基于點荷載試驗確定巷道圍巖強度指標的效果分析*

沐興旺，唐琳，孫承超，王志修

(1.彝良馳宏礦業有限公司，云南 昭通市 657600； 2.礦冶科技集團有限公司，北京 100162)

0 引言

巖石點荷載試驗是一種方便、快捷且費用低的巖石強度試驗方法，測試的巖石強度參數具有一定的代表性。近年來，隨著地下礦山開采深度不斷增加，深部礦巖地質力學環境越發復雜，巖體具有破碎、軟弱等復雜且難于取巖芯等特征。基于快速獲取巖石力學強度參數這一難題，國際巖石力學及我國相關部門推薦及制定了關于點荷載試驗標準及方法。近些年來，大量學者探索點荷載強度與巖石強度及巖體強度之間的關系，獲得較多成果。Singh[1]通過試驗得到點荷載強度與不同類型巖石的單軸抗壓強度關系式。楊帆等[2]對不同風化程度與巖性的巖石，采用點荷載試驗獲得巖石等效單軸抗壓與單軸抗拉強度，并對現場巖石強度進行了預測。文磊 等[3]提出了新的點荷載強度計算方法,并進行理論推導及現場測試，獲得較好成果。張元胤等[4]針對6種點荷載試驗結果進行統計分析，得出點荷載強度與單軸抗壓強度具有高度的相關性。張建明等[5]建議采用點荷載強度指數IS50的二次函數估算巖石的單軸壓縮強度較為合理。張國鋒等[6]提出一種適用于泥巖點荷載測試的方法，該方法獲得強度值的隨機誤差和系統誤差小。李安平等[7]利用實際工程點荷載數據，采用四種常用點荷載強度計算方法并進行擬合，擬合結果具有很好的應用效果。朱江江等[8]研究了軟質千枚巖形狀系數和加載點間距對點荷載強度的影響規律。

前期研究表明，點荷載試驗是一種方便、快捷測量巖石強度的試驗方法，可針對復雜工況不規則巖石試件進行快速測試，尤其對于巖體破碎、不易取標準試件、易風化的巖樣，可在現場進行試驗，快速獲取相應強度信息。

本文以云南毛坪礦760 m主運輸巷道圍巖變形破壞區域為背景，分析巷道區域工程地質情況，針對巷道區域的泥盆系巖組及石炭系巖組，在現場對不規則巖塊進行點荷載強度試驗，并且對試驗巖塊的破壞方式做了詳細的記錄。由于點荷載試驗數據離散性較大的缺點，詳細記錄實驗過程和巖樣的破壞方式，利用國際巖石力學學會（ISRM）推薦的方法進行點荷載強度來估算單軸抗壓強度，為快速確定該區域巖體力學參數及制定相應支護措施提供依據。

1 點荷載試驗方法

1.1 點荷載試驗測試方法

點荷載試驗的主要過程是將巖樣放置于上下 球形圓錐狀擠壓點之間，對巖樣施加荷載，直至巖樣發生破壞，記錄破壞荷載及破壞點距，最后通過相關標準推薦公式換算巖石強度值。相關研究結果表明[9-10]，巖石點荷載試件在上下球形圓錐狀擠壓點的荷載作用下，其加載點面上主要為壓應力，但在遠離加載點一定距離外，巖石受到垂直加載軸方向的彈性拉應力。在加載點附近，產生裂隙，主要為彎曲狀排列，隨著載荷增大，裂隙自然發展，直到裂紋與彈性拉應力區連接后，巖樣發生劈裂破壞，此時點荷載作用結束。由于760 m主運輸巷道為軟巖巷道，在不同區域所揭露的巷道壁中隨機選取規則和不規則狀的完整巖塊作為測試試件，見 圖1。

圖1 試驗巖樣形狀

1.2 點荷載試驗強度計算方法

《測定點荷載強度的建議方法》是國際巖石力學學會（ISRM）建議的方法。該方法將傳統點荷載試驗中的破壞點間距變為等效直徑這一參數，致使計算結果誤差更小，得到廣泛的應用，其中ISRM 法計算點荷載強度指標的主要公式是:

式中，De為試樣的等效直徑；D為破壞面兩加載點的間距；W為破壞面的平均寬度；P為施加的荷載；IS為試樣的點荷載強度。為消除巖樣尺寸隨機性所引起的誤差影響，利用尺寸修正系數，將不規則形狀和尺寸的點荷載強度轉換為標準試件的點荷載強度，用點荷載強度指數換算單軸抗壓強度：

式中，Rc為巖石飽和單軸抗壓強度，MPa；為修正后的點荷載強度指數，MPa。

2 工程地質條件

彝良毛坪礦760 m中段主運輸巷道為連接Ⅰ、Ⅱ礦體的重要運輸通道，該巷道穿越石炭系下統萬壽山組，該巖組屬于含煤碎屑巖系，巖體松軟，且運輸巷道位于礦區石門坎背斜的頂部，張性裂隙發育，受附近F29等兩條較大斷層的切割，處于嚴重破碎狀態。巷道區域工程地質情況見圖2，巷道破壞現場見圖3。

圖2 巷道區域工程地質

圖3 巷道破壞現場

根據以往研究成果，礦區區域內巖體強度普遍偏低，節理裂隙發育，巖層的物理力學參數見表1。

表1 礦區區域巖石物理力學參數

由于該巷道區域的巖體極為破碎，取樣較困難，同時，礦區區域巖石物理力學參數與該巷道圍巖巖石物理力學參數可能出現偏差，為快速準確地獲取該區域圍巖強度參數，在巷道區域分別選取泥盆系及石炭系典型樣品開展點荷載試驗（取樣位置見圖1），以期獲得需要的點荷載強度指標和換算的飽和單軸抗壓強度值，為支護工作等提供依據。

760 m中段主運輸巷道現場試驗選取的試樣形狀尺寸約為 50±35 mm，其中加載點間距與加荷點梯形截面中位線寬度的比值D/W位于0.3～1.0 之間。加載點離最近末端的距離L不小于 0.5D。現場選取巖樣時，采用鋸子或鑿子對大尺寸巖塊進行修正得到巖樣，試驗采用STDZ-3型數顯巖石點荷載試驗儀進行試驗。

3 試驗結果數據分析

試驗結果見表2，統計分析結果見表3及圖4，數據箱形分析見圖5。由表2及表3可知，泥盆系白云巖試驗數為10組，采用國標換算單軸飽和抗壓強度相差較為懸殊，最大值達到83.59 MPa，最小值僅為8.12 MPa，均值為37.98 MPa，中位數為29.43 MPa，數據標準差為27.72；石炭系巖石的飽和單軸抗壓強度較為均勻，最大值達到28.45 MPa，最小值為2.51 MPa，均值為13.27 MPa，中位數為12.73 MPa，數據標準差為6.39。

表2 點荷載試驗數據

表3 點荷載試驗數據分析

根據圖4，泥盆系（白云巖）Weibull分布峰值強度在20～30 MPa之間，70%巖樣強度低于40 MPa；石炭系（灰巖）Weibull分布峰值強度在10～15 MPa之間，58.8%巖樣強度介于10～20 MPa之間。根據圖5可知，泥盆系巖石單軸飽和抗壓強度數據較為離散，50%的試樣單軸飽和抗壓強度在30 MPa以上，石炭系巖石單軸飽和抗壓強度數據較均勻，均在30 MPa以下，60%樣品在15 MPa以下。

圖4 巖樣強度分析

圖5 試驗數據箱形圖

基于以上數據分析，泥盆系巖樣單軸飽和抗壓強度采用中位值（29.43 MPa）較為合理，石炭系巖樣單軸飽和抗壓強度采用均值（13.27 MPa）較為合理。對比表1中泥盆系（白云巖）單軸飽和抗壓強度參數差距不大，石炭系（灰巖）單軸飽和抗壓強度差距較大。

4 試驗結果應用

4.1 巖石堅硬程度劃分

從試驗結果可以看出：泥盆系巖石的飽和單軸抗壓強度基本都在30 MPa以上，按照國家規范《工程巖體分級標準》（GB/T 50218—2014），屬于較堅硬至堅硬巖。石炭系巖組的巖石飽和單軸抗壓強度較為均勻，均在30 MPa以下，60%樣品在15 MPa以下，總體屬于軟巖至較軟巖。同一區域，巖石強度軟弱也是石炭系巖組圍巖巷道發生大變形破壞的重要影響因素。

4.2 巖體強度分析

根據現場踏勘及揭露面的工程地質調查可知，石炭系遇水泥化，取樣干燥后出現龜裂狀態，巷道內淋水，石炭系區域屬于極其軟弱狀態。泥盆系揭露面節理發育，節理以平直波浪狀為主，微風化，呈微張開狀態，局部有明顯充填物。結合現場實際情況，將點荷載試驗換算的巖石抗壓強度進行折減計算，得到該區域的巖體強度，并根據經驗公式換算巖石抗拉強度，具體見表4。通過巖石的堅硬程度、巖體密實情況以及節理裂隙等因素的綜合考慮，認為現場點荷載試驗結果所反映的巖體物理力學性質與客觀實際相符。

表4 泥盆系、石炭系巖石組強度

5 結論

（1）在復雜現場工況，尤其是在破碎、強度低、易風化工程地質條件下，點荷載試驗能夠快速測定巖石破壞荷載，利用ISRM計算方法可以獲得較為真實的飽和單軸抗壓強度。

（2）區域泥盆系地層飽和單軸強度較為離散，但均屬于堅硬巖，區域石炭系地層飽和單軸抗壓強度均在30 MPa以下，60%樣品在15 MPa以下，總體屬于軟巖至較軟巖。

（3）點荷載試驗快速獲得的760 m主運輸巷泥盆系及石炭系圍巖物理力學性質，有助于為760 m主運輸巷道圍巖支護提供依據。