基于單軸加卸載試驗的千枚巖巖爆傾向性研究

李 淼，崔 明

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

基于單軸加卸載試驗的千枚巖巖爆傾向性研究

李 淼1，2，崔 明1，2

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

為研究具有層理結(jié)構(gòu)巖石的巖爆傾向性，以西鞍山鐵礦地區(qū)的層理千枚巖為研究對象，現(xiàn)場取樣并加工為標準試樣，使用剛性壓力機進行單軸加卸載壓縮試驗。對試驗結(jié)果進行分析，揭示了西鞍山鐵礦地區(qū)千枚巖的破壞特征，在室內(nèi)巖石力學試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合線彈性能判據(jù)(PES)及彈性能量指數(shù)(WET)對不同層理角度下的巖石巖爆傾向性定量分析。結(jié)果表明：千枚巖強度在加載方向與層理夾角為0°、90°時最高，30°、45°時較低，60°最低，總體呈現(xiàn)出U型變化規(guī)律；千枚巖的彈性模量隨夾角的增大逐漸增大：PES、WET指標均顯示，千枚巖的巖爆傾向性呈0°最大，90°次之，60°最小的類U型變化趨勢。研究結(jié)果為在層理巖石內(nèi)開拓巷道、確定巷道走向及進行巷道支護等方面提供了有益參考。

巖石力學；千枚巖；彈性能判據(jù)；彈性能量指數(shù)；巖爆預測；橫觀各向同性

受層理面影響，千枚巖的力學性質(zhì)、強度特征等均表現(xiàn)出明顯的各向異性。國內(nèi)外學者對巖石的各向異性強度特征進行了大量研究。Jaeger等[1]對含層理巖石的各向異性特性進行了試驗和理論分析，基于單弱面理論建立了層理巖石的破壞準則。Niandou等[2]研究了法國Tournemire地區(qū)頁巖三軸壓縮下的各向異性，研究了層理角度及圍壓對層理巖石破裂模式的影響。劉勝利等[4]對綠泥石片巖進行單軸壓縮及巴西劈裂拉伸試驗，并對不同層理角度下巖石的破裂模式進行了討論。劉運思等[5]通過不同層理方向板巖的巴西劈裂試驗，基于Hoek-Brown破壞準則推導了橫觀各向同性巖石的破壞準則。

國內(nèi)外對層理巖石的巖石強度和破裂模式研究較多，但對層理巖石巖爆傾向性的各向異性研究較少。巖石工程中，巖爆嚴重威脅著施工人員的安全，可能造成巨大的經(jīng)濟損失。巖爆是巖石工程中圍巖體的突然破壞，并伴隨著巖體中應變能的突然釋放，是一種巖石破裂過程失穩(wěn)現(xiàn)象[6]。西鞍山鐵礦上盤為千枚巖，下盤局部千枚巖，賦存深度最深可達1000m以上。深部開采在高地應力、高地溫和強烈的開采擾動環(huán)境中，脆性巖體在深部高應力條件下易于產(chǎn)生巖爆[7]。

基于室內(nèi)實驗單軸壓縮、常規(guī)三軸加卸載、真三軸加載巖爆實驗的研究已經(jīng)廣泛開展。Kwasniewski M[8]提出了基于巖石單軸加卸載試驗的彈性能判據(jù)(PES)及彈性能量指數(shù)(WET)指標。S.H.Cho等[9]提出了根據(jù)單軸加卸載實驗的應力應變曲線預測巖爆發(fā)生的可行性。谷明成等[10]通過進行常規(guī)三軸加卸載實驗，通過試驗分析指出了不同應力狀態(tài)下巖石破壞形式與巖爆的對應關(guān)系。

本文以西鞍山鐵礦礦區(qū)深部千枚巖為研究對象，基于單軸加卸載試驗，力圖揭示礦區(qū)千枚巖的破壞強度及變形特征，并對不同層理角度下千枚巖的巖爆傾向性進行初判，結(jié)合線彈性能(PES)及彈性能量指數(shù)(WET)判據(jù)，獲取不同節(jié)理角度下千枚巖的巖爆傾向性。

1 試驗準備

1.1 試樣制備

試驗所用巖芯取自西鞍山礦區(qū)露頭千枚巖。該地區(qū)千枚巖層理面較為發(fā)育，層間黏結(jié)力小容易因風化而開裂。選取受開采擾動相對較小的千枚巖，采集原始尺寸遠大于200 mm×200 mm×200 mm 的巖塊。

鉆取巖芯時與層理面的夾角為0°、30°、45°、60°和90°。加工成標準試樣Φ50 mm×100 mm，長度誤差±0.5 mm，端面平行度±0.02 mm。每組層理角度3個試樣。

圖1 層理巖石加載示意圖

1.2 試驗設(shè)備和方案

本次試驗是GAW-2000型微機控制電液伺服剛性壓力試驗機上進行。首先結(jié)合非循環(huán)加卸載試驗成果，在加載初期均采用負荷控制模式進行加卸載試驗，加載速度500 N/s，加載到峰值應力前卸載軸向負荷到0，卸載速度也500 N/s。當荷載強度接近峰值強度時，轉(zhuǎn)換加載模式為變形控制，加卸載速率均為0.015 mm/min。加卸載過程中監(jiān)測巖樣的軸向應力、軸向應變。

2 試驗結(jié)果及分析

試驗獲得的15塊層理巖石試樣的單軸循環(huán)加卸載試驗結(jié)果見表1。剔除試驗失敗試樣，各組層理角度下的巖石試樣表現(xiàn)出較高的一致性。采用試樣參數(shù)的平均值研究其規(guī)律變化具有科學性。

選取典型加卸載曲線分析應力應變曲線變化規(guī)律。由圖2可知，不同層理角度下千枚巖的加卸載曲線相似，可分為四個階段。①孔隙裂隙壓密階段：應力水平約為峰值強度的0～20%，該階段的應力應變曲線呈上凹型。②彈性變形至微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段：應力隨應變變化近似呈線性變化，該階段巖石試樣內(nèi)部幾乎不產(chǎn)生不可逆破裂，能量得以在試樣內(nèi)部聚集。③非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段：微裂紋逐漸連接增長，破裂不斷發(fā)展，直至破壞。④破裂后階段：裂隙快速發(fā)展直至形成宏觀斷裂面，試件承載力迅速降低。

不同層理角度下，千枚巖的加卸載曲線不同。不同層理角度下，千枚巖進入孔隙裂隙壓密階段的強度不同，由圖2可知：巖石的壓密階段隨加載方向與層理夾角的增大而變??；不同層理角度，千枚巖的彈性模量、抗壓強度不同。

圖2 不同層理角度下典型加卸載曲線

不同層理角度千枚巖單軸壓縮強度和力學參數(shù)結(jié)果的平均值見表1。

表1 不同層理角度千枚巖單軸試驗力學性質(zhì)

2.1 壓縮強度的各向異性

Jeager[1]基于Mohr-Coulomb強度準則，建立單組節(jié)理巖石的破壞模型。模型與單節(jié)理巖石的破壞強度特性符合較好。節(jié)理巖石的破壞模式和強度隨著加載方向與節(jié)理面間的角度變化而變化。

由表1得單軸抗壓強度隨層理角度變化規(guī)律見圖3。由圖3可知：千枚巖單軸壓縮試驗時，在層理角度為0～60°時，抗壓強度逐漸降低；60～90°時，抗壓強度逐漸升高，層理角度為60°時抗壓強度最低?？箟簭姸入S層理角度的變化曲線近似呈U型。由圖可知，千枚巖的抗壓強度與層理角度有關(guān)，表現(xiàn)為各向異性。在此定義抗壓強度的各向異性程度(Rc)表達為式(1)。

(1)

式中：Rc為強度各向異性度；σcmax和σcmin分別為壓縮強度的最大值和最小值。對該千枚巖，Rc=2.185，為中等程度各向異性。

圖3 巖石抗壓強度各向異性

2.2 彈性模量的各向異性

由于在試驗中未監(jiān)測巖石的橫向應變，本文僅考慮巖石的彈性模量隨層理角度的變化規(guī)律。

由表1可知，西鞍山鐵礦地區(qū)千枚巖彈性模量隨層理角度的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。這表明，控制層理巖石剛度的主要因素為層理角度。層理與加載方向平行時，由于層理彈性模量較低，在加載中層理間隙將主要控制巖石的彈性模量；隨著加載方向與層理夾角的增大，控制巖石彈性模量的主要因素由層理之間間隙逐步變化為巖石本身的彈性模量，由于巖石本身彈性模量較大，巖石彈性模量也變大。

表1顯示，千枚巖卸載彈性模量隨層理角度的增大而增大。然而，巖石的加載及卸載彈性模量之差，隨層理角度的增大而減小。這表明，隨層理角度的增大巖石所產(chǎn)生的不可逆變在減小。

3 千枚巖巖爆傾向性

3.1 基于WET的巖爆傾向性判斷

在巖石的加載過程中，巖石中存儲的彈性應變能越多，巖石的不可恢復變形耗散能越小，巖石的沖擊傾向性越大。定義彈性變形能與永久變形耗散能之比為彈性能量指數(shù)(WET)，用來表示巖石沖擊傾向性，見圖4。對不同層理角度的巖石進行單軸壓縮試驗，確定不同層理角度下試件的單軸抗壓強度。根據(jù)獲得的不同層理角度下的單軸抗壓強度，進行單軸壓縮加卸載試驗，卸載強度為該層理角度下單軸抗壓強度的80%。根據(jù)獲得的不同層理角度下千枚巖的加載-卸載曲線，得到彈性能量指數(shù)WET，即巖體中的彈性能φsp與耗散能φst之比值。WET值越大，表明巖石的沖擊傾向性越大，其數(shù)學表達式見式(2)～(5)。

(2)

(3)

(4)

(5)

Kwasniewski的研究表明，巖石的巖爆傾向性隨WET的增大而增強。WET與巖石的巖爆傾向性的劃分標準如下：①WET<2.0，無巖爆產(chǎn)生；②2.0≤WET<5.0，產(chǎn)生中等程度巖爆；③WET≥5.0，產(chǎn)生高強度巖爆。

根據(jù)式(2)～(5)，分別計算巖樣在各個層理角度下的彈性能量指數(shù)，計算結(jié)果見表2。

圖4 彈性能量指數(shù)示意圖

表2 不同層理角度千枚巖巖爆傾向性判斷指標

層理角度/°WETPES(kJ/m3)025710344302254495451891824601561315902394958

表2內(nèi)數(shù)據(jù)表明，千枚巖的巖爆傾向性隨層理角度的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。層理角度為0°、90°時WET數(shù)值較大，巖爆傾向性相對較大；層理角度為30°、45°、60°時WET數(shù)值較小，巖爆傾向性較小，WET數(shù)值在層理角度為60°時達到最小值，表明此層理角度下巖爆傾向性最低。

3.2 基于PES的巖爆傾向判斷

巖爆的產(chǎn)生一般需要以下條件：在巖體周圍有產(chǎn)生巖爆所需的能量條件[11]；巖體能儲備比較高的能量。本文使用表征巖爆傾向性大小的線彈性能量指數(shù)(PES)來預測千枚巖的巖爆傾向性[12]，如圖5所示。在單軸壓縮條件下，巖石達到峰值強度以前所貯存的彈性能PES計算見式(6)。

(6)

式中：σc為巖石單軸抗壓強度；Es為巖石卸載切線模量。

Kwasniewski[8]認為巖石的巖爆傾向性與PES關(guān)系如下：①PES≤50 kJ/m3時，巖爆傾向性很低；②50200 kJ/m3時，巖爆傾向性水平非常高。

由式(6)計算各個層理角度下巖石貯存的彈性能，見表2。

線彈性能判據(jù)(PES)及彈性能量指數(shù)(WET)均表明，千枚巖巖爆傾向性與層理角度具有相關(guān)性。如圖6所示，兩種指標對比表明：千枚巖的層理角度在0～60°變化時，巖爆傾向性時逐漸減弱；千枚巖的層理角度由0～90°變化時，巖爆傾向性逐漸增強；層理角度為0°時，千枚巖巖爆傾向性最高，層理角度為60°時，千枚巖巖爆傾向性最低，90°時又小幅增強。

圖5 千枚巖貯存彈性能(PES)示意圖

圖6 不同層理角度下巖爆傾向性指標對比

層理角度在0～60°范圍內(nèi)變化時，隨層理角度增大，作為控制巖石的強度因素逐漸增強，在層理角度為60°時巖石強度為層理所控制，巖石內(nèi)貯存的可恢復彈性能最?。粚永斫嵌葹?0°時，又為巖石本身強度所控制。部分研究工作者認為層理巖石沒有巖爆傾向性，且層理巖石不適合進行巖爆傾向性判斷。筆者認為，作為判斷巖石巖爆傾向性判據(jù)的判斷指標WET、PES，其應用并不局限于特定的巖石類型，僅與應力應變關(guān)系有關(guān)。根據(jù)應力應變曲線特征衍生的WET、PES指標仍然能夠作為判斷巖石巖爆傾向性的判據(jù)。

4 結(jié) 論

層理巖石的巖爆傾向性，作為一個科研課題一直受到科研工作人員的忽視。本文通過對西鞍山地區(qū)含有天然層理的巖石進行單軸加卸載試驗。運用彈性能量指數(shù)(WET)、線彈性能判據(jù)(PES)對層理巖石的巖爆傾向性進行了分析研究。

1)千枚巖的巖石強度指標具有各向異性，其分布規(guī)律符合U型分布，單軸抗壓強度在層理角度為60°時，達到最小值。

2)隨層理角度的增加，千枚巖彈性模量、卸載彈性模量逐漸增大，增長速度逐漸減小。

3)千枚巖的巖爆傾向性具有各向異性，層理角度由0°到60°巖石的巖爆傾向性逐漸降低，層理角度由60°到90°時巖石巖爆傾向性逐漸升高。

層理巖石在深部賦存環(huán)境中，是否具有巖爆傾向性仍然有待現(xiàn)場的觀測進行驗證。

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Research into the rockburst of phyllite based on the uniaxial loading and unloading tests

LI Miao1，2，CUI Ming1，2

(1.School of Civil and Enviromental Engineering, University of Science & Technology Beijing，Beijing 100083，China； 2.Ministry of Education Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，University of Science & Technology Beijing，Beijing 100083，China)

To get the rockburst characteristics of layered rock during the loading and unloading process，phyllite in Xianshan iron mine was taken out and made into standard rock samples，uniaxial compression tests were carried out by using rock mechanical experimental rig.The experiment results indicate the failure characteristic and strength of anisotropic of the layered rock.Then，based on the results of laboratory tests in rock mechanics and field investigation，the rockburst tendency of rock samples with different layered angles are determined according to the potential energy of elastic strain (PES) and linear elastic energy criterion (WET).The results show that phyllite exhibit maximum uniaxial compressive strength (UCS) at 0°or at 90°，and minimum UCS at 60°.The elastic modulus of phyllite increases gradually when the layered angle increases from 0° to 90°.The rockburst tendency of phyllite was highest at 0°，lowest at 60° which was identified withPESandWET.The results of the research in rockburst tendency of phyllite provide a useful reference to tunnel excavation.

rock mechanics；bedding rock；PES；WET；rockburst prediction；transversely isotropic rocks

2016-06-28

國家自然科學基金項目資助(編號：51474016)

李淼(1988-)，男，河北元氏人，博士研究生，主要從事地下工程穩(wěn)定性分析與控制技術(shù)等方面工作，E-mail：lomotoy@163.com。

TU457

A

1004-4051(2017)01-0151-05