深埋坑道复杂围岩组合试件岩爆倾向性试验研究

田 宁

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，济南 250022)

0 引言

伴随着经济和社会的发展，越来越多的深埋工程呈现出“长、大、深、群”的特点，带来许多深部岩石力学问题，尤以岩爆最为突出。由于岩爆现象的复杂性，岩爆问题至今仍是岩石力学领域的世界性难题之一［1］。通过大量的工程实践及经验的积累，目前有效的岩爆防治措施有加固围岩、完善施工方法、改善围岩应力条件以及改变围岩性质等［2］。

由于岩性是决定岩石能否发生岩爆的内在固有因素，根据岩石室内试验结果评价岩爆的倾向性不失为一种既有效又经济的方法［3－4］。刘波等［5］对孙村煤矿－1 100 m的深部煤岩进行了组合试验研究，总结出了有关防治岩爆的措施;李丽娟［6］从能量角度对金川矿山深部岩样的岩爆倾向性进行了试验研究。可以看出，以上研究仅对煤岩、矿岩等岩样的岩爆倾向性做了较深入的试验研究，而对含有软弱夹层的岩样岩爆倾向性研究较少。本文以重庆某深埋坑道为背景，该处围岩是由含泥岩夹层的砂岩、粉砂岩构成的层状地层。通过对砂岩、泥岩及其组合试件进行一系列的室内试验，获得了岩爆倾向性定量评价结果，可为类似深埋工程岩爆防治提供借鉴。

1 复杂围岩物理力学性质试验

1.1 采样制样

将采样的砂岩、泥岩岩芯用锯石机、磨石机加工成相应尺寸，将加工好的砂岩、泥岩试件按不同高度比和不同组合形式用502胶粘接成为φ50 mm×100 mm标准试件，试件精度满足煤炭工业部标准《煤和岩石物理力学性质测定方法》的规定。其中，砂岩试件尺寸为φ50 mm×100 mm，编号为M1～M5;泥岩试件尺寸为φ50 mm×100 mm，编号为S1～S5;组合试件模型分成2组。

1)第1组。①砂岩与泥岩高度比为1∶1组合(MSA)，②砂岩与泥岩高度比为2∶1组合(MSB)，③砂岩与泥岩高度比为3∶1组合(MSC)。

2)第2组。泥岩、砂岩与泥岩高度比为1∶1∶1组合(MSD)。每组试样采用3个试件，每组中各试件依次编号为No.1～3。加工时满足砂岩、泥岩不同厚度比及组合成100 mm标准试件总高度的要求。如MSA1组试件(1∶1)由尺寸为φ50 mm×50 mm的泥岩试样与φ50 mm×50 mm的砂岩试样叠合粘接而成;MSB1组试件(1∶2)由尺寸为φ50 mm×33.3 mm的泥岩试样与φ50 mm×66.7 mm的砂岩试样叠合粘接而成，以此类推。部分组合试件试验前后照片如图1和图2所示。

1.2 试验设备

本次试验采用TAW－2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机，该试验机是岩石力学领域研究岩石在多种环境下的力学特性及剪切特性的先进试验设备，试验机的控制系统采用德国DOLI公司原装进口的EDC全参数伺服测控器。该试验机采用了岩石变形传感器对岩石在单轴和三轴状态下的轴向及径向变形进行直接测量，精确度高，可信度高。

1.3 试验内容

本次试验采用TAW－2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机，试验内容有单轴抗压强度试验、三轴抗压强度试验、动态破坏时间试验、弹性能量指数试验以及不同厚度比例的砂岩、泥岩组合试件冲击特性试验。泥岩、砂岩的力学性质测定结果如表1所示。

表1 泥岩、砂岩力学性质测定结果Table 1 Mechanical characteristics of mudstone and sandstone samples

由表1可以看出:开挖砂岩断面有泥岩夹层区域，其强度会比纯砂岩断面降低很多。从组合试件的力学性质测定结果可以得出，组合试件的单轴平均抗压强度介于砂岩与泥岩平均单轴抗压强度之间，且接近于泥岩平均抗压强度。同时可以看出，泥岩的力学性质与煤岩十分接近，因此，通过借鉴煤层冲击倾向指标来评判泥岩的岩爆倾向性是合理的。

2 组合试件岩爆倾向性试验与分析

2.1 试验原理

本试验试图通过借鉴煤炭行业关于煤层冲击倾向测定方法，依照国家现行标准MT 865—2000《煤层冲击倾向性分类及指标测定方法》和MT 866—2000《岩石冲击倾向性分类及指标测定方法》的有关规定，研究泥岩、砂岩及不同厚度比例的泥岩与砂岩组合试件的力学性质与动态破坏特性。煤层冲击倾向性按煤的冲击倾向指数值大小分3类，类别、名称及指数见表2。其中，动态破坏时间是指试件在单轴压缩状态下，从极限强度到完全破坏所经历的时间，单位为ms，用DT 表示［7］。

表2 煤层冲击倾向性分类、名称及指数Table 2 Classification and index of burst tendency of coal

岩石冲击倾向性指标为弯曲能量指数。岩石冲击倾向性分类按岩石冲击倾向性指数值的大小分3类，类别、名称及指数见表 3［8］。

表3 岩石冲击倾向性分类、名称及指数Table 3 Classification and index of burst tendency of rock

2.2 试验结果分析

泥岩试件、砂岩试件及其组合试件的应力－应变曲线如图3—5所示。

泥岩试件、砂岩试件及其组合试件动态破坏时间曲线如图6—9所示。从曲线上可以看出，动态破坏时间即从试件达到峰值强度到完全破坏所经历的时间。

由图6—9可以得出:在单轴压缩试验中，在0.5 MPa/s速度加载条件下，泥岩动态破坏峰值强度为38.2 MPa，加载时间为0.037 h;砂岩1∶1组合试件动态破坏峰值强度为70.7 MPa，加载时间为0.047 h，动态破坏时间为720 ms;泥岩与砂岩1∶2组合试件动态破坏峰值强度为61.95 MPa，加载时间为0.018 h，动态破坏时间为360 ms;泥岩与砂岩1∶3组合试件动态破坏峰值强度为63.99 MPa，加载时间为0.045 3 h。

从组合试件的测定结果可以得出:随着泥岩、砂岩厚度比的减小，动态破坏强度有所增加，破坏持续时间增长，岩爆倾向性加剧［9－11］。

通过对该处深埋坑道泥岩试件、砂岩试件进行室内岩爆倾向性试验，获得的判定结果如表4所示。

表4 泥岩与砂岩岩爆倾向判定结果Table 4 Rockburst tendency of mudstone and sandstone samples

3 深埋坑道砂岩浸水试验

为有效地防止岩爆灾害对施工的影响，对深埋试验坑道的砂岩试件进行了浸水前后强度变化研究，分别进行3组(非浸水试件、浸水7 d、浸水14 d)强度试验。砂岩浸水单轴抗压强度结果见表5。

表5 砂岩浸水单轴抗压强度结果Table 5 Uniaxial compressive strength of sandstone sample before and after water immersion

从浸水试验结果来看，砂岩试件浸水后的抗压强度都有下降，且下降幅度较大，因此，注水将能改变该处岩层的岩爆倾向状况。

4 结论与讨论

本文从深埋坑道围岩岩爆倾向性着手，进行了一些探索性试验工作。由于泥岩夹层的物理力学性质与煤岩十分相近，通过借鉴煤炭行业关于煤层冲击倾向性测定方法，研究了泥岩、砂岩及不同厚度比例的组合试件的力学性质与动态破坏特性，可为类似工程提供参考。

1)试验结果表明该处坑道砂岩、泥岩均具有弱岩爆倾向性，与现场施工时常有岩爆现象相吻合，同时也验证了借鉴煤炭行业有关煤岩冲击倾向标准来评判此处泥岩岩爆倾向性的方法是可行的。

2)通过对比不同厚度比例的泥岩与砂岩组合试件测定结果，得出该处深部坑道围岩的岩爆倾向性随着泥岩、砂岩厚度比的减小而增强，可为该深埋坑道施工遇泥岩夹层厚度变化时应加强防护措施提供试验依据。

3)通过对砂岩试件进行浸水试验，表明采用注水方法可以显著改变砂岩的物理力学性质，从而降低深部坑道围岩岩爆倾向性，可以做为现场岩爆防治措施加以考虑。同时，由于泥岩遇水会产生崩解，对于含有泥岩夹层地段则不宜采用注水方法。

［1］ 张镜剑，傅冰骏.岩爆及其判据和防治［J］.岩石力学与工程学报，2008(10):94 －102.(ZHANG Jingjian，FU Bingjun.Rockburst and its criteria and control［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008(10):94 －102.(in Chinese))

［2］ 王兰生，李天斌.二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题［M］.北京:地质出版社，2006.

［3］ 曹强，贾海波，廖卓.锦屏辅助洞岩爆特征及防治措施研究［J］.隧道建设，2009，29(5):36 －38，104.(CAO Qiang，JIA Haibo，LIAO Zhuo.Case study on characteristics and prevention and control measures of rock bursts in Jinping auxiliary tunnel［J］.Tunnel Construction，2009，29(5):36 －38，104.(in Chinese))

［4］ 汪波，何川，吴德兴.深埋特长隧道岩爆预测研究［J］.铁道工程学报，2009(11):47－51，70.(WANG Bo，HE Chuan，WU Dexing.Research on the prediction of rock outburst for deep-burying tunnel［J］.Journal of Railway Engineering Society，2009(11):47 －51，70.(in Chinese))

［5］ 刘波，杨仁树，郭东明，等.孙村煤矿－1100m水平深部煤岩冲击倾向性组合试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2004(14):91 －97.(LIU Bo，YANG Renshu，GUO Dongming，et al.Burst-prone experiments of coal-rock combination at-1100 m level in Suncun mine［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004(14):91 －97.(in Chinese))

［6］ 李丽娟.金川矿山深部岩石岩爆倾向性研究［D］.长沙:中南大学岩土工程学院，2009.(LI Lijuan.Study on rockburst proneness of deep-rock in Jinchuan mine［D］.Chang sha:Geotechnical Engineering College of Central South University，2009.(in Chinese))

［7］ MT 865—2000煤层冲击倾向性分类及指标测定方法［S］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［8］ MT 866—2000岩石冲击倾向性分类及指标测定方法［S］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［9］ 焦红星.高地应力区隧洞围岩稳定性分析［D］.南京:河海大学土木工程学院，2006.(JIAO Hongxing.Study on the stability of tunnel surrounding rocks in high geo-stress zone［D］.Nanjing:College of Civil Engineering of Hohai U-niversity，2006.(in Chinese))

［10］ 杜子建，许梦国，刘振平，等.工程围岩岩爆的实验室综合评判方法［J］.采矿工程，2006(11):30－34.(DU Zijian，XU Mengguo，LIU Zhenping，et al.Laboratory integrated evaluation method for engineering wall rock-burst［J］.Mining Engineering，2006(11):30 －34.(in Chinese))

［11］ 何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(16):6 －16.(HE Manchao，XIE Heping，PENG Suping，et al.Study on rock mechanics in deep mining engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(16):6 －16.(in Chinese))