软弱围岩相似材料力学特性实验研究

杨昌艳，韦忠跟

（1.霍林郭勒市职业技术中学，内蒙古 霍林郭勒 029200；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

传统的资源开采中，软岩由于其松、软、散、碎的特点，给工程带来极大的不便，成为关键性技术难题，物理模拟可以对深部开采中诸多工程开展的整个动态过程实现室内再现，可控性强[1-2]。在相似模拟试验中，相似材料的选择、配比是很重要的一个环节，对材料的物理力学性质具有很大的影响。对于相似材料的选择及配比，国内外学者做了大量的工作。随着相似理论及技术的发展，董金玉、王汉鹏、韩伯鲤等学者通过选择不同材料和配比模拟不同种类的岩石[3-5]。史小萌、刘保国、肖杰等对以水泥和石膏为胶结材料、石英砂和重晶石粉为骨料的相似材料，并规范了其制作原料与工艺[6]。武伯弢选择重晶石粉、石膏、细砂、洗衣液和水模拟Ⅳ级软弱围岩[7]。牛双建结合深部软岩强度和变形特征研制了以河砂为骨料，松香酒精溶液为黏结剂的深部软岩新型相似模拟材料。王永岩、李剑光选用70#沥青和海砂为材料进行深部软岩的模拟[8]，李媛再此基础上选择硬质沥青作为胶结剂，砂和锌粉作为骨料，橡胶粉作为调节剂研制出一种模拟软岩的相似材料[9]。任松选择工业盐、精铁粉为骨料，环氧树脂、乙二胺为黏合剂构成相似材料得出了金坛盐岩蠕变的材料配比[10]。刘德军、吕晶采用精铁粉、石英砂和重晶石粉为骨料，以松香酒精溶液为胶结剂研制出具有流变特性的盐岩相似材料配比[11]。

从软岩的低强度、大变形而言，以水泥和石膏作为胶结剂的传统材料模拟硬岩尚可，难以完全的模拟软岩的力学性质。并且传统的以重晶石粉、铁精粉为骨料配制的相似材料密度偏大。因此，在前人的基础上，研究本着简单易行且能更有效的模拟软弱围压的原则，选择以河砂、重晶石粉、橡胶粉、石膏、石蜡油为原材料配制出一种相似材料，分析原材料以及养护时间对相似材料力学性质的影响。

1 相似理论

根据相似三定律，要求模型的几何尺寸、边界条件以及相似材料的密度、抗压强度、弹性模量、泊松比等都遵循一定的规律。由相似三定律可得如下相似条件[12]：

式中：Cσ为应力相似比；Cr为重度相似比；CL为尺寸相似比；CE为弹性模量相似比；Cε为应变相似比；Cδ为位移相似比；Cφ为内摩擦角相似比；Cμ为泊松比相似比；Cg为重力相似比；Cσc为抗压强度相似比；Cσt为抗拉强度相似比；CC为黏聚力相似比。

选取几何相似比为CL=10。根据原岩材料的力学参数，计算得出相似材料的相关力学系数值。设：泊松比为μ；内摩擦角为φ；抗压强度为σc；弹性模量为E；黏聚力为c；长度为L；密度为ρ。原岩与相似材料力学性质见表1。

表1 原岩与相似材料力学性质

2 试件的制作及配制方案

2.1 试件的制作

本实验采用直径为0.12～0.21 mm 的清洁河砂，重晶石粉的粒径为38～48 μm，橡胶粉粒径为380 μm，石膏选取建筑石膏，液体石蜡相对密度为0.80～0.85。原材料有河砂、重晶石粉、橡胶粉、石膏、石蜡油、柠檬酸。相似材料配比方案见表2。

表2 相似材料配比方案

由于橡胶粉的憎水性使得材料界面结合较差，在制作试件之前，需经改性处理。处理过程为：先将橡胶粉块研磨为橡胶粉，然后在质量比为1%的饱和NaOH 溶液中浸泡30 min，橡胶粉与所浸泡的NaOH溶液质量比为1∶10～1∶15，然后用清水冲洗橡胶粉，最后在通风处自然晾干[13]。制作流程如下：①刷洗所需模具，并用保鲜膜覆盖模具内表面（防止脱模时造成试件破损）；②按质量百分比称取所需水，并在其中融入质量百分比为1%的柠檬酸；③将称取好的材料人工搅拌3～5 min 直到材料颜色均匀；④按照质量百分比称取所需石蜡油；⑤将之前称取的水倒入搅拌完毕的材料中，浸润2 min 后搅拌均匀，紧接着倒入石蜡油，在搅拌均匀；⑥将搅拌均匀的材料分层倒入模具，每层3～4 cm，使用夯实器击实；⑦将做好的模具放在通风处，1 d 后脱模，用保鲜膜包裹并贴上标签，每隔2 d 进行1 次养护；⑧用岩石切割机将上述试件加工成抗压、抗拉、抗剪试验标准试件即5 cm × 5 cm × 10 cm、5 cm × 5 cm × 2.5 cm、5 cm × 5 cm × 5 cm，误差要求均为±0.2 cm。

2.2 试件的基本力学试验

相似材料的基本力学试验在SANS 电液伺服万能试验机上进行，所采用的应变采集设备为静态泰斯特3822 应变采集仪。试验共14 组配比，每组配比的抗压、抗拉、抗剪试样各5 个，选取试验结果相差不大的3 个数据求平均值作为该配比的力学参数，试件养护时间均为7 d。试验数据见表3。

表3 试验数据

3 原材料对相似材料性质的影响分析

通过单轴抗压试验测得单轴抗压强度，同时获得应力-应变曲线，通过劈裂试验获得材料的抗拉强度，通过抗剪试验得到内摩擦角及黏聚力。在此基础上分析不同原材料含量以及养护时间对相似材料的力学性质的影响。

1）砂子与橡胶粉的比例对相似材料的影响。砂子与橡胶粉的比例与抗压强度、弹性模量的关系如图1。随着砂子和橡胶粉的比例由3∶1 增加到13∶1，材料的抗压强度逐渐上升，在11∶1 后抗压强度有所下降，与此同时材料的弹性模量趋于平稳。在一定程度内，提升砂子的含量有助于增加材料的内摩擦角，所以抗压强度和弹性模量会有所增加，但是砂子的含量过高导致材料的孔隙率增加黏聚力下降导致抗压强度有所减少。

图1 砂子与橡胶粉的比例与抗压强度、弹性模量的关系

2）砂子与重晶石粉的比例对相似材料的影响。砂子与重晶石粉的比例与抗压强度、弹性模量的关系如图2。橡胶粉不变的情况下（含量为10%），随着砂子含量的增加，材料的弹性模量和抗压强度都随之增高，在1:1 之后材料的抗压强度急剧下降而弹性模量继续增加后趋于平稳。这是由于砂子含量增加而重晶石粉减少导致材料内部孔隙率急剧下降，而石膏和重晶石粉的黏聚力不足以保证材料的抗压强度继续增加。

图2 砂子与重晶石粉的比例与抗压强度、弹性模量的关系

3）重晶石粉与橡胶粉的比例对相似材料的影响。重晶石粉与橡胶粉的比例与抗压强度、弹性模量的关系如图3。重晶石粉是属于用来增加材料密度的细骨料。随着重晶石粉增加抗压强度和弹性模量增加，但是当重晶石粉含量到达一定程度时，材料的抗压强度有所减少，因为重晶石粉虽然增加了密实度，但是橡胶粉的减少导致了材料的黏聚力下降。

图3 重晶石粉与橡胶粉的比例与抗压强度、弹性模量的关系

4）养护时间对相似材料的影响。由于相似材料中含橡胶粉和石蜡油，而橡胶粉和液体石蜡具有一定的憎水性，并且含有石膏，凝固较快。在自然风干的情况下，试件表面和内部的含水率不同，若不对其养护，试件表面在5 d 之后出现裂纹，对试件的强度有很大影响。在骨胶比6∶1∶0.06，骨料比为4.5∶4.5∶1配比条件下进行试验，得出不同养护时间试件抗压强度与弹性模量的关系如图4，不同养护时间内摩擦角与黏聚力的关系如图5。

图4 不同养护时间试件抗压强度与弹性模量的关系

图5 不同养护时间内摩擦角与黏聚力的关系

4 结语

以河砂、重晶石粉、橡胶粉为骨料，石膏、石蜡油为胶结剂，通过不同配比下的基本力学试验得到了基本满足油页岩相似要求的配比；当骨胶比（骨∶膏∶蜡）为6∶1∶0.06，骨料比（砂∶石粉∶橡）为5∶4.5∶0.5 的相似材料，养护时间为7 d 时，与原岩力学性质具有更好的一致性，满足相似比为10 的相似材料配制要求；随着河砂的比例增加或在河砂含量不变的情况下增加重晶石粉的含量，相似材料的抗压强度先增加后略有减少，弹性模量则趋于稳定；随着养护时间的增加，材料的力学性能趋于稳定，为缩短工期，故养护时间选择7 d。