1、*基金项目:河北省科技厅重点研发项目(2 2 3 7 5 4 0 3 D);河北省大学生创新训练项目(X 2 0 1 9 0 5 5).冻融作用对边坡泥质粉砂岩岩体质量与强度的影响贾淯斐1,白宇鑫1,赵森1,夏冬1,2,3,苏浩然1(1.华北理工大学 矿业工程学院,河北 唐山市 0 6 3 2 1 0;2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山市 0 6 3 2 1 0;3.河北省矿区生态修复产业技术研究院,河北 唐山市 0 6 3 2 1 0)摘 要:为探究冻融作用对边坡泥质粉砂岩岩体质量与强度的影响规律,对白砺滩露天煤矿南帮边坡泥质粉砂岩开展冻结温度为-2 0、融解温度为2 0、冻
2、融循环为4 0次的试验研究,并对岩体强度参数进行计算,评价经历不同冻融次数后岩体的质量。结果表明:冻融作用对岩体强度参数、质量均产生重要影响,经历1 0,2 0,3 0,4 0次冻融循环后,饱水泥质粉砂岩岩体的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角分别由未冻融时的2 9.6 2M P a、1.9 2M P a、2.2 6G P a、0.3 0M P a和4 5.6 4 下降到2 0.3 3M P a、1.3 1M P a、1.8 7G P a、0.2 1M P a和3 2.4 1,降低幅度分别为3 1.3 6%、3 1.7 7%、1 7.2 6%、3 0%和2 8.9 9%,B Q
3、值由未冻融时的4 5 3.8分别下降到4 0 1.4,3 6 0.7,3 4 0.2和3 0 2.7;经历3 0次冻融循环后对应的岩体基本质量级别由未冻融时的级下降为级。关键词:冻融循环;岩质边坡;泥质粉砂岩;质量评价;强度劣化0 前言边坡稳定是保证露天矿安全生产的重要前提1,在影响边坡稳定的诸多因素中,冻融作用也包含其中。冻融作用对边坡稳定性的影响主要体现在边坡表层岩体强度弱化与质量降低2。因此,开展冻融作用对边坡岩体质量与强度参数影响的研究,对指导寒区露天矿边坡稳定性分析具有重要的参考价值。众多学者在冻融作用对岩石、岩体物理力学参数影响方面开展了系统的研究工作,并取得了大量有益的研究成果。
4、宋彦琦等3通过试验研究发现,冻融作用下灰岩的损伤随冻融次数的增加而增大;李杰林、周科平等45采用核磁共振技术对砂岩孔隙结构在冻融作用下的损伤演化规律进行了系统的研究;韩铁林等6对三峡库区砂岩在干湿、冻融循环作用下的断裂韧度与强度特征开展了系统的试验研究;贾海梁等7对冻融循环作用下岩石疲劳损伤计算中的关键问题进行了深入的探讨;H o o b a d i m等8对9种不同岩石开展了冻融试验,分析了岩性对冻融损伤的影响规律;张慧梅等9对饱和红砂岩开展了4种围压下的冻融循环试验,结果表明,围压和冻融循环次数对岩石强度和破坏特征均产生较为明显的影响;K h a n l a r i等1 0研究了冻融循环与
5、岩石单轴 抗 压 强 度、弹 性 模 量 等 参 数 的 对 应 关 系;W a l b e r t和G h o b a d i等1 11 2分析了岩性、孔隙率等参数与岩石冻融损伤之间的关系;闻磊等1 3对金属矿山花岗斑岩、石英砂岩、灰岩等硬岩开展了冻融循环试验,并将试验结果应用于边坡稳定性分析。上述研究成果均表明,冻融作用对岩石物理力学参数产生不同程度的弱化作用。处于高寒冻融区岩质边坡的岩体,在冻融作用下其结构完整性和单元体强度均随冻融周期的增加而减小。为探究冻融作用对岩体强度参数与岩体质量的劣化规律,以白砺滩露天煤矿泥质粉砂岩为研究对象,对其开展冻融作用下单轴压缩力学试验,结合取样位置边坡
6、岩体结构面经历不同冻融周期后的发育情况,对经历不同冻融周期后的岩体强度参数进行计算,并对岩体质量进行评价。研究成果可为寒区露天矿边坡浅部岩体稳定性评价与支护方案设计提供参考。1 边坡岩体质量评价采用国标 工程岩体分级标准(G B/T5 0 2 1 82 0 1 4)1 4对经历不同冻融周期的岩体基本质量指标(B Q)进行评价,该标准的计算公式为:I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3B Q
7、=1 0 0+3Rc+2 5 0Kv(1)式中,Rc、Kv分别为饱水岩石的单轴抗压强度与研究区域岩体的完整性系数。在用该分级标准对岩体基本质量进行评价之前,需计算不同冻融周期后岩石的饱水单轴抗压强度Rc与岩体的完整性系数Kv。为获取不同冻融周期饱水岩石的单轴抗压强度,将取自于白砺滩煤矿南帮边坡1 3 0 0m平台的泥质粉砂岩按照相关规范要求1 5,加工成标准岩样并筛选后,选取2 5个岩样备用,部分加工好的岩样如图1所示。图1 处理后的砂岩试件将2 5个岩样饱水后平均分为5组,进行温度区间为(-2 0,2 0)、冻结和融解时间均为1 2h的冻融循环试验,试验周期分别为0,1 0,2 0,3 0,
8、4 0次。将冻融后的饱水岩样进行单轴加载力学试验,试验加载设备为电液伺服岩石力学实验机(T AW 3 0 0 0),加载速率为0.1 2mm/m i n。根据试验结果,绘制不同冻融周期岩样的应力应变关系曲线,如图2所示。图2 不同循环周期砂岩试件应力 应变由图2可见,冻融作用对砂岩岩样的单轴抗压强度具有显著影响,饱水岩样的单轴抗压强度为6 0.8M P a,经历1 0次、2 0次、3 0次、4 0次冻融循环后饱水岩样的单轴抗压强度分别为5 5.8 M P a、5 1.8M P a、4 7.9M P a和4 1.6M P a,其强度较未冻融时分别降低了8.2 2%、1 4.8 0%、2 1.2
9、2%和3 1.5 8%。不同冻融周期岩体的完整性系数Kv可按下式进行计算:Kv=1.0-0.0 8 3JvKv=0.7 5-0.0 2 9(Jv-3)Kv=0.5 5-0.0 2(Jv-1 0)Kv=0.3 5-0.0 1 3(Jv-2 0)Kv=0.1 5-0.0 0 7 5(Jv-3 5)(Jv 3)(3 Jv 1 0)(1 0 Jv 2 0)(2 0 3 5)(2)式中,Jv为岩体的结构面体密度,条/m3。为获取取样位置不同冻融周期岩体的体积节理数,将取样所在区域的岩体注水后进行反复的冻结、融解,并采用S h a p e M e t r i x3 D岩体结构面数字扫描系统对经历不同冻融周
10、期后岩体的结构面空间几何信息进行数字摄影测量,结果见表1。表1 不同冻融周期岩体结构面测试结果冻融周期/次结构面信息结构面条数/条结构面体密度/(条/m3)01 4 45.2 21 02 1 41 0.7 02 05 8 51 6.4 53 06 7 81 8.2 14 08 2 42 2.9 6 由表1可见,随冻融次数的增加,岩体结构面条数和结构面体密度均有较大幅度的增加,这表明,冻融作用对岩体的完整性具有较强的破坏作用,依据式(2)可得冻融次数为0、1 0次、2 0次、3 0次、4 0次时,岩体的完整性系数Kv分别为0.6 8 5 6,0.5 3 6 0,0.4 2 1 0,0.3 8 5
11、 8和0.3 1 1 5。依据式(1),结合不同冻融周期饱水岩石的单轴抗压强度与岩体的完整性系数,可得冻融次数为0、1 0次、2 0次、3 0次、4 0次时岩体的基本质量指标B Q6采矿技术2 0 2 3,2 3(3)与基本质量级别,见表2。表2 不同冻融次数后岩体的基本质量指标冻融次数/次单轴抗压强度/M P aB Q基本质量级别06 0.84 5 3.81 05 5.84 0 1.42 05 1.83 6 0.73 04 7.93 4 0.24 04 1.63 0 2.7 由表2可知,边坡浅部饱水岩体经历3 0次冻融循环后,其B Q由未冻融时的4 5 3.8下降到3 4 0.2,对应的岩体
12、基本质量级别由级下降为,这也说明了含水边坡岩体质量在冻融作用下会产生不同程度的劣化。2 边坡岩体强度参数计算为定量分析冻融作用对边坡岩体强度参数的劣化作用,在不同冻融周期岩石物理力学参数、边坡岩体结构面随冻融周期的发育情况的基础上,采用H o e k-B r o w n强度准则1 6计算不同冻融周期岩体的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量等物理力学参数1 7。根据H o e k-B r o w n强度准则,可按下式计算岩体的单轴抗压强度:c m=c is(3)s和的值可分别按式(4)、式(5)计算。s=e x pG S I-1 0 09-3D (4)=12+16e x p-G S I1
13、 5 -e x p-2 03 (5)式中,c i为完整岩石块体的单轴抗压强度,M P a;s为与岩体特性有关的材料常数;为与岩体完整性相关的参数;D为岩体扰动参数;G I S为地质强度指标。岩体抗拉强度参数按式(6)进行计算:t=-s c imb(6)mb可按式(7)进行计算:mb=mie x pG S I-1 0 02 8-1 4D (7)式中,mb为反映岩体特征的经验参数;mi为组成岩体完整岩块的H o e k-B r o w n常数。岩体的弹性模量可按式(8)进行计算:Em=(1-D2)c i1 0 01 0(G S I-1 0)/4 0(c i 1 0 0M P a)Em=(1-D2)
14、1 0(G S I-1 0)/4 0(c i 1 0 0M P a)(8)岩体的抗剪强度参数可按式(9)和式(1 0)计算:=s i n-16 mb(s+mb3n)-12(1+)(2+)+6 mb(s+mb3n)-1 (9)c=c i1+2 s+(1-)mb3n (s+mb3n)-1(1+)(2+)1+6 mb(s+mb3n)-1(1+)(2+)(1 0)3n=3 m a xc i(1 1)3 m a x=0.7 2 c mg H -0.9 1(1 2)根据研究区岩体特征参数,可得mi、G S I和D的值分别为9,3 6和0.7。结合冻融后饱水岩石的单轴抗压强度,可得边坡浅部岩体经历1 0,2
15、 0,3 0,4 0次冻融循环后,其单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角见表3。表3 岩体强度参数冻融次数/次抗压强度/M P a抗拉强度/M P a弹性模量/G P a黏聚力/M P a内摩擦角/()02 9.6 21.9 22.2 60.3 04 5.6 41 02 7.6 21.7 62.1 70.2 84 0.1 72 02 5.4 91.6 32.0 90.2 63 7.4 33 02 3.7 51.5 12.0 10.2 43 5.0 04 02 0.3 31.3 11.8 70.2 13 2.4 1 由表3可见,冻融作用对边坡浅部岩体的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、
16、黏聚力和内摩擦角均产生不同程度的影响,随冻融循环周期的增加,上述各参数均呈现出不同程度的降低。经历4 0次冻融循环后,岩体的抗压强度由未冻融时的2 9.6 2M P a下降到2 0.3 3M P a,降低幅度为3 1.3 6%;抗拉强度由1.9 2M P a下降到1.3 1M P a,降低幅度为3 1.7 7%;弹性模量由2.2 6G P a下降到1.8 7G P a,降低幅度为1 7.2 6%;黏聚力由0.3 0M P a下降到0.2 1M P a,降低 幅 度 为3 0%;内 摩 擦 角 由4 5.6 4 下 降 到3 2.4 1,降低幅度为2 8.9 9%。由上述分析结果可知,冻融作用对边坡浅部岩体抗压强度、抗拉强度和7贾淯斐,等:冻融作用对边坡泥质粉砂岩岩体质量与强度的影响黏聚力的影响较为明显,而对弹性模量的影响相对较小。冻融作用对边坡浅部岩体的劣化作用,不仅会造成滑坡等地质灾害,也会威胁到矿山的安全生产。因此,在露天矿山开采过程中,为降低冻融作用对边坡岩体的劣化作用,在开采过程中需做好边坡的防排水设计。3 结论(1)冻融作用对泥质粉砂岩的强度产生重要影响,饱水及经历1 0,2
