齊大山鐵礦露天邊坡巖體力學參數確定

王永增，孟磊磊，王 潤，曹 洋，劉小剛，孟興濤

(1.鞍鋼集團礦業有限公司，遼寧 鞍山 114001；2.遼寧工程技術大學 土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

為得到準確的巖體力學參數，楊澤等[1]對云錫大屯錫礦巖石力學參數采用不同折減方法進行對比分析，最終得到巖體力學參數推薦值；廖秋林等[2]針對節理化巖體提出E.Hoek法，詳細闡明如何采用E.Hoek法對巖體力學參數進行評價；胡盛明等[3]引入地質強度指標GSI并結合Hoek-Brown巖體破壞準則得出具體工程巖體力學參數估算值；盧書強等[4]指出節理巖體的變形模量無需做大量現場試驗，應用最新E.Hoek法便可以得到，還對GSI取值進行說明。

本文測定了齊大山露天礦受損邊坡中混合巖、滑石片巖及綠泥片巖3種主要巖性力學參數，在巖石力學參數的基礎上，依據齊大山鐵礦的地質資料和現場地質勘測確定RMR值，將巖石力學參數進行折減換算成巖體力學參數。

1 巖石物理力學參數測定

齊大山鐵礦東幫受損邊坡巖體范圍按照地質勘探線以及巖性大致劃分為三個大區域，如圖1所示。區域Ⅰ：地質勘探線660～860范圍，主要巖石性質為混合巖；區域Ⅱ：地質勘探線2 600～3 000范圍，主要巖石性質為混合巖、綠泥片巖；區域Ⅲ：地質勘探線3 250～3 400范圍，主要巖石性質為滑石片巖、綠泥片巖。

根據以上三個區域巖樣情況和試驗室條件，試驗試件采用長方體，嚴格按照中華人民共和國地質礦產行業標準《巖石物理力學性質試驗規程》(DZ/T 0276.1—2015)[5]要求切割標準試件，如圖2所示。

1.1 基本物理性質測定

使用游標卡尺和電子天平分別獲取試件的幾何尺寸與重量。通過下式計算巖石容重：

(1)

式中：γ—巖石容重，kN/m3；W—巖樣的重量，kN；V—巖樣的體積，m3；g—重力加速度，m/s2。試驗結果見表1。

表1 巖石試樣力學參數匯總表Table 1 Summary of rock sample mechanics parameters

1.2 抗壓試驗

使用液壓式壓力試驗機對巖石抗壓試件進行加載。在保證試件上下面受力均勻的前提下，通過控制加載速度直至試件破壞。采用下式計算試樣的抗壓強度：

(2)

式中：R—試件單向抗壓強度，MPa；P—試件破壞載荷，kN；A—試件初始斷面積，cm2。

由表1可知，東幫受損邊坡巖石的抗壓強度總體不高，最高也不到100 MPa。所試驗的勘探線3 000～3 250的滑石片巖在自然條件下平均單軸抗壓強度僅為19.20 MPa，飽水條件下平均抗壓強度低至11.21 MPa，較自然條件降低了41.6%，屬于軟巖，需要對含滑石片巖的局部邊坡進行削坡或加固處理；勘探線660～860的混合巖在自然條件下平均抗壓強度可以達到78 MPa，強度較高，飽水條件下較自然條件抗壓強度降低17.2%；勘查線2 600～3 000的綠泥片巖在自然狀態下抗壓強度為53.67 MPa，飽水條件下較自然條件抗壓強度降低19.68%。通過對三種巖石試驗前后巖樣觀察并結合試驗結果，發現抗壓強度主要受礦物組成影響，同種巖性不同巖樣由于微裂縫、順向節理、垂直節理的存在也會影響巖石抗壓強度。對于滑石片巖此類軟巖，遇水易軟化，從而使得巖石抗壓強度大幅度降低，遇到持續降雨的天氣需注意含此類巖石的邊坡穩定性。

1.3 抗拉試驗

巖石抗拉強度通過劈裂法測定。采用式(3)計算試樣的抗拉強度：

(3)

式中：RL—試件單向抗拉強度，MPa；P—試件破壞載荷，kN；D—試件高度，cm；L—試件厚度，cm。

由表1可知，自然條件下巖石抗拉強度從高到低依次是：混合巖、綠泥片巖、滑石片巖。其中混合巖抗拉強度可以達到7.80 MPa，綠泥片巖可以達到5.89 MPa，抗拉強度最低的是滑石片巖，僅為2.76 MPa。但滑石片巖只在東南幫局部邊坡出露，所以東幫邊坡巖石整體抗拉能力不低。

1.4 抗剪試驗

通過變角度剪切法測定巖石抗剪強度。試驗機作用于模具上的荷載分解為垂直和平行于剪切方向的正壓力和剪應力，采用式(4)計算試件所受的正應力和剪應力：

(4)

式中：σα—垂直于剪切方向的正壓力，MPa；τα—平行于剪切方向的剪應力，MPa；P—作用于剪切面上的總法向載荷，N；α—模具的傾角，(°)；A—試樣受剪面的面積，mm2。

經過對自然條件、飽水條件下滑石片巖中4個角度(35°、45°、55°、65°)正應力與剪應力數據采集，繪制如圖3所示的滑石片巖抗剪強度曲線。然后采用線性回歸公式計算其內聚力c，內摩擦角φ：

τα=c+σαtanφ

(5)

式中：c—巖石內聚力，MPa；φ—巖石內摩擦角，(°)。

混合巖與綠泥片巖的內聚力c、內摩擦角φ采用同樣方法獲得。

自然條件下混合巖的內聚力和內摩擦角分別為16.24 MPa和36.00°，飽水條件下混合巖的內聚力和內摩擦角分別為10.56 MPa和34.21°，飽水條件較自然條件其內聚力和摩擦角分別降低了34.9%和4.97%。滑石片巖飽水條件較自然條件其內聚力和摩擦角分別降低了38.8%和6.89%。綠泥片巖飽水條件較自然條件其內聚力和摩擦角分別降低了30.39%和4.85%。對比分析兩種條件下內聚力和內摩擦角降低幅度可以發現，內聚力的下降幅度明顯高于內摩擦角的下降幅度，這說明水對所測巖石內聚力的影響程度大于對內摩擦角的影響程度。三種巖性飽水條件較自然條件其內聚力均降低1/3左右，內摩擦角降低均在10%以內。

1.5 變形參數試驗

將電阻應變片粘貼于抗壓試件上，使得在測定巖石抗壓強度的同時得到變形參數。試件受到壓縮后應變片也會受到壓縮，通過電橋裝置將變形轉化為電阻值的變化，通過變阻應變儀放大后，就可以得到應變值。然后采用式(6)計算彈性模量與泊松比：

(6)

式中：E—彈性模量GPa；μ—泊松比；σ50—50%抗壓強度，MPa；εa50—應力為抗壓強度50%時的縱向應變；εe50—應力為抗壓強度50%時的橫向應變。

自然條件下三種巖石的彈性模量都不高，混合巖為39.1 GPa，滑石片巖低至0.68 GPa，綠泥片巖為10.4 GPa，混合巖泊松比為0.28，綠泥片巖泊松比為0.29，滑石片巖泊松比為0.32。彈性模量的大小反映了巖石的致密程度，彈性模量越大巖石強度越高，但泊松比正好相反，泊松比越大巖石強度越低。泊松比變化范圍小，但稍微變動就會對邊坡穩定性計算值產生大的影響，彈性模量的數值變化對邊坡穩定性計算值的影響相對于泊松比較小。

2 巖體力學參數的確定

采用最新Hoek-Brown法對巖石抗拉、抗壓強度進行折減，運用經驗公式對巖石彈性模量進行折減，運用費森科法對巖石抗剪參數進行折減。

2.1 Hoek-Brown法

2002年，Hoek-Brown對1980年提出的狹義Hoek-Brown強度準則重新修訂，提出了考慮巖體結構特征、表面粗糙度等有關的地質強度指標，形成了廣義Hoek-Brown準則[6]，其表達式為：

(7)

mb=mi·exp[(GSI-100)∕28]

(8)

式中，σ1—巖體破壞時的最大主應力，MPa；σ3—巖體破壞時的最小主應力，MPa；σc—巖塊試件的單軸抗壓強度，MPa；mb—巖體的Hoek-Brown常量；mi—組成巖體的完整巖塊的Hoek-Brown常數；s，α—取決于巖體特性的常數。

對于GSI>25的巖體：

(9)

對于GSI<25的巖體：

(10)

通過地質強度指標圖取得的GSI值缺乏客觀性且很難量化，通常依據巖石地質力學分類RMR法與地質強度指標GSI法之間的換算關系(GSI=RMR-5)估算GSI值[7-8]。

2.2 巖體單軸抗壓強度和抗拉強度求解

巖體的單軸抗壓強度σcm可由式(7)中令σ3=0求出：

(11)

巖體抗拉強度σtm可由式(7)中令σ3=σ1求得，表明巖體處于三軸受拉情形：

(12)

2.3 關于彈性模量折減

采用經驗公式對彈性模量折減，公式如下[9]：

(13)

式中：RF—折減系數；Em—巖體彈性模量，MPa；El—巖石彈性模量，MPa；RMR為按照RMR法對巖體各項指標進行評價綜合后得到的具體數值。

2.4 內聚力和內摩擦角的求解

對于齊大山露天礦東幫受損邊坡，巖石強度并不高且存在大量不連續面，本次內聚力折減采用費森科法更合理。該方法著重考慮巖體強度受節理面切割，公式如下：

(14)

式中：H—巖體高度，根據采場實際情況，取30 m；L—巖體中結構面平均間距，m；a—取決于巖石強度和巖體結構面分布特征的系數。

對于混合巖a取4，對于滑石片巖和綠泥片巖，a取3[10]。結構面平均間距根據現場測量得到，混合巖為0.170 m、滑石片巖為0.076 m、綠泥片巖為0.122 m。

對于內摩擦角φ值，一些學者在分析大量的巖石實驗數據的基礎上，歸納出經驗公式，提出完整無節理面硬巖的tanφk為巖體tanφm的1.1～1.2倍[11]。本次將巖石的tanφk取折減系數為0.9，得出巖體的內摩擦角φ值。

2.5 巖體力學參數折算

先依據齊大山鐵礦的地質資料和現場地質勘測確定RMR值，然后轉換為GSI值。mi的取值可參照相關表查取[12]。通過式(8)和式(9)求得Hoek-Brown計算參數mb和s的值。σc為巖石試件的單軸抗壓強度，最后得到巖體力學參數折減表，結果見表2。

表2 巖體力學參數折減表Table 2 Reduction results of mechanical parameters of rock mass

利用式(11)和式(12)折算出巖體的單軸抗壓強度及抗拉強度，利用式(13)對彈性模量進行折減，內聚力c利用式(14)計算，內摩擦角φ通過將巖石的tanφk取折減系數為0.9后計算出。折減結果見表3。

表3 礦區折減后巖體力學參數表Table 3 Mechanical parameters of rock mass after reduction in mining area

3 結論

通過室內巖石力學試驗得出齊大山鐵礦東幫局部邊坡巖石力學參數。實驗表明：混合巖、綠泥片巖、滑石片巖在飽水條件，單軸抗壓強度、內聚力和摩擦角較自然條件都有不同程度降低，三種巖性飽水條件較自然條件其內聚力均降低1/3左右，內摩擦角降低均在10%以內，對邊坡穩定不利。通過巖體力學參數折減法，得出了露天礦東幫邊坡3種主要巖體較為準確的力學參數，為安全開采過程中邊坡穩定計算提供依據。