深部蛇紋巖巖爆傾向實驗研究

汪為巍,易 遠

(武漢輕工大學 土木工程與建筑學院,湖北 武漢430023)

深部蛇紋巖巖爆傾向實驗研究

汪為巍,易 遠

(武漢輕工大學 土木工程與建筑學院,湖北 武漢430023)

為使某礦區開采順利進行，提前預防巖爆災害的發生優顯重要與關鍵，因此對該礦區深部蛇紋巖進行了單軸抗拉試驗、抗壓試驗和加卸載試驗，并在此基礎上進行巖爆傾向性研究。在對巖石脆性分析的基礎上，以巖石的脆性系數作為巖爆傾向性的衡量標準，分析了蛇紋巖的巖爆傾向性。試驗結果表明，該礦區蛇紋巖脆性系數K>5,具有嚴重的巖爆傾向；此外還采用了沖擊性能指標WCF作為判別依據，發現WCF>3，驗證了該礦區蛇紋巖具有嚴重的巖爆傾向。最后提出多種防治巖爆發生的措施建議，為類似的礦區進行安全開采和工程建設提供一定的指導和借鑒，巖爆的傾向性研究也為工程安全施工和結構設計優化提供信息。

蛇紋巖；巖爆傾向性；巖爆；巖石的脆性系數；沖擊性能指標

Abstract：In order to make a mining smoothly,preventing the occurrence of rockburst in advance is very important and critical,so a series of tensile test,compression test and processing uninstall experiment was conducted.And the study on rockburst proneness was done on this basis.According to analysis of rock brittleness, the rock brittleness index was used as the yardstick of rockburst proneness to analyze the rockburst proneness in the mine.The test results show that the brittleness coefficients K are more than 5,the rock has strong rockburst proneness;The impact performance indicator WCFis also used as the yardstick and the results are more than 3,which validates the serpentine in the mining area has a serious rockburst proneness.Finally, a variety of measures to prevent rock burst were proposed,which provides reference and guides mine safety production and engineering construction in other similar mining areas.The study of rockburst proneness provides information for safe construction and optimizing design of construction.

Key words：Serpentine; rockburst proneness; rockburst; the rock brittleness indexes;the impact performance indicator

1 引言

巖爆又稱沖擊地壓、礦震，是采礦、隧道及水電等部門的開挖活動誘發的地震[1]。在煤礦、金屬礦和各類隧道中均有發生。僅以煤礦為例，據1993年不完全統計，我國已有65對礦井發生此災害[2]。隨近年來我國礦井采深的增加此類災害日益增加，因此對于巖爆預測的研究日益重要[3]。

某礦山銅礦床是國內大型的深部銅礦床，是國家十五重點建設項目。同時該銅礦也是巖爆問題比較突出的礦井。該銅礦床的底盤是蛇紋巖，直接涉及到采場底部結構的穩定性，因此對其力學性質測定和巖爆傾向性研究十分重要。

巖體的巖爆傾向性和極限應力狀態是巖爆發生的兩個基本條件。只有具備巖爆傾向性的巖體才會在極限應力狀態下發生巖爆，為了進行巖爆的預測研究，首先必須研究巖體的巖爆傾向性。由于巖爆一般發生在堅硬的完整性較好的巖體中，所以巖爆傾向性一般用巖石的力學試驗進行測定，筆者在對巖石脆性分析的基礎上，利用巖石的單軸抗拉和抗壓強度，峰前峰后應變值來計算巖石的脆性系數，認為該系數是衡量巖爆傾向性的一種尺度[4]，從巖石脆性的角度建立巖爆發生的巖性判別條件，對蛇紋巖的巖爆傾向性進行分析。

2 巖石脆性及脆性系數

巖爆作為一種工程災害一直是國內外學者關注的焦點和研究的熱門課題，而工程施工的復雜性決定了巖爆是由各種影響因素共同作用所導致的。巖爆現象是因為圍巖應力分布不均從而使得圍巖結構通過變形運動將其彈性貯能轉化為動能的非線性動力失穩過程[5]。將巖石看作一個處于平衡狀態的系統，其內部所能蘊含的能量必然有一個確定的上限值，也就是說，要破壞這個系統的穩定狀態，額外功是必須的。當一個處于非穩定平衡的巖體受到擾動，該系統將會釋放能量，而這部分能量就是巖爆現象中的動能。在巖爆破壞過程中，巖體脆性破壞和圍巖結構的失穩破壞是最常見的現象，從這個層面上講，可以認為巖爆與巖石的脆性破裂有關。

所謂脆性破裂，是指無任何破裂征兆的破裂形態。事實上，巖石破裂并不是純彈性的破裂，因此脆性破裂是指那種伴隨有很小的非彈性應變的破裂。在某些情況下，那些即使伴隨有百分之幾的非彈性應變的破裂，仍被視為脆性破裂，例如Heard(1987)認為只要破裂前應變不超過3%的破裂都可視為脆性破裂。此外，Singh[6]認為，巖石的脆性破壞是巖爆發生的必要條件之一，并提出可由兩個不同公式確定巖石的脆性，即：

K1=(σc-σt)/(σc+σt).

(1)

K2=sinf.

(2)

式中K1,K2為脆性指標，f為巖石的內摩擦角，σc,σt分別為巖石的單軸抗壓強度和抗拉強度。根據MohrCoulomb條件：

σ1=σc+σ3[(1+ sinf)/(1-sinf)].

(3)

其中K1,K2并不相互獨立。另外，巖石的脆性還表現在單軸壓縮條件下峰值前后應變差別上，巖石的脆性越明顯，峰值后區的變形越小，也就是峰值前后應變(εf,εb)的比值越大，因此，可用峰值前后的應變之比來描述巖石的脆性，稱之為脆性比:

Kε=εf/εb.

(4)

但在實踐中，若單獨使用式(1)或Kε來計算巖石脆性系數不能很好地反映巖石的脆性。故采用下式巖石的脆性系數:

(5)

式中K為巖石的脆性系數，α為調節參數，一般取0.1，目的是使K的數量級與其他指標相當，K值越大，表示巖石越脆。

3 實驗過程

3.1 試驗裝置

本次試驗全部在中南大學測試中心的INSTRON1342電液伺服控制材料試驗機上完成。INSTRON1342型經過改造后可以完全由數字控制，可以得到完整、光滑的P—V曲線，在巖石等脆性材料力學性能的研究方面與普通試驗機相比有著巨大的優越性。試驗裝置如圖1所示。

圖1 INSTRON 1342型電液伺服控制試驗系統

3.2 試件來源和加工

本次試驗從某銅礦760 m水平取回不規則巖塊，鉆取巖心，經高精度切割、磨平，加工出抗壓和抗拉試件，如圖2所示，試樣規格如表1所示。

表1 加工后的試樣規格

試件編號試件直徑/mm試件高度/mm10336．3378．7310735．9276．5511135．8978．9411236．7277．1921137．4436．2021236．8339．4921337．3135．2621437．2137．97

圖2 加工好的巖石試樣

3.3 實驗方法和實驗結果

長試件高徑比大于2∶1，做單軸抗壓實驗，得到完整的P—V曲線。短試件高徑比接近1∶1，采用劈裂法測定巖石單軸抗拉強度。

試驗嚴格按照以上設計方案和控制過程進行，以下是對試驗結果進行數據整理和分析，如表2、表3所示。

表2 抗拉強度試驗結果

試件編號Pmax/knΣt/Mpa21117．218．0921229．8513．0721324．7611．9821419．768．90平均值22．89510．51

壓縮試件破壞后的照片如圖3所示，縱向應力-應變曲線如圖4所示?？箟簭姸仍囼灲Y果見表3。

圖3 單軸壓縮試件破壞形態

圖4 縱向應力應變曲線

表3 抗壓強度試驗結果

試件編號Pmax/knΣc/MpaE/Gpaμ103122．36118．0415．300．2110756．0955．3511．320．25111127．09125．6216．19112159．52150．6316．010．20

由于107試件屬于局部破壞，因此不取其數據作為抗壓參考強度，由103、111、112測定的抗壓強度、彈性模量求平均值得：

σc= 131.43MPa.

E= 15.83GPa.

由103、107、112測得的泊桑比求平均值得：

μ= 0.22.

根據式：

c=(σc×σt)1/2/2.

tanФ=(σc-σt)/[2(σc×σt)1/2][7].

利用平均抗壓、抗拉強度計算，求得：粘結力c=18.58 Mpa；內摩擦角f=58.4.

εf/εb=6.3.

因此由式(1)，(2)，(4)可以得到：

K1=0.8519.

K2=0.8517.

K=7.878.

由于K>5,因此蛇紋巖有著嚴重的巖爆傾向。

4 沖擊性能指標

目前國內使用最為廣泛的巖爆傾向性判別方法是沖擊傾向性判據，而沖擊性能指標便是其中一種判別指標[8]。計算公式如式(5)所示：

WCF=A1/A2.

(5)

其中A1，A2分別為巖石的全應力應變曲線的峰值前區下面的面積與峰值后區下面的面積。

對于計算式可以從能量做功的角度進行理解。峰值前區的面積可以認為巖石在進行能量儲存，而應變曲線峰值后區的面積則可以理解為巖石消耗能量的過程[9]。如果后區面積太小，則會導致巖石內部所貯存的大量能量沒有被消耗掉，那么這部分變形能將會隨著卸載過程而轉變為巖石的動能，從而引發巖爆。同理，如果前區面積太大，也有可能發生巖爆，因此將應變曲線的峰值前區面積與后區面積的比值(即兩者的相對大小)作為巖爆傾向性的一種判斷指標是有其合理性的。

綜上所述，WCF越大，巖爆發生的可能性越大，眾多學者經過實踐經驗總結出沖擊性能指標的判別標準：

WCF>3.0 有嚴重巖爆傾向性;

2.0

WCF<2.0 無巖爆傾向性。

根據(5)式計算得：

所有試樣WCF>3，也說明了該礦山蛇紋巖有嚴重的巖爆傾向。

5 結論與建議

從巖石本身物理力學性質來看，巖爆現象必然存在著巖石的脆性破壞，因此，用巖石的脆性系數來衡量巖爆傾向性具有其合理性。根據巖石脆性系數和沖擊性能指標判別出某礦山蛇紋巖具有嚴重的巖爆傾向性，應提前做好預防措施。發生巖爆一般需要具備高應力和卸載兩個特征，如果應力不高，不可能發生巖爆，而卸載就是能量轉化的過程，將變形能轉化為動能，沒有這個過程，巖爆也不會發生。因此根據這個原理提出以下預防措施：

(1)利用開卸載槽來改變應力的分布，防止圍巖產生應力集中現象。

(2)開挖時對關鍵位置進行支護，從而防止顆粒狀和片狀巖石發生彈射。

(3)開挖后應及時對空區進行填充，減少能量轉化的空間，減少巖爆的發生。

[1] 齊慶新, 陳尚本, 王懷新,等. 沖擊地壓、巖爆、礦震的關系及其數值模擬研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2003, 22(11):1852-1858.

[2] 梁政國，張萬斌.瞰我國十年來沖擊地壓的研究[J].阜新礦業學院學報，1990(9):27-29.

[3] 潘一山，章夢濤,王來貴.地下硐室巖爆的相似材料模擬實驗研究[J].巖土工程學報，1997(6):49-56.

[4] 馮濤, 謝學斌, 王文星,等. 巖石脆性及描述巖爆傾向的脆性系數[J]. 礦冶工程, 2000, 20(4):18-19.

[5] 馮濤 巖爆機理與防治理論及應用研究(博士論文)[D].長沙:中南工業大學，1999.

[6] 盧廷浩. 高等土力學[M]. 北京：機械工業出版社, 2006.

[7] 靳曉光, 王艷, 林志,等. 西藏扎墨公路嘎隆拉隧道巖爆傾向性實驗研究[J]. 山地學報, 2013, 31(1):114-119.

[8] 魏錦平, 邵軒, 牛國良,等. 泥巖分層的脆性對底板比壓的影響特征研究[J]. 西安科技大學學報, 2013, 33(6):656-661.

[9] 柴文革, 高全臣, 李文利,等. 巖石材料峰后失穩破壞研究[J]. 路基工程, 2007, 2007(4):14-16.

Testing study on rockburst proneness of serpentine under a deep mine

WANGWei-wei,YIYuan

(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)

2017-05-08.

汪為巍(1981-)，男，博士，E-mail:1464427693@qq.com.

易遠(1994-)，男，碩士研究生，E-mail: 514211814@qq.com.

國家自然科學基金(11602183).

2095-7386(2017)03-0055-04

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.03.011

TD 313

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