王永增，孟磊磊，王 潤(rùn)，曹 洋，劉小剛，孟興濤

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114001；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為得到準(zhǔn)確的巖體力學(xué)參數(shù)，楊澤等[1]對(duì)云錫大屯錫礦巖石力學(xué)參數(shù)采用不同折減方法進(jìn)行對(duì)比分析，最終得到巖體力學(xué)參數(shù)推薦值；廖秋林等[2]針對(duì)節(jié)理化巖體提出E.Hoek法，詳細(xì)闡明如何采用E.Hoek法對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)；胡盛明等[3]引入地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI并結(jié)合Hoek-Brown巖體破壞準(zhǔn)則得出具體工程巖體力學(xué)參數(shù)估算值；盧書強(qiáng)等[4]指出節(jié)理巖體的變形模量無需做大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，應(yīng)用最新E.Hoek法便可以得到，還對(duì)GSI取值進(jìn)行說明。

本文測(cè)定了齊大山露天礦受損邊坡中混合巖、滑石片巖及綠泥片巖3種主要巖性力學(xué)參數(shù)，在巖石力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)齊大山鐵礦的地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)確定RMR值，將巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減換算成巖體力學(xué)參數(shù)。

1 巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定

齊大山鐵礦東幫受損邊坡巖體范圍按照地質(zhì)勘探線以及巖性大致劃分為三個(gè)大區(qū)域，如圖1所示。區(qū)域Ⅰ：地質(zhì)勘探線660～860范圍，主要巖石性質(zhì)為混合巖；區(qū)域Ⅱ：地質(zhì)勘探線2 600～3 000范圍，主要巖石性質(zhì)為混合巖、綠泥片巖；區(qū)域Ⅲ：地質(zhì)勘探線3 250～3 400范圍，主要巖石性質(zhì)為滑石片巖、綠泥片巖。

根據(jù)以上三個(gè)區(qū)域巖樣情況和試驗(yàn)室條件，試驗(yàn)試件采用長(zhǎng)方體，嚴(yán)格按照中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》(DZ/T 0276.1—2015)[5]要求切割標(biāo)準(zhǔn)試件，如圖2所示。

1.1 基本物理性質(zhì)測(cè)定

使用游標(biāo)卡尺和電子天平分別獲取試件的幾何尺寸與重量。通過下式計(jì)算巖石容重：

(1)

式中：γ—巖石容重，kN/m3；W—巖樣的重量，kN；V—巖樣的體積，m3；g—重力加速度，m/s2。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 巖石試樣力學(xué)參數(shù)匯總表Table 1 Summary of rock sample mechanics parameters

1.2 抗壓試驗(yàn)

使用液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石抗壓試件進(jìn)行加載。在保證試件上下面受力均勻的前提下，通過控制加載速度直至試件破壞。采用下式計(jì)算試樣的抗壓強(qiáng)度：

(2)

式中：R—試件單向抗壓強(qiáng)度，MPa；P—試件破壞載荷，kN；A—試件初始斷面積，cm2。

由表1可知，東幫受損邊坡巖石的抗壓強(qiáng)度總體不高，最高也不到100 MPa。所試驗(yàn)的勘探線3 000～3 250的滑石片巖在自然條件下平均單軸抗壓強(qiáng)度僅為19.20 MPa，飽水條件下平均抗壓強(qiáng)度低至11.21 MPa，較自然條件降低了41.6%，屬于軟巖，需要對(duì)含滑石片巖的局部邊坡進(jìn)行削坡或加固處理；勘探線660～860的混合巖在自然條件下平均抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到78 MPa，強(qiáng)度較高，飽水條件下較自然條件抗壓強(qiáng)度降低17.2%；勘查線2 600～3 000的綠泥片巖在自然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為53.67 MPa，飽水條件下較自然條件抗壓強(qiáng)度降低19.68%。通過對(duì)三種巖石試驗(yàn)前后巖樣觀察并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度主要受礦物組成影響，同種巖性不同巖樣由于微裂縫、順向節(jié)理、垂直節(jié)理的存在也會(huì)影響巖石抗壓強(qiáng)度。對(duì)于滑石片巖此類軟巖，遇水易軟化，從而使得巖石抗壓強(qiáng)度大幅度降低，遇到持續(xù)降雨的天氣需注意含此類巖石的邊坡穩(wěn)定性。

1.3 抗拉試驗(yàn)

巖石抗拉強(qiáng)度通過劈裂法測(cè)定。采用式(3)計(jì)算試樣的抗拉強(qiáng)度：

(3)

式中：RL—試件單向抗拉強(qiáng)度，MPa；P—試件破壞載荷，kN；D—試件高度，cm；L—試件厚度，cm。

由表1可知，自然條件下巖石抗拉強(qiáng)度從高到低依次是：混合巖、綠泥片巖、滑石片巖。其中混合巖抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到7.80 MPa，綠泥片巖可以達(dá)到5.89 MPa，抗拉強(qiáng)度最低的是滑石片巖，僅為2.76 MPa。但滑石片巖只在東南幫局部邊坡出露，所以東幫邊坡巖石整體抗拉能力不低。

1.4 抗剪試驗(yàn)

通過變角度剪切法測(cè)定巖石抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)機(jī)作用于模具上的荷載分解為垂直和平行于剪切方向的正壓力和剪應(yīng)力，采用式(4)計(jì)算試件所受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力：

(4)

式中：σα—垂直于剪切方向的正壓力，MPa；τα—平行于剪切方向的剪應(yīng)力，MPa；P—作用于剪切面上的總法向載荷，N；α—模具的傾角，(°)；A—試樣受剪面的面積，mm2。

經(jīng)過對(duì)自然條件、飽水條件下滑石片巖中4個(gè)角度(35°、45°、55°、65°)正應(yīng)力與剪應(yīng)力數(shù)據(jù)采集，繪制如圖3所示的滑石片巖抗剪強(qiáng)度曲線。然后采用線性回歸公式計(jì)算其內(nèi)聚力c，內(nèi)摩擦角φ：

τα=c+σαtanφ

(5)

式中：c—巖石內(nèi)聚力，MPa；φ—巖石內(nèi)摩擦角，(°)。

混合巖與綠泥片巖的內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ采用同樣方法獲得。

自然條件下混合巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為16.24 MPa和36.00°，飽水條件下混合巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為10.56 MPa和34.21°，飽水條件較自然條件其內(nèi)聚力和摩擦角分別降低了34.9%和4.97%?；瑤r飽水條件較自然條件其內(nèi)聚力和摩擦角分別降低了38.8%和6.89%。綠泥片巖飽水條件較自然條件其內(nèi)聚力和摩擦角分別降低了30.39%和4.85%。對(duì)比分析兩種條件下內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角降低幅度可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)聚力的下降幅度明顯高于內(nèi)摩擦角的下降幅度，這說明水對(duì)所測(cè)巖石內(nèi)聚力的影響程度大于對(duì)內(nèi)摩擦角的影響程度。三種巖性飽水條件較自然條件其內(nèi)聚力均降低1/3左右，內(nèi)摩擦角降低均在10%以內(nèi)。

1.5 變形參數(shù)試驗(yàn)

將電阻應(yīng)變片粘貼于抗壓試件上，使得在測(cè)定巖石抗壓強(qiáng)度的同時(shí)得到變形參數(shù)。試件受到壓縮后應(yīng)變片也會(huì)受到壓縮，通過電橋裝置將變形轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，通過變阻應(yīng)變儀放大后，就可以得到應(yīng)變值。然后采用式(6)計(jì)算彈性模量與泊松比：

(6)

式中：E—彈性模量GPa；μ—泊松比；σ50—50%抗壓強(qiáng)度，MPa；εa50—應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度50%時(shí)的縱向應(yīng)變；εe50—應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度50%時(shí)的橫向應(yīng)變。

自然條件下三種巖石的彈性模量都不高，混合巖為39.1 GPa，滑石片巖低至0.68 GPa，綠泥片巖為10.4 GPa，混合巖泊松比為0.28，綠泥片巖泊松比為0.29，滑石片巖泊松比為0.32。彈性模量的大小反映了巖石的致密程度，彈性模量越大巖石強(qiáng)度越高，但泊松比正好相反，泊松比越大巖石強(qiáng)度越低。泊松比變化范圍小，但稍微變動(dòng)就會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算值產(chǎn)生大的影響，彈性模量的數(shù)值變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算值的影響相對(duì)于泊松比較小。

2 巖體力學(xué)參數(shù)的確定

采用最新Hoek-Brown法對(duì)巖石抗拉、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行折減，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)巖石彈性模量進(jìn)行折減，運(yùn)用費(fèi)森科法對(duì)巖石抗剪參數(shù)進(jìn)行折減。

2.1 Hoek-Brown法

2002年，Hoek-Brown對(duì)1980年提出的狹義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則重新修訂，提出了考慮巖體結(jié)構(gòu)特征、表面粗糙度等有關(guān)的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，形成了廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則[6]，其表達(dá)式為：

(7)

mb=mi·exp[(GSI-100)∕28]

(8)

式中，σ1—巖體破壞時(shí)的最大主應(yīng)力，MPa；σ3—巖體破壞時(shí)的最小主應(yīng)力，MPa；σc—巖塊試件的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；mb—巖體的Hoek-Brown常量；mi—組成巖體的完整巖塊的Hoek-Brown常數(shù)；s，α—取決于巖體特性的常數(shù)。

對(duì)于GSI>25的巖體：

(9)

對(duì)于GSI<25的巖體：

(10)

通過地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)圖取得的GSI值缺乏客觀性且很難量化，通常依據(jù)巖石地質(zhì)力學(xué)分類RMR法與地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI法之間的換算關(guān)系(GSI=RMR-5)估算GSI值[7-8]。

2.2 巖體單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度求解

巖體的單軸抗壓強(qiáng)度σcm可由式(7)中令σ3=0求出：

(11)

巖體抗拉強(qiáng)度σtm可由式(7)中令σ3=σ1求得，表明巖體處于三軸受拉情形：

(12)

2.3 關(guān)于彈性模量折減

采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)彈性模量折減，公式如下[9]：

(13)

式中：RF—折減系數(shù)；Em—巖體彈性模量，MPa；El—巖石彈性模量，MPa；RMR為按照RMR法對(duì)巖體各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)綜合后得到的具體數(shù)值。

2.4 內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的求解

對(duì)于齊大山露天礦東幫受損邊坡，巖石強(qiáng)度并不高且存在大量不連續(xù)面，本次內(nèi)聚力折減采用費(fèi)森科法更合理。該方法著重考慮巖體強(qiáng)度受節(jié)理面切割，公式如下：

(14)

式中：H—巖體高度，根據(jù)采場(chǎng)實(shí)際情況，取30 m；L—巖體中結(jié)構(gòu)面平均間距，m；a—取決于巖石強(qiáng)度和巖體結(jié)構(gòu)面分布特征的系數(shù)。

對(duì)于混合巖a取4，對(duì)于滑石片巖和綠泥片巖，a取3[10]。結(jié)構(gòu)面平均間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到，混合巖為0.170 m、滑石片巖為0.076 m、綠泥片巖為0.122 m。

對(duì)于內(nèi)摩擦角φ值，一些學(xué)者在分析大量的巖石實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，歸納出經(jīng)驗(yàn)公式，提出完整無節(jié)理面硬巖的tanφk為巖體tanφm的1.1～1.2倍[11]。本次將巖石的tanφk取折減系數(shù)為0.9，得出巖體的內(nèi)摩擦角φ值。

2.5 巖體力學(xué)參數(shù)折算

先依據(jù)齊大山鐵礦的地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)確定RMR值，然后轉(zhuǎn)換為GSI值。mi的取值可參照相關(guān)表查取[12]。通過式(8)和式(9)求得Hoek-Brown計(jì)算參數(shù)mb和s的值。σc為巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度，最后得到巖體力學(xué)參數(shù)折減表，結(jié)果見表2。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)折減表Table 2 Reduction results of mechanical parameters of rock mass

利用式(11)和式(12)折算出巖體的單軸抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，利用式(13)對(duì)彈性模量進(jìn)行折減，內(nèi)聚力c利用式(14)計(jì)算，內(nèi)摩擦角φ通過將巖石的tanφk取折減系數(shù)為0.9后計(jì)算出。折減結(jié)果見表3。

表3 礦區(qū)折減后巖體力學(xué)參數(shù)表Table 3 Mechanical parameters of rock mass after reduction in mining area

3 結(jié)論

通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)得出齊大山鐵礦東幫局部邊坡巖石力學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明：混合巖、綠泥片巖、滑石片巖在飽水條件，單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力和摩擦角較自然條件都有不同程度降低，三種巖性飽水條件較自然條件其內(nèi)聚力均降低1/3左右，內(nèi)摩擦角降低均在10%以內(nèi)，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。通過巖體力學(xué)參數(shù)折減法，得出了露天礦東幫邊坡3種主要巖體較為準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)，為安全開采過程中邊坡穩(wěn)定計(jì)算提供依據(jù)。