齐大山铁矿露天边坡岩体力学参数确定

王永增，孟磊磊，王 润，曹 洋，刘小刚，孟兴涛

(1.鞍钢集团矿业有限公司，辽宁 鞍山 114001；2.辽宁工程技术大学 土木工程学院，辽宁 阜新 123000)

为得到准确的岩体力学参数，杨泽等[1]对云锡大屯锡矿岩石力学参数采用不同折减方法进行对比分析，最终得到岩体力学参数推荐值；廖秋林等[2]针对节理化岩体提出E.Hoek法，详细阐明如何采用E.Hoek法对岩体力学参数进行评价；胡盛明等[3]引入地质强度指标GSI并结合Hoek-Brown岩体破坏准则得出具体工程岩体力学参数估算值；卢书强等[4]指出节理岩体的变形模量无需做大量现场试验，应用最新E.Hoek法便可以得到，还对GSI取值进行说明。

本文测定了齐大山露天矿受损边坡中混合岩、滑石片岩及绿泥片岩3种主要岩性力学参数，在岩石力学参数的基础上，依据齐大山铁矿的地质资料和现场地质勘测确定RMR值，将岩石力学参数进行折减换算成岩体力学参数。

1 岩石物理力学参数测定

齐大山铁矿东帮受损边坡岩体范围按照地质勘探线以及岩性大致划分为三个大区域，如图1所示。区域Ⅰ：地质勘探线660～860范围，主要岩石性质为混合岩；区域Ⅱ：地质勘探线2 600～3 000范围，主要岩石性质为混合岩、绿泥片岩；区域Ⅲ：地质勘探线3 250～3 400范围，主要岩石性质为滑石片岩、绿泥片岩。

根据以上三个区域岩样情况和试验室条件，试验试件采用长方体，严格按照中华人民共和国地质矿产行业标准《岩石物理力学性质试验规程》(DZ/T 0276.1—2015)[5]要求切割标准试件，如图2所示。

1.1 基本物理性质测定

使用游标卡尺和电子天平分别获取试件的几何尺寸与重量。通过下式计算岩石容重：

(1)

式中：γ—岩石容重，kN/m3；W—岩样的重量，kN；V—岩样的体积，m3；g—重力加速度，m/s2。试验结果见表1。

表1 岩石试样力学参数汇总表Table 1 Summary of rock sample mechanics parameters

1.2 抗压试验

使用液压式压力试验机对岩石抗压试件进行加载。在保证试件上下面受力均匀的前提下，通过控制加载速度直至试件破坏。采用下式计算试样的抗压强度：

(2)

式中：R—试件单向抗压强度，MPa；P—试件破坏载荷，kN；A—试件初始断面积，cm2。

由表1可知，东帮受损边坡岩石的抗压强度总体不高，最高也不到100 MPa。所试验的勘探线3 000～3 250的滑石片岩在自然条件下平均单轴抗压强度仅为19.20 MPa，饱水条件下平均抗压强度低至11.21 MPa，较自然条件降低了41.6%，属于软岩，需要对含滑石片岩的局部边坡进行削坡或加固处理；勘探线660～860的混合岩在自然条件下平均抗压强度可以达到78 MPa，强度较高，饱水条件下较自然条件抗压强度降低17.2%；勘查线2 600～3 000的绿泥片岩在自然状态下抗压强度为53.67 MPa，饱水条件下较自然条件抗压强度降低19.68%。通过对三种岩石试验前后岩样观察并结合试验结果，发现抗压强度主要受矿物组成影响，同种岩性不同岩样由于微裂缝、顺向节理、垂直节理的存在也会影响岩石抗压强度。对于滑石片岩此类软岩，遇水易软化，从而使得岩石抗压强度大幅度降低，遇到持续降雨的天气需注意含此类岩石的边坡稳定性。

1.3 抗拉试验

岩石抗拉强度通过劈裂法测定。采用式(3)计算试样的抗拉强度：

(3)

式中：RL—试件单向抗拉强度，MPa；P—试件破坏载荷，kN；D—试件高度，cm；L—试件厚度，cm。

由表1可知，自然条件下岩石抗拉强度从高到低依次是：混合岩、绿泥片岩、滑石片岩。其中混合岩抗拉强度可以达到7.80 MPa，绿泥片岩可以达到5.89 MPa，抗拉强度最低的是滑石片岩，仅为2.76 MPa。但滑石片岩只在东南帮局部边坡出露，所以东帮边坡岩石整体抗拉能力不低。

1.4 抗剪试验

通过变角度剪切法测定岩石抗剪强度。试验机作用于模具上的荷载分解为垂直和平行于剪切方向的正压力和剪应力，采用式(4)计算试件所受的正应力和剪应力：

(4)

式中：σα—垂直于剪切方向的正压力，MPa；τα—平行于剪切方向的剪应力，MPa；P—作用于剪切面上的总法向载荷，N；α—模具的倾角，(°)；A—试样受剪面的面积，mm2。

经过对自然条件、饱水条件下滑石片岩中4个角度(35°、45°、55°、65°)正应力与剪应力数据采集，绘制如图3所示的滑石片岩抗剪强度曲线。然后采用线性回归公式计算其内聚力c，内摩擦角φ：

τα=c+σαtanφ

(5)

式中：c—岩石内聚力，MPa；φ—岩石内摩擦角，(°)。

混合岩与绿泥片岩的内聚力c、内摩擦角φ采用同样方法获得。

自然条件下混合岩的内聚力和内摩擦角分别为16.24 MPa和36.00°，饱水条件下混合岩的内聚力和内摩擦角分别为10.56 MPa和34.21°，饱水条件较自然条件其内聚力和摩擦角分别降低了34.9%和4.97%。滑石片岩饱水条件较自然条件其内聚力和摩擦角分别降低了38.8%和6.89%。绿泥片岩饱水条件较自然条件其内聚力和摩擦角分别降低了30.39%和4.85%。对比分析两种条件下内聚力和内摩擦角降低幅度可以发现，内聚力的下降幅度明显高于内摩擦角的下降幅度，这说明水对所测岩石内聚力的影响程度大于对内摩擦角的影响程度。三种岩性饱水条件较自然条件其内聚力均降低1/3左右，内摩擦角降低均在10%以内。

1.5 变形参数试验

将电阻应变片粘贴于抗压试件上，使得在测定岩石抗压强度的同时得到变形参数。试件受到压缩后应变片也会受到压缩，通过电桥装置将变形转化为电阻值的变化，通过变阻应变仪放大后，就可以得到应变值。然后采用式(6)计算弹性模量与泊松比：

(6)

式中：E—弹性模量GPa；μ—泊松比；σ50—50%抗压强度，MPa；εa50—应力为抗压强度50%时的纵向应变；εe50—应力为抗压强度50%时的横向应变。

自然条件下三种岩石的弹性模量都不高，混合岩为39.1 GPa，滑石片岩低至0.68 GPa，绿泥片岩为10.4 GPa，混合岩泊松比为0.28，绿泥片岩泊松比为0.29，滑石片岩泊松比为0.32。弹性模量的大小反映了岩石的致密程度，弹性模量越大岩石强度越高，但泊松比正好相反，泊松比越大岩石强度越低。泊松比变化范围小，但稍微变动就会对边坡稳定性计算值产生大的影响，弹性模量的数值变化对边坡稳定性计算值的影响相对于泊松比较小。

2 岩体力学参数的确定

采用最新Hoek-Brown法对岩石抗拉、抗压强度进行折减，运用经验公式对岩石弹性模量进行折减，运用费森科法对岩石抗剪参数进行折减。

2.1 Hoek-Brown法

2002年，Hoek-Brown对1980年提出的狭义Hoek-Brown强度准则重新修订，提出了考虑岩体结构特征、表面粗糙度等有关的地质强度指标，形成了广义Hoek-Brown准则[6]，其表达式为：

(7)

mb=mi·exp[(GSI-100)∕28]

(8)

式中，σ1—岩体破坏时的最大主应力，MPa；σ3—岩体破坏时的最小主应力，MPa；σc—岩块试件的单轴抗压强度，MPa；mb—岩体的Hoek-Brown常量；mi—组成岩体的完整岩块的Hoek-Brown常数；s，α—取决于岩体特性的常数。

对于GSI>25的岩体：

(9)

对于GSI<25的岩体：

(10)

通过地质强度指标图取得的GSI值缺乏客观性且很难量化，通常依据岩石地质力学分类RMR法与地质强度指标GSI法之间的换算关系(GSI=RMR-5)估算GSI值[7-8]。

2.2 岩体单轴抗压强度和抗拉强度求解

岩体的单轴抗压强度σcm可由式(7)中令σ3=0求出：

(11)

岩体抗拉强度σtm可由式(7)中令σ3=σ1求得，表明岩体处于三轴受拉情形：

(12)

2.3 关于弹性模量折减

采用经验公式对弹性模量折减，公式如下[9]：

(13)

式中：RF—折减系数；Em—岩体弹性模量，MPa；El—岩石弹性模量，MPa；RMR为按照RMR法对岩体各项指标进行评价综合后得到的具体数值。

2.4 内聚力和内摩擦角的求解

对于齐大山露天矿东帮受损边坡，岩石强度并不高且存在大量不连续面，本次内聚力折减采用费森科法更合理。该方法着重考虑岩体强度受节理面切割，公式如下：

(14)

式中：H—岩体高度，根据采场实际情况，取30 m；L—岩体中结构面平均间距，m；a—取决于岩石强度和岩体结构面分布特征的系数。

对于混合岩a取4，对于滑石片岩和绿泥片岩，a取3[10]。结构面平均间距根据现场测量得到，混合岩为0.170 m、滑石片岩为0.076 m、绿泥片岩为0.122 m。

对于内摩擦角φ值，一些学者在分析大量的岩石实验数据的基础上，归纳出经验公式，提出完整无节理面硬岩的tanφk为岩体tanφm的1.1～1.2倍[11]。本次将岩石的tanφk取折减系数为0.9，得出岩体的内摩擦角φ值。

2.5 岩体力学参数折算

先依据齐大山铁矿的地质资料和现场地质勘测确定RMR值，然后转换为GSI值。mi的取值可参照相关表查取[12]。通过式(8)和式(9)求得Hoek-Brown计算参数mb和s的值。σc为岩石试件的单轴抗压强度，最后得到岩体力学参数折减表，结果见表2。

表2 岩体力学参数折减表Table 2 Reduction results of mechanical parameters of rock mass

利用式(11)和式(12)折算出岩体的单轴抗压强度及抗拉强度，利用式(13)对弹性模量进行折减，内聚力c利用式(14)计算，内摩擦角φ通过将岩石的tanφk取折减系数为0.9后计算出。折减结果见表3。

表3 矿区折减后岩体力学参数表Table 3 Mechanical parameters of rock mass after reduction in mining area

3 结论

通过室内岩石力学试验得出齐大山铁矿东帮局部边坡岩石力学参数。实验表明：混合岩、绿泥片岩、滑石片岩在饱水条件，单轴抗压强度、内聚力和摩擦角较自然条件都有不同程度降低，三种岩性饱水条件较自然条件其内聚力均降低1/3左右，内摩擦角降低均在10%以内，对边坡稳定不利。通过岩体力学参数折减法，得出了露天矿东帮边坡3种主要岩体较为准确的力学参数，为安全开采过程中边坡稳定计算提供依据。