中国矿业大学矿业工程学院实验报告《岩层控制》实验报告实验一矿山岩体力学实验注：包括岩石抗拉、抗压、抗剪三个内容。

岩石的抗拉强度试验一、实验目的与要求岩石在单轴拉伸载荷作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度。

由于进行直接拉伸实验在准备试件方面要花费大量的人力、物力和时间，因此采用间接拉伸实验方法来测试岩石的抗拉强度。

劈裂法是最基本的方法。

二、实验仪器（1）钻石机或车床，锯石机，磨石机或磨床。

（2）劈裂法实验夹具，或直径2.0mm钢丝数根。

（3）游标卡尺（精度0.02mm），直角尺，水平检测台，百分表架和百分表。

（4）材料实验机。

三、实验原理图3-1显示的是在压应力作用下，沿圆盘直径y-y的应力分布图。

在圆盘边缘处，沿y-y方向（σy）和垂直y-y（σx）方向均为压应力，而离开边缘后，沿y-y方向仍为压应力，但应力值比边缘处显著减少，并趋于平均化；垂直y-y方向变成拉应力。

并在沿y-y的很长一段距离上呈均匀分布状态。

虽然拉应力的值比压应力值低很多，但由于岩石的抗拉强度很低，所以试件还是由于x方向的拉应力而导致试件沿直径的劈裂破坏，破坏是从直径中心开始，然后向两端发展，反映了岩石的抗拉强度比抗压强度要低得多的事实。

χyr/R0.5-0.5σyσxy压缩拉伸应力值/MPa160120804040图3-1 劈裂实验应力分布示意图四、实验内容(1) 了解试件的加工机具、检测机具，规程对精度的要求及检测方法； (2) 学会材料实验机的操作方法及拉压夹具的使用方法； (3) 学会间接测试岩石抗压强度及数据处理方法。

五、 实验步骤（1） 测定前核对岩石名称和岩样编号，对试件颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态机加工过程中出现的问题进行描述，并填入记录表1-1内。

（2） 检查试件加工精度，测量试件尺寸，填入记录表内。

（3） 选择材料实验机度盘时，一般应满足下式：0.2 P 0< P max <0.8P 0（4） 通过试件直径两端，沿轴线方向画两条互相平行的线作为加载基线。

把试件放入夹具内，夹具上、下刀刃对准加载基线，用两侧夹持螺钉固定好试件，或用两根直径2.0mm 的钢丝放在加载基线上，钢丝间用橡皮筋固定。

（5） 把夹好试件的夹具或夹好钢丝的试件放入材料实验机的上、下承压板之间，使试件的中心线和材料实验机的中心线在一条直线上。

（6）开动材料实验机，施加数百牛载荷后，松开夹具两侧夹持螺钉，然后以0.03~0.05MPa/s 的速度加载，直至试件破坏。

（7）记录破坏载荷，对破坏后的试件进行摄影或描述。

六、 注意事项（1） 记录试件的完整状态，（2） 选择合适的材料实验机及合适的实验机度盘值，（3） 夹具对试件的加载方向要与试件的轴线在一平面上， （4） 选择合适的加载速率。

七、 数据处理 表1-1计算试件单向抗拉强度： R 1=102⨯DLPπ=5.98MPa 式中 R 1—试件的抗拉强度，MPa ；P —试件破坏载荷，kN; D —试件直径，cm; L —试件厚度，cm 。

八、误差分析（1）试件自身各方面的影响； （2）系统误差；（3）机器、设备的使用年限较长等等。

岩石的抗压强度试验一、实验目的与要求岩石在单独压缩载荷作用下所能承受的最大压应力称为岩石单轴抗压强度。

岩石的单轴抗压强度实验是研究岩石性质的最简单的方法。

通过本实验，要了解标准试件的加工机械、加工过程及检测程序，掌握岩石单向抗压强度的测试过程及计算方法。

二、实验仪器（1）试件加工机械。

钻石机或车床、锯石机、磨石机或磨床。

（2）检验工具。

水平检测台、百分表架机百分表、游标卡尺。

（3）材料实验机。

三、实验原理垂直或平行岩层层理方向对试块进行加载，试件的破坏载荷与试件的横截面积之比即为岩石的单向抗压强度。

四、实验内容（1）了解标准试件的加工机械、检测机具，规程对尺寸和精度的要求及检测方法；（2）学会材料实验机的操作方法；（3）学会岩石试件单向抗压强度的测试机计算方法。

五、实验步骤（1）测定前核对岩石名称和岩样编号，对试件颜色、颗粒、层理、节理、裂隙、风化程度、含水状态以及加工过程中出现的问题等进行描述，并填入记录表1-2内。

（2）检查试件加工精度，测量试件尺寸填入记录表内。

（3）选择材料实验机度盘时，一般满足下式：0.2P0<P max<0.8P0（4）开动材料实验机，使其处于可用状态。

将试件置于材料实验机承压板中心，调整球形座，是试件上下面受力均匀。

试件为脆性岩石时，应加设保护外罩。

（5）以0.5~1.0MPa/s的速度加载直至破坏。

如遇到软岩石时，加载速度应适当放慢。

（6）记录破坏载荷以及加压过程中出现的现象，并对破坏后的试件进行描述或摄影。

六、注意事项（1）记录岩石试件的完整状态及加工精度；（2）选择合适的材料试验机及合适的试验机度盘值；（3）要让试件的上端面与试验机的上压板面面接合；（4）要在试件加上保护罩；（5）选择合适的加载速率。

七、数据处理表1-2P F=—试件单向抗压强度：R=10FP=22.8MPa 式中 R —试件单向抗压强度，MPa ； P —试件破坏荷载，kN ； F —试件初始截面积，cm 2。

八、 误差分析（1）试件不可能接近标准试件；（2）系统误差；（3）机器、设备的使用年限较长等等。

岩石的剪切强度试验 一、实验目的与要求岩石在剪切载荷作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度，是反映岩石力学性质的重要参数之一。

剪切实验根据剪切面上有无正应力分为直剪实验和压剪实验。

通过采用压剪实验即角模压剪实验测得岩石的内摩擦角和黏聚集力。

二、实验仪器 （一）设备（1）材料实验机。

（2）岩石试样加工机械：锯石机、磨石机或磨床。

（3）变角剪切夹具。

（二）量具（1）游标卡尺，精度0.02mm 。

（2）钢板尺。

（3）直角尺。

（4）百分表架。

（5）百分表。

（6）水平检测台。

三、实验原理通过变角剪切夹具作用在试块上的力P 可分解为与剪切面垂直的正应力和与剪切面平行的剪应力。

当P 大到某一值时，剪应力大于岩石的黏聚力与因正应力而产生的摩擦力之和时，岩石即被剪切破坏。

此时，可通过已知的α值和破坏载荷P ，计算得到几组正应力σ和剪应力τ，最终通过绘图和计算求得岩石的黏聚力C 与内摩擦角ψ。

四、实验内容（1）了解标准试件的加工机械、检测机具，规程对尺寸和精度的要求及检测方法；（2）学会材料实验机的操作方法及变角剪切模具的使用方法；（3）学会变角剪切实验方法，岩石的内摩擦角及黏聚力的计算方法。

五、实验步骤（1）核对岩石编号，记为1号，2号，3号，并填入表1-3内； （2）选择3个试件，其剪切角均为45。

，并在试件上画出剪切线； （3）检查试件加工精度，测量试件尺寸，并填入表1-3内； （4）选择压力机度盘值时，一般满足下式：0.2P 0<P max <0.8P 0（5）调整材料试验机度盘指针为零，使材料试验机处于工作状态。

将已调好角度的变角剪切夹具下座放在材料实验机上，使中心线与承压板中心线重合，装上试件并安好夹具上座，调整承压板球形座，使变角剪切夹具受力均匀。

按操作规程开动材料试验机，施加数百牛载荷，检查试件及变角夹具放置是否良好，若产生偏载需卸载重调。

（6）夹具与试件调整好后，以0.5~1.0MPa/s 的速度加载直至试件破坏。

加载时，人员应离开工作台，并采取适当的保护措施。

（7）对试件破坏情况进行描述。

六、实验数据处理 表1-3(注：为方便剪切面积取其截面积)1、剪切破坏面上正应力和剪应力（1）σ1=10c FP 1⨯αos =5.51MPaσ2=10c FP 2⨯αos =6.70 MPa σ3=10c FP 3⨯αos =7.36 MPa τ1=10sin FP 1⨯α=5.51MPa τ2=10sin FP 2⨯α=6.70 MPa τ3=10sin FP 3⨯α=7.36 MPa （3） 平均正应力：σp =⨯31(σ1+σ2+σ3)=6.52MPa平均剪切力：τp =⨯31(τ1+τ2+τ3)= 6.52MPa（4）偏离度的计算M σ=1)(12--∑=n ni p iσσ=0.94MPaM τ=1)(12--∑=n ni p iττ=0.94MPaV σ=%100M ⨯pσσ=14.4% V τ=%100M ⨯pττ=14.4%八、 误差分析（1） 这里的剪切面积无工具准确测量，显然误差存在； （2） 系统误差；（3） 机器使用年限较长等等。

实验二 实验仪器仪表实验注：报告内容包括锚杆测力的相关数据及其它几个重要仪器的文字说明。

一、实验目的通过本实验主要了解有关仪器仪表的使用，工作原理，及用法。

二、仪器仪表简介（1） 深基点钻孔多点位移计其是测量地下岩块工程围岩变形与位移的常用仪表之一，它可以监测巷道在掘进和受采动影响的整个服务期间围岩内部变形随时间变化情况，其测量结果可为工程质量检测、信息反馈、设计方案完善提供重要的参考。

（2）顶板离层指示仪其用以测试锚杆长度范围及范围外的顶板离层状况的监测仪器，用于判别锚杆支护参数是否合理，巷道服务期间顶板是否稳定。

（3）顶板动态仪其是一种机械式高灵敏位移计，用于监测顶底板移近量、移近速度，进行采场“初次来压”和“周期来压”的预报，探测超前支承压力高峰位置，监测顶板活动及其他相对位移的测量。

（4）柔性岩层窥视仪此仪器主要用来在井下对锚杆钻孔、岩孔进行检查和观测，从而来分析岩层的结构特征。

（5）岩层钻孔成像仪其可探测巷道围岩松动圈范围及其变化情况，可探测煤层及其顶板岩层的岩性、厚度，也可探测巷道及采煤工作面顶板离层、破裂、破坏情况。

（6）锚杆拉力计其主要用于锚杆、钢筋等锚固体锚固力及杆体的承载力的检测。

（7）锚杆测力计直读式锚杆测力计是一种新型的矿亚观测仪表，用它来观测锚杆锚固力具有直读、方便、灵敏度高、能重复使用等显著优点，并在井下工业性实验中获得较好成果。

实验数据记录表（8）电磁辐射监测仪可监测煤岩层动力灾害的孕育、发展过程，提出冲击矿压预测预报机制，导煤矿安全生产。

（9）地质雷达利用高频电磁波束的反射，可探测地下目标物的位置、基岩面的起伏变化、断裂构造的展布和岩溶发育带的分布等工程地质问题。

（10）微震仪使用微震仪监测系统采集煤岩材料在应力作用下破坏释放能量产生的震动波。

实验三砌体梁结构实验一、实验目的通过砌体梁结构模型实验，了解砌体梁的形成及水平阻力的大小与砌体梁的平衡关系。

二、实验仪器及工具液压千斤顶、模型架、卷尺、液压枕三、实验原理当老顶达到极限跨距后，随着采煤工作面继续推进，老顶即发生初次断裂。

其断裂后的一般状态如下图3-2所示。

A-A剖面图3-2 破断岩块的拱式平衡及其受力分析显然，根据老顶的“X”形破坏特点，可将工作面分为上中下三个区。