羅 濤 高永濤 盧宏建

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院;3.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

隨著礦山多年開采，轉(zhuǎn)入深部開采的礦山企業(yè)逐漸增加。深部礦體開采因其地應(yīng)力高、圍巖力學(xué)性質(zhì)條件惡化，導(dǎo)致沖擊性災(zāi)害的發(fā)生頻率和強(qiáng)度增加。然而，因宏觀征兆不明顯、沖擊過程短促、強(qiáng)度急劇猛烈、發(fā)生機(jī)理復(fù)雜等特征，使得沖擊性災(zāi)害的研究進(jìn)展緩慢，概念尚未統(tǒng)一、機(jī)理眾說紛紜［1-2］。本研究選擇典型礦山，通過采集不同應(yīng)力環(huán)境的巖樣后進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，研究不同受力條件下巖石的破壞模式及其力學(xué)屬性表現(xiàn)規(guī)律，揭示采礦過程中巖爆可能發(fā)生的災(zāi)害類型及發(fā)生條件。

1 不同應(yīng)力環(huán)境下的巖石力學(xué)試驗(yàn)

選擇礦山不同區(qū)域的4個(gè)測(cè)點(diǎn)開展原始地應(yīng)力測(cè)量，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采集巖石樣品做室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)［3-4］。將巖石樣品加工成直徑40 mm、高80 mm的圓柱形試樣，試驗(yàn)采用GAW－2000型微機(jī)控制電液伺服剛性壓力試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖1。

表1 單軸剛性壓縮試驗(yàn)結(jié)果

圖1 4個(gè)樣品單軸全應(yīng)力－應(yīng)變曲線

為了探討圍壓對(duì)巖石力學(xué)屬性的影響規(guī)律，開展了三軸降圍壓－增軸壓試驗(yàn)和三軸固定圍壓試驗(yàn)。固定圍壓試驗(yàn)中選擇原巖應(yīng)力的最小主應(yīng)力值，而對(duì)降圍壓－增軸壓試驗(yàn)做出如下要求:初始軸壓選擇原巖應(yīng)力的最大主應(yīng)力值，初始圍壓選擇中間主應(yīng)力值;要求圍壓勻速下降而軸壓同步增加，最好是圍壓降低至零或接近零(＜0.5 MPa)時(shí)巖石恰好被壓破;選擇儀器所能提供的最大軸向加載速率(800 N/s)。試驗(yàn)結(jié)果見表2、圖2、表3及圖3。

表2 三軸降圍壓－增軸壓試驗(yàn)結(jié)果

圖2 4個(gè)樣品降圍壓－增軸壓試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線

表3 三軸剛性壓縮試驗(yàn)結(jié)果

圖3 4個(gè)樣品三軸全應(yīng)力－應(yīng)變曲線

2 巖石破壞模式規(guī)律分析

由表1可知，同一采點(diǎn)處樣品強(qiáng)度的離散性較大，五礦1測(cè)點(diǎn)最為嚴(yán)重。從破壞模式看，一礦、三礦和五礦2的樣品均屬剪切破壞，且X型剪切破壞最普遍，局部尤其是樣品側(cè)翼有顯著的拉張裂紋，巖石越軟弱則X型剪切破壞越普遍。五礦1測(cè)點(diǎn)，巖石強(qiáng)度較大，脆性較高，破壞模式均表現(xiàn)為拉張，幾乎沒有端部效應(yīng)引起的錐體發(fā)育，從巖石屬性分析，五礦1處發(fā)生巖爆的傾向性相對(duì)較高。

由表2可知，由于圍壓的限制使各測(cè)點(diǎn)處巖石強(qiáng)度有所提高，同時(shí)降低了單樣間強(qiáng)度值的離散性。在破壞模式上均表現(xiàn)為向剪切破壞模式轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，X型剪切破壞減少而斜切型剪切破壞明顯增加(見圖4)?？梢姡瑖鷫菏怯绊憥r石強(qiáng)度和破壞屬性的重要因素。但從C01和C06樣品看，由于圍壓較小且在破壞瞬間下降為零，不足以改變其拉張破壞的特征，再次證明五礦1測(cè)點(diǎn)發(fā)生巖爆的傾向較大。

圖4 X型剪切破壞與斜切型剪切破壞示意

由表3可知，固定圍壓條件使得各樣品的強(qiáng)度顯著提高，同時(shí)大大降低了單樣間強(qiáng)度值的離散性。在巖石破壞模式上均表現(xiàn)為剪切破壞，且全部為斜切型剪切破壞模式。即使一度表現(xiàn)為拉張破壞的五礦1巖石也轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟?，且?qiáng)度猛增至199.97 MPa?？梢?，圍壓條件足可以改變巖石的破壞模式。

綜上可知，單軸受壓的巖石中，軟巖通常表現(xiàn)為X型剪切破壞，稍硬時(shí)表現(xiàn)為斜切型剪切破壞，硬巖通常表現(xiàn)為垂直于受壓方向的條狀或片狀拉張破壞。隨著圍壓增加，巖石強(qiáng)度明顯提高，巖石普遍向剪切破壞模式靠攏。在高圍壓下，拉張破壞和X型剪切模式基本消失，即只有斜切型的剪切破壞一種類型。可見，隨圍壓的提高，較軟巖石破壞模式變化為X型剪切破壞→斜切型剪切破壞;較硬巖石的破壞模式變化為垂直受壓方向的拉張破壞→斜切型剪切破壞。

3 圍壓對(duì)巖石殘余強(qiáng)度的影響

研究發(fā)現(xiàn)，巖體抗壓強(qiáng)度的決定性因素是內(nèi)部節(jié)理和裂隙的普遍發(fā)育，致使巖體強(qiáng)度大幅度降低，且節(jié)理發(fā)育越多抗壓強(qiáng)度就越低。鑒于巖體強(qiáng)度的這一屬性與巖石破壞后的力學(xué)屬性比較相似，巖石的殘余強(qiáng)度可在一定程度上反映該類巖體的抗壓強(qiáng)度。

分析不同圍壓條件下巖石的全應(yīng)力－應(yīng)變曲線(圖1～圖3)發(fā)現(xiàn)，不僅巖石的峰值強(qiáng)度相差很大，殘余強(qiáng)度也明顯不同。

(1)峰值強(qiáng)度規(guī)律。三軸條件下的峰值強(qiáng)度高于單軸條件下的強(qiáng)度。這是由于圍壓的存在，增強(qiáng)了破碎后巖體內(nèi)巖塊之間相互作用力，巖塊間的相互擠壓作用使巖體的整體強(qiáng)度大大提高。

(2)殘余強(qiáng)度規(guī)律。假設(shè)巖石在某一圍壓P0下的峰值強(qiáng)度為Pm，對(duì)應(yīng)殘余強(qiáng)度為Pr，將比值

命名為巖石的強(qiáng)度系數(shù)［1］。在巖石力學(xué)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)獲得強(qiáng)度系數(shù)與圍壓之間的關(guān)系見表4。

表4 不同圍壓條件下巖石的強(qiáng)度系數(shù) MPa

由表4可知，隨圍壓的增加，不僅是巖石殘余強(qiáng)度顯著提高，巖石強(qiáng)度系數(shù)也有明顯增加。為了直觀反映圍壓與強(qiáng)度系數(shù)的關(guān)系，先對(duì)同一測(cè)點(diǎn)處同一圍壓下的樣品求得強(qiáng)度系數(shù)平均值，再將圍壓與相應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)的關(guān)系繪成曲線見圖5。

圖5 各取樣點(diǎn)巖石強(qiáng)度系數(shù)－圍壓關(guān)系

由圖5可知，三維受壓條件對(duì)巖石的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均有顯著的增強(qiáng)效果。尤其是殘余強(qiáng)度，不僅在絕對(duì)數(shù)值上提升很快，相對(duì)于同一試驗(yàn)中所得峰值強(qiáng)度的比值也大幅度提高。

此外，由全應(yīng)力－應(yīng)變曲線得知(見圖3)，巖石破壞后的強(qiáng)度并非呈理想的平緩曲線，局部波動(dòng)顯著。若用巖石破壞后的某一強(qiáng)度值取代巖體的抗壓強(qiáng)度，需要考慮尺寸效應(yīng)以及二者解理裂隙發(fā)育的可比性問題。最簡(jiǎn)捷的方法是:用巖石的殘余強(qiáng)度代替巖體強(qiáng)度，雖然略顯保守，但對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)的計(jì)算有更高的安全保障。該殘余強(qiáng)度在一定程度上可以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

4 結(jié)論

(1)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度越高則脆性破壞越顯著，宏觀上越接近拉張破壞模式。

(2)巖石所受的圍壓越大則內(nèi)部越容易發(fā)生剪切作用，宏觀上越接近剪切破壞模式。

(3)軟弱巖石隨圍壓的增加，表現(xiàn)為X型剪切破壞向斜切型剪切破壞模式轉(zhuǎn)化，堅(jiān)硬巖石隨圍壓的增加，表現(xiàn)為拉張破壞模式向斜切型剪切破壞模式轉(zhuǎn)化。

(4)巖石的圍壓越高，獲得的殘余強(qiáng)度不僅絕對(duì)值越大，與峰值強(qiáng)度的比值也越大。

［1］ 李長洪，張吉良，蔡美峰，等.大同礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量及其與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(2):115-119.

［2］ 李長洪，蔡美峰，喬 蘭，等.巖石全應(yīng)力－應(yīng)變曲線及其與巖爆關(guān)系［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21(6):513-515.

［3］ 蔡美峰，王金安，王雙紅.玲瓏金礦深部開采巖體能量分析與巖爆綜合預(yù)測(cè)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20(1):38-42.

［4］ 彭 祝，王元漢，李廷芥.Griffith理論與巖爆的判別準(zhǔn)則［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).1996，15(S):491-495.