圣彼得砂岩力学性质特殊,其内摩擦角极高(平均为60°)、内聚力极低(几乎为0)。目前未有适用于此类岩石的矿柱设计理论与方法。为了实现矿山经济效益与安全生产的平衡,论文针对圣彼得砂岩特殊的力学性质,从最基本的单轴压缩实验与三轴压缩实验开始,对圣彼得砂岩试样的破坏机制与强度特征进行分析,进而探究适于圣彼得砂岩的强度破坏准则,在此基础上对圣彼得砂岩矿柱的应力分布进行探讨,最终得出合理的矿柱尺寸。研究取得如下新的认识和结果:1)单轴压缩强度特征与破坏机制论文对圣彼得砂岩单轴压缩实验进行了系统研究,为类似条件下的实验提供了借鉴。论文对85个圣彼得砂岩试样进行了单轴抗压强度测试,这是目前这一领域样本数目最多的研究。论文对圣彼得砂岩单轴压缩实验的研究分析是目前为止最为深入和全面的,其涵盖了以下几个方面:试样制取技术、破坏模式分析、尺寸效应分析、形状效应分析、颗粒结构对强度的影响、弹性模量与泊松比以及胶结与无胶结试样抗压强度比较分析等。由于圣彼得砂岩极其松散的颗粒结构,试样制取过程中的扰动对圣彼得砂岩的力学性质影响非常显著。因此试样准备过程中最重要的就是尽可能的减少制取过程对砂岩试样的扰动,这就决定了制取试样过程中常规的钻芯法无法使用,论文提出了较为繁琐的切割和磨平方法。论文研究了单轴压缩下圣彼得砂岩两种典型破坏模式(垂直劈裂和大角度剪裂)的力学机制,并将其机理与圣彼得砂岩的力学性质相联系,垂直劈裂是由于圣彼得砂岩极低的内聚力所引起,而大角度剪裂则是圣彼得砂岩极高内摩擦角的作用。论文通过圣彼得砂岩试样破坏起始位置的无序性研究了试样破坏对试样内部原始裂隙的敏感性这一特性,正是这种敏感性使得圣彼得砂岩试样单轴压缩强度测试结果波动幅度较大。论文解释了圣彼得砂岩试样的尺寸效应与其他岩土工程材料的尺寸效应具有显著不同。圣彼得砂岩的尺寸效应是两种因素的共同作用:试样内部原始裂隙和试样制取工艺的扰动。由于圣彼得砂岩的特殊性质,扰动对圣彼得砂岩强度的影响极大,其远远超过尺寸对强度的影响,尤其是较小尺寸的试样,这也解释了为什么较小砂岩试样的强度比较大砂岩试样的强度显著降低。基于理论分析、尺寸和扰动的影响、现场测试和实践考虑,针对矿山矿柱的实测而反演的砂岩试样的单轴抗压强度与实测等效宽度为51mm试样的单轴抗压强度最为接近,最终确定圣彼得砂岩强度实验尺寸为50mm。论文对圣彼得砂岩的形状效应进行分析,研究结果表明试样的高度与宽度之比不应过低,至少应该大于1。2)三轴压缩强度特征与破坏机制论文对圣彼得砂岩三轴抗压强度的测试研究从诸多方面做了先驱性的探索,并研究了圣彼得砂岩的众多特性。论文分析研究了圣彼得砂岩三轴压缩实验条件下的应力应变曲线。三轴压缩实验条件下获取的轴向应力应变曲线反映了试样的变形破坏过程,为分析岩石试样的性质提供了基础信息,从这个意义上讲,论文研究填补了圣彼得砂岩研究此方面的空白。论文研究所得应力应变曲线清晰地反映了围压对强度的影响:试样的强度随着围压的增加显著增加。通过应力应变曲线还能清晰地看到试样随着围压的增加,其材料特性也在由脆性向可延展性(韧性)转变。论文研究所获取的同组试样的应力应变曲线极为相似,表明试样的变形破坏过程也极为一致。实验结果的一致性也充分说明了测试结果的稳定性。例如对于1s组试样的两个样本1s-4和1s-5均在围压6.88mpa下测试,其破坏时的轴向应力分别为41.5mpa和42.1mpa,差别只有0.6mpa,仅为其平均强度的1.4%。由其应力应变曲线也可以发现这种一致性绝非偶然。论文研究和分析了圣彼得砂岩三轴压缩实验条件下试样的破坏模式。圣彼得砂岩三轴压缩实验条件下试样破坏模式与单轴压缩实验条件下破坏模式有着显著区别。对于单轴压缩实验,存在两种主要破坏模式,垂直劈裂和大角度剪裂,虽然存在着这两种主要破坏模式,但是是随机出现的,主要受到试样内部原始裂隙的影响。对于三轴压缩实验,破坏模式基本一致:均为金字塔状破坏。这种破坏形式的一致性表明三轴压缩实验条件下试样的破坏不再受试样内部原始裂隙的支配,而是由砂岩内在性质来确定。这也就意味着,与单轴压缩实验相比,三轴压缩实验条件下对砂岩的强度分析更能可靠的反映其强度特性。对砂岩破坏模式的分析发现其破坏面倾角范围为70?-80?,进一步验证了圣彼得砂岩的高内摩擦角。论文研究了圣彼得砂岩强度由颗粒结构所决定这一本质。6ar和1s的孔隙率分别为24.5%和30.5%,分别代表了圣彼得砂岩孔隙率的上限和下限,研究表明有着孔隙率下限的6ar组试样的强度远远高于有着孔隙率上限的1s组试样。在围压为6.87mpa的条件下,6ar组的强度(89mpa)是1s组强度(42mpa)的两倍之多。6ar组的内摩擦角范围为68?-73?,平均值为71?,1s组的内摩擦角范围为56?-69?,平均值为63?,可以看出,6ar组的内摩擦角值也高于1s组。由于不同颗粒结果对砂岩试样强度会产生显著影响,因此在实验前确定砂岩试样将有助于对实验结果更加科学的分析和认识。论文提出了强度增幅指数(indexofrateincreaseoftheaxialstressatfailure,ras)用以定量的表述围压对强度的影响。研究表明,圣彼得砂岩ras远远高于其他传统地质材料的ras。ras研究分析为解决岩层加固和矿柱设计问题提供了理论依据。3)圣彼得砂岩强度破坏准则以单轴压缩实验与三轴压缩实验数据为基础,深入研究了莫尔-库伦(mohr-coulomb)强度准则、格里菲斯(griffith)强度准则、胡克-布朗(hoek-brown)经验强度准则在各种应力状态下的形式。根据实测51mm圣彼得砂岩试样的单轴抗压强度为4.27mpa,确定由格里菲斯强度准则所计算的单轴抗拉强度为0.53-0.61mpa,考虑裂纹闭合条件下确定的单轴抗拉强度为0.61mpa。基于三轴压缩实验研究,保守的确定圣彼得砂岩试样的内摩擦角为63?。由此确定的斜直线型莫尔-库伦强度准则表达式为,st=2以极限主应力1s和3s来表示的斜直线型莫尔-库伦强度准则表达式为,31=17s随着围压的增加,圣彼得砂岩试样强度增长的速率明显降低,由斜直线型莫尔-库伦(mohr-coulomb)强度准则所确定的岩体强度在高围压条件下被过分的夸大。论文详细推导了双参数抛物型mohr强度准则的一系列公式。根据简单拉伸和压缩试验推导了该模型参数的公式,讨论了第一主应力和第三主应力之间的关系及破坏模式,由圣彼得砂岩的力学性质和实验参数确定了以极限主应力1s和3s来表示的抛物线型莫尔-库伦(mohr-coulomb)强度准则表达式为,3c312sssssc++=论文对狭义的hoek-brown强度准则和广义的hoek-brown强度准则分别进行了分析研究,并结合圣彼得砂岩三轴压缩实验实测数据进行了分析,分析表明,分别以1s组试样和6ar组试样测试结果对经验参数m和s进行拟合确定,相关性系数分别为0.995和0.927,这也就意味着,分别拟合情况下相关性较好,但是以两组数据的组合进行拟合确定平均值后,其相关性系数为0.316,相关性较差,并且从表中可以看出,两组试样的m值均超出了常规的范围,且相差极大,这也就是说采用平均后的经验参数并不能反映各自的强度特性。4)基于应力分布的矿柱强度评价由于圣彼得砂岩试样破坏过程中表现出了明显的脆性断裂向韧性断裂转变的过程,而这种过程伴随的主应力的关系往往是非线性的。因此,对圣彼得砂岩其强度准则考虑为抛物线型莫尔-库里强度准则或者胡克-布朗经验强度准则。由于胡克-布朗经验强度准则其参数对于圣彼得砂岩的力学性质特别敏感,采用平均后的经验参数并不能反映各自的强度特性,因此论文研究矿柱应力分布时采用抛物线型莫尔-库伦强度准则。通过对圣彼得砂岩试样三轴压缩实验测定,最终得到的抛物线型莫尔-库伦强度准则表达式为通过分析塑性区的极限平衡条件,得出了极限平衡区的宽度和应力分布形式,其中极限平衡区的宽度为垂直应力在塑性区内的分布形式为采用有效区域理论对矿柱载荷进行估算,根据Pattison矿山的实际参数,考虑安全系数为3情况下计算所得的矿柱宽度16m。根据设计,Pattison矿留设矿柱为16m,对矿柱和顶板配合锚杆和锚网,部分强度较高的矿柱进行喷浆后,达到了控制小范围的顶板冒落,矿柱片帮,以及矿柱的大幅度垮落的目的,同时,向美国美国矿山安全和健康管理局(MSHA)解释了解决顶板冒落,矿柱片帮等问题时,并不是单单通过增加矿柱尺寸已达到目的,在针对有些特殊性质材料时,如本论文研究的圣彼得砂岩内摩擦角较高的情况下,给予支护往往比增加矿柱尺寸更为有效。