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第 27 卷 第 1 期 岩石力学与工程学报 Vol.27 No.1 2008 年 1 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.,2008 收稿日期收稿日期2007–04–09;修回日期修回日期2007–05–31 基金项目基金项目国家自然科学基金重点项目50534030;教育部骨干教师资助项目 作者简介作者简介赵阳升1955–,男,博士,1982 年毕业于山西矿业学院工程力学专业,现任教授、博士生导师、长江学者,主要从事采矿工程与岩石力 学方面的教学与研究工作。E-maily-s-zhao 20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制 赵阳升 1,2,万志军1,张 渊1,曲 方1,谢广玉3,魏新杰3,马 伟4 1. 中国矿业大学 能源与安全工程学院,江苏 徐州 221008;2. 太原理工大学 采矿工艺研究所,山西 太原 030024; 3. 徐州压力机械股份有限公司,江苏 徐州 221003;4. 济南捷迈液压机电工程有限公司,山东 济南 250022 摘要摘要详细介绍自行研制的 20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机,该试验机主要由主机加载系统、高温压力 室与温控系统、辅机装料系统以及测试系统 4 个部分组成。最大轴压和侧压均为 10 000 kN,试样尺寸为φ 200 mm400 mm,试样最高加热稳定温度为 600 ℃。介绍试验机研制的关键技术难点和解决方案,与普通用于地球 物理研究的高温高压试验机相比,具有如下显著特点1 试样大,是普通的高温高压试验机试样体积的 64 倍, 可以更好地反映岩体的特性;2 实现伺服控制加载,可以方便地研究岩体在各种温度下的变形特性;3 具有研 究渗透性、矿物热解过程的变形特性等多种功能;4 具有在高温下施工钻孔并研究钻孔岩石蠕变特性的功能; 5 主要用于研究岩体的工程特性。采用该试验机进行煤试样在高温高压下的变形特性试验,揭示煤体在高温下 的应力–应变特征,特别是高温下塑性强化特性、在塑性阶段无体积膨胀特性,发现其弹性模量随温度的增加呈 指数衰减特性。该试验机可用于探索深部采矿、煤炭地下直接液化与气化、地热开采、矿山安全、建筑安全等工 程领域深刻的科学规律与自然现象,为能源与资源开发提供原创性的思路与研究方向。 关键词关键词岩石力学;高温高压;三轴试验机;伺服控制;研制 中图分类号中图分类号TU 45 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200801–0001–08 RESEARCH AND DEVELOPMENT OF 20 MN SERVO-CONTROLLED ROCK TRIAXIAL TESTING SYSTEM WITH HIGH TEMPERATURE AND HIGH PRESSURE ZHAO Yangsheng1 ,2,WAN Zhijun1,ZHANG Yuan1,QU Fang1,XIE Guangyu3,WEI Xinjie3,MA Wei4 1. School of Mining and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China; 2. Institute of Mining Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 3. Xuzhou Press Systems Co., Ltd.,Xuzhou,Jiangsu 221003,China;4. Jinan Jiemai Hydraulic Pressure Machine and Electricity Co.,Ltd.,Jinan, Shandong 250022,China AbstractA 20 MN servo-controlled rock triaxial testing system with high temperature and high pressure developed by the authors is introduced. The system is constituted with main loading sub-system,high temperature control sub-system,sample assembling sub-system,and measuring system. The maximum axial pressure and confining pressure are both 10 000 kN. The maximum sizes of tested cylinder sample can be set as large as φ 200 mm400 mm. The heating temperature can reach as high as 600 ℃. Some related key issues and corresponding solving s in the test system are also introduced. Compared with high temperature and high 2 岩石力学与工程学报 2008 年 pressure test machine of geophysics,the developed test system has some advantages as follows1 Larger size sample can be tested,and the volume of the largest sample is 64 times larger than ordinary one and some properties of rock mass can be discovered thoroughly. 2 The servo-controlled system can measure the deation of sample under different temperatures easily. 3 The thermo-physico-mechanical process of heated rock samples can be measured. 4 Drilling process in deep underground with high temperature can be simulated and investigated. 5 It can be used to study engineering characteristics of rock mass. Certain experimental investigations on coal samples with high temperature and high pressure in the system demonstrated that the plastic properties of the coal sample were enhanced and the Young′s modulus decreased with temperature. The relationship of the Young′s modulus with temperature is found with exponential rule. The testing system can be used to investigate certain scientific natures of deep mining process,direct liquefaction and gasification of coal, geothermal excavation,mine safety,construction safety,etc.. Key wordsrock mechanics;high temperature and high pressure;triaxial testing system;servo-controlled; research and development 1 引引 言言 岩石力学的发展始终是伴随着试验机的发展而 逐渐与材料力学独立,并发展、成长和成熟的。早 期,岩石力学的试验完全采用普通的材料试验机, 之后,刚性试验机原理的发现和刚性试验机的诞 生[1]、围压三轴试验机的研制[2 ,3]、真三轴试验机仪 的研制[4]、高温高压三轴试验机的研制[5 ~7]、大型真 三轴试验机的研制,以及随之进行的大量相关试验 研究,揭示了岩石、岩体的许多鲜为人知的特性, 大大推动了岩石力学学科的发展,成为对国民经济 中有重要影响的新兴学科。 随着人类对深部资源能源开发工程的迅速发 展,迫切需要了解深部岩体的特性[8 ,9],例如石 油钻井的深度已达到 8 000 m,高温岩体地热资源 开采深度在 5 000 m 以上,金属矿山开采深度达 3 000 m,煤炭地下气化与井下火灾温度达 1 000 ℃, 而国内外现有的高温高压试验机,尽管温度和压力 都很高,但试样尺寸φ 20 mm40 mm非常小,且 功能单一,仅可以进行变形特性和弹性波等地球物 理方面的研究,较难提供与人类工程活动相关的岩 体性态。为此,2001 年,在中国矿业大学“211 工 程”建设项目的支持下,作者所在课题组开始了 20 MN 伺服控制的高温高压岩体三轴试验机的研制, 旨在研制一台用于岩体工程建设研究的多功能的设 备,历时 5 a,攻克了许多技术难题,完成了计划拟 定的指标。本文拟较详细介绍该试验机的功能,同 时介绍该试验机研制的难题与解决方案,进而介绍 用该试验机研究的煤炭高温高压下的变形特性。 2 试验机的主要功能与主要技术参数试验机的主要功能与主要技术参数 2.1 主要功能主要功能 该试验机可用于探索深部采矿、煤炭地下直接 液化与气化、地热开采、煤层气开采、深部油气开 采、废料处置、矿山安全、建筑安全等极为广泛的 工程领域的深刻科学规律与自然现象,可为能源与 资源开发提供原创性的思路与研究方向[9]。主要研 究功能包括 1 研究高温高压或常温下,岩体变形特性、 强度特性、固流热耦合特性、流变特性、渗透特性、 热传导特性; 2 研究热与应力复合作用下,固体矿物煤、 油母页岩等相变、熔融以及传热传质、液化、气 化,化学反应等特性与规律; 3 研究高温高压下,岩体变形与钻机具的相 互作用与水力压裂规律等。 2.2 主要技术参数主要技术参数 1 轴压10 000 kN; 2 侧压10 000 kN; 3 试样最大轴压 318 MPa,最大侧向固体传 压 250 MPa假三轴围压,最大孔隙压力 250 MPa; 4 试样尺寸φ 200 mm400 mm; 5 钻机最大行程 450 mm,施加静压 200 kN, 回转扭矩 500 Nm; 第 27 卷 第 1 期 赵阳升,等. 20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制 3 6 试样最高加热稳定温度 600 ℃; 7 轴压和侧压保压时间为 360 h 以上,其波 动不大于0.3; 8 高温三轴压力室具有高精度的温度稳定控 制功能,温度控制灵敏度不大于0.3; 9 应力、变形、进出水口孔隙压力、温度、 钻机扭矩等参数全自动采集; 10 该试验机总体刚度不小于 91010 N/m。 3 试验机的构成与各部件的关键技术试验机的构成与各部件的关键技术 试验机主要由主机加载系统、高温三轴压力室 及温控系统、辅机装料系统以及测试系统 4 个部分 组成。主机加载系统是试验机的力源机构,高温三 轴压力室及温控系统是放置煤岩试样的机构,同 时产生设定的试样温度和应力环境;辅机装料系统 是专门用于高温三轴压力室内煤岩试样安装的设 备;测试系统则是用于试验过程中煤岩试样温度、 载荷、变形、渗透率及声发射等方面的测试。 3.1 主机加载系统主机加载系统 主机加载系统主要由如下 3 个部分构成 1 主机框架见图 1。采用四柱立式结构,加 压方式为“下顶式” ,即压头由下向上移动对试样加 压。为确保试验机的刚度,轴压和侧压压头全部采 用变径结构,即在进入压力室的压头部分轴压采用 直径为 200 mm 的压头,侧压采用内径为 210 mm, 外径为 300 mm 的环形压头,压力室之外,采用较 大直径的压头逐渐过渡,从而保证试验机整体刚度 不小于 91010 N/m,以达到刚性试验机要求。 图 1 20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机 Fig.1 20 MN servo-controlled rock triaxial testing system with high temperature and high pressure 2 液压系统,是主机动力的来源见图 2。采 用 3 台液压泵产生压力,泵站工作压力为 25 MPa。 为了达到伺服控制的目的,采用德国 MOGO 公司 生产的精密伺服阀,精密伺服控制产生轴压和侧压 的缸体动作。 图 2 主机液压系统 Fig.2 Hydraulic system of main servo-controlled unit 3 主控制台,主机动作的主要操作均在此完 成见图 3。采用计算机与控制台按钮控制相结合的 操作方式。其中,试验由电脑程序自动控制,而主 机压头的调试动作、托料缸动作等由按钮操作完成。 轴压与侧压各自独立加载,加载方式有恒载荷加 载、恒载荷速率加载、恒位移加载、恒位移速率加 载、锯齿波加载等。加载参数可根据需要任意设定。 图 3 主控制台 Fig.3 Main control panel 3.2 高温三轴压力室高温三轴压力室 高温三轴压力室是该试验机的核心部件,是产 生试验所需温压环境的重要机构见图 4,高温三轴 4 岩石力学与工程学报 2008 年 图 4 高温三轴压力室 Fig.4 High temperature triaxial compression chamber 压力室总体呈厚壁圆筒状,采用热塑模具钢H13 加工制作,该钢材相变温度为 800 ℃。采用内外 2 层筒体内外套缩套结构由过盈配合,经特殊工艺处 理嵌套在一起。这样方可保证筒体承受 250 MPa 的 高压而不致屈服破坏。筒体高度为 960 mm,外径 为 1 060 mm,内径为 300 mm。 高温三轴压力室内的加热、温度控制以及温度 量测由温控柜完成见图 5。 图 5 温控柜 Fig.5 Tank of temperature control 高温三轴压力室工作原理如图6 所示。煤岩试 样表面包裹电阻合金片,电阻片与煤岩试样上下 部的 H13 压头导通, 从温控柜流出的直流电流经电 阻合金片,电阻片发热加热煤岩试样及周围的盐 环叶腊石环,产生所需的温度环境。 为了减小热量的流失,在盐环叶腊石环与炉 体内壁之间铺设 0.5 mm 厚的金云母板,可以在一 定程度上阻止热量向筒体传递,同时保证盐环及电 阻片与筒体之间的绝缘。金云母板最高工作温度 图 6 高温三轴压力室工作原理图 Fig.6 Working schematic diagram of high temperature triaxial compression chamber 850 ℃。为了防止压力室筒体温度过高,安设有冷 却系统,即在筒体外圆周缠绕紫铜管,管内通循环 冷却水对筒体降温[10 ~13]。 主机加载系统的轴压头对下部H13轴压头施加 载荷,产生所需的试样轴向载荷;对围侧压头施 加载荷,载荷可以通过盐环叶腊石环传递加到试 样圆周,产生所需的围压。轴压和侧压由 2 个独立 的液压缸施加,可以根据需要随意设定。 3.3 温控加热系统温控加热系统 温控柜将 380 V 的三相动力电经变压和整流, 输出直流电对高温三轴压力室加热。采用低电压、 高电流加热方式,设计最大输出电压为 30 V,最大 输出电流 1 700 A,最大输出功率为 51 kW。 3.4 辅机装料系统辅机装料系统 辅机装料系统是专门用于安装煤岩试样的 设备见图 1。采用四柱立式结构,设计最大压力为 2 000 kN,泵站工作液压为 25 MPa。有 3 个液压缸 中心缸、侧压缸和下缸,分别用于施加轴压以稳定 和下压煤岩试样与压头复合体,施加侧压以压实 盐环叶腊石环,并托住和顶起试样与压头复合体。 3.5 测试系统测试系统 1 试样变形量测 试样变形可通过测量主机轴压头和侧压头的位 置来计算,量测仪器为长春精密光学仪器仪表厂生 产的光栅尺,量测精度为 0.005 mm。试样载荷测定 第 27 卷 第 1 期 赵阳升,等. 20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制 5 采用精密压力计测定液压缸上下腔内的液压,再利 用缸体有效直径换算成压头的压力。 2 试样温度测量 在靠近试样圆周的上、中、下部位各自约成 120 角布置 3 只热电偶,量测试样表面温度,为了 增加量测的准确度及可靠度,在试样中部再增加一 只热电偶,中部的 2 只热电偶呈对称布置。将热电 偶导线接入温控柜内的测温表,可量测各点的温度。 测温表的测试数据可通过通讯接口输入电脑,同时 实时显示温度值。通过 4 只测温表中设定的一只温 度值,温控柜自动调节输入电流来控制高温压力室 内的温度。 3 渗透率测量 测量仪器有充气工具、高压气瓶以及流量计 等。测试用的工作气体为普通氮气;流量计有皂膜 流量计和转子流量计,分别在气体流量小和流量大 时使用,也可以采用排水取气法测量排气量主要用 于煤试样产气量的量测。 4 声发射测试 采用沈阳计算机技术研究设计院生产的 AE– 04 四通道声发射检测系统。前放增益 40 dB,带宽 0.005~1 MHz,主放增益 9~60 dB,传感器灵敏度 不低于-60 dB,标配谐振频率 140 kHz。该系统功 能较强、处理参数多;具有线定位、区域定位及方 形定位等功能,可收集处理每个事件的 AE 参数 振铃计数、能量计数、事件持续时间及幅度等。 4 设备研制中的其他几个技术难点设备研制中的其他几个技术难点 4.1 加热元件加热元件 高温压力室内的高温环境需要适当的加热元件 和加热方式产生。根据有关研究,原设计采用炭纤 维带加热,试验后发现炭纤维带容易烧坏和拉断, 后又改用合金电阻片加热。电阻合金片具有如下优 点1 有一定延伸率和抗张拉能力;2 使用寿命 比较长;3 电阻率较大,加热功率大。 电阻合金片能够在试样不同部位产生较为均匀 的温度场分布,通过在试样适当部位加厚电阻片, 改变试样外部缠绕的电阻片的电阻分布,来改变电 阻片的发热功率分布,以达到产生均匀温度场的目 的。 采用的电阻合金片为 Ni80Cr20 镍铬合金,具有 变形性、热稳定性及机械强度好等特点,在热态时 有较好的抗震和抗氧化能力等优点。广泛应用于化 工、机械、冶金、国防等工业作电炉加热及热处理。 其主要技术参数为最高使用温度为 1 100 ℃,密 度为 7.9 g/cm3,电阻率为1.040.05 Ωmm2/m,熔 点为 1 390 ℃,抗拉强度为 637~784 MPa,延伸率 大于 20。 4.2 绝缘与密封绝缘与密封 设备研制与调试中,高温压力室上端与试验机 上压头之间、压力室下部轴压头与试验机轴压头之 间的绝缘与密封, 以及压力室内部试样之上 H13 压 头之间的绝缘或密封问题不仅关系到试验设备的安 全正常运行,也关系到试验结果的准确性与可靠性。 实际上,以上所说的间隙,除了绝缘或密封外, 还要求密封和绝缘材料同时具有良好的耐压耐高温 性能。 高温压力室与其下的小车平面之间垫上一层耐 高温绝缘板,高温压力室上端与试验机上压头之间 垫上一层石棉垫或云母板,同时在主机上压头通气 水的孔口外圆位置均匀抹上一层耐高温绝缘胶, 可同时起到密封和绝缘作用。 高温压力室下部轴压头与主机轴压头之间要求 密封,防止通过的 N2泄漏。在主机轴压头表面加工 有一个密封槽,放入紫铜垫,能产生良好的密封效 果。 同样, 在压力室内部试样上面两个 H13 压头之 间的密封也用密封槽加紫铜垫进行密封。 5 高温高压下煤体变形特性试验研究高温高压下煤体变形特性试验研究 5.1 试验方法试验方法 该试验机 2006 年初投入试运行,先后进行了煤 试样的热解、变形、渗透试验,细砂岩、花岗岩的 高温变形特性试验和热破裂特性和渗透试验,发现 了一些过去从未见过的试验现象。由于高温高压试 验不同于常规试验,试样安装和试验过程还有许多 需要注意的问题。试样的安装在辅机装料系统完 成,试样、氯化钠及叶腊石粉等的安装结构如图6 所 示。 1 先将试样与压头复合体放置在高温三轴压 力室内,试样外表包裹 0.1 mm 厚的紫铜皮和 0.25 mm 厚的云母板,然后缠绕电阻合金片,再包裹 6 岩石力学与工程学报 2008 年 1~2 层云母板,确保电阻合金片与紫铜皮和盐环 之间绝缘。 2 操作控制台施加少许轴压压住试样与压头 复合体,开始压入叶腊石粉,到一定高度后压入食 盐,最后再压入叶腊石粉,食盐和叶腊石粉要分别 经过烘箱高温烘烤,保证干燥,其中食盐经 120 ℃ 烘烤 4 h,叶腊石粉经 300 ℃烘烤 24 h。 3 压入食盐和叶腊石粉的过程中把热电偶安 放到设计位置,最后加盖压头封闭高温三轴压力 室,引出热电偶导线。安装过程中要注意热电偶与 炉体之间的绝缘、最后加盖的压头与炉体之间的绝 缘,以保证试样与压头复合体的最上部与最下部 之间的良好接触。压头应高出压力室上平面约 20 mm。 4 试样安装完成后,将高温三轴压力室推到 主机,用固定销限位。托料缸上升,将高温三轴压 力室上部与主机上压头接触,要保证压力室上压头 与主机上压头之间的良好绝缘和密封;交替上升主 机轴压头和侧压头,直至与高温三轴压力室的下部 轴压头和侧压头分别接触,接触面应清洁,保证导 电良好,同时主机轴压头密封槽加紫铜环保证良好 的密封。把加热用的铜导线接入温控柜正负极各 4 根,把热电偶引线接入温控柜内的测温表。 5 启动电脑加载程序,设定加载图谱和目标 载荷以及加载速率等参数,开始加载并记录试验数 据。 6 启动温控柜,采用手动或自动方式加热, 加热电流要小幅逐级增加。 5.2 试验试样及试验步骤试验试样及试验步骤 1 试验煤试样 试验煤试样采自兖州矿区兴隆庄煤矿 3 煤层, 煤种为气煤,从采深 500 m 的采煤工作面截取大块 煤试样。先经过专用石材加工机加工成圆柱形毛 坯,再采用研磨精加工,达到试验规程要求。成 品规格尺寸φ 200 mm400 mm。煤试样整体性良 好,可见明显的裂隙,由于试样尺寸大,易样出现缺 角或坑洼,可用叶腊石粉加水玻璃调和补齐见图7。 2 试验步骤 ① 量测试样尺寸,对试样裂纹分布特点进行 素描。然后在辅机装料系统按操作规程安装试样。 ② 试样安装完成后,在常温和固定围压条件 下,对试样进行图谱加载固定侧压加轴压试验, 图 7 试验用煤试样 Fig.7 Coal samples for experiment 测定弹性模量和泊松比,轴向载荷增量 300~400 kN。 ③ 保持设定的轴压和侧压, 采用手动控制方式 对试样加温,加温速率为 10 ℃/h 左右。 ④ 当达到设定温度50 ℃,100 ℃,150 ℃, 200 ℃,⋯,600 ℃时,试样保温,进行图谱加载 试验,轴向载荷增量值同步骤②,可测定不同温度 下的弹性模量和泊松比。 ⑤ 当所有试验全部完成后,在当时的温度条件 下进行全曲线试验。 5.3 高温下煤试样变形与破坏特征高温下煤试样变形与破坏特征[14 ,,15] 图8给出了600 ℃时的煤试样应力–应变曲线 σa 15 MPa,当轴向应力在 52 MPa 之前的一段, 轴向和体积应变均线性增加,表现为较好的线弹性。 当轴向应力超过 52 MPa 时,煤试样变形进入塑性 强化阶段,尽管随着轴向与侧向变形增加,轴压在 增加,但其抗变形能力则显著降低,与弹性阶段相 比,其应力–应变的斜率大大减小。加载到 120 MPa 时,其抵抗变形的能力仍未丧失,图 9 为煤试样破 坏后的形态。煤试样轴向被严重压缩,煤试样轴向 长度由试验前的 400 mm 压缩到只有 280 mm 左右。 此时试样轴向变形达到 3/10,这是其他岩石所没有 的特性。由此可见,在高温条件下,煤试样不仅塑 性增强,而且由于高温作用,其颗粒在压力和高温 作用下,表现出很强的重新结晶能力。 由图 8 可见,在整个加载过程,煤试样的体积 应变始终为正值,即一直处于体积收缩状态,尽管 其变形量达到了 3/10,对于一般岩石,早已出现剧 第 27 卷 第 1 期 赵阳升,等. 20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制 7 图 8 600 ℃时的煤试样轴向应力–应变曲线σa 15 MPa Fig.8 Axial stress-strain curves of coal samples at 600 ℃ σa 15 MPa 图 9 煤试样破坏后的形态 Fig.9 Coal sample′s shape after failure 烈的体积膨胀,如 W. F. Brace 等[16]报道的花岗岩试 验以及 Z. T. Bieniawski[17]所报道的石英岩。而煤试 样在 600 ℃的高温期间, 表现出轴向急剧压缩而侧 向膨胀不明显的特点,因而体积一直减小,这与常 温下岩石的变形特性有质的区别。 5.4 高温及三轴应力下煤试样弹性模量变化高温及三轴应力下煤试样弹性模量变化 图 10 给出了不同温度下煤试样的弹性模量变 化情况。 低温时,在 15 MPa 围压作用下,煤试样弹性 模量较大,如 50 ℃时为 14.35 GPa;但随着温度的 升高,弹性模量急剧下降。整个变化过程规律性很 强,对变化曲线进行拟合,其相关系数很高,达到 0.94 288。拟合公式为 c 19.601 09exp1.549 64 199.235 49 T E ⎛⎞ −− ⎜⎟ ⎝⎠ 1 图 10 不同温度下煤试样的弹性模量 Fig.10 Elastic moduli of coal samples under various temperatures 由此可见,煤试样弹性模量随温度升高而下 降,且服从负指数函数分布。 6 结结 论论 本文详细介绍了自行研制的20 MN伺服控制 高温高压岩体三轴试验机的性能和研制的技术创新 点,该试验机与普通用于地球物理研究的高温高压 试验机相比,有如下显著特点1 试样大,直径为 200 mm,高度为400 mm,而普通的高温高压试验 机的试样直径为50 mm,高度为100 mm,二者体积 相差64倍,因而可以更好地反映岩体的特性;2 实 现了伺服控制加载,可以方便地研究岩体在各种温 度下的变形特性;3 具有研究渗透性、矿物热解 过程的变形特性等多种功能;4 具有在高温下施 工钻孔并研究钻孔的蠕变特性的功能;5 主要用 于研究岩体的工程特性。 本文还介绍了用该试验机所进行的煤试样在高 温高压下的变形特性试验,试验揭示了煤试样在高 温下的应力–应变特征,特别是高温下塑性强化特 性,在塑性阶段无体积膨胀特性,弹性模量随温度 的增加呈负指数衰减。 参考文献参考文献References [1] VUTUKURI V S,LAMA R D,SALUJIA S S. Handbook on mechanics properties of rocksVol.1[M]. [S. l.][s. n.],1974. 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