不同應力環境下巖石力學屬性及破壞模式研究*

羅 濤 高永濤 盧宏建

(1.北京科技大學土木與環境工程學院;2.遼寧工程技術大學礦業學院;3.河北聯合大學礦業工程學院)

隨著礦山多年開采，轉入深部開采的礦山企業逐漸增加。深部礦體開采因其地應力高、圍巖力學性質條件惡化，導致沖擊性災害的發生頻率和強度增加。然而，因宏觀征兆不明顯、沖擊過程短促、強度急劇猛烈、發生機理復雜等特征，使得沖擊性災害的研究進展緩慢，概念尚未統一、機理眾說紛紜［1-2］。本研究選擇典型礦山，通過采集不同應力環境的巖樣后進行室內力學試驗，研究不同受力條件下巖石的破壞模式及其力學屬性表現規律，揭示采礦過程中巖爆可能發生的災害類型及發生條件。

1 不同應力環境下的巖石力學試驗

選擇礦山不同區域的4個測點開展原始地應力測量，同時現場采集巖石樣品做室內力學試驗［3-4］。將巖石樣品加工成直徑40 mm、高80 mm的圓柱形試樣，試驗采用GAW－2000型微機控制電液伺服剛性壓力試驗機。試驗結果見表1和圖1。

表1 單軸剛性壓縮試驗結果

圖1 4個樣品單軸全應力－應變曲線

為了探討圍壓對巖石力學屬性的影響規律，開展了三軸降圍壓－增軸壓試驗和三軸固定圍壓試驗。固定圍壓試驗中選擇原巖應力的最小主應力值，而對降圍壓－增軸壓試驗做出如下要求:初始軸壓選擇原巖應力的最大主應力值，初始圍壓選擇中間主應力值;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)。試驗結果見表2、圖2、表3及圖3。

表2 三軸降圍壓－增軸壓試驗結果

圖2 4個樣品降圍壓－增軸壓試驗應力－應變曲線

表3 三軸剛性壓縮試驗結果

圖3 4個樣品三軸全應力－應變曲線

2 巖石破壞模式規律分析

由表1可知，同一采點處樣品強度的離散性較大，五礦1測點最為嚴重。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測點，巖石強度較大，脆性較高，破壞模式均表現為拉張，幾乎沒有端部效應引起的錐體發育，從巖石屬性分析，五礦1處發生巖爆的傾向性相對較高。

由表2可知，由于圍壓的限制使各測點處巖石強度有所提高，同時降低了單樣間強度值的離散性。在破壞模式上均表現為向剪切破壞模式轉變的趨勢，X型剪切破壞減少而斜切型剪切破壞明顯增加(見圖4)。可見，圍壓是影響巖石強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測點發生巖爆的傾向較大。

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度顯著提高，同時大大降低了單樣間強度值的離散性。在巖石破壞模式上均表現為剪切破壞，且全部為斜切型剪切破壞模式。即使一度表現為拉張破壞的五礦1巖石也轉變為剪切，且強度猛增至199.97 MPa。可見，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，軟巖通常表現為X型剪切破壞，稍硬時表現為斜切型剪切破壞，硬巖通常表現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 圍壓對巖石殘余強度的影響

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

分析不同圍壓條件下巖石的全應力－應變曲線(圖1～圖3)發現，不僅巖石的峰值強度相差很大，殘余強度也明顯不同。

(1)峰值強度規律。三軸條件下的峰值強度高于單軸條件下的強度。這是由于圍壓的存在，增強了破碎后巖體內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度大大提高。

(2)殘余強度規律。假設巖石在某一圍壓P0下的峰值強度為Pm，對應殘余強度為Pr，將比值

命名為巖石的強度系數［1］。在巖石力學試驗基礎上，統計獲得強度系數與圍壓之間的關系見表4。

表4 不同圍壓條件下巖石的強度系數 MPa

由表4可知，隨圍壓的增加，不僅是巖石殘余強度顯著提高，巖石強度系數也有明顯增加。為了直觀反映圍壓與強度系數的關系，先對同一測點處同一圍壓下的樣品求得強度系數平均值，再將圍壓與相應強度系數的關系繪成曲線見圖5。

圖5 各取樣點巖石強度系數－圍壓關系

由圖5可知，三維受壓條件對巖石的峰值強度和殘余強度均有顯著的增強效果。尤其是殘余強度，不僅在絕對數值上提升很快，相對于同一試驗中所得峰值強度的比值也大幅度提高。

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

4 結論

(1)巖石的單軸抗壓強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部越容易發生剪切作用，宏觀上越接近剪切破壞模式。

(3)軟弱巖石隨圍壓的增加，表現為X型剪切破壞向斜切型剪切破壞模式轉化，堅硬巖石隨圍壓的增加，表現為拉張破壞模式向斜切型剪切破壞模式轉化。

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

［1］ 李長洪，張吉良，蔡美峰，等.大同礦區地應力測量及其與地質構造的關系［J］.北京科技大學學報，2008，30(2):115-119.

［2］ 李長洪，蔡美峰，喬 蘭，等.巖石全應力－應變曲線及其與巖爆關系［J］.北京科技大學學報，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測［J］.巖石力學與工程學報，2001，20(1):38-42.

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