不同围压下岩石峰后及残余变形特性试验研究

陈　辰，卓毓龙，王晓军，方胜勇，廖炜均，冯　萧

（1.江西理工大学 江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000；2.铜陵有色凤凰山矿业有限公司，安徽 铜陵 244000；3.江西大吉山钨业有限公司，江西 赣州 341801）

不同围压下岩石峰后及残余变形特性试验研究

陈辰1，卓毓龙1，王晓军1，方胜勇2，廖炜均3，冯萧1

（1.江西理工大学 江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000；2.铜陵有色凤凰山矿业有限公司，安徽 铜陵 244000；3.江西大吉山钨业有限公司，江西 赣州 341801）

为使矿山能安全高效地开采，对深部矿山三向应力状态的岩石进行研究。试验采用RTS-500三轴流变仪，对较深部岩石进行常规三轴压缩试验，得到了应力-应变曲线。试验发现：随着围压的增大，峰值强度和残余强度都呈逐渐增大的趋势；峰值强度与残余强度的差值也逐渐降低；随着围压的增大，岩石峰值强度对应的岩石应变出现增大的现象；随着围压增大，岩石的弹性模量出现增大的现象。结论对于实际施工的工程稳定以及岩体的支护设计都具有指导和借鉴意义。

围压；峰值强度；残余强度；峰值应变；弹性模量；三轴压缩试验

0　引言

目前我国的大部分矿山也已经进入深部和中深部开采阶段。在深部开采作业的过程当中会产生一系列的岩石力学问题。安全作业已经成为矿业领域科研工作者研究的重中之重，三轴压缩试验是岩石处于三向应力状态的试验，是最接近施工现场实际的试验，很多学者通过大量的研究取得了可喜的成果。石求志［1］对钨矿床薄矿脉群的采空区及其处理进行了详细的研究，并提出了相应的处理措施；冉少鹏［2］等研究了水泥砂浆在不同围压下三轴压缩试验；李斌［3］等对在三轴条件下完整岩石的Hoek-Brown强度准则进行了改进；邓左民［4］等研究了利用三维有限元对钨矿体开采稳定性进行了研究；W.R. Wawersik［5］等利用刚性压力机对大理岩进行不同围压下的试验，结果发现了大理岩随着围压的逐渐增加，岩石出现了由脆性向延性转化的特点；Gowd［6］等对多孔砂岩进行三轴压缩试验；大量的试验表明［7-13］：在三轴试验中，岩石的物理性质和力学性质相对于单轴都发生了变化，不能像单轴试验中的方法一样进行分析；而且，岩石在三轴压缩破坏的试验过程中，岩石的破坏后还有大量的残余强度，目前这方面的研究也有一定的进展。彭俊［14］等研究了基于一种脆性指标确定岩石残余强度，得出了确定岩石残余强度的一种方法；岩石的残余强度与力学性质有着必然的联系相互影响［15-18］；朱建明［19］等利用Lade-Duncan和SMP这两种强度准则对岩石的岩石残余应力和残余强度进了详细的研究。通过大量的研究和试验发现，岩石的峰值强度和残余强度有着密切的联系，本文通过三轴压缩试验来研究岩石的峰值强度与残余强度的关系规律以及变形特性和弹性模量随围压变化的规律，以此达到为钨矿床的安全高效开采提供指导作用。

1　试验设备及试验方法

1.1试验设备

试验机选用英国GDS公司生产的RTS-500型三轴流变仪，RTS-500型岩石三轴流变仪是一款优质的高温高压岩石三轴测试系统，可施加大量程荷载，它是基于高压力荷载架的三轴试验系统，专业用于岩石试样的精准试验。在外国的各科研单位及高校已得到较成熟地使用。RTS-500型岩石三轴流变仪可完成岩石单轴压缩试验、排水或不排水三轴压缩试验，单轴、三轴压缩流变试验，化学和温度耦合试验。高压岩石三轴流变仪最大轴向载荷400 kN，围压范围：0～32MPa，对50mm直径试样，可产生大于200MPa偏应力，轴向力分辨率为±1/10 000，位移分辨率为0.1m，行程100mm。整个试验系统如图1所示。

图1　GDS三轴流变仪试验系统Fig.1　Experimentalsystem of GDS threeaxis rheogeniometer

1.2试验方法

试件选取时按照《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013）进行本次三轴压缩强度试验。试验在矿区选取具有代表性的围岩作为试验材料，对事先选取的岩石进行常规三轴试验（伪三轴压缩试验）方法。试验开始时，同步施加围压和轴压，加载速度以0.1 kN/s同时施加围压力和轴向压力至预定围压值。其中围压加载由油压控制器控制，加载速度为0.1 kN/s；轴压加载采用载荷控制，加载速度为0.2 kN/s；然后施加轴压，保持围压不变，施加轴压直至试件完全破坏，过程采用载荷控制加载方式，加载速度为0.2 kN/s。试件破坏后，记录破坏荷载。画出不同围压状态下的应力应变曲线。

图2　轴压、围压控制器Fig.2　Controller for axialand confining pressures

2　数据处理及分析

2.1峰值强度与残余强度的变化特性

围压不同会影响岩石的力学特性，围压不同，岩石的峰值强度及变形特性也不同，经验表明：围压越大，岩石的峰值强度越大，而且岩石破坏后的残余强度也会越大，当围压达到一定极限时，岩石的表现会呈现由脆性转变为塑性的特点，而此时的岩石的残余强度也与峰值强度相等。不同围压状态下的岩石的应力-应变曲线示意图如图3所示。

试验一共选取了4个完整性较好的不同级别的围压（5MPa、10MPa、15 MPa、20 MPa）的灰岩的岩石试件进行试验，具体试验试件见表1和图4。

图3　不同围压应力-应变曲线示意图Fig.3　Schem atic diagram of stressstrain curvesunder different confining pressures

表1　试验试件尺寸统计Tab.1　Size statistics for experimentalspecimens

图4　试验试件Fig.4　Experimentalspecimens

在所有的试验试件中选取了不具有离散型的一组进行分析，根据试验所测得的数据，经过数据的处理，得到了岩石的峰值强度及残余强度，定义“峰残差”为峰值强度与残余强度的差值，具体数据见表2所示。

表2　不用围压灰岩的峰值强度与残余强度Tab.2　Thepeak strength and residualstrength of the rock without confining pressure

从表2可以看出岩石的峰值强度和岩石的残余强度随着围压的增大而增大，而峰值强度与其相应的残余强度的差值会随着围压的增大而减小。通过试验数据经处理后画出不同围压下的应力-应变曲线，具体的应力-应变曲线如图5示。

图5　不同围压应力-应变曲线Fig.5　Stress-strain curvesof different confining p ressures

由图5可以明显地发现：围压越大的岩石其峰值强度和残余强度都越大，且随着围压的增大岩石的峰值强度和残余强度的差值越来越小。当围压达到20MPa时，岩石的峰值强度等于残余强度，此时的岩石状态达到临界状态，即塑性破坏状态。围压增大岩石的峰残差也会相应减小，这一点可以证明岩石在高围压状态下，其破坏后的支撑能力明显增强，在一定程度上起到了分担一部分支护能力的作用。

2.2峰值应变-围压-残余承载系数的变化规律

对试验所得数据进一步处理及分析还发现：岩石破坏时，即峰值强度所对应的轴向应变随着围压的增大有后移的现象，不同围压条件下的峰值强度所对应的应变，即峰值应变也会随着岩石围压的增大而增大。不同围压的峰值强度与残余强度的差值与峰值强度的比值（这里称之为“残余承载系数”）也会发生变化，围压越大，残余承载系数会相应减小。应变和残余承载系数具体值及曲线见表3和图6。

表3　不同围压下峰值强度对应的应变值Tab.3　Strain valuescorresponding to peak strength under different con fining pressures

图6　峰值应变-围压-残余承载系数曲线Fig.6　Curve for peak strain-confining pressure-bearing residualcoefficients

由图6中的峰值应变-围压-残余承载系数曲线可以明显看出：随着围压的增大，岩石的残余承载系数在逐渐减小，这一点说明，围压越大，岩石破坏后的残余强度越大，其起到支撑作用的能力越大，所以说在高围压状态下的岩石即使被破坏了也具有支撑作用，为矿山安全支护和矿山经济起到了一定的积极作用；由表3和图6可以发现，围压越大，峰值应变也跟着增大，这说随着围压的增大，岩石在轴向压力的作用下出现了由脆性响应到软化响应再到塑性响应的变化过程。此规律可以指导矿山在围压增大的情况下，岩石的物理性质发生了显著的变化，进而要进行相应的采矿设计的改变和相应的安全措施应对。

2.3不同围压下岩石的弹性模量变化规律

岩石的物理性质有时也会影响岩石的力学性质，岩石处在三轴应力状态下，岩石的弹性模量的变化是否存在规律显得尤为重要。取峰值强度与残余强度中所研究的不同围压状态下的岩石数据，计算出其不同围压下的岩石瞬时弹性模量，画出瞬时弹性模量随时间的变化关系曲线，如图7所示。

由图7可以发现，高围压状态下的岩石的弹性模量会更大。在峰值前期，弹性模量随着围压的增大而增大；在峰值后期，岩石的弹性模量会逐渐减小直至弹性模量为0。围压变化影响岩石的物理性质的变化，进而会对岩石的力学性质产生很大影响。岩石的弹性模量在实际工程中至关重要，可以根据弹性模量的变化，来判断岩石所赋存的力学环境，进而根据其力学行为做出相应的施工设计，对于矿山安全经济的生产具有十分重要的意义。

图7　弹性模量与时间的关系曲线Fig.7　Relation curvebetween elasticmodulusand time

3　结论

（1）围压越大的岩石其峰值强度和残余强度都越大，且随着围压的增大岩石的峰值强度和残余强度的差值越来越小。

（2）岩石破坏时，即峰值强度所对应的点的变形随着围压的增大有后移的现象；随着围压的增大，岩石的残余承载系数在逐渐减小，这一点说明，围压越大，岩石破坏后的残余强度越大，其起到支撑作用的能力越大，所以说在高围压状态下的岩石即使破坏了也具有支撑作用。

（3）弹性模量随着围压的增大而增大，围压变化影响岩石的物理性质的变化，进而会对岩石的力学性质产生很大影响。

（4）通过三轴压缩试验来研究岩石的峰值强度与残余强度的关系规律以及变形特性和弹性模量随围压变化的规律，可以为钨矿等金属类矿山的安全高效开采提供指导作用。

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Experimental Study on the Characteristics of Rock Peak and Residual Deformation under Different Confining Pressures

CHENChen1，ZHUOYulong1，WANGXiaojun1，FANGShengyong2，LIAOWeijun3，FENGXiao1

（1.Key LaboratoryofMining Engineering in JiangxiProvince，JiangxiUniversityofScienceand Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China；2.Fenghuangshan Mining Limited Company，TonglingNonferrous，Tongling 244000，Anhui，China；3.JiangxiDajishan Tungsten Industry Limited Company，Ganzhou 341801，Jiangxi，China）

In order tomake themine can safe and efficientmining of deepmine three dimensional stress state of the rock The British GDS company's RTS-500 three axis rheometer conventional three axis compression test of deep rock，the stress-strain curve.Experimental results show thatwith the increase of confining pressure，peak strength and residual strength was gradually increasing trend；and the difference between the peak strength and residual strength is gradually reduced；confining pressure and residual strength with the increase of confining pressure，mine intensity corresponding to the rock strain increases；with the greater the confining pressure，the elasticmodulus of the rock appears to increase the phenomenon.The above is of great significance to the engineering stability of the actual construction and the supportdesign of rockmass.

confining pressure；peak strength；residual strength；peak strain；elastic modulus；triaxial compression experiment

TD325+.1

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.04.004

2016-04-25

国家自然科学基金资助项目（51304083）；江西省科技支撑计划资助项目（20141BBE50005）；江西省创新基金资助项目（YC2015-S294）

陈辰（1989-），男，辽宁鞍山人，硕士研究生，主要从事工程岩体稳定性分析与控制等方面的研究。

王晓军（1979-），男，山西晋中人，博士，副教授，主要从事工程岩体稳定性分析与控制等方面的研究与教学工作。