曹洋兵，陳楊濤，張 遂，李新衛(wèi)，沈紅錢

(1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108；2.國土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室(福建省地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室)，福建 福州 350108；3.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一〇三地質(zhì)大隊，貴州 銅仁 554300)

0 引言

炭質(zhì)頁巖廣泛分布于我國西南山地地區(qū)，由于加載方向和頁理面之間的空間關(guān)系顯著影響其力學(xué)行為與各向異性，制約著炭質(zhì)頁巖強(qiáng)度、變形及聲波速度等參數(shù)的準(zhǔn)確給定，由此嚴(yán)重威脅含炭質(zhì)頁巖的礦山安全高效開采與長期運營.因此，開展炭質(zhì)頁巖力學(xué)特性各向異性及其破壞機(jī)制研究具有重要的理論意義與工程價值.

當(dāng)前，對炭質(zhì)頁巖等層狀巖體的峰值強(qiáng)度、縱波波速各向異性等已取得重要成果.衡帥等[1]基于三軸壓縮試驗研究不同圍壓下炭質(zhì)頁巖各向異性及破壞模式，發(fā)現(xiàn)同等圍壓下頁理面與加載方向夾角為30°時抗壓強(qiáng)度最低；Niandou等[2]基于三軸壓縮試驗研究Tournemire頁巖各向異性，表明圍壓對各向異性影響顯著；Kuila等[3]研究低孔隙度頁巖的應(yīng)力及波速各向異性；杜夢萍等[4]對炭質(zhì)頁巖進(jìn)行巴西圓盤劈裂試驗，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度隨著頁理與加載方向夾角的增大而逐漸增大；張萍等[5]與侯振坤等[6]對龍馬溪組頁巖進(jìn)行單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度隨角度呈“U”型變化，最小抗壓強(qiáng)度于夾角為30°時取得.基于三軸壓縮試驗，Kovrizhnykh等[7]對粉砂巖、片巖，Nasseri等[8]對喜馬拉雅片巖，陳天宇等[9]對黑色頁巖，高春玉等[10]對砂板巖，尹曉萌等[11]對片巖，系統(tǒng)地研究層狀巖體力學(xué)特性的各向異性，其試驗結(jié)果都表明，圍壓對各向異性抑制明顯且抗壓強(qiáng)度隨頁理面/片理面/層理面與加載方向夾角呈“U”型變化.除此之外，閆小波等[12]對泥質(zhì)粉砂巖和褐紅色泥巖開展單軸抗壓強(qiáng)度試驗，研究試樣飽水前后強(qiáng)度的各向異性；Cho等[13]對牙山片麻巖、保寧頁巖和漣川片巖開展單軸壓縮試驗，揭示抗壓強(qiáng)度最小值在夾角為15°～45°之間取得.焦述強(qiáng)等[14]還研究了超高壓榴輝巖的波速各向異性；尹曉萌等[15]對武當(dāng)群片巖進(jìn)行縱波波速測試，發(fā)現(xiàn)縱波平行層理面時波速最大、垂直層理面時波速最小.

綜上可知，目前對于頁理面與加載方向呈何種夾角時炭質(zhì)頁巖(或頁巖)的抗壓強(qiáng)度最低，以及抗壓強(qiáng)度隨夾角呈“U”型變化的降低幅度等問題尚未取得統(tǒng)一認(rèn)識，組構(gòu)特征影響抗壓強(qiáng)度的規(guī)律、炭質(zhì)頁巖的微觀破壞機(jī)制等尚缺乏深入研究.基于此，選取貴州松桃李家灣錳礦礦體頂板炭質(zhì)頁巖為研究對象，該錳礦是目前我國錳礦山開采深度最深(大于1 200 m)、生產(chǎn)規(guī)模最大(2 000 t·d-1)的礦山，其礦體頂板炭質(zhì)頁巖變形破壞特征顯著.為此，本文開展頁理面與加載方向不同夾角條件下炭質(zhì)頁巖的縱波波速試驗、單軸壓縮試驗及電鏡掃描試驗，分析縱波波速、彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度等參量隨夾角的變化規(guī)律，揭示宏觀破壞特征及微觀破壞機(jī)制，可為相關(guān)巖體工程提供數(shù)據(jù)參考和借鑒.

1 力學(xué)特性各向異性的試驗研究

1.1 試樣采取與制備

由于炭質(zhì)頁巖塊體呈現(xiàn)高脆性并富含隱節(jié)理，導(dǎo)致制樣極為困難，制樣成功率不足10%.最終，制得頁理傾角為0°、24°、58°和90°的直徑50 mm炭質(zhì)頁巖圓柱樣各4塊(圖1)，其精度滿足《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50266—2013)》[16]要求.但由于炭質(zhì)頁巖具有沿頁理面易開裂特征，仍有部分制成的樣品高度略低于100 mm，對此類樣品按照文獻(xiàn)[16]求得標(biāo)準(zhǔn)高徑比下的力學(xué)特性：

(1)

式中：R為標(biāo)準(zhǔn)高徑比下的抗壓強(qiáng)度；R′為任意高徑比下的抗壓強(qiáng)度；D為試樣直徑；H為試樣高度.

1.2 試驗條件與方法

圖1 部分試樣展示圖Fig.1 Demonstration drawings of some samples

基于非金屬超聲檢測分析儀獲取炭質(zhì)頁巖的縱波波速；基于數(shù)控式巖石力學(xué)電液伺服試驗系統(tǒng)開展單軸壓縮試驗，按照文獻(xiàn)[16]的加載控制要求，采用應(yīng)力控制方式進(jìn)行加載，加載速率約為0.54 MPa·s-1，并采用高清攝像機(jī)記錄巖石破裂失穩(wěn)全過程.

1.3 試驗結(jié)果分析

1) 波速各向異性.以縱波入射方向與頁理面夾角α作為變量，獲得各試樣的縱波波速與夾角的關(guān)系見圖2.由圖可知，當(dāng)夾角為0°(縱波入射方向與頁理面平行)時，縱波波速最大，隨著夾角增大，波速逐漸減小，當(dāng)夾角為90°時的波速最小.此種規(guī)律性認(rèn)識總體與前人研究結(jié)論類似，其原因在于頁理面存在空隙而縱波波速較小，頁理面之間的基質(zhì)體較為致密而波速較大.定義波速各向異性系數(shù)Rv為各組最大平均縱波速度vpmax與各組最小平均縱波速度vpmin的比值，可得Rv為1.44.經(jīng)數(shù)據(jù)擬合可得縱波波速vp(m·s-1)與夾角α(°)兩者之間的函數(shù)關(guān)系為：

vp=-0.006 15α3+0.664 79α2-26.257 99α+5 066 (R2=0.904)

(2)

2) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及宏觀破壞特征.以應(yīng)力加載方向與頁理面夾角β作為變量，獲得不同夾角下炭質(zhì)頁巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖3,同一組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征類似，圖中為各組典型曲線).由圖3可知，曲線在起始階段都有小幅度上凹現(xiàn)象，表明試樣被壓密；而后進(jìn)入彈性壓縮狀態(tài).值得探討的是，32°和66°夾角試樣在峰前出現(xiàn)輕微波浪狀曲線，可能是局部脆性斷裂所致，類似于加載導(dǎo)致小型“鎖固段”破壞；峰后階段都表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特征，且32°和66°夾角試樣的峰后曲線斜率大于0°和90°.

圖2 縱波波速隨夾角α的變化規(guī)律圖Fig.2 Variation law of P-wave velocity with different intersection angle α

圖3 單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.3 Uniaxial compression stress-strain curve

基于炭質(zhì)頁巖單軸壓縮過程中的高清攝像資料，總結(jié)出不同應(yīng)力加載方向與頁理面夾角β條件下炭質(zhì)頁巖宏觀破裂失穩(wěn)全過程特征(最終典型破壞特征見圖4).

①β=0°.隨加載進(jìn)行，試樣外表面開始出現(xiàn)薄片狀剝落體，有劈裂聲響，隨后巖樣出現(xiàn)多個平行于頁理面的豎直破裂面，并隨即進(jìn)入峰值強(qiáng)度，此時破裂面貫通、巖樣崩落、發(fā)生巨響，最終破壞特征見圖4(a)，破壞后的巖樣含有較多平行于頁理面的破裂面、碎塊多為板狀、可見少許黑色粉末.

②β=32°.隨加載進(jìn)行，試樣近端面部位開始出現(xiàn)小塊狀彈射體，有聲響，隨后巖樣產(chǎn)生近58°的破裂面(與頁理面近似平行)，此后該類破裂面迅速貫通并進(jìn)入峰值強(qiáng)度，破壞時聲響較小，最終破壞特征見圖4(b)，破壞后的巖樣較為完整、可見黑色粉末.

③β=66°.隨加載進(jìn)行，試樣開始出現(xiàn)小塊狀彈射體，有聲響，隨后巖樣產(chǎn)生大角度的傾斜破裂面(與頁理面大角度斜交)，此后該類破裂面與巖樣近似24°頁理面貫通并進(jìn)入峰值強(qiáng)度，破壞時聲響較大，最終破壞特征見圖4(c)，破壞后的巖樣較完整、可見黑色粉末.

④β=90°.隨加載進(jìn)行，試樣有側(cè)向膨脹趨勢，開始出現(xiàn)小塊狀彈射體，有聲響，隨后巖樣產(chǎn)生豎直破裂面(與頁理面近似正交)，此后該類破裂面與近水平的頁理面貫通并進(jìn)入峰值強(qiáng)度，破壞時聲響大，最終破壞特征見圖4(d)，局部塊體十分破碎，殘留塊體較完整.

3) 彈性模量各向異性.由彈性模量隨應(yīng)力加載方向與頁理面夾角β的關(guān)系(圖5)可知，當(dāng)夾角為0°(加載方向與頁理面平行)時，彈性模量最大(16.56 GPa)，隨著夾角增大彈性模量逐漸變小，在夾角為90°時的彈性模量取得最小值14.48 GPa，最大降低幅度達(dá)12.56%.此種規(guī)律總體上與波速的各向異性類似.定義彈性模量各向異性系數(shù)RE為最大彈性模量Emax與最小彈性模量Emin的比值，可得RE為1.14.經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，彈性模量E(GPa)與夾角β(°)兩者之間的函數(shù)關(guān)系為：

E=-0.022 96β+16.459 06 (R2=0.984)

(3)

4) 單軸抗壓強(qiáng)度各向異性.由單軸抗壓強(qiáng)度σucs隨應(yīng)力加載方向與頁理面夾角β的關(guān)系(圖6)可知，σucs在β為0°和90°時較大，而32°和66°時較小，整體呈現(xiàn)出兩頭大中間小的“U”型特征.這與前人研究結(jié)論基本一致，但與文獻(xiàn)[1,5-6]認(rèn)為的β為30°時σucs最小所不同，經(jīng)曲線擬合發(fā)現(xiàn)單軸抗壓強(qiáng)度σucs的最小值在夾角β為37°時取得，與文獻(xiàn)[13]的15°～45°范圍相一致.本文認(rèn)為σucs最小時β值與頁理面的膠結(jié)程度、強(qiáng)度以及基質(zhì)體的力學(xué)特性相關(guān)，不應(yīng)是某常數(shù).定義單軸抗壓強(qiáng)度各向異性系數(shù)Rσ為最大單軸抗壓強(qiáng)度σmax與最小單軸抗壓強(qiáng)度σmin的比值，可得Rσ為124.51(β=0°)與41.36(β=37°)的比值，即為3.01.經(jīng)擬合，單軸抗壓強(qiáng)度σucs(MPa)與夾角β(°)兩者之間的函數(shù)關(guān)系為：

σucs=-4.370 66×10-4β3+0.093 5β2-5.109 22β+124.51 (R2=1)

(4)

圖5 彈性模量隨夾角β的變化規(guī)律圖Fig.5 Variation law of elastic modulus with angle β

圖6 單軸抗壓強(qiáng)度隨夾角β的變化規(guī)律圖Fig.6 Variation law of uniaxial compressive strength with angle β

2 典型破裂面的微觀破壞機(jī)制

為了揭示不同加載方向與頁理面夾角條件下炭質(zhì)頁巖的微觀破壞機(jī)制，以下選取典型破裂碎片開展掃描電鏡試驗(SEM).根據(jù)前人成果[1,10]，破裂面的破壞機(jī)制與其破裂角度緊密相關(guān)，故本次重點選取峰前彈射碎片及破壞后的豎直、傾斜和水平三類碎片作為典型碎片，基于超高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行測試，以下取代表性斷口形貌圖進(jìn)行分析.當(dāng)前，應(yīng)用SEM研究巖石斷口破壞機(jī)制已得到較好的研究結(jié)果[17-23]，總體上，拉張破壞的典型微觀形貌有沿晶-穿晶拉花、舌狀花樣、不含粉末的臺階狀花樣、根狀花樣、河流狀花樣等，其中沿晶-穿晶拉花是基本破壞花樣，其余花樣均是其衍生形式；剪切破壞的典型微觀形貌有沿晶-切晶擦花、平行條紋花樣、平行滑移線花樣、含粉末的臺階狀花樣等，其中沿晶-切晶擦花是基本破壞花樣，其余均是其衍生形式.

1) 彈射碎片.圖7(a)可見臺階狀拉花且無粉末堆積，礦物晶體被拉斷，斷口參差不齊；圖7(b)可見沿晶拉花，大部分礦物顆粒完整，少量存在穿晶拉花；圖7(c)可見不含粉末的臺階狀拉花和穿晶拉花；圖7(d)可見根狀-河流狀花樣.以上都是典型的拉張破壞形貌，表明彈射碎片的破壞機(jī)制為拉張破壞.

圖7 彈射碎片典型微觀形貌圖Fig.7 Typical microscopic topography of catapult fragments

2) 豎直破裂碎片.圖8(a)可見礦物被拉斷形成臺階狀拉花并且在臺階上無粉末堆積，斷口參差不齊；圖8(b)可見礦物晶體被拉斷，為典型的穿晶拉花；圖8(c)可見一條主干和許多尾部分叉組成的河流狀線條，屬于根狀-河流狀花樣；圖8(d)可見礦物晶體顆粒完整，無巖粉巖屑堆積于破壞面并且未見顆粒有被摩擦的痕跡.以上都屬于拉張破壞形貌，表明豎直破裂碎片為拉張破壞機(jī)制.

圖8 豎直破裂碎片典型微觀形貌圖Fig.8 Typical microscopic topography of vertical rupture fragments

3) 傾斜破裂碎片.圖9(a)不同于根狀-河流狀花樣，其表面可見大量粉末碎片堆積于表面；圖9(b)可見臺階狀花樣并有礦物碎片粉末被擦碎堆積于臺階下，在左下角可見小劃痕；圖9(c)可見平行滑移線并在滑移線處可見礦物碎片散布；圖9(d)可見含粉末的臺階狀花樣.以上都屬于剪切破壞形貌，表明其為剪切破壞機(jī)制.

圖9 傾斜破裂碎片典型微觀形貌圖Fig.9 Typical microscopic topography of inclined rupture fragments

4) 水平破裂碎片.圖10(a)～(b)可見平行條紋花樣及擦碎的礦物粉末；圖10(c)可見片狀的反階步形貌及小擦痕；圖10(d)可見許多被研磨剪碎的礦物碎片.以上都屬于剪切破壞形貌，故其為剪切破壞機(jī)制.

圖10 水平破裂碎片典型微觀形貌圖Fig.10 Typical microscopic topography of horizontal rupture fragments

3 不同夾角β下炭質(zhì)頁巖破壞過程機(jī)制

由上述SEM掃描測試可知，彈射碎片和豎直破裂碎片主要為拉張破壞機(jī)制，傾斜破裂碎片和水平破裂碎片主要為剪切破壞機(jī)制，由此結(jié)合炭質(zhì)頁巖單軸壓縮宏觀破裂失穩(wěn)過程，獲得不同加載方向與頁理面夾角β下炭質(zhì)頁巖單軸壓縮破裂失穩(wěn)過程機(jī)制(圖11)如下.

①β=0°.加載不久后出現(xiàn)的豎直薄片狀剝落體為拉張破壞，峰前出現(xiàn)的豎直破裂面也為拉張破壞，即炭質(zhì)頁巖破壞過程主要為拉張破壞機(jī)制，此種夾角下頁理面的抗拉強(qiáng)度和基質(zhì)體的抗拉(彎折-拉斷)強(qiáng)度協(xié)同控制試樣的力學(xué)特性.

②β=32°.加載不久后出現(xiàn)的小塊狀彈射體為拉張破壞，峰前產(chǎn)生的近58°傾斜破裂面為剪切破壞，并由此形成局部剪切條帶，即炭質(zhì)頁巖主要為沿頁理面的剪切滑移破壞，此種夾角下頁理面的抗剪強(qiáng)度控制試樣的力學(xué)特性.

③β=66°.加載不久后出現(xiàn)的小塊狀彈射體為拉張破壞，峰前產(chǎn)生的大角度傾斜破裂面為剪切破壞，即炭質(zhì)頁巖主要為沿頁理面和切斷基質(zhì)體的剪切破壞，此種夾角下頁理面的抗剪強(qiáng)度和基質(zhì)體的抗剪強(qiáng)度協(xié)同控制試樣的力學(xué)特性.

④β=90°.加載不久后出現(xiàn)的小塊狀彈射體為拉張破壞，峰前產(chǎn)生的豎直破裂面為拉張破壞，水平破裂面為剪切破壞，即炭質(zhì)頁巖主要為拉張破壞，并含有少量沿頁理面的滑移剪切破壞，此種夾角下頁理面的抗剪強(qiáng)度和基質(zhì)體的抗拉強(qiáng)度協(xié)同控制試樣的力學(xué)特性.

圖11 不同夾角β下炭質(zhì)頁巖破壞機(jī)制示意圖Fig.11 Schematic diagram of the failure mechanism of carbonaceous shale under different angles β

4 結(jié)語

1) 炭質(zhì)頁巖縱波波速隨縱波入射方向與頁理面夾角α增大而逐漸減小，其各向異性系數(shù)RV為1.44；不同應(yīng)力加載方向與頁理面夾角β條件下，單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線有壓密及彈性壓縮階段，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特征，32°和66°夾角試樣的峰后曲線斜率大于0°和90°試樣.

2) 單軸壓縮下，炭質(zhì)頁巖彈性模量隨應(yīng)力加載方向與頁理面夾角β增大而逐漸變小，最大降幅達(dá)12.56%，其各向異性系數(shù)RE為1.14；單軸抗壓強(qiáng)度σucs在β為0°和90°時較大，32°和66°時較小，呈現(xiàn)出兩頭大中間小的“U”型特征，且σucs的最小值在β為37°時取得，其各向異性系數(shù)Rσ為3.01.

3) 試驗結(jié)果表明，β=0°時，炭質(zhì)頁巖主要為拉張破壞，頁理面的抗拉強(qiáng)度和基質(zhì)體的抗拉(彎折-拉斷)強(qiáng)度協(xié)同控制試樣的力學(xué)特性；β=32°時，炭質(zhì)頁巖主要為沿頁理面的剪切滑移破壞，頁理面的抗剪強(qiáng)度控制試樣的力學(xué)特性；β=66°時，炭質(zhì)頁巖主要為沿頁理面和切斷基質(zhì)體的剪切破壞，頁理面的抗剪強(qiáng)度和基質(zhì)體的抗剪強(qiáng)度協(xié)同控制試樣的力學(xué)特性；β=90°時，炭質(zhì)頁巖主要為拉張破壞，并含有少量沿頁理面的滑移剪切破壞，頁理面的抗剪強(qiáng)度和基質(zhì)體的抗拉強(qiáng)度協(xié)同控制試樣的力學(xué)特性.