摘要：為了解巖石性質(zhì)與巖體性質(zhì)的相關(guān)性，通過對陽泉礦區(qū)的巖石和巖體進(jìn)行測試，研究了巖石強(qiáng)度與巖體強(qiáng)度、巖石波速與巖體波速的相關(guān)性。結(jié)果表明，巖石單軸抗壓強(qiáng)度與巖體強(qiáng)度具有相似的變化趨勢，并且具有顯著的線性變化關(guān)系，經(jīng)過擬合后的公式可以較準(zhǔn)確地進(jìn)行巖石抗壓強(qiáng)度與巖體強(qiáng)度的換算。巖石的波速均大于巖體的波速，通過比例系數(shù)K表示巖體波速與巖石波速的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同巖石的比例系數(shù)并不相同，并且有較大差異，巖體的波速越接近巖石的波速，說明巖體越完整。

　　關(guān)鍵詞：巖石;巖體;單軸抗壓強(qiáng)度;波速;巖體完整性

　　0 引言

　　巖體是眾多地下工程的主要構(gòu)成材料，巖石又是巖體的重要組成部分，研究巖體和巖石的力學(xué)性質(zhì)對工程的分析研究具有重要意義。

　　目前，巖石性質(zhì)的研究已經(jīng)較為豐富[-7]，一般將加工好的標(biāo)準(zhǔn)試件送至實(shí)驗(yàn)室研究。雖然現(xiàn)場巖體性質(zhì)的研究較為困難，但還是有學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。何滿潮等[8]研究了深部巖體的非線性力學(xué)特性。司林坡和康紅普[-10基于鉆孔觸探法開發(fā)了一套原位測試設(shè)備，并通過該設(shè)備在多個礦區(qū)進(jìn)行測試，研究了巖體強(qiáng)度變化規(guī)律。徐光亮等[1]通過圍巖強(qiáng)度測試設(shè)備研究了圍巖強(qiáng)度變化規(guī)律。靖洪文等[12]研究了超聲波探測法、鉆孔觸探法、鉆孔剪切法3種測試方法的優(yōu)劣，并且通過鉆孔剪切法在礦區(qū)進(jìn)行了測試，研究了原位強(qiáng)度的空間、時間效應(yīng)。姚強(qiáng)嶺等[13]開發(fā)了一種地質(zhì)力學(xué)原位測試系統(tǒng)，并且通過實(shí)測獲得了煤礦的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)。于可偉[1]進(jìn)行了煤礦井下巷道的圍巖地質(zhì)力學(xué)測試，研究了地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。錢七虎等[15]研究了巖石與巖體變形與破壞的時間特性，討論了若干破壞準(zhǔn)則。夏開宗等[1])研究了巖體波速估算地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)的方法，引入了Hoek-Brown準(zhǔn)則，給出了巖體波速預(yù)測力學(xué)參數(shù)的方法。黃承賢等[7)介紹了巖石單軸和三軸波速與力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，研究了圍壓對巖石波速的影響。徐松林等[1]研究了卸荷過程巖體的波速變化，采用雙裂紋模型研究了內(nèi)部結(jié)構(gòu)對波速的影響。邵國建等[]在評價現(xiàn)有巖體穩(wěn)定性分析方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際工程問題建立了巖體穩(wěn)定分析的干擾能量法。

　　巖體的力學(xué)參數(shù)測試分為現(xiàn)場巖體原位測試和實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)測試。現(xiàn)場原位測試通過專用設(shè)備測試巖體的力學(xué)物理性質(zhì)，具有接近真實(shí)反映巖體性質(zhì)的優(yōu)勢，但現(xiàn)場測試又受諸多條件影響，測試結(jié)果通常不穩(wěn)定，有的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以在地下空間展開。實(shí)驗(yàn)室測試是通過在巖體上鉆孔取芯，加工成標(biāo)準(zhǔn)試件在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測試。實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果通常較為穩(wěn)定，但巖石試件脫離巖體，難以體現(xiàn)出真實(shí)地質(zhì)環(huán)境的影響，而且當(dāng)巖體較為破碎或者一些巖石強(qiáng)度較低時，難以取出完整的巖芯。因此，有必要研究巖石性質(zhì)與巖體性質(zhì)的變化關(guān)系，建立巖石與巖體的聯(lián)系，本文進(jìn)行巖石和巖體的強(qiáng)度和波速測試，研究巖石、巖體強(qiáng)度與波速的相關(guān)性，為相關(guān)研究提供參考。

　　1測試方法

　　1.1 強(qiáng)度測試

　　巖石取自山西陽煤集團(tuán)寺家莊礦某巖巷，在現(xiàn)場進(jìn)行鉆孔取芯，將取芯的巖石加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。在相同取芯位置進(jìn)行原位測試，得到巖體的原位測試強(qiáng)度。

　　巖石單軸壓縮試驗(yàn)采用TAW-3000型電液伺服試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)具有大剛度框架、全數(shù)字伺服控制器等先進(jìn)設(shè)備，具有良好的可靠性與準(zhǔn)確性。原位測試采用鉆孔觸探法原位測試儀，測試設(shè)備包括：液壓泵、測試探頭、數(shù)顯峰值壓力表、高壓管、安裝桿。諸多研究表明，通過該方法得到的巖體強(qiáng)度較為準(zhǔn)確，且適合巖巷內(nèi)的測試研究。該設(shè)備的原理是在測試巖體內(nèi)鉆孔，將探頭通過支撐桿伸入孔內(nèi)，操作液壓泵加壓后探頭內(nèi)的探針便會伸出并壓住巖壁，通過液壓泵不斷加壓，探針持續(xù)作用于孔壁，當(dāng)達(dá)到孔壁的破壞強(qiáng)度后孔壁便會破裂，此時強(qiáng)度即為巖體強(qiáng)度。

　　在取芯孔內(nèi)進(jìn)行原位測試，每個孔進(jìn)行4m

　　4.5 m，5 m 3個深度測試，每個深度測試一次后將探頭旋轉(zhuǎn)120后進(jìn)行一次測試，然后再旋轉(zhuǎn)一次。每個深度測試3次求出算數(shù)平均值為該深度的測試強(qiáng)度，最后求出3個深度的強(qiáng)度值，取算數(shù)平均值為該孔的原位測試強(qiáng)度。

　　1.2 波速測試

　　波速研究的巖石取自山西陽煤集團(tuán)新景礦，對礦區(qū)地面鉆孔取芯制成的巖石標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行巖石波速測試，采用全波列測井方法在鉆孔內(nèi)進(jìn)行巖體波速測試，確定現(xiàn)場巖體的波速，對比實(shí)驗(yàn)室測試得到的巖石波速，分析巖石聲波波速與巖體聲波波速之間的相關(guān)性。

　　巖石波速測試的設(shè)備由示波器、脈沖收發(fā)器、探頭3部分組成。在試件上下表面均勻涂上耦合劑，將聲波發(fā)送、接受探頭分別放在試件上下兩側(cè)，通過示波器讀出波在探頭間傳遞的時間，通過試件的尺寸便可求出波速。

　　2強(qiáng)度分析

　　實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)試驗(yàn)和巷道原位測試試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

　　圖1為巖體原位強(qiáng)度與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的變化趨勢，由圖1可以看出，各測點(diǎn)的原位強(qiáng)度均小于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，并且在數(shù)值上存在較大差距，但具有相同的變化趨勢。

　　將原位測試強(qiáng)度與巖石單軸抗壓強(qiáng)度繪制成散點(diǎn)圖(如圖2所示)，發(fā)現(xiàn)原位強(qiáng)度與巖石的單軸抗E強(qiáng)度呈現(xiàn)接近線性的變化關(guān)系，即相關(guān)性系數(shù)R"=0.886 08，擬合度較高，巖體原位測試強(qiáng)度與巖石的抗壓強(qiáng)度具有較強(qiáng)的線性變化關(guān)系，通過式(2)可以進(jìn)行巖體強(qiáng)度與巖石單軸抗壓強(qiáng)度之間的換算。

　　3波速分析

　　定義速度比K為巖體波速與巖石波速的比值，用比例系數(shù)K表示巖石與巖體波速的變化關(guān)系。按不同種類的巖石劃分，通過實(shí)驗(yàn)室測試和全波列測井得出的縱波波速如表2所示。

　　由表2可知，巖石的波速均大于巖體的波速，這是由于巖石試件通常完整堅(jiān)硬且無明顯結(jié)構(gòu)面，而巖體充斥著結(jié)構(gòu)面與裂隙，影響著機(jī)械波的傳播，因此波速也會降低。巖體的波速越接近巖石的波速，說明巖體越完整。顯然，不同巖性巖體的完整性也不同。

　　巖體縱波波速與巖石縱波波速之比的平方K2可以表現(xiàn)巖體的完整性[21，如表3所示。泥巖的完整性最好，K2=0.90，質(zhì)差些，K2=0.86，石灰?guī)rK2-0.77，泥巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r的巖體完整程度均為完整。中砂巖K2-0.74，巖體完整程度為較完整，粉砂巖K2=0.49，細(xì)砂巖K2=0.48，巖體完整程度均為較破碎。不同巖性的巖體K值的差距是由于巖體的完整程度不同。

　　4結(jié)論

　　通過對巖石和巖體進(jìn)行強(qiáng)度和波速測試，分析巖石強(qiáng)度與巖體強(qiáng)度、巖石波速與巖體波速的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

　　(1)在不同的測點(diǎn)，巖石單軸抗壓強(qiáng)度均大于巖體強(qiáng)度，但在不同的測點(diǎn)具有相似的變化趨勢，通過線性擬合發(fā)現(xiàn)擬合度較高，擬合公式為：o，=0.179 770+20.122 03該式具有較高的相關(guān)系數(shù)，即巖體原位強(qiáng)度與巖石單軸抗壓強(qiáng)度有較強(qiáng)的相關(guān)性，通過該式可以進(jìn)行巖石強(qiáng)度與巖體強(qiáng)度之間的換算。

　　(2)巖石波速均大于巖體波速，通過比例系數(shù)K表示巖體波速與巖石波速的變化關(guān)系，不同巖石的比例系數(shù)并不相同，這是由于這是由于巖石試件通常完整堅(jiān)硬且無明顯結(jié)構(gòu)面，而巖體充斥著結(jié)構(gòu)面與裂隙，影響著機(jī)械波的傳播，因此波速也會降低。

　　(3)不同巖性巖體的完整性也不同，巖體的波速越接近巖石的波速，說明巖體越完整。

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文章名稱： 巖石與巖體性質(zhì)的相關(guān)性研究

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