摘 要

在岩石强度的影响因素中，岩石的赋存深度较为关键，研究岩体强度随赋存深度的变化规律可以帮助我们认识深部岩体工程灾害的发生机制。通过在淮南矿区进行现场取样, 获得了赋存深度处于465~900m 的 6个深度水平上的同一岩层不同深度的砂岩样, 将其加工成标准试件（高度约为100mm,半径约为50mm的圆柱体）, 采用RMT-150C岩石力学实验系统,开展了单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂实验, 获得了砂岩密度、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等基本岩石物理力学参数。经过分析发现, 在统计意义上砂岩样的砂岩密度、弹性模量、单轴抗拉强度、单轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角随赋存深度的增大而线性增加,这是由于赋存深度增加带来的地应力增加使砂岩更加的致密，改变了其内在结构，从而改变其力学性质，使其强度增加。

关键词：赋存深度；砂岩；力学参数

Abstract

Among the factors affecting rock strength, occurrence depth has a great influence.The law that deep rock strength change according to its occurrence depth can help us understand the mechanism of deep engineering disasters and accidents. Through on-site sampling in huainan mining area, sandstone samples at different depths of the same rock layer at six depth levels with a depth of 465-900m were obtained and processed into standard specimens (cylinder with a height of about 100mm and a radius of about 50mm). With the help of the RMT-150c rock mechanics experimental system, uniaxial compression, triaxial compression and Brazilian splitting experiments were conducted respectively. The variation rules of the basic rock physical and mechanical parameters, such as sandstone density, uniaxial compressive strength, uniaxial tensile strength, elastic modulus, poisson's ratio, cohesion and internal friction angle, were obtained along with the occurrence depth. It is found that the density, elastic modulus, uniaxial tensile strength, uniaxial compressive strength, cohesion and internal friction angle of sandstone increase linearly with the increase of occurrence depth in a statistical sense. This is because the increase of ground stress caused by the increase of occurrence depth makes the sandstone more compact, thus changing its mechanical parameters and increasing its strength.

Key words:depth;sandstone;mechanical parameters

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究意义 1

1.2 研究内容与技术路线 3

第2章 工程概况 4

2.1 淮南矿区简介 4

2.2 矿区主要地层构造 4

2.2.1 工程地质 6

2.2.2 水文地质 7

2.2.3 地质构造 8

2.3 主要可采煤层介绍 9

第3章 室内试验 11

3.1 概述 11

3.2 试验简介 11

3.3 岩样的选取与加工 14

3.3.1 取样 14

3.3.2 砂岩加工 19

3.4 试验过程 20

3.4.1单轴压缩试验 20

3.4.2巴西劈裂试验 21

3.4.3三轴压缩试验 22

第4章 试验结果分析 23

4.1 单轴压缩实验结果 23

4.2巴西劈裂实验结果 27

4.3三轴压缩实验结果 29

4.4 小结 32

第5章 结论 34

参考文献 35

致 谢 37

第1章 绪 论

1.1 研究意义

近年来，随着水电开发、矿山开采和公路等工程建设的迅速发展，深部岩石工程越来越常见^[1]。随着开采深度的增加，岩石的结构构造与其所处的环境都会发生较大的变化，因为地质环境改变而导致的工程灾害越来越多，使得国内外学者研究的重点在深部开采相关的岩石力学问题上。在已有的研究中，高地应力，高地温，高孔隙水压,还有强烈的开采扰动即三高一扰动是改变岩石基本参数和力学特征的主要原因^[1,2,3]。分析这些因为赋存深度增加对岩石力学特征和岩石结构带来的影响，得到深层岩石的强度准则以及岩石抵抗破坏能力的变化规律具有重要的意义。

地应力的大小和方向是采矿工程的基础，人们发展了一系列的假说来认识地应力场的变化规律^[1]。不论这些假说到底正确与否，从这些假说的共同点以及大量实验数据中我们可以发现无论是水平应力还是垂直应力都是随着深度的增加而增加。高地应力是赋存深度大的岩石所面对的地质条件，同时随着深度的增加，岩层所处位置离地核的距离减少，使得温度上升，大约在地下每深100m会增加3摄氏度。由于岩石周围应力的增加，使得孔隙水压力增加，即形成了深部岩石高地应力，高地温和高孔隙水压力的状态。

在这样的情况下首先岩石的结构和构造以及基本参数会在长期的高地应力，高地温和高孔隙水压力作用下发生变化，对于碳酸盐岩样品来说，存在着110摄氏度到120摄氏度的温度阈值，超过后其渗透率会成倍增加，而对于花岗岩来说，温度阈值在60摄氏度到70摄氏度之间，由于组成花岗岩的各种矿物的热膨胀系数不同，过高的温度会使花岗岩出现裂纹^[4]，砂岩的热开裂温度阈值则在150摄氏度左右^[5]。仵彦卿等研究了孔隙比随赋存深度的变化，将岩石孔隙率随地层深度变化的数据做成曲线图，得到岩石孔隙率与地层深度关系用四次多项式关系描述比较合适，同时观察分析曲线和数据可以得出这样的结论：岩石孔隙率随着地层深度的增加逐渐减少且减少的幅度也越来越小。并且可认为在6000m到7000m以下的岩石孔隙率为常数^[6，7]。

在北京门头沟大台煤矿玄武岩的实验中^[8]，周宏伟，谢和平，左建平等用国际岩石力学学会(ISRM)推荐的方法进行弹性模量、泊松比估算, 得到了泊松比，弹性模量与赋存深度的关系曲线，他们的研究表明玄武岩的泊松比随着赋存深度的增加而减少，而弹性模量则随着赋存深度的增加而增加。此外，煤层地板不同深度的玄武岩的单轴压缩试验^[8]表明单轴压缩强度随着赋存深度的增加而增加，三轴压缩试验表明岩石粘聚力及内摩擦角随着岩石的赋存深度的增大而增大。周宏伟，谢和平，左建平等认为造成其物理力学参数差异的根本原因是岩浆侵入固结后, 在长期地质年代作用下, 由于玄武岩所处地质环境的不同, 尤其由于赋存深度不同引起的地应力环境的差异, 深部的玄武岩因为自重和高地应力导致