張國(guó)鋒，劉志雙，陳顯坤，王永望，解 毅

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610091；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京）

1 引 言

泥質(zhì)巖是一種包含各種泥巖、頁(yè)巖、黏土巖及泥質(zhì)粉砂巖、凝灰?guī)r等工程性質(zhì)極為復(fù)雜的巖體。自然地質(zhì)條件下未擾動(dòng)的泥質(zhì)巖可以保持穩(wěn)定的天然形狀和其較高的天然強(qiáng)度，力學(xué)性能良好。當(dāng)泥質(zhì)巖開(kāi)挖后，其所處環(huán)境溫濕度發(fā)生變化，泥質(zhì)巖若連續(xù)風(fēng)干失水會(huì)引起不規(guī)則的縱橫交錯(cuò)的收縮裂隙，造成巖石迅速破壞。泥質(zhì)巖不斷地吸水造成水分增加、體積膨脹、崩解和軟化，導(dǎo)致巖體力學(xué)性質(zhì)快速大幅度降低。川南地區(qū)筠連礦區(qū)廣為分布的泥質(zhì)巖，具有明顯的風(fēng)化作用，是造成煤礦巷道支護(hù)困難的關(guān)鍵，如何合理地確定該類(lèi)圍巖的強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)于正確劃分圍巖類(lèi)別、支護(hù)形式及設(shè)計(jì)參數(shù)選擇、巷道開(kāi)拓布置層位選擇等具有重要的實(shí)際意義。

對(duì)于巖石強(qiáng)度指標(biāo)的確定，傳統(tǒng)的評(píng)估方法以地質(zhì)錘敲擊巖石至破壞時(shí)的錘擊數(shù)來(lái)評(píng)估強(qiáng)度，這種方法人為因素多，難以確定。精確的方法是現(xiàn)場(chǎng)取樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，技術(shù)要求高，費(fèi)用高。對(duì)于風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重的泥質(zhì)巖，巖芯受鉆進(jìn)震動(dòng)易破碎，且?guī)r芯遇水、失水易風(fēng)化破裂，采樣、制樣工作十分困難，無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室獲得測(cè)試強(qiáng)度。點(diǎn)荷載試驗(yàn)具有易操作、時(shí)間短、費(fèi)用低、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，避免了取樣采樣困難等不利因素，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地確定易風(fēng)化泥質(zhì)巖強(qiáng)度。

采用點(diǎn)荷載法測(cè)試獲得點(diǎn)荷載指數(shù)，然后換算成巖石抗壓強(qiáng)度，在國(guó)內(nèi)外已制訂相應(yīng)規(guī)范，近30年應(yīng)用中大多集中在建筑地基標(biāo)準(zhǔn)值及較硬巖的單軸抗壓強(qiáng)度的獲取[1-7]，對(duì)于軟巖點(diǎn)荷載的測(cè)試應(yīng)用較少[5,7-10]。但是，軟巖強(qiáng)度的測(cè)試對(duì)于正確劃分軟巖級(jí)別，確定合理的支護(hù)設(shè)計(jì)，避免盲目試驗(yàn)造成的經(jīng)濟(jì)損失十分重要。本文以川南新維煤礦巷道所處的泥質(zhì)巖為研究對(duì)象，用Grubbs 準(zhǔn)則取舍點(diǎn)荷載數(shù)據(jù)，并用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法檢驗(yàn)不同算法下強(qiáng)度值的可靠性，確定了適宜泥巖的點(diǎn)荷載計(jì)算方法。這種由點(diǎn)荷載獲取單軸抗壓強(qiáng)度的數(shù)理統(tǒng)計(jì)處理方法可供軟巖巷道圍巖分級(jí)和支護(hù)方法選取。

2 新維煤礦軟巖地質(zhì)特征

新維煤田為基建礦井，年產(chǎn)180×104t，主采煤層為2、8號(hào)煤層，主采煤層頂?shù)装逡阅鄮r和砂質(zhì)泥巖為主，巖體質(zhì)量較差。新場(chǎng)井采用平硐+斜井開(kāi)拓，進(jìn)入一盤(pán)區(qū)巷道施工時(shí)，主平硐、下車(chē)場(chǎng)、膠帶巷、總回風(fēng)巷等主要巷道全部出現(xiàn)圍巖大變形現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)際地測(cè)資料顯示，巷道均處于泥質(zhì)巖中，頂?shù)装鍩o(wú)穩(wěn)定巖層，地層以3 m 黑灰色泥巖和0.4 m厚灰色砂泥巖交替出現(xiàn)，巖層傾角為8°，巷道順層掘進(jìn)，泥質(zhì)巖均易風(fēng)化、易潮解，其中灰色泥巖吸水崩解，手捏呈泥狀，黑色泥巖風(fēng)化成碎裂狀，圍巖巖性見(jiàn)圖1。頂?shù)装鍑鷰r中黏土礦物含量高達(dá)54.3%～90.8%，屬全厚黏土巖類(lèi)軟巖。試樣中黏土礦物的構(gòu)成主要為有較大膨脹性礦物的伊蒙混層，占黏土礦物總量的44%～73%，蒙脫石不獨(dú)立存在，以混層礦物存在，混層比在20%～30%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖塊吸水率小于10，膨脹性中等，軟化較明顯，屬于典型的古生代軟巖。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)圍巖照片F(xiàn)ig.1 Photos of in-situ surrounding rocks

由于對(duì)圍巖巖性缺乏研究，圍巖類(lèi)型判別不準(zhǔn)確，巷道支護(hù)處于盲目狀態(tài)，先后試驗(yàn)了錨網(wǎng)噴、錨網(wǎng)噴索、錨網(wǎng)噴索+注漿、錨網(wǎng)噴+工字鋼棚等支護(hù)，均不能實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定，在掘進(jìn)期間巷道出現(xiàn)頂板板下沉600 mm，底臌800～1 200 mm，兩幫收縮200～500 mm 的大變形現(xiàn)象，使得巷道掘進(jìn)處于十分被動(dòng)的局面，多次返修仍不能穩(wěn)定，造價(jià)高達(dá)5～7×104元。

3 測(cè)試方法

3.1 試驗(yàn)方法

點(diǎn)荷載試驗(yàn)方法是將巖樣置于2個(gè)球形圓錐狀壓板之間，對(duì)試樣施加集中荷載，直至試樣破壞，然后通過(guò)計(jì)算求出試樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度值。研究結(jié)果表明[11-12]，巖石試件在點(diǎn)荷載作用下，加載點(diǎn)周?chē)鷰r石所受的力接近壓應(yīng)力，遠(yuǎn)離加載點(diǎn)一定距離外巖石受到垂直加載軸向方向的拉應(yīng)力，隨著荷載增加，裂隙逐漸發(fā)展至拉應(yīng)力區(qū)，巖石在拉應(yīng)力作用下發(fā)生劈裂破壞，點(diǎn)荷載作用結(jié)束。在井下軟巖巷道掘進(jìn)至不同位置處時(shí)所揭露的新鮮巖層處隨機(jī)選取規(guī)則和不規(guī)則狀的完整巖塊作為測(cè)試試件。見(jiàn)圖2。根據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》規(guī)定[13]，點(diǎn)荷載不規(guī)則試樣數(shù)量在15～20個(gè)，測(cè)試采用SZDH-100/20 型數(shù)字式點(diǎn)荷載儀，見(jiàn)圖3(a)。

圖2 中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇的規(guī)則巖塊和不規(guī)則巖塊巖樣近似形狀尺寸為50 ±35 mm，其中兩加荷點(diǎn)距離與加荷點(diǎn)梯形截面中位線寬度的比值 D/W 值在0.3～1.0 之間，最好接近1.0，宜采取垂直層理加載。加載點(diǎn)離最近末端的距離L 不小于0.5D?，F(xiàn)場(chǎng)選取巖樣時(shí)，采用鋸子或鑿子對(duì)大尺寸巖塊進(jìn)行修正得到巖樣，所選取的部分樣品見(jiàn)圖3(b)。

圖2 試驗(yàn)巖樣形狀Fig.2 Test rock sample shape

圖3 點(diǎn)荷載測(cè)試設(shè)備及試樣制作Fig.3 Point load tester and sample manufacture

3.2 點(diǎn)荷載強(qiáng)度計(jì)算方法

根據(jù)相關(guān)資料研究[1-7]，主要有3 種點(diǎn)荷載強(qiáng)度的計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)不同算法結(jié)果的對(duì)比分析，可揭示各算法對(duì)于軟巖點(diǎn)荷載強(qiáng)度的計(jì)算的可靠性。

（1）傳統(tǒng)法

傳統(tǒng)的點(diǎn)荷載測(cè)試主要采用標(biāo)準(zhǔn)化加荷器。計(jì)算點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)主要步驟為：首先，通過(guò)破壞荷載P 和兩加荷點(diǎn)距離D，計(jì)算點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù) IS，即式（1）。其次，由于 IS不僅與巖石種類(lèi)有關(guān)，而且是D 的函數(shù)，為了消除D 的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)IS(50)，即相當(dāng)于D=50 mm時(shí)的 IS。對(duì)于 IS換算成IS(50)的方法，可以通過(guò)D-lg IS曲線法、Broch、Franklin 提出的尺寸修正曲線及Hassani公式[15]。在各種修正方法中，Hassani 公式效果最好，即式（1）求出。最后，每類(lèi)樣品試件的IS(50)確定后，求其算數(shù)平均值，采用式（2）確定單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo)。該方法在我國(guó)應(yīng)用較廣泛，主要用于巖石分級(jí)和確定巖石單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度：

式中：IS為未修正的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)；P為破壞荷載；D為加荷點(diǎn)間距；IS(50)為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)。

（2）ISRM 法

國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)所屬的試驗(yàn)方法委員會(huì)公布的點(diǎn)荷載試驗(yàn)建議方法，為《測(cè)定點(diǎn)荷載強(qiáng)度的建議方法》，簡(jiǎn)稱(chēng)ISRM（國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)）法[16]。由于此法引用等效直徑代替了傳統(tǒng)方法中的加荷點(diǎn)間距，其結(jié)果誤差更小，得到普遍應(yīng)用，ISRM 法計(jì)算點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)的主要公式是：

式中：De為等效直徑；W為通過(guò)兩加荷點(diǎn)最小截面的寬度；F為修正系數(shù)；Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度。

對(duì)于軟巖，修正系數(shù)取22，其他符號(hào)意義同前。

（3）工程分級(jí)法

《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[7]中規(guī)定，確定巖石堅(jiān)硬程度時(shí)，允許使用點(diǎn)荷載試驗(yàn)，該標(biāo)準(zhǔn)的條文對(duì)試件尺寸和點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)IS(50)的確定作了詳細(xì)地說(shuō)明。該標(biāo)準(zhǔn)采用式（3）修正 IS，以消除D 的影響，并使用式（3）計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度，本文中稱(chēng)該法為工程分級(jí)法。其主要公式為

式中：Kd(50)為尺寸效應(yīng)的修正系數(shù)；Kf為形狀效應(yīng)的修正系數(shù)；d為垂直于加荷點(diǎn)間距的平均寬度（cm）；為試件形狀系數(shù)。

3.3 點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)可疑數(shù)據(jù)的取舍

（1）可疑數(shù)據(jù)取舍必要性

每種巖樣試件一般為15～20 塊，所得較多數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)異常值，需進(jìn)行取舍，國(guó)內(nèi)外一般采用人為取舍，即從數(shù)據(jù)上刪除最高或最低值，再計(jì)算剩余值的平均值，有的則不考慮數(shù)據(jù)取舍。為提高軟巖點(diǎn)荷載測(cè)試的可靠性，對(duì)待異常值不宜輕易取舍，應(yīng)分析試件組構(gòu)、物理、技術(shù)操作上的原因，當(dāng)無(wú)法分析時(shí)，應(yīng)按數(shù)理統(tǒng)計(jì)中異常數(shù)據(jù)判斷準(zhǔn)則來(lái)取舍。

（2）點(diǎn)荷載測(cè)試數(shù)據(jù)的分布規(guī)律

由于試驗(yàn)時(shí)間限制，試驗(yàn)所選樣品數(shù)量有限，根據(jù)已有大量點(diǎn)荷載測(cè)試數(shù)據(jù)的研究資料[11,14-16]發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)荷載強(qiáng)度值的分布基本符合正態(tài)分布規(guī)律的，因此本次試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)采用基于正態(tài)分布規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析檢驗(yàn)方法。

（3）可疑數(shù)據(jù)的取舍方法

為使用格拉布斯準(zhǔn)則處理測(cè)試中的可疑數(shù)據(jù)提供依據(jù)，用該準(zhǔn)則檢驗(yàn)可疑數(shù)據(jù)Xp，當(dāng)

時(shí)，則應(yīng)將Xp從該組試驗(yàn)值中剔除。式中：Xp為被檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)值；為均值；S為標(biāo)準(zhǔn)差；G為格式檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；G(α,n)為格拉布斯檢驗(yàn)臨界值；α為顯著性水平取0.05；n為個(gè)數(shù)。新維煤礦軟巖點(diǎn)荷載檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 格拉布斯準(zhǔn)則檢驗(yàn)表Table 1 Validation of Grubbs criterion

4 試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)分析

4.1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將4 種軟巖實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，運(yùn)用3 種計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算后，所得各自點(diǎn)荷載強(qiáng)度的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)圖4～6（圖中列出3 種方法4 巖石Rc值）。

4.2 巖石單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

如圖4 所示，采用傳統(tǒng)法和ISRM 法計(jì)算所得抗壓強(qiáng)度平均值十分接近，而工程分級(jí)法所得數(shù)值偏大。圖5 顯示，采用工程分級(jí)法所得巖性的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值均較傳方法和ISRM 法大，只有灰色泥巖，工程分級(jí)法和傳統(tǒng)法所得標(biāo)準(zhǔn)值較接近。如圖6 所示，采用工程分級(jí)法在測(cè)試含砂黑泥巖、含層理含砂黑泥巖時(shí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差明顯偏大，而其余兩種巖性下則較接近，即工程分級(jí)法所得強(qiáng)度數(shù)據(jù)彼此間差異性較大，離散性大。

表2 點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of point load strength test

圖4 不同算法下單軸抗壓強(qiáng)度Rc的平均值(單位:MPa)Fig.4 Different computations for uniaxial compressive strength(unit:MPa)

圖5 不同算法下單軸抗壓強(qiáng)度Rc的標(biāo)準(zhǔn)差(單位:MPa)Fig.5 Different computations for standard deviation of uniaxial compressive strength(unit:MPa)

圖6 不同算法下單軸抗壓強(qiáng)度Rc的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(單位:MPa)Fig.6 Different computations for relative standard deviation of uniaxial compressive strength(unit:MPa)

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差對(duì)比分析

由于樣品自身存在巖石結(jié)構(gòu)上的各項(xiàng)異性、礦物組成多樣性等特點(diǎn)，點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果存在樣本特征值與該類(lèi)巖樣總體特征間的隨機(jī)誤差。同時(shí)，試件加工和加載過(guò)程中的試件形狀、加載點(diǎn)間距、破壞面積等因素，也對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響[11]，存在系統(tǒng)誤差。為比較3 種方法所得單軸抗壓強(qiáng)度的可靠性，對(duì)各方法所得結(jié)果進(jìn)行隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差檢驗(yàn)。

5.1 隨機(jī)誤差的檢驗(yàn)

由于測(cè)試數(shù)據(jù)采用電子儀器實(shí)時(shí)采集、操作方法簡(jiǎn)單惟一，可以認(rèn)為構(gòu)成隨機(jī)誤差的主要誤差為隨機(jī)采取的巖樣與該巖性巖樣總體之間的樣本誤差。由于3 種方法所得點(diǎn)荷載強(qiáng)度均符合正態(tài)分布，因此采用F 檢驗(yàn)：?jiǎn)蝹?cè)檢驗(yàn)時(shí)，若F ＜1，即為左側(cè)檢驗(yàn)，當(dāng)“P（F ≤ f）單尾”＞α?xí)r，就認(rèn)為方差1 比方差2 無(wú)顯著減小，否則就認(rèn)為有顯著減??；若F ＞1，即為右側(cè)檢驗(yàn)，當(dāng)“P（F ≤ f）單尾”＞ α?xí)r，就認(rèn)為方差1 比方差2 無(wú)顯著增大，否則就認(rèn)為有顯著增大[7]，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表可見(jiàn)，各種巖性下傳統(tǒng)法和ISRM 法之間隨機(jī)誤差不顯著，表明該兩種方法巖樣樣本強(qiáng)度值均能代表該巖性樣本總體，而工程分級(jí)法在測(cè)試純黑泥巖和含砂黑泥巖時(shí)，隨機(jī)誤差則顯現(xiàn)顯著，表明此方法所得巖樣樣本強(qiáng)度值隨機(jī)性大，不能代表巖性樣本總體，因此前兩種方法更可靠。

5.2 系統(tǒng)誤差的檢驗(yàn)

由于檢驗(yàn)儀器操作、測(cè)量等試驗(yàn)因素對(duì)所得強(qiáng)度平均值的影響，對(duì)2 組數(shù)據(jù)的方差是否存在顯著性差異，用t 檢驗(yàn)法分別進(jìn)行等方差和異方差平均值檢驗(yàn)。當(dāng)＜“t 雙尾臨界”，則可判斷兩平均值無(wú)顯著差異，否則有顯著差異。若t ＜0，且＜“t 雙尾臨界”，則可判斷平均值1 較平均值2 無(wú)顯著減小，否則有顯著減小，此為左側(cè)檢驗(yàn)；若t ＞0，且＜“t 雙尾臨界”，則可判斷平均值1 較平均值2 無(wú)顯著增大，否則有顯著增大，此為右側(cè)檢驗(yàn)[18]。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 單軸抗壓強(qiáng)度的F 檢驗(yàn)Table 3 F-validation of uniaxial compressive strength

表4 單軸抗壓強(qiáng)度的t 檢驗(yàn)Table 4 t-validation of uniaxial compressive strength

由表4 可見(jiàn)，對(duì)于各種巖性軟巖，工程分級(jí)法和ISRM 法測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)誤差均無(wú)顯著差異，而對(duì)于純黑泥巖，采用工程分級(jí)法則存在明顯系統(tǒng)誤差。因此，泥巖宜采用傳統(tǒng)法和ISRM 法將所得點(diǎn)荷載強(qiáng)度值。

工程巷道埋深530 m，垂直應(yīng)力與巖石抗壓強(qiáng)度比值 σv/σc=10.6/(4.2～7.35)=1.44～2.52，根據(jù)軟巖支護(hù)難易度分類(lèi)方法[19]，判定該泥巖屬超軟巖類(lèi)型，必須采取全斷面聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)，支護(hù)系統(tǒng)宜具有讓壓、高強(qiáng)、高預(yù)應(yīng)力、關(guān)鍵部位耦合、全封閉式、充分防水的特點(diǎn)要求。

6 結(jié) 論

（1）常規(guī)試驗(yàn)中，一般室內(nèi)巖石單軸抗壓強(qiáng)度值有一定分散性的分散性較大，偏差系數(shù)變化于15%～30%內(nèi)，最高50%以上。而采用點(diǎn)荷載測(cè)定值，其偏差系數(shù)在11%～30%內(nèi)，最高63%，只要采用可靠的計(jì)算方法，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上可得點(diǎn)荷載強(qiáng)度與常規(guī)方法獲取強(qiáng)度值一樣可靠，而且點(diǎn)荷載測(cè)試可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，快速、方便、費(fèi)用低廉。

（2）對(duì)軟巖巖性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載測(cè)試時(shí)，采用傳統(tǒng)法和ISRM 法較工程分級(jí)法所得強(qiáng)度平均值作為該巖性的單軸抗壓強(qiáng)度值誤差小，可靠性更高。

（3）根據(jù)所得點(diǎn)荷載強(qiáng)度和軟巖分級(jí)方法，確定新維煤礦圍巖屬超軟巖，宜采用全斷面高強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)。

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