不同应力环境下岩石力学属性及破坏模式研究*

罗 涛 高永涛 卢宏建

(1.北京科技大学土木与环境工程学院;2.辽宁工程技术大学矿业学院;3.河北联合大学矿业工程学院)

随着矿山多年开采，转入深部开采的矿山企业逐渐增加。深部矿体开采因其地应力高、围岩力学性质条件恶化，导致冲击性灾害的发生频率和强度增加。然而，因宏观征兆不明显、冲击过程短促、强度急剧猛烈、发生机理复杂等特征，使得冲击性灾害的研究进展缓慢，概念尚未统一、机理众说纷纭［1-2］。本研究选择典型矿山，通过采集不同应力环境的岩样后进行室内力学试验，研究不同受力条件下岩石的破坏模式及其力学属性表现规律，揭示采矿过程中岩爆可能发生的灾害类型及发生条件。

1 不同应力环境下的岩石力学试验

选择矿山不同区域的4个测点开展原始地应力测量，同时现场采集岩石样品做室内力学试验［3-4］。将岩石样品加工成直径40 mm、高80 mm的圆柱形试样，试验采用GAW－2000型微机控制电液伺服刚性压力试验机。试验结果见表1和图1。

表1 单轴刚性压缩试验结果

图1 4个样品单轴全应力－应变曲线

为了探讨围压对岩石力学属性的影响规律，开展了三轴降围压－增轴压试验和三轴固定围压试验。固定围压试验中选择原岩应力的最小主应力值，而对降围压－增轴压试验做出如下要求:初始轴压选择原岩应力的最大主应力值，初始围压选择中间主应力值;要求围压匀速下降而轴压同步增加，最好是围压降低至零或接近零(＜0.5 MPa)时岩石恰好被压破;选择仪器所能提供的最大轴向加载速率(800 N/s)。试验结果见表2、图2、表3及图3。

表2 三轴降围压－增轴压试验结果

图2 4个样品降围压－增轴压试验应力－应变曲线

表3 三轴刚性压缩试验结果

图3 4个样品三轴全应力－应变曲线

2 岩石破坏模式规律分析

由表1可知，同一采点处样品强度的离散性较大，五矿1测点最为严重。从破坏模式看，一矿、三矿和五矿2的样品均属剪切破坏，且X型剪切破坏最普遍，局部尤其是样品侧翼有显著的拉张裂纹，岩石越软弱则X型剪切破坏越普遍。五矿1测点，岩石强度较大，脆性较高，破坏模式均表现为拉张，几乎没有端部效应引起的锥体发育，从岩石属性分析，五矿1处发生岩爆的倾向性相对较高。

由表2可知，由于围压的限制使各测点处岩石强度有所提高，同时降低了单样间强度值的离散性。在破坏模式上均表现为向剪切破坏模式转变的趋势，X型剪切破坏减少而斜切型剪切破坏明显增加(见图4)。可见，围压是影响岩石强度和破坏属性的重要因素。但从C01和C06样品看，由于围压较小且在破坏瞬间下降为零，不足以改变其拉张破坏的特征，再次证明五矿1测点发生岩爆的倾向较大。

图4 X型剪切破坏与斜切型剪切破坏示意

由表3可知，固定围压条件使得各样品的强度显著提高，同时大大降低了单样间强度值的离散性。在岩石破坏模式上均表现为剪切破坏，且全部为斜切型剪切破坏模式。即使一度表现为拉张破坏的五矿1岩石也转变为剪切，且强度猛增至199.97 MPa。可见，围压条件足可以改变岩石的破坏模式。

综上可知，单轴受压的岩石中，软岩通常表现为X型剪切破坏，稍硬时表现为斜切型剪切破坏，硬岩通常表现为垂直于受压方向的条状或片状拉张破坏。随着围压增加，岩石强度明显提高，岩石普遍向剪切破坏模式靠拢。在高围压下，拉张破坏和X型剪切模式基本消失，即只有斜切型的剪切破坏一种类型。可见，随围压的提高，较软岩石破坏模式变化为X型剪切破坏→斜切型剪切破坏;较硬岩石的破坏模式变化为垂直受压方向的拉张破坏→斜切型剪切破坏。

3 围压对岩石残余强度的影响

研究发现，岩体抗压强度的决定性因素是内部节理和裂隙的普遍发育，致使岩体强度大幅度降低，且节理发育越多抗压强度就越低。鉴于岩体强度的这一属性与岩石破坏后的力学属性比较相似，岩石的残余强度可在一定程度上反映该类岩体的抗压强度。

分析不同围压条件下岩石的全应力－应变曲线(图1～图3)发现，不仅岩石的峰值强度相差很大，残余强度也明显不同。

(1)峰值强度规律。三轴条件下的峰值强度高于单轴条件下的强度。这是由于围压的存在，增强了破碎后岩体内岩块之间相互作用力，岩块间的相互挤压作用使岩体的整体强度大大提高。

(2)残余强度规律。假设岩石在某一围压P0下的峰值强度为Pm，对应残余强度为Pr，将比值

命名为岩石的强度系数［1］。在岩石力学试验基础上，统计获得强度系数与围压之间的关系见表4。

表4 不同围压条件下岩石的强度系数 MPa

由表4可知，随围压的增加，不仅是岩石残余强度显著提高，岩石强度系数也有明显增加。为了直观反映围压与强度系数的关系，先对同一测点处同一围压下的样品求得强度系数平均值，再将围压与相应强度系数的关系绘成曲线见图5。

图5 各取样点岩石强度系数－围压关系

由图5可知，三维受压条件对岩石的峰值强度和残余强度均有显著的增强效果。尤其是残余强度，不仅在绝对数值上提升很快，相对于同一试验中所得峰值强度的比值也大幅度提高。

此外，由全应力－应变曲线得知(见图3)，岩石破坏后的强度并非呈理想的平缓曲线，局部波动显著。若用岩石破坏后的某一强度值取代岩体的抗压强度，需要考虑尺寸效应以及二者解理裂隙发育的可比性问题。最简捷的方法是:用岩石的残余强度代替岩体强度，虽然略显保守，但对巷道支护参数的计算有更高的安全保障。该残余强度在一定程度上可以指导工程实践。

4 结论

(1)岩石的单轴抗压强度越高则脆性破坏越显著，宏观上越接近拉张破坏模式。

(2)岩石所受的围压越大则内部越容易发生剪切作用，宏观上越接近剪切破坏模式。

(3)软弱岩石随围压的增加，表现为X型剪切破坏向斜切型剪切破坏模式转化，坚硬岩石随围压的增加，表现为拉张破坏模式向斜切型剪切破坏模式转化。

(4)岩石的围压越高，获得的残余强度不仅绝对值越大，与峰值强度的比值也越大。

［1］ 李长洪，张吉良，蔡美峰，等.大同矿区地应力测量及其与地质构造的关系［J］.北京科技大学学报，2008，30(2):115-119.

［2］ 李长洪，蔡美峰，乔 兰，等.岩石全应力－应变曲线及其与岩爆关系［J］.北京科技大学学报，1999，21(6):513-515.

［3］ 蔡美峰，王金安，王双红.玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩爆综合预测［J］.岩石力学与工程学报，2001，20(1):38-42.

［4］ 彭 祝，王元汉，李廷芥.Griffith理论与岩爆的判别准则［J］.岩石力学与工程学报.1996，15(S):491-495.