基于点荷载试验确定巷道围岩强度指标的效果分析*

沐兴旺，唐琳，孙承超，王志修

(1.彝良驰宏矿业有限公司，云南 昭通市 657600； 2.矿冶科技集团有限公司，北京 100162)

0 引言

岩石点荷载试验是一种方便、快捷且费用低的岩石强度试验方法，测试的岩石强度参数具有一定的代表性。近年来，随着地下矿山开采深度不断增加，深部矿岩地质力学环境越发复杂，岩体具有破碎、软弱等复杂且难于取岩芯等特征。基于快速获取岩石力学强度参数这一难题，国际岩石力学及我国相关部门推荐及制定了关于点荷载试验标准及方法。近些年来，大量学者探索点荷载强度与岩石强度及岩体强度之间的关系，获得较多成果。Singh[1]通过试验得到点荷载强度与不同类型岩石的单轴抗压强度关系式。杨帆等[2]对不同风化程度与岩性的岩石，采用点荷载试验获得岩石等效单轴抗压与单轴抗拉强度，并对现场岩石强度进行了预测。文磊 等[3]提出了新的点荷载强度计算方法,并进行理论推导及现场测试，获得较好成果。张元胤等[4]针对6种点荷载试验结果进行统计分析，得出点荷载强度与单轴抗压强度具有高度的相关性。张建明等[5]建议采用点荷载强度指数IS50的二次函数估算岩石的单轴压缩强度较为合理。张国锋等[6]提出一种适用于泥岩点荷载测试的方法，该方法获得强度值的随机误差和系统误差小。李安平等[7]利用实际工程点荷载数据，采用四种常用点荷载强度计算方法并进行拟合，拟合结果具有很好的应用效果。朱江江等[8]研究了软质千枚岩形状系数和加载点间距对点荷载强度的影响规律。

前期研究表明，点荷载试验是一种方便、快捷测量岩石强度的试验方法，可针对复杂工况不规则岩石试件进行快速测试，尤其对于岩体破碎、不易取标准试件、易风化的岩样，可在现场进行试验，快速获取相应强度信息。

本文以云南毛坪矿760 m主运输巷道围岩变形破坏区域为背景，分析巷道区域工程地质情况，针对巷道区域的泥盆系岩组及石炭系岩组，在现场对不规则岩块进行点荷载强度试验，并且对试验岩块的破坏方式做了详细的记录。由于点荷载试验数据离散性较大的缺点，详细记录实验过程和岩样的破坏方式，利用国际岩石力学学会（ISRM）推荐的方法进行点荷载强度来估算单轴抗压强度，为快速确定该区域岩体力学参数及制定相应支护措施提供依据。

1 点荷载试验方法

1.1 点荷载试验测试方法

点荷载试验的主要过程是将岩样放置于上下 球形圆锥状挤压点之间，对岩样施加荷载，直至岩样发生破坏，记录破坏荷载及破坏点距，最后通过相关标准推荐公式换算岩石强度值。相关研究结果表明[9-10]，岩石点荷载试件在上下球形圆锥状挤压点的荷载作用下，其加载点面上主要为压应力，但在远离加载点一定距离外，岩石受到垂直加载轴方向的弹性拉应力。在加载点附近，产生裂隙，主要为弯曲状排列，随着载荷增大，裂隙自然发展，直到裂纹与弹性拉应力区连接后，岩样发生劈裂破坏，此时点荷载作用结束。由于760 m主运输巷道为软岩巷道，在不同区域所揭露的巷道壁中随机选取规则和不规则状的完整岩块作为测试试件，见 图1。

图1 试验岩样形状

1.2 点荷载试验强度计算方法

《测定点荷载强度的建议方法》是国际岩石力学学会（ISRM）建议的方法。该方法将传统点荷载试验中的破坏点间距变为等效直径这一参数，致使计算结果误差更小，得到广泛的应用，其中ISRM 法计算点荷载强度指标的主要公式是:

式中，De为试样的等效直径；D为破坏面两加载点的间距；W为破坏面的平均宽度；P为施加的荷载；IS为试样的点荷载强度。为消除岩样尺寸随机性所引起的误差影响，利用尺寸修正系数，将不规则形状和尺寸的点荷载强度转换为标准试件的点荷载强度，用点荷载强度指数换算单轴抗压强度：

式中，Rc为岩石饱和单轴抗压强度，MPa；为修正后的点荷载强度指数，MPa。

2 工程地质条件

彝良毛坪矿760 m中段主运输巷道为连接Ⅰ、Ⅱ矿体的重要运输通道，该巷道穿越石炭系下统万寿山组，该岩组属于含煤碎屑岩系，岩体松软，且运输巷道位于矿区石门坎背斜的顶部，张性裂隙发育，受附近F29等两条较大断层的切割，处于严重破碎状态。巷道区域工程地质情况见图2，巷道破坏现场见图3。

图2 巷道区域工程地质

图3 巷道破坏现场

根据以往研究成果，矿区区域内岩体强度普遍偏低，节理裂隙发育，岩层的物理力学参数见表1。

表1 矿区区域岩石物理力学参数

由于该巷道区域的岩体极为破碎，取样较困难，同时，矿区区域岩石物理力学参数与该巷道围岩岩石物理力学参数可能出现偏差，为快速准确地获取该区域围岩强度参数，在巷道区域分别选取泥盆系及石炭系典型样品开展点荷载试验（取样位置见图1），以期获得需要的点荷载强度指标和换算的饱和单轴抗压强度值，为支护工作等提供依据。

760 m中段主运输巷道现场试验选取的试样形状尺寸约为 50±35 mm，其中加载点间距与加荷点梯形截面中位线宽度的比值D/W位于0.3～1.0 之间。加载点离最近末端的距离L不小于 0.5D。现场选取岩样时，采用锯子或凿子对大尺寸岩块进行修正得到岩样，试验采用STDZ-3型数显岩石点荷载试验仪进行试验。

3 试验结果数据分析

试验结果见表2，统计分析结果见表3及图4，数据箱形分析见图5。由表2及表3可知，泥盆系白云岩试验数为10组，采用国标换算单轴饱和抗压强度相差较为悬殊，最大值达到83.59 MPa，最小值仅为8.12 MPa，均值为37.98 MPa，中位数为29.43 MPa，数据标准差为27.72；石炭系岩石的饱和单轴抗压强度较为均匀，最大值达到28.45 MPa，最小值为2.51 MPa，均值为13.27 MPa，中位数为12.73 MPa，数据标准差为6.39。

表2 点荷载试验数据

表3 点荷载试验数据分析

根据图4，泥盆系（白云岩）Weibull分布峰值强度在20～30 MPa之间，70%岩样强度低于40 MPa；石炭系（灰岩）Weibull分布峰值强度在10～15 MPa之间，58.8%岩样强度介于10～20 MPa之间。根据图5可知，泥盆系岩石单轴饱和抗压强度数据较为离散，50%的试样单轴饱和抗压强度在30 MPa以上，石炭系岩石单轴饱和抗压强度数据较均匀，均在30 MPa以下，60%样品在15 MPa以下。

图4 岩样强度分析

图5 试验数据箱形图

基于以上数据分析，泥盆系岩样单轴饱和抗压强度采用中位值（29.43 MPa）较为合理，石炭系岩样单轴饱和抗压强度采用均值（13.27 MPa）较为合理。对比表1中泥盆系（白云岩）单轴饱和抗压强度参数差距不大，石炭系（灰岩）单轴饱和抗压强度差距较大。

4 试验结果应用

4.1 岩石坚硬程度划分

从试验结果可以看出：泥盆系岩石的饱和单轴抗压强度基本都在30 MPa以上，按照国家规范《工程岩体分级标准》（GB/T 50218—2014），属于较坚硬至坚硬岩。石炭系岩组的岩石饱和单轴抗压强度较为均匀，均在30 MPa以下，60%样品在15 MPa以下，总体属于软岩至较软岩。同一区域，岩石强度软弱也是石炭系岩组围岩巷道发生大变形破坏的重要影响因素。

4.2 岩体强度分析

根据现场踏勘及揭露面的工程地质调查可知，石炭系遇水泥化，取样干燥后出现龟裂状态，巷道内淋水，石炭系区域属于极其软弱状态。泥盆系揭露面节理发育，节理以平直波浪状为主，微风化，呈微张开状态，局部有明显充填物。结合现场实际情况，将点荷载试验换算的岩石抗压强度进行折减计算，得到该区域的岩体强度，并根据经验公式换算岩石抗拉强度，具体见表4。通过岩石的坚硬程度、岩体密实情况以及节理裂隙等因素的综合考虑，认为现场点荷载试验结果所反映的岩体物理力学性质与客观实际相符。

表4 泥盆系、石炭系岩石组强度

5 结论

（1）在复杂现场工况，尤其是在破碎、强度低、易风化工程地质条件下，点荷载试验能够快速测定岩石破坏荷载，利用ISRM计算方法可以获得较为真实的饱和单轴抗压强度。

（2）区域泥盆系地层饱和单轴强度较为离散，但均属于坚硬岩，区域石炭系地层饱和单轴抗压强度均在30 MPa以下，60%样品在15 MPa以下，总体属于软岩至较软岩。

（3）点荷载试验快速获得的760 m主运输巷泥盆系及石炭系围岩物理力学性质，有助于为760 m主运输巷道围岩支护提供依据。