某礦巖石力學(xué)特性及力學(xué)參數(shù)相關(guān)性研究

曹 輝，楊小聰，解聯(lián)庫，郭利杰

(北京礦冶研究總院，北京 100044)

目前，國內(nèi)外大部分礦山面臨淺地表資源的減少或枯竭問題，許多礦山正逐漸轉(zhuǎn)向深部礦床的開采。隨著開采深度的增加，地壓活動加劇，巖石力學(xué)問題也越來越突出。特別是當開采深度超過千米時，僅重力引起的地應(yīng)力就已接近或超過巖體的單軸抗壓強度，即使是極其穩(wěn)固的巖體，開挖引起的暴露面使巖石從三維受載狀態(tài)轉(zhuǎn)入二維甚至一維受載狀態(tài)時，也極易出現(xiàn)巷道或礦柱周邊巖體的失穩(wěn)破壞情況[1-2]。因此，對礦區(qū)巖石的力學(xué)特性開展研究工作，研究其在單向、三向受力狀態(tài)下的強度特征，有著非常重要的意義，并能為巖體穩(wěn)定性分析、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、數(shù)值計算等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

1 地層巖性及巖石取樣

礦山為砂巖銅礦，已開采至地下800m，即將進入千米深部開采。該礦床產(chǎn)出于白堊系上統(tǒng)馬頭山組六苴下亞段的灰～灰綠的中、細長石、石英砂巖中。礦體附近圍巖主要情況：下部為普昌河組泥巖，上部為中亞段砂泥巖互層、上亞段粉砂巖。試驗所用巖樣為普昌河組泥巖、下亞段紫色砂巖、中亞段淺色砂巖、上亞段粉砂巖，均取自地下800m巷道內(nèi)鉆孔巖心。所取巖樣完整、均質(zhì)，并按照巖石力學(xué)試驗規(guī)范要求，加工成直徑Φ=50mm、高H=100mm、高徑比為2∶1的規(guī)整圓柱形試樣[3-4]。

2 巖石物理力學(xué)參數(shù)特性研究

2.1 巖石物理性質(zhì)試驗

試驗包括含水率試驗、吸水性試驗、密度試驗，其主要目的是研究礦區(qū)巖樣的物理性質(zhì)及其基本參數(shù)。含水率試驗采用烘干法；飽和吸水率采用真空抽氣法測定；試驗所測得的巖石物理性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 巖石物理性質(zhì)參數(shù)

分析表中試驗數(shù)據(jù)可知，各類巖樣的密度值相當，在2.645～2.858g/cm3之間。其中，淺灰色砂巖和紫色砂巖的密度及含水率相對粉砂巖和泥巖數(shù)值較小，相應(yīng)的飽和密度及吸水率也較小，難吸水；粉砂巖和泥巖的飽和密度、吸水率較大，易吸水。

2.2 巖石的力學(xué)性質(zhì)試驗

巖石的力學(xué)性質(zhì)主要包括巖石的強度、變形特征及巖石的摩擦性質(zhì)等。通過室內(nèi)力學(xué)試驗，可以得到巖石的抗壓強度、彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角等主要力學(xué)參數(shù)[5-6]，為礦山深部巖石工程提供基礎(chǔ)資料。

2.2.1 單軸壓縮試驗

為考慮水對巖石強度的影響，對不同巖性的巖塊進行了干燥、飽和兩種狀態(tài)下的單軸壓縮試驗，試驗在TAW-2000微機控制電液伺服試驗機上進行。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，整理得出巖石的強度參數(shù)如表2。

表2 巖石單軸壓縮試驗結(jié)果

通過單軸壓縮試驗結(jié)果可以看出，巖石的強度隨含水率的增高而降低，其主要原因是水從試件表面裂隙進入巖石內(nèi)部，潤濕了巖石全部自由面上的每個礦物顆粒。水分子的加入，改變了巖石的物理狀態(tài)，削弱了顆粒間的聯(lián)系，降低了巖石的粘聚力和摩擦角，使得巖石抗壓強度降低[7]。含水率對粉砂巖和泥巖強度的影響要高于對砂巖的影響，這主要是由于泥巖和粉砂巖中含有較多泥質(zhì)成分，遇水易軟化，從而較大幅度地降低了巖石抗壓強度。根據(jù)巖石物理性質(zhì)及單軸試驗結(jié)果，淺灰色砂巖與紫色砂巖物理力學(xué)性質(zhì)非常相似，可歸為同類砂巖巖體。

2.2.2 三軸壓縮試驗

由于地殼中的巖石絕大多數(shù)處于三向應(yīng)力狀態(tài)，對巖石進行不同圍壓條件下的三軸壓縮試驗研究更能反映實際情況。試驗測得的三軸抗壓強度，可以確定莫爾包絡(luò)線和巖石抗剪強度參數(shù)c、φ值等，為礦山工程提供參考和借鑒。具體試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

依三軸試驗結(jié)果，砂巖黏聚力最高，泥巖次之，粉砂巖最低；內(nèi)摩擦角砂巖最高，粉砂巖和泥巖接近。從表3可以看出：粉砂巖、砂巖、泥巖在不同圍壓條件下的抗壓強度，均隨圍壓的增大而明顯增大。但巖石彈性模量受圍壓變化影響較小，不同圍壓等級下同種巖石的彈性模量變化不大，不存在因孔隙閉合而使巖石彈性模量測試值增大的現(xiàn)象。說明三種巖性的巖石致密、少孔隙[8]。

3 巖石強度和彈性模量的關(guān)系

巖石抗壓強度和彈性模量是巖石的兩個重要力學(xué)參數(shù)，也是巖體穩(wěn)定性分析及采場結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為分析二者之間的關(guān)系，將試驗所測巖石抗壓強度、彈性模量作為自變量和因變量，運用線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、多項式函數(shù)、乘冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)五種擬合方法，得到兩個參數(shù)間的擬合公式，并結(jié)合相關(guān)性系數(shù)，分析其內(nèi)在聯(lián)系[9-10]。

表3 巖石三軸壓縮試驗結(jié)果

3.1 單軸抗壓強度與彈性模量的關(guān)系

對4種巖樣分干燥、飽和兩種情況進行單軸壓縮試驗。根據(jù)抗壓強度(R)和彈性模量(E)的試驗數(shù)據(jù)，擬合二者之間的關(guān)系，分別得到擬合公式(表4、表5)及擬合曲線(圖1)。

表4 干燥巖樣單軸壓縮試驗R-E擬合公式

表5 飽和巖樣單軸壓縮試驗R-E擬合公式

圖1 單軸壓縮試驗R-E關(guān)系曲線

4.2 三軸抗壓強度與彈性模量的關(guān)系

根據(jù)粉砂巖、砂巖和泥巖試樣在不同圍壓條件下測得的自然狀態(tài)下三軸抗壓強度(R)和彈性模量(E)試驗數(shù)據(jù)，擬合二者之間的關(guān)系，分別得到擬合公式(表6)及擬合曲線(圖2)。

表6 三軸壓縮試驗R-E擬合公式

圖2 巖石干燥狀態(tài)下三軸R-E關(guān)系曲線

4.3 擬合結(jié)果分析

分析上述擬合結(jié)果可以看出：在巖石單軸和三軸壓縮試驗中，抗壓強度與彈性模量具有良好的相關(guān)性，且利用二次三項式擬合出來的結(jié)果最好?？箟簭姸扰c彈性模量之間的最優(yōu)擬合關(guān)系式為：

(1)

(2)

(3)

其中，公式(1)、(2)為巖石在干燥與飽和狀態(tài)下，單軸抗壓強度與彈性模量關(guān)系式，其二次項系數(shù)為負；公式(3)為巖石三軸抗壓強度與彈性模量的關(guān)系式，二次項系數(shù)為正且在數(shù)值上遠大于前兩式二項式系數(shù)。由圖1、圖2可以看出，巖石的單軸抗壓強度和三軸抗壓強度均隨彈性模量的增大而增大，圖2曲線增量變化率高于圖1曲線，彈性模量對巖石三軸抗壓強度的影響較大。從圖1曲線還可以看出，巖石的單軸抗壓強度和彈性模量均隨含水率的增加而降低。試驗數(shù)據(jù)和結(jié)論，可用于礦區(qū)巖體穩(wěn)定性分析、數(shù)值計算及優(yōu)化設(shè)計。得出的經(jīng)驗關(guān)系式對于沒有試驗資料或在試驗資料不完備的情況下，具有一定的參考價值。

4 結(jié) 論

(1) 礦區(qū)巖石的密度相當，在2.64～2.74g/cm3之間；各類巖石的含水率和吸水率較低，在0.028%～0.285%之間，其中砂巖的密度、含水率、吸水率均低于泥巖和粉砂巖。

(2) 巖石的單軸抗壓強度均隨含水率的增高而降低，巖石軟化系數(shù)呈現(xiàn)出砂巖>粉砂巖>泥巖的規(guī)律。當開挖工程在含水量較高的粉砂巖、泥巖中進行時，應(yīng)加強圍巖支護和巖層疏水。

(3) 巖石三軸抗壓強度隨圍壓的增大而增高，彈性模量隨圍壓變化不大，不存在因孔隙閉合而使巖石彈性模量測試值增大的現(xiàn)象，表明巖石致密、少孔隙。

(4) 巖石單軸抗壓強度、三軸抗壓強度與彈性模量具有良好相關(guān)性，抗壓強度隨彈性模量的增大而增大，彈性模量的變化對巖石三軸抗壓強度的影響高于巖石單軸抗壓強度。擬合得到的R-E關(guān)系式，能為試驗數(shù)據(jù)不全的情況下提供參考和依據(jù)。

[1] 劉寶琛.礦山巖體力學(xué)概論[M]. 長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社, 1982：44-46。

[2] 唐春安.簡談未來礦山巖石力學(xué)研究方向[J].世界礦業(yè)快報，1997, 13(7):3-4。

[3] GB/T50123299. 中華人民共和國標準—工程巖體試驗方法標準[S].

[4] SL26422001. 中華人民共和國行業(yè)標準—水利水電工程巖石試驗規(guī)程[S].

[5] 姜永東, 鮮學(xué)褔, 許江, 熊德國. 砂巖單軸三軸壓縮試驗研究[J].中國礦業(yè), 2004, 13(4)：66-69.

[6] 郭中華,朱珍德,楊志祥,周云東.巖石強度特性的單軸壓縮試驗研究[J].河海大學(xué)學(xué)報, 2002, 30(2):93-96.

[7] 尤明慶. 巖石試樣的楊氏模量與圍壓的關(guān)系[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2003, 22(1)：53-60.

[8] 尤明慶.圍壓對楊氏模量的影響與裂隙摩擦的關(guān)系[J].巖土力學(xué), 2003(24)：167-170.

[9] 劉素梅, 徐禮華, 李彥強. 丹江口水庫巖石物理力學(xué)性能試驗研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報, 2007, 24(4):54-58.

[10] 余賢斌, 周昌達.幾個礦山礦巖力學(xué)試驗數(shù)據(jù)的分析[J].云南冶金, 1990(6): 12-16.