齊大山鐵礦露天邊坡巖體力學(xué)參數(shù)確定

1、齊大山鐵礦露天邊坡巖體力學(xué)參數(shù)確定王永增1，孟磊磊1，王 潤1，曹 洋1，劉小剛1，孟興濤2(1 鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114001；2 遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）摘 要：為分析齊大山鐵礦東幫局部邊坡穩(wěn)定性，需獲取邊坡巖體力學(xué)參數(shù)。通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)得到3種巖性自然及飽水條件下的單軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，自然條件下抗拉強(qiáng)度、彈性模量以及泊松比。綜合Hoek-Brown法、費(fèi)森科法及經(jīng)驗(yàn)折減法對(duì)測得的邊坡巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，得出合理、準(zhǔn)確的巖體力學(xué)參數(shù)。關(guān)鍵詞：露天礦；室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)；巖體力學(xué)參數(shù)Determination of mechanical

2、 parameters of rock mass from Qidashan Iron Mine Open-Pit slopeWANG Yongzeng1, MENG Leilei1, WANG Run1, CAO Yang1, LIU Xiaogang1, MENG Xingtao2(1. Ansteel Mining Co., Ltd., Anshan Liaoning 114001, China；2 School of Civil Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China)Abstract:

3、 In order to analyze the local slope stability of the east side of the Qidashan Iron Mine, it is necessary to obtain the mechanical parameters of the slope rock mass. Three kinds of lithological uniaxial compressive strength and shear strength under natural and saturated water conditions, tensile st

4、rength, elastic modulus and Poisson's ratio under natural conditions were obtained through indoor rock mechanics tests. Combined with Hoek-Brown method, .CEHKO method and empirical reduction method, the measured rock slope mechanical parameters are reduced to obtain reasonable and accurate rock

5、mass mechanical parameters.Key words: Open-Pit Mine; Indoor rock mechanics test; Rock mass mechanical parameters引言為得到準(zhǔn)確的巖體力學(xué)參數(shù)，楊澤、候克鵬等1對(duì)云錫大屯錫礦巖石力學(xué)參數(shù)采用不同折減方法并將進(jìn)行對(duì)比分析，最終得到巖體力學(xué)參數(shù)推薦值；廖秋林、李曉等2針對(duì)節(jié)理化巖體提出E.Hoek法，詳細(xì)闡明如何采用E.Hoek法對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)；胡盛明、胡修文3引入地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI并結(jié)和Hoek-Brown巖體破壞準(zhǔn)則得出具體工程巖體力學(xué)參數(shù)估算值；盧書強(qiáng)、許模4指出節(jié)理巖體的變

6、形模量無需做大量現(xiàn)場試驗(yàn)，應(yīng)運(yùn)最新E.Hoek法便可以得到，還對(duì)GSI取值進(jìn)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(xué)參數(shù)，在巖石力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)齊大山鐵礦的地質(zhì)資料和現(xiàn)場地質(zhì)勘測確定RMR值，將巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減換算成巖體力學(xué)參數(shù)。1 巖石物理力學(xué)參數(shù)測定齊大山鐵礦東幫受損邊坡巖體范圍按照地質(zhì)勘探線以及巖性大致劃分為三個(gè)大區(qū)域，如圖1所示。區(qū)域：地質(zhì)勘探線660860之間范圍，主要巖石性質(zhì)混合巖；區(qū)域：地質(zhì)勘探線26003000之間范圍主要巖石性質(zhì)為混合巖、綠泥片巖；區(qū)域：地質(zhì)勘探線32503400之間范圍，主要巖石性質(zhì)為滑石片巖、綠泥片巖。圖

7、1 東幫邊坡區(qū)域劃分圖Fig.1 Area division map of eastern slope根據(jù)以上三個(gè)區(qū)域巖樣情況和試驗(yàn)室條件，試驗(yàn)試件采用長方體，嚴(yán)格按照中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程（DZ/T0276.1-2015）4要求切割標(biāo)準(zhǔn)試件，如圖2所示。圖2 試驗(yàn)試樣Fig.2 Test sample表1 巖石試樣力學(xué)參數(shù)匯總表Table 1 Summary of rock mechanics parameters Sample巖性容重/（KN/m3）單軸抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/（°）彈性模量/MPa泊松比自然自然飽水

8、自然自然飽水自然飽水自然自然混合巖25.2978.0064.577.8016.2410.5636.0034.21291000.28滑石片巖27.8519.2011.212.763.071.8832.2430.0268000.32綠泥片巖27.3253.6743.015.895.333.7134.3732.70104000.291.1 基本物理性質(zhì)測定使用游標(biāo)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(jì)算巖石容重：=WV=g（1）式中：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(yàn)結(jié)果見表1。1.2 抗壓試驗(yàn)使用液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石抗壓試件

9、進(jìn)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(jì)算試樣的抗壓強(qiáng)度：R=PA（2）式中：R試件單向抗壓強(qiáng)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(qiáng)度總體不高，最高也不到100 MPa。所試驗(yàn)的勘探線30003250之間的滑石片巖在自然條件下平均單軸抗壓強(qiáng)度僅為19.20 MPa，飽水條件下平均抗壓強(qiáng)度低至11.21 MPa，較自然條件降低了41.6，屬于軟巖，需要對(duì)含滑石片巖的局部邊坡進(jìn)行削坡或加固處理；勘探線660860之間的混合巖在自然條件下平均抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到78 MPa，強(qiáng)度較高，飽水條件下較自然條

10、件抗壓強(qiáng)度降低17.2；勘查線26003000之間的綠泥片巖在自然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為53.67 MPa，飽水條件下較自然條件抗壓強(qiáng)度降低19.68。通過對(duì)三種巖石試驗(yàn)前后巖樣觀察并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)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(jié)理、垂直節(jié)理的存在也會(huì)影響巖石抗壓強(qiáng)度。對(duì)于滑石片巖此類軟巖，遇水易軟化，從而使得巖石抗壓強(qiáng)度大幅度降低，遇到持續(xù)降雨的天氣需注意含此類巖石的邊坡穩(wěn)定性。1.3 抗拉試驗(yàn)巖石抗拉強(qiáng)度通過劈裂法測定。采用下式計(jì)算試樣的抗拉強(qiáng)度：RL=2PDL×10（3）式中：RL試件單向抗拉強(qiáng)度，MPa；P試件破壞載荷，kN；D試件高度，cm；L試

11、件厚度，cm。由表1可知，自然條件下巖石抗拉強(qiáng)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(qiáng)度可以達(dá)到7.80 MPa，綠泥片巖可以達(dá)到5.89 MPa，抗拉強(qiáng)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(yàn)通過變角度剪切法測定巖石抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)機(jī)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(yīng)力，采用下式計(jì)算試件所受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力:=PcosA;=PsinA（4）式中：為垂直于剪切方向的正壓力，MPa ；為平行于剪切方向的剪應(yīng)力，MPa；P為作用于剪切面上的總法向載荷，N；模具的傾角；A

12、試樣受剪面的面積，mm2。經(jīng)過對(duì)自然條件、飽水條件下滑石片巖種4個(gè)角度（35 °、45 °、55 °、65 °）正應(yīng)力與剪應(yīng)力數(shù)據(jù)采集，繪制如圖3所示的滑石片巖抗剪強(qiáng)度曲線。然后采用線形回歸公式計(jì)算其內(nèi)聚力c，內(nèi)摩擦角：=c+tan（5）式中：c巖石內(nèi)聚力，MPa；巖石內(nèi)摩擦角，°。混合巖與綠泥片巖的內(nèi)聚力c，內(nèi)摩擦角采用同樣方法獲得。圖3 滑石片巖抗剪強(qiáng)度曲線Fig.3 Talc schist shear strength curve自然條件下混合巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為16.24 MPa和36.00 °，飽水條件下混合巖的內(nèi)聚力

13、和內(nèi)摩擦角分別為10.56 MPa和34.21 °，飽水條件較自然條件其內(nèi)聚力和摩擦角分別降低了34.9%和4.97%?；瑤r飽水條件較自然條件其內(nèi)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(nèi)聚力和摩擦角分別降低了30.39%和4.85%。對(duì)比分析兩種條件下內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角降低幅度可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)聚力的下降幅度明顯高于內(nèi)摩擦角的下降幅度，這說明水對(duì)所測巖石內(nèi)聚力的影響程度大于對(duì)內(nèi)摩擦角的影響程度。三種巖性飽水條件較自然條件其內(nèi)聚力均降低1/3左右，內(nèi)摩擦角降低均在10%以內(nèi)。1.5 變形參數(shù)試驗(yàn)將電阻應(yīng)變片粘貼于抗壓試件上，使得在測定巖石抗壓強(qiáng)度的同時(shí)得

14、到變形參數(shù)。試件受到壓縮后應(yīng)變片也會(huì)受到壓縮，通過電橋裝置將變形轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，通過變阻應(yīng)變儀放大后，就可以得到應(yīng)變值。然后采用下式計(jì)算彈性模量于泊松比：E=50a50;=e50a50(6)式中：E彈性模量GPa；泊松比；5050%抗壓強(qiáng)度；a50應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度50時(shí)的縱向應(yīng)變；e50應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度50時(shí)的橫向應(yīng)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。彈性模量的大小反應(yīng)了巖石的致密程度，彈性模量越大巖石強(qiáng)度越高，但泊松比正好相反，泊

15、松比越大巖石強(qiáng)度越低。泊松比變化范圍小，但稍微變動(dòng)就會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算值產(chǎn)生大的影響，彈性模量的數(shù)值變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算值的影響相對(duì)于泊松比較小。2 巖體力學(xué)參數(shù)的確定采用最新Hoek-Brown法對(duì)巖石抗拉、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行折減，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)巖石彈性模量進(jìn)行折減，運(yùn)用費(fèi)森科法對(duì)巖石抗剪參數(shù)進(jìn)行折減。2.1 Hoek-Brown法2002年，Hoek-Brown對(duì)1980年提出的狹義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則重新修訂，提出了考慮巖體結(jié)構(gòu)特征、表面粗糙度等有關(guān)的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，形成了廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則Error! Reference source not found.，其表達(dá)式為1=3+

16、cmb3c+s（7）mb=miexpGSI-10028（8）式中，1巖體破壞時(shí)的最大主應(yīng)力，MPa；3巖體破壞時(shí)的最小主應(yīng)力，MPa；c巖塊試件的單軸抗壓強(qiáng)度；mb巖體的Hoek-Brown常量；mi組成巖體的完整巖塊的Hoek-Brown常數(shù)；s，取決于巖體特性的常數(shù)。對(duì)于GSI25的巖體：s=expGSI-1009=0.5（9）對(duì)于GSI25的巖體：s=0=0.65-GSI/200（10）通過地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)圖取得的GSI值缺乏客觀性且很難量化，通常依據(jù)巖石地質(zhì)力學(xué)分類RMR法與地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI法之間的換算關(guān)系（GSI=RMR5）估算GSI值Error! Reference source n

17、ot found.,6。2.2 巖體單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度求解巖體的單軸抗壓強(qiáng)度cm可由式（7）中令3=0求出：cm=sc（11）巖體抗拉強(qiáng)度tm可由式（7）中令3=1求得，表明巖體處于三軸受拉情形：tm=-sCmb（12）2.3 關(guān)于彈性模量折減采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)彈性模量折減，公式如下8：RF=EmEl=0.51-cos(RMR100)（13）式中，RF折減系數(shù)，Em巖體彈性模量，El巖石彈性模量，RMR為按照RMR法對(duì)巖體各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)綜合后得到的具體數(shù)值。2.4 內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的求解對(duì)于齊大山露天礦東幫受損邊坡，巖石強(qiáng)度并不高且存在大量不連續(xù)面，本次內(nèi)聚力折減采用費(fèi)森科法更合理。該方法著

18、重考慮巖體強(qiáng)度受節(jié)理面切割，公式如下：cm=ck1+alnHL（14）式中：巖體高度，根據(jù)采場實(shí)際情況，取30 ；巖體中結(jié)構(gòu)面平均間距，；取決于巖石強(qiáng)度和巖體結(jié)構(gòu)面分布特征的系數(shù)。對(duì)于混合巖a取4，對(duì)于滑石片巖和綠泥片巖，a取39。結(jié)構(gòu)面平均間距根據(jù)現(xiàn)場測量得到，混合巖為0.170m、滑石片巖為0.076m、綠泥片巖為0.122m。對(duì)于內(nèi)摩擦角值，一些學(xué)者在分析大量的巖石實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，歸納出經(jīng)驗(yàn)公式，提出完整無節(jié)理面硬巖的tank為巖體tanm的1.11.2倍10。本次將巖石的tank取折減系數(shù)為0.9，得出巖體的內(nèi)摩擦角值。2.5 巖體力學(xué)參數(shù)折算先依據(jù)齊大山鐵礦的地質(zhì)資料和現(xiàn)場地質(zhì)勘測

19、確定RMR值，然后轉(zhuǎn)換為GSI值。mi的取值可參照相關(guān)表查取Error! Reference source not found.。通過式（8）和式（9）求得Hoek-Brown計(jì)算參數(shù)mb和s的值。c為巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度，最后得到巖體力學(xué)參數(shù)折減表，結(jié)果見表2。表2 巖體力學(xué)參數(shù)折減表Table 5 Reduction of mechanical parameters of rock mass巖性c/kPamimbGSIs混合巖78000182.11400.001270.5滑石片巖1920040.39350.000730.5綠泥片巖53670 60.53320.000520.5利用式（11

20、）和式（12）折算出巖體的單軸抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，利用式（13）對(duì)彈性模量進(jìn)行折減，凝聚力c利用式（14）計(jì)算，內(nèi)摩擦角通過將巖石的tank取折減系數(shù)為0.9后計(jì)算出巖體的內(nèi)摩擦角值。折減結(jié)果見表3.表3 礦區(qū)折減后巖體力學(xué)參數(shù)表Table 6 Mechanical parameters of rock mass after reduction in mining area巖性自然抗壓強(qiáng)度/kPa自然抗拉強(qiáng)度/kPa內(nèi)聚力/kPa內(nèi)摩擦角/（）彈性模量/kPa泊松比混合巖278347.01748.6432.4054620.28滑石片巖51935.72162.1429.028180.32綠泥片巖

21、122853.08304.3130.9310700.293 結(jié)論通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)得出齊大山鐵礦東幫局部邊坡巖石力學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明：混合巖、綠泥片巖、滑石片巖在飽水條件，單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)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(nèi)聚力均降低1/3左右，內(nèi)摩擦角降低均在10%以內(nèi)，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。通過巖體力學(xué)參數(shù)折減法，得出了露天礦東幫邊坡3種主要巖體較為準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)，為安全開采過程中邊坡穩(wěn)定計(jì)算提供依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 楊澤, 侯克鵬, 李克鋼,等. 云錫大屯錫礦巖體力學(xué)參數(shù)的確定J.巖土力學(xué),2010(06)：246-251.YANG Ze, HOU Kepeng,

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