沐興旺，唐琳，孫承超，王志修

(1.彝良馳宏礦業(yè)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(shù)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(zhì)力學環(huán)境越發(fā)復雜，巖體具有破碎、軟弱等復雜且難于取巖芯等特征?；诳焖佾@取巖石力學強度參數(shù)這一難題，國際巖石力學及我國相關(guān)部門推薦及制定了關(guān)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(guān)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(guān)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(xiàn)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(xiàn)場測試，獲得較好成果。張元胤等[4]針對6種點荷載試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得出點荷載強度與單軸抗壓強度具有高度的相關(guān)性。張建明等[5]建議采用點荷載強度指數(shù)IS50的二次函數(shù)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(tǒng)誤差小。李安平等[7]利用實際工程點荷載數(shù)據(jù)，采用四種常用點荷載強度計算方法并進行擬合，擬合結(jié)果具有很好的應用效果。朱江江等[8]研究了軟質(zhì)千枚巖形狀系數(shù)和加載點間距對點荷載強度的影響規(guī)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(guī)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(xiàn)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(qū)域為背景，分析巷道區(qū)域工程地質(zhì)情況，針對巷道區(qū)域的泥盆系巖組及石炭系巖組，在現(xiàn)場對不規(guī)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(shù)據(jù)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(qū)域巖體力學參數(shù)及制定相應支護措施提供依據(jù)。

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(fā)生破壞，記錄破壞荷載及破壞點距，最后通過相關(guān)標準推薦公式換算巖石強度值。相關(guān)研究結(jié)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(chǎn)生裂隙，主要為彎曲狀排列，隨著載荷增大，裂隙自然發(fā)展，直到裂紋與彈性拉應力區(qū)連接后，巖樣發(fā)生劈裂破壞，此時點荷載作用結(jié)束。由于760 m主運輸巷道為軟巖巷道，在不同區(qū)域所揭露的巷道壁中隨機選取規(guī)則和不規(guī)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(tǒng)點荷載試驗中的破壞點間距變?yōu)榈刃е睆竭@一參數(shù)，致使計算結(jié)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(shù)，將不規(guī)則形狀和尺寸的點荷載強度轉(zhuǎn)換為標準試件的點荷載強度，用點荷載強度指數(shù)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(shù)，MPa。

2 工程地質(zhì)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(tǒng)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(qū)石門坎背斜的頂部，張性裂隙發(fā)育，受附近F29等兩條較大斷層的切割，處于嚴重破碎狀態(tài)。巷道區(qū)域工程地質(zhì)情況見圖2，巷道破壞現(xiàn)場見圖3。

圖2 巷道區(qū)域工程地質(zhì)

圖3 巷道破壞現(xiàn)場

根據(jù)以往研究成果，礦區(qū)區(qū)域內(nèi)巖體強度普遍偏低，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層的物理力學參數(shù)見表1。

表1 礦區(qū)區(qū)域巖石物理力學參數(shù)

由于該巷道區(qū)域的巖體極為破碎，取樣較困難，同時，礦區(qū)區(qū)域巖石物理力學參數(shù)與該巷道圍巖巖石物理力學參數(shù)可能出現(xiàn)偏差，為快速準確地獲取該區(qū)域圍巖強度參數(shù)，在巷道區(qū)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(jù)。

760 m中段主運輸巷道現(xiàn)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?，F(xiàn)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(shù)顯巖石點荷載試驗儀進行試驗。

3 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)果見表2，統(tǒng)計分析結(jié)果見表3及圖4，數(shù)據(jù)箱形分析見圖5。由表2及表3可知，泥盆系白云巖試驗數(shù)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(shù)為29.43 MPa，數(shù)據(jù)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(shù)為12.73 MPa，數(shù)據(jù)標準差為6.39。

表2 點荷載試驗數(shù)據(jù)

表3 點荷載試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)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?guī)r）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(jù)圖5可知，泥盆系巖石單軸飽和抗壓強度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)箱形圖

基于以上數(shù)據(jù)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(shù)差距不大，石炭系（灰?guī)r）單軸飽和抗壓強度差距較大。

4 試驗結(jié)果應用

4.1 巖石堅硬程度劃分

從試驗結(jié)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(guī)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(qū)域，巖石強度軟弱也是石炭系巖組圍巖巷道發(fā)生大變形破壞的重要影響因素。

4.2 巖體強度分析

根據(jù)現(xiàn)場踏勘及揭露面的工程地質(zhì)調(diào)查可知，石炭系遇水泥化，取樣干燥后出現(xiàn)龜裂狀態(tài)，巷道內(nèi)淋水，石炭系區(qū)域?qū)儆跇O其軟弱狀態(tài)。泥盆系揭露面節(jié)理發(fā)育，節(jié)理以平直波浪狀為主，微風化，呈微張開狀態(tài)，局部有明顯充填物。結(jié)合現(xiàn)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(qū)域的巖體強度，并根據(jù)經(jīng)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(jié)理裂隙等因素的綜合考慮，認為現(xiàn)場點荷載試驗結(jié)果所反映的巖體物理力學性質(zhì)與客觀實際相符。

表4 泥盆系、石炭系巖石組強度

5 結(jié)論

（1）在復雜現(xiàn)場工況，尤其是在破碎、強度低、易風化工程地質(zhì)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(qū)域泥盆系地層飽和單軸強度較為離散，但均屬于堅硬巖，區(qū)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(zhì)，有助于為760 m主運輸巷道圍巖支護提供依據(jù)。