深部開采條件下巖石基本物理力學(xué)行為的變化

深部開采條件下巖石基本物理力學(xué)行為的變化

隨著礦產(chǎn)資源開采深度的增加，技術(shù)災(zāi)害的加劇。巖石力學(xué)問題是國內(nèi)外科學(xué)家的研究熱點(diǎn)，也得到了大量研究成果。在深度測量條件下，巖石的基本力學(xué)能（如變形特征、破壞特征、強(qiáng)度特征等）與平面巖石的差異明顯。受高地溫、高應(yīng)力和高滲壓的共同影響，巖石的力學(xué)行為復(fù)雜，彈性模型、泊松比等一些基本的物理力學(xué)參數(shù)也隨著合并深度的增加而變化。因此，在深度測量條件下，尤其是巖石的基本物理力學(xué)參數(shù)，隨著賦存深度的變化規(guī)律，具有十分重要的意義。賦存深度對巖石力學(xué)行為的影響研究主要集中在巖石變形性質(zhì)、強(qiáng)度特性和破壞特征等方面.巖石脆-延性轉(zhuǎn)化的發(fā)現(xiàn)是圍壓升高導(dǎo)致巖石變形性質(zhì)改變的最重要進(jìn)展之一.實(shí)驗(yàn)研究表明,在較低圍壓下表現(xiàn)為脆性的巖石可以在高圍壓下轉(zhuǎn)化為延性[2~4]Singh根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出了一個(gè)基于應(yīng)力和強(qiáng)度關(guān)系的脆-延轉(zhuǎn)化條件.深度對巖石強(qiáng)度的影響十分顯著,總體上巖石的強(qiáng)度隨深度的增加而有所提高,如有的礦區(qū)從深度小于600m變化到800~1000m時(shí),單壓強(qiáng)度為21~40MPa的巖石所占的比重從30%減少到24%,而強(qiáng)度為81~100MPa的巖石的比重則從5.5%增加到24.5%.姜晨光等人通過實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)花崗巖的彈模、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都隨巖體賦存深度的增大而增大.Shimada和Liu根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在200~280℃和不同圍壓的條件下,花崗巖具有較低的強(qiáng)度值,據(jù)此提出了地殼強(qiáng)度的圣誕樹結(jié)構(gòu)模型.淺部巖石強(qiáng)度理論是以摩爾-庫侖準(zhǔn)則為代表的線性破壞準(zhǔn)則,而深部高地應(yīng)力下則更多地采用了非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則,如Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則及其更一般形式的推廣.隨著開采深度的增加,巖石破壞機(jī)理也隨之發(fā)生變化,根據(jù)Cleary的研究,發(fā)現(xiàn)巖石由淺部的脆性能或斷裂韌度控制的破壞轉(zhuǎn)化為深部開采條件下由側(cè)向應(yīng)力控制的斷裂生長破壞即由淺部的動態(tài)破壞轉(zhuǎn)化為深部的準(zhǔn)靜態(tài)破壞,以及由淺部的脆性力學(xué)響應(yīng)轉(zhuǎn)化為深部的潛在的延性行為力學(xué)響應(yīng).與此觀點(diǎn)相反,Wagner和Gibowicz等人認(rèn)為深部巖體的破壞更多地表現(xiàn)為動態(tài)的突然破壞,即巖爆或礦震.此外,Gercek對泊松比的研究、仵彥卿通過室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖石孔隙率隨地層深度增加(應(yīng)力增大)而逐漸減小的結(jié)論,也具有重要意義.總之,關(guān)于賦存深度對巖石物理力學(xué)行為的影響研究,國際上常用的方法是在實(shí)驗(yàn)室通過圍壓、升溫裝置來模擬深部巖石所處環(huán)境,從而獲得不同深度條件下巖石的物理力學(xué)特性.實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)深度的影響雖然具有重要意義,但仍與實(shí)際情況有一定差異.本文的出發(fā)點(diǎn)是研究不同深度下同一巖層,通過真實(shí)情形來研究賦存深度對巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響,通過對不同賦存深度下的同一巖石(玄武巖)在相同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行密度測試、單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、劈裂實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)研究玄武巖在不同賦存深度的密度、單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比等物理力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律.1實(shí)驗(yàn)1.1巖樣的準(zhǔn)備和準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所用的巖石取自北京門頭溝區(qū)大臺煤礦大臺井田,為南大嶺組玄武巖.該巖層是基性噴出巖,具有塊狀構(gòu)造,顏色為灰黑色,形成于中生代早侏羅世,距今180~200Ma.取樣巖層的賦存深度分別為410,510,610,710,810,910,1010m.實(shí)驗(yàn)按照國家標(biāo)準(zhǔn)“工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn):GB/T50266-99”的規(guī)定.單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)所用的巖樣尺寸為Φ50mm×H100mm,劈裂實(shí)驗(yàn)所用的試件尺寸為Φ50mm×H25mm.單軸壓縮實(shí)驗(yàn)每個(gè)深度準(zhǔn)備3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件,7個(gè)深度共21塊巖樣,編號分別為UC410-1,UC410-2,UC410-3,UC510-1,…UC1010-2,UC1010-3.劈裂實(shí)驗(yàn)即巴西法,每個(gè)深度準(zhǔn)備3個(gè)試件,7個(gè)深度共21塊巖樣,編號分別為B410-1,B410-2,B410-3,B510-1,…B1010-2,B1010-3.假三軸壓縮實(shí)驗(yàn)每個(gè)深度準(zhǔn)備5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件,圍壓分別為5,10,20,30,40MPa,7個(gè)深度共35塊巖樣,編號分別為CTC410-1,CTC410-2,CTC410-3,CTC410-4,CTC410-5,CTC510-1,…CTC1010-4,CTC1010-5(編號中UC表示單壓、B代表巴西劈裂、CTC表示假三軸,數(shù)字表示埋深(m)以及巖樣序號).1.2高壓破壞力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)采用MTS程控伺服高溫高壓破壞力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),設(shè)備型號為MTS815FlexTestGT(圖1).劈裂實(shí)驗(yàn)采用RMTS150型程控伺服混凝土與巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖2).1.3軸向位移控制.(ⅰ)單軸壓縮實(shí)驗(yàn).單軸壓縮實(shí)驗(yàn)采用(37)50mm×H100mm自然風(fēng)干試樣,在室溫條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前先對巖樣覆蓋一層熱熔膠膜,以免試件破裂時(shí)崩壞環(huán)向引伸計(jì).實(shí)驗(yàn)時(shí)將巖樣置于承壓板中心固定巖樣(圖3),然后在試件上安放環(huán)向引伸計(jì)和軸向引伸計(jì),將軸向變形、環(huán)向變形、加載軸位移清零加載過程中,首先采用力控制的方式加軸向荷載(120kN/min)到150kN后,再采用環(huán)向位移控制(0.015mm/min)加載直至巖樣破壞,即將環(huán)向鏈條式位移傳感器作為加載控制指標(biāo),可有效避免因軸向載荷控制而導(dǎo)致的試件突然橫向爆裂.(ⅱ)劈裂實(shí)驗(yàn).劈裂實(shí)驗(yàn)采用Φ50mm×H25mm自然風(fēng)干試件,室溫條件下進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)前先通過巖樣直徑的兩端,沿軸線方向畫2條相互平行的加載基線.調(diào)整好實(shí)驗(yàn)機(jī)加載墊條的位置,沿巖樣的加載基線將巖樣置于墊條上.然后采用手動控制的方式給巖樣加幾千牛頓的初始荷載以固定巖樣,關(guān)好防護(hù)門(圖4).加載時(shí)采用力控制的方式施加軸向荷載(5kN/min),直至巖樣破壞.(ⅲ)三軸壓縮實(shí)驗(yàn).三軸壓縮實(shí)驗(yàn)采用Φ50mm×H100mm自然風(fēng)干試件,室溫下進(jìn)行.首先固定試件、安裝環(huán)向引伸計(jì)和軸向引伸計(jì)(圖5),然后施加圍壓(3MPa/min)到指定值,圍壓分別設(shè)置為5,10,20,30,40MPa.將軸向變形、環(huán)向變形、加載軸位移清零,施加軸向荷載(120kN/min)到400kN后,轉(zhuǎn)換軸向荷載控制為橫向變形控制,再采用環(huán)向位移控制(0.015mm/min)繼續(xù)加軸向荷載直至試件破壞并進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段.2結(jié)果與分析2.1玄武巖應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特征對所有試件進(jìn)行外形尺寸測量和稱重實(shí)驗(yàn),獲得了不同深度下玄武巖的風(fēng)干密度(圖6、表1),可見玄武巖密度隨賦存深度的增加而呈線性增大趨勢單壓載荷下,不同賦存深度玄武巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其對應(yīng)的巖樣破壞前后形態(tài)如圖7所示.可見,峰值載荷前,玄武巖應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為明顯的線性彈性;峰值載荷后,則變形為明顯的脆性破壞且隨著賦存深度的增加,玄武巖的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增加(圖8).圖7中,根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)推薦的方法進(jìn)行彈性模量、泊松比估算,通過下式得到巖石的彈性模量和泊松比:式中E為彈性模量,σ1和σ2分別為應(yīng)力應(yīng)變曲線上直線段的應(yīng)力值,ε1和ε2為與σ1和σ2對應(yīng)的應(yīng)變值,ν為泊松比,εd為橫向應(yīng)變,εL為軸向應(yīng)變.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到彈性模量、泊松比與賦存深度的關(guān)系曲線(圖9和10).可見,隨著玄武巖賦存深度的增加,巖石的彈性模量在增加,而巖石的泊松比在減小.2.2不同埋深時(shí)玄武巖強(qiáng)度變化巴西劈裂實(shí)驗(yàn)得出的不同賦存深度玄武巖的峰值載荷如表2所示,根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦方法,可通過下式估算劈裂強(qiáng)度:式中Rt為巖石抗拉強(qiáng)度(MPa),P為巖樣破壞荷載(N),D為巖樣直徑(mm),h為巖樣厚度(mm).據(jù)此可得到玄武巖抗拉強(qiáng)度隨賦存深度變化趨勢(圖11),可見每個(gè)深度的3個(gè)試件的平均強(qiáng)度隨埋深的增加而線性增大.2.3不同賦存深度玄武巖巖樣破壞形態(tài)共進(jìn)行了7個(gè)賦存深度、每個(gè)賦存深度5個(gè)圍壓值的假三軸實(shí)驗(yàn),共35次實(shí)驗(yàn).以深度710m的5個(gè)假三軸實(shí)驗(yàn)為例,不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其對應(yīng)巖樣破壞前后形態(tài)如圖12,峰值強(qiáng)度如表3所示基于三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果,繪制相應(yīng)的Mohr包絡(luò)線結(jié)合單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果估算了巖石黏聚力C和內(nèi)摩擦角?(表3).可見,隨著賦存深度的增加巖樣的黏聚力C、內(nèi)摩擦角?也隨之增大(圖13和14)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到相同圍壓30MPa條件下不同賦存深度玄武巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線及巖樣破壞形態(tài)(圖15).發(fā)現(xiàn)隨著賦存深度的增加,巖石三軸抗壓強(qiáng)度也增大,且?guī)r石的破壞形式有向延性破壞轉(zhuǎn)化的趨勢(圖15).3賦存深度對玄武巖力學(xué)性質(zhì)的影響通過7個(gè)深度水平上同一層玄武巖單軸、三軸、劈裂共77個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)意義上,玄武巖的密度、單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角都隨賦存深度的增加而線性增大,而泊松比隨賦存深度的增加而線性減小.總的