岩石分区碎裂化现象研究

第26卷增1岩石力学与工程学报Vol.26Supp.12007年7月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJuly，2007收稿日期：2007–05–10；修回日期：2007–05–30基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490275)作者简介：潘一山(1964–)，男，1999年于清华大学固体力学专业获博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事岩石力学方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]岩石分区碎裂化现象研究潘一山1，李英杰1，唐鑫2，张智慧1(1.辽宁工程技术大学力学与工程科学系，辽宁阜新123000；2.中国防卫科技学院信息工程系，河北燕郊065201)摘要：试图从现场观测、实验室模拟、理论分析3个角度系统地研究分区碎裂化现象。首先对深部巷道围岩应力状态、声波波速、应变、钻屑量的现场观测数据进行分析，研究巷道围岩是否压密区和松弛区相间出现；然后通过天然岩石和石膏的实验室模拟手段来研究分区碎裂化现象；昀后对岩石分区碎裂化的发生机制进行定性分析，在此基础上采用对径压缩公式重新推导岩石分区碎裂化发生的条件公式。关键词：岩石力学；岩石分区碎裂化；现场观测数据；实验室模拟；对径压缩中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2007)增1–3335–07STUDYONZONALDESINTEGRATIONOFROCKPANYishan1，LIYingjie1，TANGXin2，ZHANGZhihui1(1.DepartmentofMechanicsandEngineeringScience，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin，Liaoning123000，China；2.DepartmentofInformationEngineering，ChinaInstituteofDefenceScienceandTechnology，Yanjiao，Hebei065201，China)Abstract：Thezonaldisintegrationisstudiedbythesiteobservation，laboratorysimulationandtheorystudy.Firstly，thesiteobservationdateofstressstate，wavevelocitystate，strainstate，testdrillingweightareanalyzed，Itisstudiedthatiftheundergroundstructuresappearcompressionandrelaxationalternately.Then，thezonaldisintegrationofrockisstudiedbytheexperimentofgypsumandnaturalrock.Finally，themechanismofzonaldisintegrationofrockisanalyzed.Basedontheseresults，theoccurrenceconditionofthezonaldisintegrationofrockisobtainedbydiametricalcompressionformula.Keywords：rockmechanics；zonaldisintegrationofrock；siteobservationdate；simulationinlaboratory；diametricalcompression1引言岩石分区碎裂化现象就是在深部岩体中开挖洞室或巷道时在其两侧或工作面围岩中交替出现破裂区和未破裂区，图1，2所示为俄罗斯泰米尔斯基矿的巷道围岩的分区碎裂化的纵剖面图[1]。岩石分区碎裂化现象是伴随深部矿山开采以及深部地下空间的开发利用出现的特殊工程响应问题之一，与传统的岩石力学理论即认为洞室开挖后围岩中依次出现破裂区、塑性区、弹性区发生了矛盾，引起了岩石力学界的专家和学者的广泛关注。俄罗斯学者E.I.Shemyakin和V.E.Panin进行了大量开创性的工作，在现场观测、实验室模拟和理论研究方面都取得了一些成就，但是还没有达到机制清晰程度，在国内还尚属研究的初级阶段。深部岩体区域碎裂化现象是当前岩石力学研究的热点和前沿，是深部矿产资源发展和深部岩体工程建设的理论基础。本文试图从国内的现场观测数据分析岩石分区碎裂化现象，从实验室模拟角度研究岩石•3336•岩石力学与工程学报2007年图1泰米尔斯基矿(－957m)处的巷道围岩岩石分区碎裂化纵剖面图[1]Fig.1LongitudinalprofileforzonaldisintegrationofsurroundingrockinOktyabrskiimine(－957m)[1]图2泰米尔斯基矿(－1050m)处的巷道围岩岩石分区碎裂化纵剖面图[1]Fig.2LongitudinalprofileforzonaldisintegrationofsurroundingrockinOktyabrskiimine(－1050m)[1]分区碎裂化现象，从理论上对岩石分区碎裂化的发生机制进行探讨性研究。2现场观测数据分析分区碎裂化现象G.D.Adams和A.J.Jager[2]在1980年通过对Witwatersrand金矿2000～3000m深度处采场打试钻孔采用潜望镜进行了岩石分区碎裂化的现象的现场观测。早在1985年俄罗斯学者在Norilsk矿区采用了井下电测法、超声波透视等多种观测手段对硫化矿等多种矿体进行了分区碎裂化现象的现场观测研究[3]。由于分区碎裂化问题在国内的研究还属初级阶段，几乎没有学者以观察分区碎裂化现象为直接目的去现场进行观测，但是通过对国内一些现场观测方面的文献总结分析发现，深部地质环境下围岩也产生了一系列特殊的变化，主要特征是巷道围岩压密区和松弛区相间出现。这种现象在应力、声波波速、应变、钻屑量上均可反映出来。2.1深部巷道围岩应力数据分析金川矿区位于青藏高原东北缘，拥有世界超大型硫化铜矿床，矿体位于高地应力区，有埋藏深、矿体破碎、开采条件极差的特点，矿体位于地表500～600m之下，昀大深度超过1000m。矿区绝大多数监测资料均显示，从洞壁向围岩深部，围岩应力大小相间分布，即多处出现相对增高区和相对降低区。图3为巷道埋深500m的1200中段某试验道中垂直于巷道侧墙的钻孔沿径向方向的围岩应力实测结果[4]。从图中可以看出，该钻孔5.1和7m处的1σ显著小于附近的应力值，而深度4.2和6.2m处的应力值却较其临近的测点高。图3金川某试验道钻孔的不同深度处围岩应力实测结果[4]Fig.3MeasuredresultsofsurroundingrockstressatdifferentdepthsinJinchunmine[4]2.2深部巷道围岩波速数据分析弹性波在围岩中的传播速度与岩体的裂隙程度和所受应力有关，如果岩体裂隙发育并且所受内应力低则弹性波传播的速度慢，反之则快。因此可以通过弹性波在岩体中的传播速度来判断岩体的性质及受力情况。图4，5是金川矿区的波速监测结果[4，5]。从图中可见，在松动圈内波速值极低，甚至无法检测到波速，表明围岩已经开裂。从图4中可以看到，在松动圈以外，1#钻孔的8m处和2#钻孔的7，11m处分别有波速下降的现象，甚至低于松动圈或附近的波速值。图5中，松动圈以外1#和6#钻孔波速有波动。这表明，在不同深度上，围岩并非全部处于压缩状态，而是呈现结构面张开与闭合相间分布的状态，同时监测中也发现这些张开的结构面垂直于钻孔分布，即与洞壁近于平行。第26卷增1潘一山，等.岩石分区碎裂化现象研究•3337•图4金川矿区1150洞段围岩波速[4，5]Fig.4Wavevelocityofsurroundingrockintunnel1105ofJinchuanmine[4]图5金川矿区1200硐段围岩波速[4]Fig.5Wavevelocityofsurroundingrockintunnel1200ofJinchuanmine2.3深部巷道围岩应变数据分析在对矿区内的围岩变形特征进行监测时也发现了“异常”的现象。图6为1150中段某试验道监测端面1#测孔围岩应变随深度和时间变化曲线[4]。图中正应变表示岩体松弛张开，负应变表示岩体压缩。从图中可以看出，随孔深增大压密区和松弛区相间出现。采用多点位移计和伸长仪对矿区内位移情况进行了监测，监测结果表明，从洞壁向围岩深部变化时，围岩位移不是连续递减变化，而是呈大小相间式的跳跃变化。图6围岩应变随深度和时间的变化曲线[4]Fig.6Changecurvesofsurroundingrockstrainwithdepthandtime[4]2.4深部巷道围岩钻屑量数据分析阜新王家营矿采深达到了1000m以上。在4306工作面压力正常区域的煤层中打煤粉钻，钻头直径42mm，孔深6～8m，钻孔主要布置在两帮。为了确定钻屑量指标，钻孔每钻进1m测量一次钻屑量和粒度组成。记录每孔每米煤粉量，并用加权平均法对其进行处理，然后画出煤粉量曲线并标定煤粉量峰值。图7是阜新王家营矿4306下川与皮带道叉口处30m左、右帮实测的钻屑量变化关系，图8是4306上川距拉门口160m左、右帮实测的钻屑量变化关系。从图中可以看出，随钻深的增加，钻屑量呈M形变化趋势，这和以前浅部开采的钻屑量变化是不同的，以前的钻屑量变化是：(1)随孔深的增大而增加，到一定深度达到高峰，以后逐步减少，并趋于某个值就稳定下来，这和传统的弹性力学的假设图7阜新王家营矿4306下川与皮带道叉口处30m左、右帮钻屑量变化曲线Fig.7Curvesoftestdrillweightvs.depthinWangjiaying4306mine，Fuxin(30m)图8阜新王家营矿4306下川与皮带道叉口处160m左右帮钻屑量变化曲线Fig.8Curvesoftestdrillweightvs.depthatintersectioninWangjiayingmine，Fuxin(160m)1#2#L/m10d30d60d90d110dε/10－32.22.0钻屑量/(kg·m－1)2.42.61.812345678钻深/m9距拉门口160m左帮距拉门口160m右帮下川与皮带道叉口处30m右帮下川与皮带道叉口处30m左帮2.42.32.22.12.01.912345678钻深/m钻屑量/(kg·m－1)•3338•岩石力学与工程学报2007年基本吻合。(2)离洞壁3m附近钻屑量出现了高峰，而后逐步降低，趋于稳定。而从图中可以看出，在对称的左、右帮，钻屑量几乎同时达到昀大和昀小，而且是M形波动。钻屑量的变化也反映了煤壁前方的应力变化，可以认为在巷道的周围应力也是呈M形变化，这样的应力状态和本文研究的“分区碎裂化”现象十分一致。对阜新五龙矿钻屑量的分析也得到了类似的结论。图9是阜新五龙矿3321运顺拉门里450～500m注水后的钻屑量变化情况，从图中可以看出，注水后钻屑量的起伏波动比较小，但是钻屑量随钻深仍然呈M形波动。图9阜新五龙矿3321运顺拉门里450～500m(注水后)钻屑量变化情况表Fig.9Curvesoftestdrillweightandtunneldepth450–500minWulong3321mine，Fuxin以上通过对这些现场观测数据的分析后发现，深部巷道围岩出现了相对压密和相对松弛状态交替出现的情况。出现这一现象的可能原因是测量的误差。另一种可能便是围岩中有分区碎裂化现象，但这一现象在多个矿区使用各种观测手段都有出现，已成为一种异常但是很常见的现象。3岩石分区碎裂化现象的试验研究3.1试验过程简介选取了天然岩石、石膏作为模型材料；采用了电测法、白光散斑技术、声发射作为试件变形场的监测手段；加载系统采用中国地震局地质研究所构造物理开放实验