基于单轴加卸载试验的千枚岩岩爆倾向性研究

李 淼，崔 明

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

基于单轴加卸载试验的千枚岩岩爆倾向性研究

李 淼1，2，崔 明1，2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

为研究具有层理结构岩石的岩爆倾向性，以西鞍山铁矿地区的层理千枚岩为研究对象，现场取样并加工为标准试样，使用刚性压力机进行单轴加卸载压缩试验。对试验结果进行分析，揭示了西鞍山铁矿地区千枚岩的破坏特征，在室内岩石力学试验的基础上，结合线弹性能判据(PES)及弹性能量指数(WET)对不同层理角度下的岩石岩爆倾向性定量分析。结果表明：千枚岩强度在加载方向与层理夹角为0°、90°时最高，30°、45°时较低，60°最低，总体呈现出U型变化规律；千枚岩的弹性模量随夹角的增大逐渐增大：PES、WET指标均显示，千枚岩的岩爆倾向性呈0°最大，90°次之，60°最小的类U型变化趋势。研究结果为在层理岩石内开拓巷道、确定巷道走向及进行巷道支护等方面提供了有益参考。

岩石力学；千枚岩；弹性能判据；弹性能量指数；岩爆预测；横观各向同性

受层理面影响，千枚岩的力学性质、强度特征等均表现出明显的各向异性。国内外学者对岩石的各向异性强度特征进行了大量研究。Jaeger等[1]对含层理岩石的各向异性特性进行了试验和理论分析，基于单弱面理论建立了层理岩石的破坏准则。Niandou等[2]研究了法国Tournemire地区页岩三轴压缩下的各向异性，研究了层理角度及围压对层理岩石破裂模式的影响。刘胜利等[4]对绿泥石片岩进行单轴压缩及巴西劈裂拉伸试验，并对不同层理角度下岩石的破裂模式进行了讨论。刘运思等[5]通过不同层理方向板岩的巴西劈裂试验，基于Hoek-Brown破坏准则推导了横观各向同性岩石的破坏准则。

国内外对层理岩石的岩石强度和破裂模式研究较多，但对层理岩石岩爆倾向性的各向异性研究较少。岩石工程中，岩爆严重威胁着施工人员的安全，可能造成巨大的经济损失。岩爆是岩石工程中围岩体的突然破坏，并伴随着岩体中应变能的突然释放，是一种岩石破裂过程失稳现象[6]。西鞍山铁矿上盘为千枚岩，下盘局部千枚岩，赋存深度最深可达1000m以上。深部开采在高地应力、高地温和强烈的开采扰动环境中，脆性岩体在深部高应力条件下易于产生岩爆[7]。

基于室内实验单轴压缩、常规三轴加卸载、真三轴加载岩爆实验的研究已经广泛开展。Kwasniewski M[8]提出了基于岩石单轴加卸载试验的弹性能判据(PES)及弹性能量指数(WET)指标。S.H.Cho等[9]提出了根据单轴加卸载实验的应力应变曲线预测岩爆发生的可行性。谷明成等[10]通过进行常规三轴加卸载实验，通过试验分析指出了不同应力状态下岩石破坏形式与岩爆的对应关系。

本文以西鞍山铁矿矿区深部千枚岩为研究对象，基于单轴加卸载试验，力图揭示矿区千枚岩的破坏强度及变形特征，并对不同层理角度下千枚岩的岩爆倾向性进行初判，结合线弹性能(PES)及弹性能量指数(WET)判据，获取不同节理角度下千枚岩的岩爆倾向性。

1 试验准备

1.1 试样制备

试验所用岩芯取自西鞍山矿区露头千枚岩。该地区千枚岩层理面较为发育，层间黏结力小容易因风化而开裂。选取受开采扰动相对较小的千枚岩，采集原始尺寸远大于200 mm×200 mm×200 mm 的岩块。

钻取岩芯时与层理面的夹角为0°、30°、45°、60°和90°。加工成标准试样Φ50 mm×100 mm，长度误差±0.5 mm，端面平行度±0.02 mm。每组层理角度3个试样。

图1 层理岩石加载示意图

1.2 试验设备和方案

本次试验是GAW-2000型微机控制电液伺服刚性压力试验机上进行。首先结合非循环加卸载试验成果，在加载初期均采用负荷控制模式进行加卸载试验，加载速度500 N/s，加载到峰值应力前卸载轴向负荷到0，卸载速度也500 N/s。当荷载强度接近峰值强度时，转换加载模式为变形控制，加卸载速率均为0.015 mm/min。加卸载过程中监测岩样的轴向应力、轴向应变。

2 试验结果及分析

试验获得的15块层理岩石试样的单轴循环加卸载试验结果见表1。剔除试验失败试样，各组层理角度下的岩石试样表现出较高的一致性。采用试样参数的平均值研究其规律变化具有科学性。

选取典型加卸载曲线分析应力应变曲线变化规律。由图2可知，不同层理角度下千枚岩的加卸载曲线相似，可分为四个阶段。①孔隙裂隙压密阶段：应力水平约为峰值强度的0～20%，该阶段的应力应变曲线呈上凹型。②弹性变形至微裂隙稳定发展阶段：应力随应变变化近似呈线性变化，该阶段岩石试样内部几乎不产生不可逆破裂，能量得以在试样内部聚集。③非稳定破裂发展阶段：微裂纹逐渐连接增长，破裂不断发展，直至破坏。④破裂后阶段：裂隙快速发展直至形成宏观断裂面，试件承载力迅速降低。

不同层理角度下，千枚岩的加卸载曲线不同。不同层理角度下，千枚岩进入孔隙裂隙压密阶段的强度不同，由图2可知：岩石的压密阶段随加载方向与层理夹角的增大而变小；不同层理角度，千枚岩的弹性模量、抗压强度不同。

图2 不同层理角度下典型加卸载曲线

不同层理角度千枚岩单轴压缩强度和力学参数结果的平均值见表1。

表1 不同层理角度千枚岩单轴试验力学性质

2.1 压缩强度的各向异性

Jeager[1]基于Mohr-Coulomb强度准则，建立单组节理岩石的破坏模型。模型与单节理岩石的破坏强度特性符合较好。节理岩石的破坏模式和强度随着加载方向与节理面间的角度变化而变化。

由表1得单轴抗压强度随层理角度变化规律见图3。由图3可知：千枚岩单轴压缩试验时，在层理角度为0～60°时，抗压强度逐渐降低；60～90°时，抗压强度逐渐升高，层理角度为60°时抗压强度最低。抗压强度随层理角度的变化曲线近似呈U型。由图可知，千枚岩的抗压强度与层理角度有关，表现为各向异性。在此定义抗压强度的各向异性程度(Rc)表达为式(1)。

(1)

式中：Rc为强度各向异性度；σcmax和σcmin分别为压缩强度的最大值和最小值。对该千枚岩，Rc=2.185，为中等程度各向异性。

图3 岩石抗压强度各向异性

2.2 弹性模量的各向异性

由于在试验中未监测岩石的横向应变，本文仅考虑岩石的弹性模量随层理角度的变化规律。

由表1可知，西鞍山铁矿地区千枚岩弹性模量随层理角度的增加呈现逐渐增加的趋势。这表明，控制层理岩石刚度的主要因素为层理角度。层理与加载方向平行时，由于层理弹性模量较低，在加载中层理间隙将主要控制岩石的弹性模量；随着加载方向与层理夹角的增大，控制岩石弹性模量的主要因素由层理之间间隙逐步变化为岩石本身的弹性模量，由于岩石本身弹性模量较大，岩石弹性模量也变大。

表1显示，千枚岩卸载弹性模量随层理角度的增大而增大。然而，岩石的加载及卸载弹性模量之差，随层理角度的增大而减小。这表明，随层理角度的增大岩石所产生的不可逆变在减小。

3 千枚岩岩爆倾向性

3.1 基于WET的岩爆倾向性判断

在岩石的加载过程中，岩石中存储的弹性应变能越多，岩石的不可恢复变形耗散能越小，岩石的冲击倾向性越大。定义弹性变形能与永久变形耗散能之比为弹性能量指数(WET)，用来表示岩石冲击倾向性，见图4。对不同层理角度的岩石进行单轴压缩试验，确定不同层理角度下试件的单轴抗压强度。根据获得的不同层理角度下的单轴抗压强度，进行单轴压缩加卸载试验，卸载强度为该层理角度下单轴抗压强度的80%。根据获得的不同层理角度下千枚岩的加载-卸载曲线，得到弹性能量指数WET，即岩体中的弹性能φsp与耗散能φst之比值。WET值越大，表明岩石的冲击倾向性越大，其数学表达式见式(2)～(5)。

(2)

(3)

(4)

(5)

Kwasniewski的研究表明，岩石的岩爆倾向性随WET的增大而增强。WET与岩石的岩爆倾向性的划分标准如下：①WET<2.0，无岩爆产生；②2.0≤WET<5.0，产生中等程度岩爆；③WET≥5.0，产生高强度岩爆。

根据式(2)～(5)，分别计算岩样在各个层理角度下的弹性能量指数，计算结果见表2。

图4 弹性能量指数示意图

表2 不同层理角度千枚岩岩爆倾向性判断指标

层理角度/°WETPES(kJ/m3)025710344302254495451891824601561315902394958

表2内数据表明，千枚岩的岩爆倾向性随层理角度的变化呈现出一定的规律性。层理角度为0°、90°时WET数值较大，岩爆倾向性相对较大；层理角度为30°、45°、60°时WET数值较小，岩爆倾向性较小，WET数值在层理角度为60°时达到最小值，表明此层理角度下岩爆倾向性最低。

3.2 基于PES的岩爆倾向判断

岩爆的产生一般需要以下条件：在岩体周围有产生岩爆所需的能量条件[11]；岩体能储备比较高的能量。本文使用表征岩爆倾向性大小的线弹性能量指数(PES)来预测千枚岩的岩爆倾向性[12]，如图5所示。在单轴压缩条件下，岩石达到峰值强度以前所贮存的弹性能PES计算见式(6)。

(6)

式中：σc为岩石单轴抗压强度；Es为岩石卸载切线模量。

Kwasniewski[8]认为岩石的岩爆倾向性与PES关系如下：①PES≤50 kJ/m3时，岩爆倾向性很低；②50200 kJ/m3时，岩爆倾向性水平非常高。

由式(6)计算各个层理角度下岩石贮存的弹性能，见表2。

线弹性能判据(PES)及弹性能量指数(WET)均表明，千枚岩岩爆倾向性与层理角度具有相关性。如图6所示，两种指标对比表明：千枚岩的层理角度在0～60°变化时，岩爆倾向性时逐渐减弱；千枚岩的层理角度由0～90°变化时，岩爆倾向性逐渐增强；层理角度为0°时，千枚岩岩爆倾向性最高，层理角度为60°时，千枚岩岩爆倾向性最低，90°时又小幅增强。

图5 千枚岩贮存弹性能(PES)示意图

图6 不同层理角度下岩爆倾向性指标对比

层理角度在0～60°范围内变化时，随层理角度增大，作为控制岩石的强度因素逐渐增强，在层理角度为60°时岩石强度为层理所控制，岩石内贮存的可恢复弹性能最小；层理角度为90°时，又为岩石本身强度所控制。部分研究工作者认为层理岩石没有岩爆倾向性，且层理岩石不适合进行岩爆倾向性判断。笔者认为，作为判断岩石岩爆倾向性判据的判断指标WET、PES，其应用并不局限于特定的岩石类型，仅与应力应变关系有关。根据应力应变曲线特征衍生的WET、PES指标仍然能够作为判断岩石岩爆倾向性的判据。

4 结 论

层理岩石的岩爆倾向性，作为一个科研课题一直受到科研工作人员的忽视。本文通过对西鞍山地区含有天然层理的岩石进行单轴加卸载试验。运用弹性能量指数(WET)、线弹性能判据(PES)对层理岩石的岩爆倾向性进行了分析研究。

1)千枚岩的岩石强度指标具有各向异性，其分布规律符合U型分布，单轴抗压强度在层理角度为60°时，达到最小值。

2)随层理角度的增加，千枚岩弹性模量、卸载弹性模量逐渐增大，增长速度逐渐减小。

3)千枚岩的岩爆倾向性具有各向异性，层理角度由0°到60°岩石的岩爆倾向性逐渐降低，层理角度由60°到90°时岩石岩爆倾向性逐渐升高。

层理岩石在深部赋存环境中，是否具有岩爆倾向性仍然有待现场的观测进行验证。

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Research into the rockburst of phyllite based on the uniaxial loading and unloading tests

LI Miao1，2，CUI Ming1，2

(1.School of Civil and Enviromental Engineering, University of Science & Technology Beijing，Beijing 100083，China； 2.Ministry of Education Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，University of Science & Technology Beijing，Beijing 100083，China)

To get the rockburst characteristics of layered rock during the loading and unloading process，phyllite in Xianshan iron mine was taken out and made into standard rock samples，uniaxial compression tests were carried out by using rock mechanical experimental rig.The experiment results indicate the failure characteristic and strength of anisotropic of the layered rock.Then，based on the results of laboratory tests in rock mechanics and field investigation，the rockburst tendency of rock samples with different layered angles are determined according to the potential energy of elastic strain (PES) and linear elastic energy criterion (WET).The results show that phyllite exhibit maximum uniaxial compressive strength (UCS) at 0°or at 90°，and minimum UCS at 60°.The elastic modulus of phyllite increases gradually when the layered angle increases from 0° to 90°.The rockburst tendency of phyllite was highest at 0°，lowest at 60° which was identified withPESandWET.The results of the research in rockburst tendency of phyllite provide a useful reference to tunnel excavation.

rock mechanics；bedding rock；PES；WET；rockburst prediction；transversely isotropic rocks

2016-06-28

国家自然科学基金项目资助(编号：51474016)

李淼(1988-)，男，河北元氏人，博士研究生，主要从事地下工程稳定性分析与控制技术等方面工作，E-mail：lomotoy@163.com。

TU457

A

1004-4051(2017)01-0151-05