曹 輝，楊小聰，解聯(lián)庫(kù)，郭利杰

(北京礦冶研究總院，北京 100044)

目前，國(guó)內(nèi)外大部分礦山面臨淺地表資源的減少或枯竭問(wèn)題，許多礦山正逐漸轉(zhuǎn)向深部礦床的開(kāi)采。隨著開(kāi)采深度的增加，地壓活動(dòng)加劇，巖石力學(xué)問(wèn)題也越來(lái)越突出。特別是當(dāng)開(kāi)采深度超過(guò)千米時(shí)，僅重力引起的地應(yīng)力就已接近或超過(guò)巖體的單軸抗壓強(qiáng)度，即使是極其穩(wěn)固的巖體，開(kāi)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(shí)，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(duì)礦區(qū)巖石的力學(xué)特性開(kāi)展研究工作，研究其在單向、三向受力狀態(tài)下的強(qiáng)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(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、數(shù)值計(jì)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(kāi)采至地下800m，即將進(jìn)入千米深部開(kāi)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(xì)長(zhǎng)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(yàn)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(yàn)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(yàn)

試驗(yàn)包括含水率試驗(yàn)、吸水性試驗(yàn)、密度試驗(yàn)，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(yàn)采用烘干法；飽和吸水率采用真空抽氣法測(cè)定；試驗(yàn)所測(cè)得的巖石物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石物理性質(zhì)參數(shù)

分析表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，各類巖樣的密度值相當(dāng)，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(duì)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(yàn)

巖石的力學(xué)性質(zhì)主要包括巖石的強(qiáng)度、變形特征及巖石的摩擦性質(zhì)等。通過(guò)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，可以得到巖石的抗壓強(qiáng)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(yàn)

為考慮水對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，對(duì)不同巖性的巖塊進(jìn)行了干燥、飽和兩種狀態(tài)下的單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)在TAW-2000微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理得出巖石的強(qiáng)度參數(shù)如表2。

表2 巖石單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果可以看出，巖石的強(qiáng)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(jìn)入巖石內(nèi)部，潤(rùn)濕了巖石全部自由面上的每個(gè)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(qiáng)度降低[7]。含水率對(duì)粉砂巖和泥巖強(qiáng)度的影響要高于對(duì)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(qiáng)度。根據(jù)巖石物理性質(zhì)及單軸試驗(yàn)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(yàn)

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

依三軸試驗(yàn)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(qiáng)度，均隨圍壓的增大而明顯增大。但巖石彈性模量受?chē)鷫鹤兓绊戄^小，不同圍壓等級(jí)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(cè)試值增大的現(xiàn)象。說(shuō)明三種巖性的巖石致密、少孔隙[8]。

3 巖石強(qiáng)度和彈性模量的關(guān)系

巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量是巖石的兩個(gè)重要力學(xué)參數(shù)，也是巖體穩(wěn)定性分析及采場(chǎng)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(yàn)所測(cè)巖石抗壓強(qiáng)度、彈性模量作為自變量和因變量，運(yùn)用線性函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、多項(xiàng)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(gè)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(yàn)結(jié)果

3.1 單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系

對(duì)4種巖樣分干燥、飽和兩種情況進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。根據(jù)抗壓強(qiáng)度(R)和彈性模量(E)的試驗(yàn)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(yàn)R-E擬合公式

表5 飽和巖樣單軸壓縮試驗(yàn)R-E擬合公式

圖1 單軸壓縮試驗(yàn)R-E關(guān)系曲線

4.2 三軸抗壓強(qiáng)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(cè)得的自然狀態(tài)下三軸抗壓強(qiáng)度(R)和彈性模量(E)試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)中，抗壓強(qiáng)度與彈性模量具有良好的相關(guān)性，且利用二次三項(xiàng)式擬合出來(lái)的結(jié)果最好?？箟簭?qiáng)度與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(qiáng)度與彈性模量關(guān)系式，其二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)；公式(3)為巖石三軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系式，二次項(xiàng)系數(shù)為正且在數(shù)值上遠(yuǎn)大于前兩式二項(xiàng)式系數(shù)。由圖1、圖2可以看出，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)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(duì)巖石三軸抗壓強(qiáng)度的影響較大。從圖1曲線還可以看出，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨含水率的增加而降低。試驗(yàn)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(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)。得出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式對(duì)于沒(méi)有試驗(yàn)資料或在試驗(yàn)資料不完備的情況下，具有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié) 論

(1) 礦區(qū)巖石的密度相當(dāng)，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(qiáng)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(dāng)開(kāi)挖工程在含水量較高的粉砂巖、泥巖中進(jìn)行時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)圍巖支護(hù)和巖層疏水。

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

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