陳　辰，卓毓龍，王曉軍，方勝勇，廖煒均，馮　蕭

（1.江西理工大學(xué) 江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州 341000；2.銅陵有色鳳凰山礦業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000；3.江西大吉山鎢業(yè)有限公司，江西 贛州 341801）

不同圍壓下巖石峰后及殘余變形特性試驗研究

陳辰1，卓毓龍1，王曉軍1，方勝勇2，廖煒均3，馮蕭1

（1.江西理工大學(xué) 江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州 341000；2.銅陵有色鳳凰山礦業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000；3.江西大吉山鎢業(yè)有限公司，江西 贛州 341801）

為使礦山能安全高效地開采，對深部礦山三向應(yīng)力狀態(tài)的巖石進行研究。試驗采用RTS-500三軸流變儀，對較深部巖石進行常規(guī)三軸壓縮試驗，得到了應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試驗發(fā)現(xiàn)：隨著圍壓的增大，峰值強度和殘余強度都呈逐漸增大的趨勢；峰值強度與殘余強度的差值也逐漸降低；隨著圍壓的增大，巖石峰值強度對應(yīng)的巖石應(yīng)變出現(xiàn)增大的現(xiàn)象；隨著圍壓增大，巖石的彈性模量出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。結(jié)論對于實際施工的工程穩(wěn)定以及巖體的支護設(shè)計都具有指導(dǎo)和借鑒意義。

圍壓；峰值強度；殘余強度；峰值應(yīng)變；彈性模量；三軸壓縮試驗

0　引言

目前我國的大部分礦山也已經(jīng)進入深部和中深部開采階段。在深部開采作業(yè)的過程當中會產(chǎn)生一系列的巖石力學(xué)問題。安全作業(yè)已經(jīng)成為礦業(yè)領(lǐng)域科研工作者研究的重中之重，三軸壓縮試驗是巖石處于三向應(yīng)力狀態(tài)的試驗，是最接近施工現(xiàn)場實際的試驗，很多學(xué)者通過大量的研究取得了可喜的成果。石求志［1］對鎢礦床薄礦脈群的采空區(qū)及其處理進行了詳細的研究，并提出了相應(yīng)的處理措施；冉少鵬［2］等研究了水泥砂漿在不同圍壓下三軸壓縮試驗；李斌［3］等對在三軸條件下完整巖石的Hoek-Brown強度準則進行了改進；鄧左民［4］等研究了利用三維有限元對鎢礦體開采穩(wěn)定性進行了研究；W.R. Wawersik［5］等利用剛性壓力機對大理巖進行不同圍壓下的試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了大理巖隨著圍壓的逐漸增加，巖石出現(xiàn)了由脆性向延性轉(zhuǎn)化的特點；Gowd［6］等對多孔砂巖進行三軸壓縮試驗；大量的試驗表明［7-13］：在三軸試驗中，巖石的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)相對于單軸都發(fā)生了變化，不能像單軸試驗中的方法一樣進行分析；而且，巖石在三軸壓縮破壞的試驗過程中，巖石的破壞后還有大量的殘余強度，目前這方面的研究也有一定的進展。彭?。?4］等研究了基于一種脆性指標確定巖石殘余強度，得出了確定巖石殘余強度的一種方法；巖石的殘余強度與力學(xué)性質(zhì)有著必然的聯(lián)系相互影響［15-18］；朱建明［19］等利用Lade-Duncan和SMP這兩種強度準則對巖石的巖石殘余應(yīng)力和殘余強度進了詳細的研究。通過大量的研究和試驗發(fā)現(xiàn)，巖石的峰值強度和殘余強度有著密切的聯(lián)系，本文通過三軸壓縮試驗來研究巖石的峰值強度與殘余強度的關(guān)系規(guī)律以及變形特性和彈性模量隨圍壓變化的規(guī)律，以此達到為鎢礦床的安全高效開采提供指導(dǎo)作用。

1　試驗設(shè)備及試驗方法

1.1試驗設(shè)備

試驗機選用英國GDS公司生產(chǎn)的RTS-500型三軸流變儀，RTS-500型巖石三軸流變儀是一款優(yōu)質(zhì)的高溫高壓巖石三軸測試系統(tǒng)，可施加大量程荷載，它是基于高壓力荷載架的三軸試驗系統(tǒng)，專業(yè)用于巖石試樣的精準試驗。在外國的各科研單位及高校已得到較成熟地使用。RTS-500型巖石三軸流變儀可完成巖石單軸壓縮試驗、排水或不排水三軸壓縮試驗，單軸、三軸壓縮流變試驗，化學(xué)和溫度耦合試驗。高壓巖石三軸流變儀最大軸向載荷400 kN，圍壓范圍：0～32MPa，對50mm直徑試樣，可產(chǎn)生大于200MPa偏應(yīng)力，軸向力分辨率為±1/10 000，位移分辨率為0.1m，行程100mm。整個試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　GDS三軸流變儀試驗系統(tǒng)Fig.1　Experimentalsystem of GDS threeaxis rheogeniometer

1.2試驗方法

試件選取時按照《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266—2013）進行本次三軸壓縮強度試驗。試驗在礦區(qū)選取具有代表性的圍巖作為試驗材料，對事先選取的巖石進行常規(guī)三軸試驗（偽三軸壓縮試驗）方法。試驗開始時，同步施加圍壓和軸壓，加載速度以0.1 kN/s同時施加圍壓力和軸向壓力至預(yù)定圍壓值。其中圍壓加載由油壓控制器控制，加載速度為0.1 kN/s；軸壓加載采用載荷控制，加載速度為0.2 kN/s；然后施加軸壓，保持圍壓不變，施加軸壓直至試件完全破壞，過程采用載荷控制加載方式，加載速度為0.2 kN/s。試件破壞后，記錄破壞荷載。畫出不同圍壓狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖2　軸壓、圍壓控制器Fig.2　Controller for axialand confining pressures

2　數(shù)據(jù)處理及分析

2.1峰值強度與殘余強度的變化特性

圍壓不同會影響巖石的力學(xué)特性，圍壓不同，巖石的峰值強度及變形特性也不同，經(jīng)驗表明：圍壓越大，巖石的峰值強度越大，而且?guī)r石破壞后的殘余強度也會越大，當圍壓達到一定極限時，巖石的表現(xiàn)會呈現(xiàn)由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘奶攸c，而此時的巖石的殘余強度也與峰值強度相等。不同圍壓狀態(tài)下的巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖如圖3所示。

試驗一共選取了4個完整性較好的不同級別的圍壓（5MPa、10MPa、15 MPa、20 MPa）的灰?guī)r的巖石試件進行試驗，具體試驗試件見表1和圖4。

圖3　不同圍壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖Fig.3　Schem atic diagram of stressstrain curvesunder different confining pressures

表1　試驗試件尺寸統(tǒng)計Tab.1　Size statistics for experimentalspecimens

圖4　試驗試件Fig.4　Experimentalspecimens

在所有的試驗試件中選取了不具有離散型的一組進行分析，根據(jù)試驗所測得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理，得到了巖石的峰值強度及殘余強度，定義“峰殘差”為峰值強度與殘余強度的差值，具體數(shù)據(jù)見表2所示。

表2　不用圍壓灰?guī)r的峰值強度與殘余強度Tab.2　Thepeak strength and residualstrength of the rock without confining pressure

從表2可以看出巖石的峰值強度和巖石的殘余強度隨著圍壓的增大而增大，而峰值強度與其相應(yīng)的殘余強度的差值會隨著圍壓的增大而減小。通過試驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理后畫出不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，具體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5示。

圖5　不同圍壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5　Stress-strain curvesof different confining p ressures

由圖5可以明顯地發(fā)現(xiàn)：圍壓越大的巖石其峰值強度和殘余強度都越大，且隨著圍壓的增大巖石的峰值強度和殘余強度的差值越來越小。當圍壓達到20MPa時，巖石的峰值強度等于殘余強度，此時的巖石狀態(tài)達到臨界狀態(tài)，即塑性破壞狀態(tài)。圍壓增大巖石的峰殘差也會相應(yīng)減小，這一點可以證明巖石在高圍壓狀態(tài)下，其破壞后的支撐能力明顯增強，在一定程度上起到了分擔一部分支護能力的作用。

2.2峰值應(yīng)變-圍壓-殘余承載系數(shù)的變化規(guī)律

對試驗所得數(shù)據(jù)進一步處理及分析還發(fā)現(xiàn)：巖石破壞時，即峰值強度所對應(yīng)的軸向應(yīng)變隨著圍壓的增大有后移的現(xiàn)象，不同圍壓條件下的峰值強度所對應(yīng)的應(yīng)變，即峰值應(yīng)變也會隨著巖石圍壓的增大而增大。不同圍壓的峰值強度與殘余強度的差值與峰值強度的比值（這里稱之為“殘余承載系數(shù)”）也會發(fā)生變化，圍壓越大，殘余承載系數(shù)會相應(yīng)減小。應(yīng)變和殘余承載系數(shù)具體值及曲線見表3和圖6。

表3　不同圍壓下峰值強度對應(yīng)的應(yīng)變值Tab.3　Strain valuescorresponding to peak strength under different con fining pressures

圖6　峰值應(yīng)變-圍壓-殘余承載系數(shù)曲線Fig.6　Curve for peak strain-confining pressure-bearing residualcoefficients

由圖6中的峰值應(yīng)變-圍壓-殘余承載系數(shù)曲線可以明顯看出：隨著圍壓的增大，巖石的殘余承載系數(shù)在逐漸減小，這一點說明，圍壓越大，巖石破壞后的殘余強度越大，其起到支撐作用的能力越大，所以說在高圍壓狀態(tài)下的巖石即使被破壞了也具有支撐作用，為礦山安全支護和礦山經(jīng)濟起到了一定的積極作用；由表3和圖6可以發(fā)現(xiàn)，圍壓越大，峰值應(yīng)變也跟著增大，這說隨著圍壓的增大，巖石在軸向壓力的作用下出現(xiàn)了由脆性響應(yīng)到軟化響應(yīng)再到塑性響應(yīng)的變化過程。此規(guī)律可以指導(dǎo)礦山在圍壓增大的情況下，巖石的物理性質(zhì)發(fā)生了顯著的變化，進而要進行相應(yīng)的采礦設(shè)計的改變和相應(yīng)的安全措施應(yīng)對。

2.3不同圍壓下巖石的彈性模量變化規(guī)律

巖石的物理性質(zhì)有時也會影響巖石的力學(xué)性質(zhì)，巖石處在三軸應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的彈性模量的變化是否存在規(guī)律顯得尤為重要。取峰值強度與殘余強度中所研究的不同圍壓狀態(tài)下的巖石數(shù)據(jù)，計算出其不同圍壓下的巖石瞬時彈性模量，畫出瞬時彈性模量隨時間的變化關(guān)系曲線，如圖7所示。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，高圍壓狀態(tài)下的巖石的彈性模量會更大。在峰值前期，彈性模量隨著圍壓的增大而增大；在峰值后期，巖石的彈性模量會逐漸減小直至彈性模量為0。圍壓變化影響巖石的物理性質(zhì)的變化，進而會對巖石的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生很大影響。巖石的彈性模量在實際工程中至關(guān)重要，可以根據(jù)彈性模量的變化，來判斷巖石所賦存的力學(xué)環(huán)境，進而根據(jù)其力學(xué)行為做出相應(yīng)的施工設(shè)計，對于礦山安全經(jīng)濟的生產(chǎn)具有十分重要的意義。

圖7　彈性模量與時間的關(guān)系曲線Fig.7　Relation curvebetween elasticmodulusand time

3　結(jié)論

（1）圍壓越大的巖石其峰值強度和殘余強度都越大，且隨著圍壓的增大巖石的峰值強度和殘余強度的差值越來越小。

（2）巖石破壞時，即峰值強度所對應(yīng)的點的變形隨著圍壓的增大有后移的現(xiàn)象；隨著圍壓的增大，巖石的殘余承載系數(shù)在逐漸減小，這一點說明，圍壓越大，巖石破壞后的殘余強度越大，其起到支撐作用的能力越大，所以說在高圍壓狀態(tài)下的巖石即使破壞了也具有支撐作用。

（3）彈性模量隨著圍壓的增大而增大，圍壓變化影響巖石的物理性質(zhì)的變化，進而會對巖石的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生很大影響。

（4）通過三軸壓縮試驗來研究巖石的峰值強度與殘余強度的關(guān)系規(guī)律以及變形特性和彈性模量隨圍壓變化的規(guī)律，可以為鎢礦等金屬類礦山的安全高效開采提供指導(dǎo)作用。

［1］ 石求志.鎢礦床薄礦脈群開采空區(qū)及其處理研究［J］.中國鎢業(yè)，2010，25（3）：1-5.

SHIQiuzhi.Thin vein tungsten deposit stope and its treatment［J］. Chinese Tungsten Industry，2010，25（3）：1-5.

［2］ 冉少鵬，王蘇生，向志鵬.不同圍壓下水泥砂漿三軸壓縮試驗研究［J］.三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，37（6）：20-23.

RAN Shaopeng，WANG Susheng，XIANG Zhipeng.Expermental s tudy of m echanical c haracteristics of c ement m ortar under d ifferent c onfining p ressures［J］.Journal of China Three Gorges University（Natural Sciences），2015，37（6）：20-23.

［3］ 李斌，許夢國.三軸條件下完整巖石Hoek-Brown強度準則的改進［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2015，32（6）：1010-1016.

LIBin，XU Mengguo.Modified Hoek-Brown strength criterion for intact rocks under the condition of triaxial stress test［J］.Journal of Mining&Safety Engineering，2015，32（6）：1010-1016.

［4］ 鄧左民，李春.某鎢礦69#礦體開采穩(wěn)定性的三維有限元分析［J］.中國鎢業(yè)，2013，28（2）：14-17.

DENG Zuomin，LIChun.3D finite element analysis on themining stability of a tungsten mine's 69#orebody［J］.China Tungsten Industry，2013，28（2）：14-17.

［5］ WAWERSIKW R，F(xiàn)AIRHURATC.A study ofbrittle rock fractures inlaboratory compression experiments［J］.Journal International of Mechanicsand Mining Sciences，1970，7（5）：561-575．

［6］GOWD T N，RUMMEL F.Effect of confining pressure on the fracture behavior of a pozous rock［J］.Journal International of Mechanicsand Mining Sciences，1980，17（4）：181-240．

［7］ 張磊，王寶學(xué)，楊同.多級圍壓下巖石三軸試驗方法研究［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2007，147（3）：6-8.

ZHANG Lei，WANG Baoxue，YANG Tong.Research on three axis testmethod for rock under confining pressure［J］.Investigation Scienceand Technology，2007，147（3）：6-8.

［8］趙國彥，戴兵.不同應(yīng)力路徑下巖石三軸卸荷力學(xué)特性與強度準則研究［J］.巖土力學(xué)，2015，36（11）：3121-3127.

ZHAOGuoyan，DAIBing.Studyonmechanicalpropertiesandstrength criterion of rock under three differentstresspaths［J］.Rock and Soil Mechanics，2015，36（11）：3121-3127.

［9］ 井國慶，王子杰，施曉毅.多圍壓下三軸壓縮試驗與不可破裂顆粒離散元法分析［J］.工程力學(xué)，2015，32（10）：82-88.

JINGGuoqing，WANG Zijie，SHIXiaoyi.The analysisof three axis compression test and non rupture particle by the method of the finite elementmethod in the axis compression test［J］.Engineering Mechanics，2015，32（10）：82-88.

［10］王亞，萬文，趙延林，等.三軸壓縮下茅口灰?guī)r圍壓效應(yīng)的試驗研究［J］.礦業(yè)工程研究，2015，30（3）：50-55.

WANGYa，WANWen，ZHAOYanlin，etal.Experimental study on confining pressure effectof limestone in the three axis compression ［J］.Mining EngineeringResearch，2015，30（3）：50-55.

［11］林衛(wèi)星，柳小勝，歐任澤.充填體單軸壓縮蠕變特性試驗研究［J］.礦冶工程，2015，35（5）：1-3.

LIN Weixing，LIU Xiaosheng，OU Renze.Uniaxial compression creeptest for cementedtailings backfill［J］.Miningand MetallurgicalEngineering，2015，35（5）：1-3.

［12］曹周陽，杜秦文，王曉謀.變質(zhì)軟巖路堤填料特性的大型三軸試驗研究［J］.鐵道建筑，2015（9）：90-93.

CAOZhouyang，DUQinwen，WANGXiaomou.Large threeaxis test study on the filling characteristics of soft rock embankment［J］. Railway Construction，2015（9）：90-93.

［13］田洪銘，陳衛(wèi)忠，肖正龍，等.泥質(zhì)粉砂巖高圍壓三軸壓縮松弛試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2015，37（8）：1433-1439.

TIAN Hongming，CHEN Weizhong，XIAO Zhenglong，et al.Study on thethreeaxiscompression relaxation testofhighconfiningpressure of shalepowdersandstone［J］.Journal ofGeotechnical Engineering，2015，37（8）：1433-1439.

［14］彭俊，榮冠.基于一種脆性指標確定巖石殘余強度［J］.巖土力學(xué)，2015，36（2）：403-408.

PENG Jun，RONGGuan.Based on a brittle index to determine the residual strength of rock［J］.Rock and Soil Mechanics，2015，36 （2）：403-408.

［15］朱建明，程海峰，姚仰平.基于SMP強度準則的巖石殘余應(yīng)力與圍壓的關(guān)系［J］.煤炭學(xué)報，2013，38（增刊1）：43-48.

ZHU Jianming，CHENG Haifeng，YAO Yangping.Relationship between residual stress and confining pressure of rock based on SMPstrength criterion［J］.Journal of Coal Science，2013，38（supply1）：43-48.

［16］曹文貴，趙衡.基于殘余強度變形階段特征的巖石變形全過程統(tǒng)計損傷模擬方法［J］.土木工程學(xué)報，2012，45（6）：139-145.

CAOWengui，ZHAOHeng.A statistical damage simulationmethod for thewhole processof rock deformation based on the deformation characteristicsof residualstrength［J］.Journalof Civil Engineering，2012，45（6）：139-145.

［17］王瑞紅，李建林.循環(huán)加卸載對巖體殘余強度影響的試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（10）：2103-2109.

WANGRuihong，LIJianlin.Experimentalstudy on the influence of cyclic loading and unloading on the residual strength of rockmass ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29 （10）：2103-2109.

［18］劉文彬，唐春安，唐烈先.殘余強度特性對巖石宏觀破壞的影響［J］.巖土工程技術(shù)，2004，18（2）：59-63.

LIU Wenbin，TANGChunan，TANGLiexian.The influence of residual strengthcharacteristics onrockmacro damage［J］. GeotechnicalEngineering，2004，18（2）：59-63.

［19］朱建明，吳則祥.基于Lade-Duncan和SMP兩種強度準則的巖石殘余應(yīng)力研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31（8）：1715-1720.

ZHU Jianming，WU Zexiang.Study on residual stressof rock based on twostrengthcriterionofLade-Duncanand［J］.SMPChinese Journal ofRock Mechanicsand Engineering，2012，31（8）：1715-1720.

Experimental Study on the Characteristics of Rock Peak and Residual Deformation under Different Confining Pressures

CHENChen1，ZHUOYulong1，WANGXiaojun1，F(xiàn)ANGShengyong2，LIAOWeijun3，F(xiàn)ENGXiao1

（1.Key LaboratoryofMining Engineering in JiangxiProvince，JiangxiUniversityofScienceand Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China；2.Fenghuangshan Mining Limited Company，TonglingNonferrous，Tongling 244000，Anhui，China；3.JiangxiDajishan Tungsten Industry Limited Company，Ganzhou 341801，Jiangxi，China）

In order tomake themine can safe and efficientmining of deepmine three dimensional stress state of the rock The British GDS company's RTS-500 three axis rheometer conventional three axis compression test of deep rock，the stress-strain curve.Experimental results show thatwith the increase of confining pressure，peak strength and residual strength was gradually increasing trend；and the difference between the peak strength and residual strength is gradually reduced；confining pressure and residual strength with the increase of confining pressure，mine intensity corresponding to the rock strain increases；with the greater the confining pressure，the elasticmodulus of the rock appears to increase the phenomenon.The above is of great significance to the engineering stability of the actual construction and the supportdesign of rockmass.

confining pressure；peak strength；residual strength；peak strain；elastic modulus；triaxial compression experiment

TD325+.1

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.04.004

2016-04-25

國家自然科學(xué)基金資助項目（51304083）；江西省科技支撐計劃資助項目（20141BBE50005）；江西省創(chuàng)新基金資助項目（YC2015-S294）

陳辰（1989-），男，遼寧鞍山人，碩士研究生，主要從事工程巖體穩(wěn)定性分析與控制等方面的研究。

王曉軍（1979-），男，山西晉中人，博士，副教授，主要從事工程巖體穩(wěn)定性分析與控制等方面的研究與教學(xué)工作。