深部脆性岩石三轴卸荷实验研究.pdf

第 1 8卷第 7 期 2 0 0 9年 7月中国矿业 CI ll NA M I NI NG MAGAZl NE VoI ． 1 8。No ． 7 J u l y 2 0 0 9 漱0 深部脆性岩石三轴卸荷实验研究张军，杨仁树 1 ．中国矿业大学北京力学与建筑学院，北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ．华北科技学院安全工程学院，北京 1 0 1 6 0 1 摘要深井巷道支护成为影响安全、制约正常生产的主要因素，某些深部开采矿井的围岩没有表现出软岩的特性，顶板在冒落之前没有明显变形，表现为小变形、脆性破坏和顶板突然冒落的特性。本文根据煤矿现场复杂高应力脆性围岩巷道顶板变形、破坏实际，对其岩石试样进行了卸荷破坏三轴实验研究，研究深部复杂高应力脆性破坏围岩的变形、破坏机理及其力学特性，为深部脆性围岩巷道支护方案设计和优化提供有力支持。实验研究结果表明，在深部复杂高应力环境下，中等稳定脆性围岩巷道顶板破坏属于卸荷不平衡力引起的变形破坏，必须采用围岩一支护体之间的刚度、强度、变形相互耦合支护技术，才能有效防止巷道顶板发生剪切、错动或断裂破坏。关键词卸荷破坏；三轴实验；深部开采；脆性岩体中圈分类号 TD 3 2 2 ． I 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 9 0 7 0 0 9 1 0 3 Re s e a r c h o n me c h a n i c s p r o p e r t e s o f t h e d e e p b r i t t l e r o c k wi t h t r i a x i a l u n l o a di n g e x p e r i me n t ZHANG J u n ．YANG Re n - s h u 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d Ci v i l E n g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y Be i j i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a ；2 ． S a f e t y En g i n e e r i n g C o l l e g e o f No r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 1 6 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e p r o b l e ms o f r o a d wa y s u p p o r t h a v e b e e n r e s t r i c t i n g t h e d e e p c o a l mi n e ’ S s a f e a n d p r o d u c t i o n ． I t wi l l p u t u p l i t t l e d e f o r ma t i o n ，b r i t t l e b r e a k a g e a n d r o o f f a l l a b r u p t l y f o r b r i t t l e e n c l o s i n g r o c k i n s ome de e p mi n e s ． On t he ba s i s o f t h e s i t u a t ion br i t t l e s ur r ou ndi n g r o c k d e f o r ma t i o n a nd d e s t r o y， t h e r o c k’S t r i a x ia l u n l o a d i n g p r o p e r t y b e i n g r e s e a r c h e d i n t h i s p a p e r ．By t h e e x p e r i me n t r e s u l t s ，t O i n v e s t i g a t e t h e r o a d wa y ’ S r o o f d e f o r ma t i o n ，d e s t r o y a n d me c h a n i c s c h a r a c t e r i s t i c ，S O a s t o p r o v i d e s c i e n t i f i c ，r e a s o n a bl e a n d a p pr ov i ng a c c or di ng s f o r t he s u pp or t i n g de s i gn． I t c onc l u de d t h a t t h e d e f o r ma t i o n a n d de s t r oy o f mi d s t a b l e ，b r i t t l e s u r r o u n d i n g r o c k a r e d u e t O t h e u n l o a d i n g i mb a l a n c e s t r e s s i n t h e d e e p c o mp l e x ，l a r g e s t r e s s c on di t i on r oa d wa y ．Th e me as ur e t O c o nt r ol t he de l e t e r i ous de f or ma t i on，de s t r o y a nd i n d e e d r oo f f a l l i s c o upl e t he ’ r i gi d i t y，i nt e ns i t y a n d d e f o r ma t i o n b e t we e n t he s ur r o un di n g r oc k a n d s u pp or t e r ． An d ke e p r o a d wa y f r o m c u t t i n g ，s l e e k o r p a r t i n g d e s t r o y ． Ke y wor d sun l o a d i n g d e s t r oy； t r i a x i a l e x pe r i me nt ；de e p mi ni ng； br i t t l e r o c k 1 概述岩体卸荷变形、破坏现象在自然界中广泛存在。地下工程的开挖实际上是岩体在某一方面的应力得到牧稿日期 2 0 0 9 0 4 1 3 基金项目国家自然科学基金面向项目 5 0 7 7 4 0 8 6 ；国家自然科学基金面向项目 5 0 8 7 4 1 0 9 深井灾害防治作者简介张军 1 9 7 4 一，男，内蒙古化德人，华北科技学院，从事采矿工程专业教学、科研工作，2 0 0 4年 9月考人中国矿业大学北京，攻读岩土工程博士学位。释放，从而破坏了原有的力学平衡状态，在复杂应力作用下使岩体产生新的变形，甚至断裂、破碎。深部复杂高地应力条件下地下硐室开挖过程中发生的岩爆，就是一种典型的开挖卸荷引起围岩应力集中和降低相互作用造成应力差增大，使弹性区岩体卸荷导致应变软化区内岩体失稳破裂而产生的破坏现象[ 】 ] 。过去对巷道开挖岩体破坏的岩石力学实验研究一般都采用加荷试验方式，这与围岩破坏发生的应力途径并不完全吻合。本文采用岩石三轴卸荷试验的方法来探 9 2 中国矿业第1 8 卷讨深部巷道脆性围岩破坏岩石力学问题，认为顶板破坏是由于卸荷引起不平衡力超过岩体长期强度，造成刚性剪切、错动或滑移的变形破坏，证明三轴卸荷实验更符合巷道开掘过程实际。 2实验方法及过程 1 加载方式常规三轴加载后保持轴向位移不变，降低围压的位移控制方式。特点是卸荷过程中试验机轴向不再对岩样压缩做功，岩样破坏通过自身储存能量实现。 2 实验设备本论文利用日本 S h i ma d z u公司生产的全数字液压伺服三轴试验系统，采用位移控制方式，对试样进行了卸荷破坏的试验研究。岩石试件试样取自开滦集团吕家坨矿 9 煤层顶板，岩性为含泥岩、页岩夹层的粉砂岩，试件规格 q b 5 0 1 0 0 mm，数量 4个。 3 试验过程对三轴缸内的岩样依次增加轴压和围压，以免在加压过程中将岩样破坏，当轴向应力到达预定值小于三轴抗压强度，但远大于岩样的单轴抗压强度后，保持轴向位移不变，逐渐卸去围压使岩样破坏。 3试验结果分析 3 ． 1 破坏及变形特征卸荷岩样的破坏均表现为比较强烈的脆性破坏，破坏前可以听到由于裂纹扩展能量释放而产生的清脆破裂响声，破坏形式基本上是两个相互连接的剪切面共同实现对岩样的贯穿，另外多数岩样沿轴向存在相当数量的平行于轴向应力方向的劈裂面，这说明试样表现出张剪复合破坏的特征。轴向应力与应变关系如图 1 所示。； - ’ ． - l - - ．／， ’ 厂 } -／ 1∞ ．． I I ．一l - 4 5 0 05 l t ． 5 2 应变a I l e - 3 m m -一侧向应变e 2 恻向应变 *一俸霉廊变 v 图 1 卸荷过程轴向应力- 全应变关系曲线由图 1可以看出岩样在卸围压初始，便表现为明显的侧向扩容，出现体积膨胀。围压与环向应变关系如图 2所示。 - 3 5 l ／ ∞ i 应变 1 O e 一 3 ram ，一 2 。 5 ．． i -1 ． 5 - r ．‘ 一J - 0 5 v I f 侧向应变 lk侧向应变e 2 Ⅲ盘侧向应变￡ 3 ～侧向应变￡ 4 图 2 卸载过程中围压- 侧应变关系曲线由图 2可知在卸围压的初始阶段，岩样的环向变形增加不大，且环向变形和围压基本上呈线性关系，表明岩样的环向变形基本上是弹性变形。随着围压的降低，岩样环向出现塑性变形，试件内部的裂纹开始扩展、连通，最终形成一个贯通的裂纹而破坏。在此过程中，即使围压有很小的降低，环向变形也有较大的增长。 3 ． 2 强度特征轴向应力与围压关系如图 3 所示。 30 0 皇 2 5 0 20 0 黎 l 5 0 l 0 0 5 O O o 5 1 o 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 围雎 P a 图 3 三轴卸荷轴压一围压关系曲线由图 3以看出卸围压过程轴向应力的变化明显偏离直线，岩样的三轴承载能力由于围压的降低而不断降低，岩样强度降低。围压从 4 0 MP a减小到约 1 5 MP a 过程中，试件能承受的轴向应力降低很少，表明围压大于 1 5 MP a时岩石处于有效三向应力状态。当围压降低至 1 5 MP a以下时，试件轴向抗压强度急剧减小，说明当围压降低至 1 5 MP a 以下时，不足以阻止岩石试件的侧向变形所引起的破坏，不能形成有效的三向应力状态，岩样发生破坏，发生大幅度的应力降。试样破坏时的轴向应力和围压的关系如图 4所示。第 7 期张军等深部脆性岩石三轴卸荷实验研究圈 4 残余强度与围压关系曲线图 4曲线表明岩样破坏后随着围压的降低，残余承载能力也随之降低，且破坏后的轴向承载能力与围压成线性关系，说明围压对轴向承载能力的影响是很显著的。 3 ． 3 卸围压速率的影响不同围压卸载速率试验数据如表 1 所示。从试验结果来看，由于岩样的组成结构特征差异，强度分布有一定的离散性。这种结构特征使得岩样局部产生较大变形，局部变形的不均匀性使得其他部位处于较复杂的应力状态，导致试验结果的不同。表 1 不同圈压卸载速率试验结果试件 1 9 4 1 9 1 6 试件尺寸／ mmmm 施加围压／ MP a 轴压峰值／ MP a 卸荷速率／ s 残余强度／ MP a 侧应变峰值／ ] o mm 轴应变峰值／ l O mm 总体来说，围压降低速率愈小，岩样最后膨胀应变愈大。这说明卸围压速率越低，岩体内裂隙的传播和应力的转移就有充分的时间来完成，可以产生更多的破裂面，试件破碎得比较充分。反之，卸围压速率较快，裂隙的传播和应力的转移不充分，试件只能沿初始的破裂方向产生少数的几个破裂面，破坏也就更突然。 4 结论煤矿开采巷道开挖掘进过程是典型的卸荷破坏，在此过程中需根据围岩特性实施合理的支护措施，以达到巷道的长期稳定、安全和经济的目的。对于本文研究的深部复杂高应力脆性围岩的变形破坏特性，应从以下几个方面保证巷道的稳定性。 1 巷道开挖施工速度、施工工序要密切配合，空顶距不超过 3 m。 2 实现围岩一支护体的强度、刚度和变形耦合。围岩承受荷载不超过三轴卸荷残余强度的 6 O ，支护体的刚度、可缩量或延伸率与围岩的变形参数耦合。 3 深部复杂高应力围岩体的破坏属于刚性剪切、错动或滑移。锚杆支护应采用高强度、高刚度、延伸率较小的材料，棚式支护应选用可缩量小于 5 0 mm 的支护材料。 4 支护时机应在围压释放到原岩应力的 6 O ％之前进行。 _ 参考文献 [1 ] 万志军，赵阳升，董付科，等．高温及三轴应力下花岗岩体力学特性的试验研究 E J 3 ．岩石力学与工程学报，2 0 0 8 ， 2 7 1 7 2 7 7 ． 2] 孟召平，彭苏平，张慎河．不同成岩作用程度砂岩物理力学性质三轴试验研究 E J ] ．岩土工程学报，2 0 0 3 ，2 5 2 1 4 0 1 4 3 ． [3 ] 陈景涛，冯夏庭．高地应力下岩石的真三轴试验研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 6 ，2 5 8 1 5 3 7 1 5 4 3 ． 4] 王贵荣，任建喜．基于三轴压缩试验的红砂岩本构模型 E J ] ．长安大学学报自然科学版。2 0 0 6 ，2 6 6 4 8 5 l J [5 ] 卢允德，葛修润，蒋宇，等．大理岩常规三轴压缩全过程试验和本构关系的研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 4， 2 3 1 5 2 4 8 9 2 4 9 3． 7 6 6 咖 “ m 叭踟一㈣孔 “ m 帅 m 叭㈣