永安煤矿巷道岩体各向异性力学试验分析

　　摘    要：　永安煤矿巷道围岩以层状白云质灰岩为主，实践表明围岩岩体不同方向力学参数差异明显，具有典型的各向异性力学特征。采用原位试验对巷道围岩进行力学特性试验是获取各向异性力学参数的有效方法。现场通过夹角α(0°、30°、45°、60°、90°)进行岩体变形试验，成果显示随着夹角α的增加，岩样的抗压强度、变形模量均呈先减小后增加的“U”型变化规律；以不同夹角β(0°、45°、90°)进行原位剪切试验，成果显示不同夹角峰、残余强度差异明显，其中摩擦角衰减程度不同，黏聚力则变化较小。根据试验成果分析，其主要原因为岩体受力过程中节理裂隙受力变形的空间方位以及岩石各向模量的差异。

　　关键词：　层状围岩; 力学特性; 原位试验; 岩体各向异性; 夹角;

　　Abstract：　The surrounding rock of coal roadway is mainly bedded dolomitic limestone. The practice shows that the mechanical parameters of surrounding rock vary obviously in different directions, and it has typical anisotropic mechanical properties. It is an effective method to obtain anisotropic mechanical parameters by in-situ test. The in-situ rock mass deformation tests were carried out at different angles(0°, 30°, 45°, 60°, 90°). The results show that the curves obtained at different angles have different deformation laws. With the increase of angle α, the compressive strength and deformation modulus of rock samples decrease first and then increase in a“U”shape, with different angles of β(0°, 45°, 90°). The results of in-situ shear tests show that there are obvious differences in peak angle and residual strength, among which the attenuation degree of friction angle is different, while the cohesion changes slightly. According to the analysis of experimental results, the main reasons are the spatial orientation of joint and fracture deformation and the difference of rock modulus in each direction during the process of rock mass loading. The research results provide the basis for the mining scheme, stability evaluation and protective measures of the roadway.

　　Keyword：　layered surrounding rock; mechanical properties; in-situ test; anisotropy of rock mass; included angle;

　　岩体力学性质是一切岩体工程设计支护以及评价的基础，长期以来都是研究重点，当然也是难点。目前，在实际工程中，通常是把岩体看作均质、连续、各向同性的弹性介质来处理[1,2,3]，然而实际工程中岩体呈现各向异性力学特征。大量学者对此进行了研究，表明各向异性变形与强度特性、加载方向、结构特征等有关[4,5]。Taval lali和A.Vervoort[6,7]对层状砂岩进行了劈裂试验，发现层状岩体抗拉强度的各向异性特点非常明显，并获得了岩体横观各向异性破坏的强度公式；刘杰等[8]考虑岩体各向异性特性下的深埋高地应力隧洞开挖卸荷作用，提出了针对层状岩体变形参数的卸荷弱化方法。

　　获取并确定工程岩体各向异性的力学性质参数是进行工程设计支护、稳定性评价的基础依据，必不可缺。目前确定岩体变形参数的方法包括理论计算法[9]、现场试验法[10,11]、经验参数法[12,13]和数值分析法[14,15]等。但是各种力学参数的获取方法均在缺陷。经验参数法经济实用，但区域性、主观性强，取值随意性大，缺乏客观的依据[16]；理论计算和数值分析结果推测岩体力学参数为1种快速且经济的方法，但需要与可靠的本构模型结合才能相得益彰，同时相关研究中大多是考虑结构面参数对岩体各向异性变形的影响，没有系统完整地描述岩体所处的环境和状态对变形参数各向异性特征的影响；而现场大尺寸试验设备要求规范，操作水平高。根据大量实践证明，岩体现场大型试验测试力学参数直观性强，较为真实可靠[17,18,19]。

　　基于上述岩石力学参数获取的优缺点和可靠度考虑，以贵州黔西南永安煤矿306#巷道围岩为研究对象，采用现场大型原位试验，分别进行层状岩体不同受力方向的承压、剪切试验，获取各向异性的力学参数值和演化规律，提出巷道设计支护、稳定性评价采用岩体各向异性的新思路和依据。
 

　　1 、工程概况及试验方案

　　1.1、 工程概况

　　永安煤矿位于黔西南扬子江台地的云贵高原，织金背斜北西一翼。306#巷道处于地面以下250.0～300.0 m，围岩为三叠系法郎组（T2f）中-下统层状白云质灰岩，岩层倾角为27°～32°，节理较发育。巷道断面直墙拱形，宽度为3.5～4.5 m，平均为4.0 m，拱高为1.0～1.5 m，平均为1.2 m，直墙为1.8～2.5 m，平均为2.1 m。

　　1.2、 试验方案

　　采用现场原位大型试验，避免室内试验尺寸或岩体应力状态的影响。试验目的为获取巷道围岩各向异性力学参数，包括承压板变形测试、岩体抗剪测试。岩体变形试验采用标准刚性承压板法，在巷道侧壁以及底部开凿试样，清除表层碎石，保证起伏差小于5.0 mm，同时采用高强度水泥浆抹平。岩体变形试验分为5组，夹角α依次为0°、30°、45°、60°、90°，其中α为承压板作用力与岩层层面或层理的夹角。岩体抗剪试验在拟定试验部位凿切边50cm×50 cm×30 cm的方形试样，然后在试样顶部及四周浇注高强度混凝土保护罩，致使剪切试样不扰动，并预留剪切缝。岩体剪试验分为3组，夹角β依次为0°、45°、90°，其中β为剪切面与岩层层面或层理的夹角。试验严格按照相关岩土工程规范的程序和标准进行，在此不详细叙述具体过程。

　　2、 岩体各向异性力学试验及分析

　　2.1、 岩体变形试验

　　巷道围岩变形特征是设计支护以及稳定性评价的重要参数。在实际工程中围岩所受压力存在差异，如果变形过大，则引起巷道整体变形破坏。岩体变形是岩块材料和结构变形的总和，通常情况下，岩体结构变形起着控制作用[20]。因此，现场原位试验避免了室内试验只针对岩石而非岩体的变形，其结果更符合实际工程。通过绘制不同夹角α的围岩岩体变形试验应力-应变曲线，获取变形模量E0，并分析岩体变形机理。

　　岩体为非弹性体，在外力作用下通常是产生弹性变形和塑性变性，因此得到的应力p-变形s曲线，呈现塑性回滞圈[12]，差异的回滞圈反映测试岩体的特征。依据规范分级施加荷载，得出应力-变形（p-s）如图1。

　　利用刚性承压板施力于半无限空间岩体表面，并按半无限弹性体表面受局部荷载的Boussinesq formula[21]计算岩体变形模量，如式（1），经多个试验点成果综合分析，巷道围岩的变形模量为0.66～1.12GPa，弹性模量为1.38～1.79 GPa。

　　式中：E0为岩体变形模量；p为承压板单位面积的计算应力，MPa;d为承压板的直径；W0为岩体的总变形；μ为泊松比，采用0.29。

　　通过试验记录并绘制应力-变形（p-s）曲线，试验围岩体具有以下几点特征。

　　1）不同的夹角α围岩体承压变形过程的应力-变形（p-s）曲线基本一致，分为压密阶段、弹-塑性变形阶段。随着夹角α的增大，岩体破坏时的峰值先减小后增大。通过比较相对而言，夹角α较小时，岩体压密较为明显，随着夹角增大，压密阶段变短，曲线由缓变陡，弹性模量增大。

　　2）层理平行或垂直于最大主应力方向（α=0°、90°）的试样应力-曲线较快进入线性阶段，而层理方向和最大主应力方向斜交（α=30°、45°、60°）的试样应力-应变曲线进入线性阶段较慢，其中α=90°试样进入线性阶段最快。

　　3）图1(a）的曲线呈上凹形，反映了岩体层理、裂隙的发育程度非均匀性特征，施加压力垂直层面时，结构面逐渐压密，模量逐渐增大，变形模量由大变小。图1(e）的曲线呈上凸形，反映了岩体所含层理、裂隙随着深度或者在压力作用下逐渐增大以及裂隙的再扩展等，导致岩体模量减小。图1(b）～图1(d）曲线呈“S”形，反映了岩体由开始的层理、裂隙压实阶段变形量较大，模量较小；其后为岩体的弹性变形段，但该阶段较短；最后为层理、裂隙的扩展或滑移变形，变形增大，模量变化幅度较小。

　　图1 围岩岩体不同夹角α变形曲线图

　　Fig.1 The deformation curves of surrounding rock with different angles ofα

　　4）随层理角度的增加，岩样的抗压强度、变形模量均呈先减小后增加的“U”型变化规律，在层理角度为0°和90°时抗压强度相对较大，60°左右时抗压强度明显较小，层理角度为0°～30°和75°～90°时，抗压强度呈较为缓慢趋势减小和增大，层理角度为30°～60°和60°～75°时，岩样的抗压强度呈较快的趋势减小和增大。

　　2.2、 岩体原位抗剪试验

　　室内岩体剪切试验通常是将岩体制成标准试样后进行，由于受尺寸效应和岩体结构特征的影响，与真实力学参数存在误差。岩体原位剪切试验能较好的反映真实的剪切力学参数，目前对于大型工程或重要工程试验较多。

　　通过现场不同条件的剪切以及绘制剪切应力-位移、峰、残强度曲线如图2和图3，与此同时通过Mohr-Coulomb准则确岩体剪切力学参数，试验成果见表1。围岩岩体剪切力学性质具有明显的各向异性特征。

　　1）夹角β=0°时，通过试验确定剪切面基本为层面，证明在平行层面方向，层面的剪切强度较小，剪切过程由弹性演变到塑性变形，随着围压增大，峰、残强度随之增加。

　　2）夹角β=45°时，剪切面切过岩层，较为平直，凹凸不明显，剪切初期斜率较大，随着应力和位的增大，出现非线性变化，达到峰值后塑性破坏。

　　3）夹角β=90°时，剪切面切过岩层，较为平直，凹凸不明显，剪切初期斜率较大，随着应力和位移增大，呈现塑性破坏。曲线显着特征为弹性变形阶段斜率较大，位移较短，塑性破坏特征明显。峰、残强度曲线近似平行，平均相差为34.6%。

　　4）峰值强度。以不同夹角β剪切试验所获取的摩擦角值差异较大，其中β=90°试验值约为β=0°的1.57倍，其主要原因为β=0°剪切面为岩体层面，层间剪切力学参数明显低于岩体垂直岩层剪切力学参数。黏聚力虽然仍是β=45°时最大，但是3种条件剪切差异较小，在实际工程中影响不大。

　　5）残余强度分析。摩擦角衰减度以β=0°时最大，为28.0%，β=（45°、90°）衰减度基本一致，约为23.0%；黏聚力以β=90°时最大，为43.5%，β=（0°、45°）衰减度基本一致，约为35.0%～37%。同样揭示当β=0°时，残余强度最小。

　　图2 剪切应力-位移图

　　Fig.2 The diagram of shear stress-strain

　　图3 剪切峰值-残余强度图

　　Fig.3 The diagram of shear peak-residual strength

　　表1 不同夹角β原位剪切试验成果表

　　3、 结论

　　1）针对研究巷道层状围岩，通过不同条件下原位变形以及剪切试验获取力学参数，成果表明：围岩岩体力学性质具有明显的各向异性特征。

　　2）岩体变形试验中，不同夹角α获取的变形曲线呈现凹凸不同，其主要原因为岩体受力过程中节理裂隙受力变形的空间方位以及岩石各向模量的差异。随着夹角α的增加，岩样的抗压强度、变形模量均呈先减小后增加的“U”型变化规律，在层理角度为0°和90°时抗压强度相对较大，60°左右时抗压强度明显较小。

　　3）围岩岩体在不同夹角β条件下进行原位剪切试验，获取峰、残余强度。成果显示：β=90°时，峰、残余值力学参数最大；β=0°时，峰、残余强度最小；内摩擦角φ不同剪切条件下差异较大，而黏聚力c则差异不明显，在实际工程中影响不大。

　　4）研究巷道围岩力学性质具有各向异性特征，围岩垂直岩层方向为力学参数较大，较为安全。

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