在围压为11mpa情况下的岩石弹蠕模量确定分析图；

图3为本发明实施例1提供的一种岩石试件在围压为19mpa情况下的岩石弹蠕模量确定分析图；

图中1—弹性阶段；2—塑性硬化阶段(稳定蠕变阶段)；3—塑性软化阶段(非稳定蠕变阶段及岩石剧烈破坏阶段)；4—塑性流动阶段(裂隙已经贯通，岩块错动变形阶段)；5—弹性阶段与塑性硬化阶段的替代线段；6—稳定蠕变下阈值点；7—稳定蠕变上阈值点；8—本发明实施例1提供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；9—本发明实施例1提供的岩石试件在围压为11mpa情况下的岩石稳定蠕变上阈值点；10—本发明实施例2提供的岩石试件在围压为19mpa情况下的岩石全应力——应变曲线；11—本发明实施例2提供的岩石试件在围压为19mpa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。

实施例1：

如图2所示，本发明的实施例1提供了一种岩石弹蠕模量的确定方法，包括一下步骤：

1)选取一组岩石试件，对于选取的岩石试件分别设置围压为11mpa时的单轴压缩试验及稳定蠕变试验，确定出如图2所示的该岩石试件在11mpa围压下的全应力——应变曲线8，及此围压下的稳定蠕变上阈值点9，获得稳定蠕变上阈值点对应的应力值为50mpa，环向应变值为0.024。

2)由于弹蠕模量的计算公式可表示为：eec＝(σ1)ec/(ε1)ec，且式中(σ1)ec是围岩稳定蠕变下阈值，(ε1)ec是围岩稳定蠕变下阈值对应的环向应变值，故把上述试验获得的该围压下的岩石稳定蠕变下阈值50mpa与相应的环向应力值0.024带入上述弹蠕模量计算公式，即可获得该岩石的弹蠕模量为0.4615×10⁴mpa。

实施例2：

如图3所示，本发明的实施例2提供了一种岩石弹蠕模量的确定方法，包括一下步骤：

1)选取一组岩石试件，对于选取的岩石试件分别设置围压为19mpa时的单轴压缩试验及稳定蠕变试验，确定出如图2所示的该岩石试件在19mpa围压下的全应力——应变曲线10，及此围压下的稳定蠕变上阈值点11，获得稳定蠕变上阈值点对应的应力值为64mpa，环向应变值为0.03。

2)由于弹蠕模量的计算公式可表示为：eec＝(σ1)ec/(ε1)ec，且式中(σ1)ec是围岩稳定蠕变上阈值，(ε1)ec是围岩稳定蠕变上阈值对应的环向应变值，故把上述试验获得的该围压下的岩石稳定蠕变下阈值64mpa与相应的环向应力值0.03带入上述弹蠕模量计算公式，即可获得该岩石的弹蠕模量为0.3909×10⁴mpa。

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。