深部蛇纹岩岩爆倾向实验研究

汪为巍,易 远

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院,湖北 武汉430023)

深部蛇纹岩岩爆倾向实验研究

汪为巍,易 远

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院,湖北 武汉430023)

为使某矿区开采顺利进行，提前预防岩爆灾害的发生优显重要与关键，因此对该矿区深部蛇纹岩进行了单轴抗拉试验、抗压试验和加卸载试验，并在此基础上进行岩爆倾向性研究。在对岩石脆性分析的基础上，以岩石的脆性系数作为岩爆倾向性的衡量标准，分析了蛇纹岩的岩爆倾向性。试验结果表明，该矿区蛇纹岩脆性系数K>5,具有严重的岩爆倾向；此外还采用了冲击性能指标WCF作为判别依据，发现WCF>3，验证了该矿区蛇纹岩具有严重的岩爆倾向。最后提出多种防治岩爆发生的措施建议，为类似的矿区进行安全开采和工程建设提供一定的指导和借鉴，岩爆的倾向性研究也为工程安全施工和结构设计优化提供信息。

蛇纹岩；岩爆倾向性；岩爆；岩石的脆性系数；冲击性能指标

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

岩爆又称冲击地压、矿震，是采矿、隧道及水电等部门的开挖活动诱发的地震[1]。在煤矿、金属矿和各类隧道中均有发生。仅以煤矿为例，据1993年不完全统计，我国已有65对矿井发生此灾害[2]。随近年来我国矿井采深的增加此类灾害日益增加，因此对于岩爆预测的研究日益重要[3]。

某矿山铜矿床是国内大型的深部铜矿床，是国家十五重点建设项目。同时该铜矿也是岩爆问题比较突出的矿井。该铜矿床的底盘是蛇纹岩，直接涉及到采场底部结构的稳定性，因此对其力学性质测定和岩爆倾向性研究十分重要。

岩体的岩爆倾向性和极限应力状态是岩爆发生的两个基本条件。只有具备岩爆倾向性的岩体才会在极限应力状态下发生岩爆，为了进行岩爆的预测研究，首先必须研究岩体的岩爆倾向性。由于岩爆一般发生在坚硬的完整性较好的岩体中，所以岩爆倾向性一般用岩石的力学试验进行测定，笔者在对岩石脆性分析的基础上，利用岩石的单轴抗拉和抗压强度，峰前峰后应变值来计算岩石的脆性系数，认为该系数是衡量岩爆倾向性的一种尺度[4]，从岩石脆性的角度建立岩爆发生的岩性判别条件，对蛇纹岩的岩爆倾向性进行分析。

2 岩石脆性及脆性系数

岩爆作为一种工程灾害一直是国内外学者关注的焦点和研究的热门课题，而工程施工的复杂性决定了岩爆是由各种影响因素共同作用所导致的。岩爆现象是因为围岩应力分布不均从而使得围岩结构通过变形运动将其弹性贮能转化为动能的非线性动力失稳过程[5]。将岩石看作一个处于平衡状态的系统，其内部所能蕴含的能量必然有一个确定的上限值，也就是说，要破坏这个系统的稳定状态，额外功是必须的。当一个处于非稳定平衡的岩体受到扰动，该系统将会释放能量，而这部分能量就是岩爆现象中的动能。在岩爆破坏过程中，岩体脆性破坏和围岩结构的失稳破坏是最常见的现象，从这个层面上讲，可以认为岩爆与岩石的脆性破裂有关。

所谓脆性破裂，是指无任何破裂征兆的破裂形态。事实上，岩石破裂并不是纯弹性的破裂，因此脆性破裂是指那种伴随有很小的非弹性应变的破裂。在某些情况下，那些即使伴随有百分之几的非弹性应变的破裂，仍被视为脆性破裂，例如Heard(1987)认为只要破裂前应变不超过3%的破裂都可视为脆性破裂。此外，Singh[6]认为，岩石的脆性破坏是岩爆发生的必要条件之一，并提出可由两个不同公式确定岩石的脆性，即：

K1=(σc-σt)/(σc+σt).

(1)

K2=sinf.

(2)

式中K1,K2为脆性指标，f为岩石的内摩擦角，σc,σt分别为岩石的单轴抗压强度和抗拉强度。根据MohrCoulomb条件：

σ1=σc+σ3[(1+ sinf)/(1-sinf)].

(3)

其中K1,K2并不相互独立。另外，岩石的脆性还表现在单轴压缩条件下峰值前后应变差别上，岩石的脆性越明显，峰值后区的变形越小，也就是峰值前后应变(εf,εb)的比值越大，因此，可用峰值前后的应变之比来描述岩石的脆性，称之为脆性比:

Kε=εf/εb.

(4)

但在实践中，若单独使用式(1)或Kε来计算岩石脆性系数不能很好地反映岩石的脆性。故采用下式岩石的脆性系数:

(5)

式中K为岩石的脆性系数，α为调节参数，一般取0.1，目的是使K的数量级与其他指标相当，K值越大，表示岩石越脆。

3 实验过程

3.1 试验装置

本次试验全部在中南大学测试中心的INSTRON1342电液伺服控制材料试验机上完成。INSTRON1342型经过改造后可以完全由数字控制，可以得到完整、光滑的P—V曲线，在岩石等脆性材料力学性能的研究方面与普通试验机相比有着巨大的优越性。试验装置如图1所示。

图1 INSTRON 1342型电液伺服控制试验系统

3.2 试件来源和加工

本次试验从某铜矿760 m水平取回不规则岩块，钻取岩心，经高精度切割、磨平，加工出抗压和抗拉试件，如图2所示，试样规格如表1所示。

表1 加工后的试样规格

试件编号试件直径/mm试件高度/mm10336．3378．7310735．9276．5511135．8978．9411236．7277．1921137．4436．2021236．8339．4921337．3135．2621437．2137．97

图2 加工好的岩石试样

3.3 实验方法和实验结果

长试件高径比大于2∶1，做单轴抗压实验，得到完整的P—V曲线。短试件高径比接近1∶1，采用劈裂法测定岩石单轴抗拉强度。

试验严格按照以上设计方案和控制过程进行，以下是对试验结果进行数据整理和分析，如表2、表3所示。

表2 抗拉强度试验结果

试件编号Pmax/knΣt/Mpa21117．218．0921229．8513．0721324．7611．9821419．768．90平均值22．89510．51

压缩试件破坏后的照片如图3所示，纵向应力-应变曲线如图4所示。抗压强度试验结果见表3。

图3 单轴压缩试件破坏形态

图4 纵向应力应变曲线

表3 抗压强度试验结果

试件编号Pmax/knΣc/MpaE/Gpaμ103122．36118．0415．300．2110756．0955．3511．320．25111127．09125．6216．19112159．52150．6316．010．20

由于107试件属于局部破坏，因此不取其数据作为抗压参考强度，由103、111、112测定的抗压强度、弹性模量求平均值得：

σc= 131.43MPa.

E= 15.83GPa.

由103、107、112测得的泊桑比求平均值得：

μ= 0.22.

根据式：

c=(σc×σt)1/2/2.

tanФ=(σc-σt)/[2(σc×σt)1/2][7].

利用平均抗压、抗拉强度计算，求得：粘结力c=18.58 Mpa；内摩擦角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,因此蛇纹岩有着严重的岩爆倾向。

4 冲击性能指标

目前国内使用最为广泛的岩爆倾向性判别方法是冲击倾向性判据，而冲击性能指标便是其中一种判别指标[8]。计算公式如式(5)所示：

WCF=A1/A2.

(5)

其中A1，A2分别为岩石的全应力应变曲线的峰值前区下面的面积与峰值后区下面的面积。

对于计算式可以从能量做功的角度进行理解。峰值前区的面积可以认为岩石在进行能量储存，而应变曲线峰值后区的面积则可以理解为岩石消耗能量的过程[9]。如果后区面积太小，则会导致岩石内部所贮存的大量能量没有被消耗掉，那么这部分变形能将会随着卸载过程而转变为岩石的动能，从而引发岩爆。同理，如果前区面积太大，也有可能发生岩爆，因此将应变曲线的峰值前区面积与后区面积的比值(即两者的相对大小)作为岩爆倾向性的一种判断指标是有其合理性的。

综上所述，WCF越大，岩爆发生的可能性越大，众多学者经过实践经验总结出冲击性能指标的判别标准：

WCF>3.0 有严重岩爆倾向性;

2.0

WCF<2.0 无岩爆倾向性。

根据(5)式计算得：

所有试样WCF>3，也说明了该矿山蛇纹岩有严重的岩爆倾向。

5 结论与建议

从岩石本身物理力学性质来看，岩爆现象必然存在着岩石的脆性破坏，因此，用岩石的脆性系数来衡量岩爆倾向性具有其合理性。根据岩石脆性系数和冲击性能指标判别出某矿山蛇纹岩具有严重的岩爆倾向性，应提前做好预防措施。发生岩爆一般需要具备高应力和卸载两个特征，如果应力不高，不可能发生岩爆，而卸载就是能量转化的过程，将变形能转化为动能，没有这个过程，岩爆也不会发生。因此根据这个原理提出以下预防措施：

(1)利用开卸载槽来改变应力的分布，防止围岩产生应力集中现象。

(2)开挖时对关键位置进行支护，从而防止颗粒状和片状岩石发生弹射。

(3)开挖后应及时对空区进行填充，减少能量转化的空间，减少岩爆的发生。

[1] 齐庆新, 陈尚本, 王怀新,等. 冲击地压、岩爆、矿震的关系及其数值模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(11):1852-1858.

[2] 梁政国，张万斌.瞰我国十年来冲击地压的研究[J].阜新矿业学院学报，1990(9):27-29.

[3] 潘一山，章梦涛,王来贵.地下硐室岩爆的相似材料模拟实验研究[J].岩土工程学报，1997(6):49-56.

[4] 冯涛, 谢学斌, 王文星,等. 岩石脆性及描述岩爆倾向的脆性系数[J]. 矿冶工程, 2000, 20(4):18-19.

[5] 冯涛 岩爆机理与防治理论及应用研究(博士论文)[D].长沙:中南工业大学，1999.

[6] 卢廷浩. 高等土力学[M]. 北京：机械工业出版社, 2006.

[7] 靳晓光, 王艳, 林志,等. 西藏扎墨公路嘎隆拉隧道岩爆倾向性实验研究[J]. 山地学报, 2013, 31(1):114-119.

[8] 魏锦平, 邵轩, 牛国良,等. 泥岩分层的脆性对底板比压的影响特征研究[J]. 西安科技大学学报, 2013, 33(6):656-661.

[9] 柴文革, 高全臣, 李文利,等. 岩石材料峰后失稳破坏研究[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.

汪为巍(1981-)，男，博士，E-mail:1464427693@qq.com.

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

国家自然科学基金(11602183).

2095-7386(2017)03-0055-04

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.03.011

TD 313

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