1、HML 磷矿露天边坡岩体力学参数试验测试及折减方法赵强 1 黄其冲 1 豆玉杰 2（1.北方爆破科技有限公司，北京，100089；2.北京奥信化工科技发展有限责任公司,北京，100043）摘要：为了对 HML 露天矿进行边坡稳定性分析，需要全面了解边坡地质情况和获取可靠合理的边坡岩体力学参数。通过室内岩石力学试验测量得到了 HML 矿山边坡岩体的抗拉强度、泊松比、弹性模量等力学参数。并采用几种基于室内岩石样本实验和工程地质资料相结合的岩石力学参数的折算方法，对测得的 HML 边坡岩样力学参数进行处理，得到了可用于实际工程分析和建模计算的较为合理、准确的岩石力学参数。关键字：HML 露天矿；边坡
2、稳定性分析；室内岩石实验中图分类号：TD167 文献标识码：A 文章编号:The Rock Mass Mechanics Parameters Test and Reduction method of HML Phosphate Mine Open-pit SlopeZhaoQiang1 Huang Qichong1 Dou Yujie2（ 1.North Blasting Technology Co., Ltd.Beijing, 100089,china;2.Beijing Auxin Chemical Technology Ltd.Beijing,100043)Abstract: In o
3、rder to analyze the slope stability of the Huangmeiling Open-pit Mine, it is necessary to comprehensive understand the geological conditions of the slope and to obtain reliable and reasonable mechanical parameters of the slope rock mass. The mechanical parameters such as tensile strength, Poissons r
4、atio and elastic modulus of rock mass in HML mine were measured by indoor rock mechanics test. Then the Measured mechanical parameters of Huangmeiling slope are processed by several rock mechanics parameters conversion methods based on the combination of indoor rock sample experiment and engineering
5、 geological data. Finally, a more reasonable and accurate rock mechanics parameter which can be used in actual engineering analysis and modeling calculation is obtained.Keywords: HML Open pit; slope stability analysis; rock sample indoor test在对边坡稳定性分析进行研究时，不管是采用数值模拟手段还是理论分析计算的方法，岩体力学参数选取的可靠性与合理性在很大程
6、度上能够决定了计算结果的准确性，由此可见，矿岩的物理力学性质的研究是边坡稳定性研究的基础 1,2。岩体与岩石的力学性质存在很大的差异，主要是因为岩体中结构面的存在，以及岩体赋存在一定的地质环境中受水、风化等外营力作用 3。本次研究以 HML 磷化工有限责任公司磷矿山露天地下联合开采工程某边坡为研究背景，通过现场取样、室内实验测试、参数折算得到比较满意的岩石力学参数。1.研究区域地质概况HML 磷矿区属南秦岭大别山地层区，前寒武系变质地层广泛分布，出露的地层包括下元古界大别山变质杂岩和中元古界红安(岩) 群，少量新生界第四系。由老至新分述如下：大别山变质杂岩（Pt1D） 、中元古界红安( 岩)群
7、、新生界第四系（ Q） 。可以参照矿区岩性的特征、岩石组合情况及其物理力学性质等， 将矿区内的岩体划分为较坚硬块状工程地质岩、较坚硬片麻状工程地质岩、较坚硬-较松软片状工程地质岩、松散、松软土体工程地质岩等四种工程地质岩。- 作者简介 赵强（1986 ） ，男，工 程 师 ， 硕 士 ， 采 矿 工 程 ， 主 要 从 事 爆 破 方 向 研 究 。基金项目 中央高校基本科研业务费专项资金资助（项目批准号：2017IVA048）较坚硬块状地质岩性为大别山变质岩的花岗片麻岩，稳定性较好；较坚硬片麻状地质岩性主要为浅粒岩和片麻岩，稳定性好；较坚硬-较松软片状地质主要岩性为片岩、含磷岩系、 变粒岩，
8、矿区内岩性差别很小，物理力学性质差异比较大常见炭质片岩软弱夹层，不仅岩石强度的比较低，而且岩石的稳定性也较差；表层松散的土体地质大体是由第四系含亚砂土、粘土、砂砾土和基岩强风化带内的松散状岩石，和新堆积的废石、矿渣组成，这种岩石中亲水物质成分多，吸水性也强，导致其力学强度很低，一般抗压强度小于20MPa，因此表层岩石的稳定性较差；这种地质条件容易造成地表坍塌、水土流失，导致生态环境遭受破坏。2 边坡岩体力学参数的确定为了研究 HML 露天矿边坡岩体的力学参数，在现场进行了岩石取样，并在实验室进行了室内岩石力学参数试验。2.1 抗拉强度试验岩石抗拉强度可按照下列公式来计算：（1）DhPt2式中：
9、 岩石抗拉强度，MPa，计算值取 3 位有效数字； P试件破坏荷载，N；D t试件的直径，mm；图 1、图 2 分别是矿石和围岩部分试件在受均匀单向荷载作用下的力 位移曲线图。力 -位 移 曲 线0369121518212427300 0.20.40.60.8 1 1.21.41.61.8 2mmkN力 -位 移 曲 线04812162024283236400 0.20.40.60.8 1 1.21.41.61.8 2mmkN图 1 浅粒磷灰岩（矿石）试件力-位移曲线 图 2 浅粒磷灰岩（围岩，夹石）试件力- 位移曲线Fig.1 Force - displacement curve of sh
10、allow fig.2 Force - displacement curve of shallow- grained phosphorite (ore) specimen - grained phosphorite (Surrounding rock) specimen 试验结果统计如表所示：表 1 岩石抗拉试验报告（劈裂法）Table 1 Rock Tensile Test Report (splitting method)试件直径 试件厚度 破坏荷载 岩石抗拉强度试件岩性mm mm kN MPa浅粒磷灰岩（围岩、夹石） 48.3 99.2 23.00 3.06含磷变粒岩 48.2 100.
11、0 34.68 4.58石英云母片岩 48.4 99.9 107.83 14.20绿片岩 48.3 101 28.66 3.742变粒磷灰岩 48.5 96.8 25.98 3.525变粒磷灰岩 48.9 100.6 31.18 4.037片麻岩 48.9 100.6 56.32 7.292大理岩 48.9 99.3 41.49 5.44半石墨片岩 48.9 100.4 50.81 6.5922.2 单轴岩石变形试验单轴岩石变形试验可以按照下列步骤来进行：（1）根据公式(1)可计算岩石的单轴抗压强度。（2）按下列公式计算可以得到各级应力：（2）AP式中： 各级应力，MPa；P 与所测各组应变值
12、相对应的荷载大小，N； A试件的截面积大小，mm 2。（3）根据所得的数据绘制应力与纵向应变及横向应变关系曲线。（4）岩石平均弹性模量和岩石平均泊松比可按下列公式计算得出 4:（3）12E（4）dcba式中：E岩石弹性模量，MPa； 岩石泊松比； 应力为 时的纵向应变值；11应力为 时的纵向应变值； 应力与纵向应变关系曲线上直线段始点的应力，221MPa； 应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力，MPa； 应力为 时的纵aa向应变值； 应力为 时的纵向应变值； 应力为 时的横向应变值； 应力为bbccd时的横向应变值。d（5）有效数字的取值 岩石弹性模量值取 3 位；泊松比计算值精确至小数点
13、后两位数。（6）单轴压缩变形试验记录表应包括以下几项内容：工程名称、取样位置、试件编号、试件描述、试件尺寸、各级荷载下的应力及纵向和横向应变值、破坏荷载。部分试件单轴压缩变形的应力应变曲线图如下：010203040506070800 0 00.010.010.010.010.010.010.010.010.02应 变应力(Mpa)010203040506070800 0 0 00.010.010.010.010.010.010.010.02应 变应力（Mpa）图 3 浅粒磷灰（矿石）岩试件应力应变曲线图 图 4 含磷变磷岩试件应力应变曲线图Fig.3 Stress-strain curve o
14、f shallow-grained fig.4 Stress-strain curve of phosphorite (ore) rock specimen phosphorus-bearing phosphate rock specimen部分试件在受均匀单向荷载作用下的横轴、纵轴应变曲线图如下：-2000-1000010002000300040001 13 25 37 49 61 73 85 97 109时 间应变-4000-2000020004000600080001 16 31 46 61 76 91 106121时 间应变图 5 浅粒磷灰岩 (矿石)试件应变-时间 图 6 浅粒磷灰岩
15、（围岩，夹石）应变 -时间 曲线图 曲线图Fig.5 Strain - time curve of shallow Fig.6 Stratospheric apatite (wall rock, rock) phosphorite (ore) specimen Strain - time curve单轴岩石变形实验报告如表所示：表 2 单轴岩石变形实验报告表Table 2 Uniaxial deformation test report form试件岩性试件直径（D）/mm试件厚度（ h）/mm泊松比（ ）弹性模量（ E）/GPa浅粒磷灰岩（矿石） 48.5 101 0.325 9.079浅粒
16、磷灰岩（围岩） 48.4 100.4 0.384 6.895含磷变粒岩 48.4 99.6 0.304 5.610石英云母岩 48.9 100 0.231 2.355绿片岩 48.6 98.3 0.220 9.407变粒磷灰岩 49 100.9 0.327 24.106片麻岩 48.9 99.5 0.440 8.796大理岩 49 100.5 0.430 20.335半石墨片岩 49.1 100.8 0.438 9.0332.3 岩石试样物理力学性质HML 磷矿山岩石物理力学性质汇总表如表 3表 3 HML 岩石试样力学性质汇总表Table 3 Summary of mechanical pr
17、operties of HML rock samples试件岩性 抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa密度/（ kg/m3）泊松比浅粒磷灰岩( 矿石) 121 3.06 9.079 2906.2 0.325浅粒磷灰岩 221 4.58 6.895 2670.3 0.384含磷变粒岩 104 14.20 5.610 2866.4 0.304石英云母片岩 36 3.742 2.355 2722.2 0.231绿片岩 40.1 3.525 9.407 2721.4 0.220变粒磷灰岩 150 4.037 24.106 2692.3 0.327片麻岩 77.2 7.292 8.796 2
18、599.8 0.440大理岩 165 5.44 20.335 2840.2 0.430半石墨片岩 128 6.592 9.033 2699.7 0.4383 岩体工程力学参数折算合理的计算参数对于矿岩和边坡的稳定性起到关键性作用。但是由于矿山的地质结构以及采矿条件极为复杂，选取合理的岩体力学参数就相当困难。所以人们不惜进行大量的室内试验以及现场原位试验，甚至花费大量的人力财力物力希望得到合理的参数 5。在实践工程中，工程岩体的影响因素有复杂地质和非均质特性，在不同采区的影响也往往不一样，所以想要得到准确且合理的选取岩体力学参数常常会非常困难。将室内试验测得的试验值运用于岩体工程稳定分析中,必须
19、进行工程处理,下面介绍几种常用的方法。3.1 岩体工程力学参数折算方法目前，国内外研究人员对岩体的内摩擦角、内聚力和单轴抗压强度等方面的科学研究较多，其中最广为认知的是 1980 年由 Hoek-Brown 提出的节理化岩体的破坏准则 6：（5） 2331ccsm式中： 为岩体破坏时的最大主应力； 为岩体破坏时的最小主应力； 为组成岩1 c体的完整岩块的单轴抗压强度；m ，s 为岩体的物性常数。世界范围内的水利水电工程、岩体边坡工程、隧道硐室等工程咨询项目中都广泛应用此准则。Hoek-Brown 提出通过研究岩体的地质环境，可得到与岩体表面粗糙性、表面风化程度和结构特性等强度指标准 GSI(g
20、eologicalstrength index)，从而对原准则进行了从新定义及扩展。推广后的 Hoek-Brown 准则为 7：（6）smcb331（7）28/)10exp(GSIib式中： 为岩体破坏时的最大主应力； 为岩体破坏时的最小主应力； 为组成岩13c体的完整岩块的单轴抗压强度； 为岩体的 Hoek-Brown 常量； 为组成岩体的完整岩bmim块的 Hoek-Brown 常数，见表 4；s， 为取决于岩体特性的常数。对于 GSI25 的岩体：（8）15/)0exp(GSI.0对于 GSI25 的岩体：（9）s2/6.SIGSI 为岩体的地质强度指标。然而，岩体结构划分描述时缺乏定量
21、化，在确定岩体地质强度指标 GSI 时，如果采用由 Hoek-Brown 定义的岩体地质强度指标 GSI 评定，由于缺乏定量化，即使是一种形态岩体结构描述中，也是很难确定的，通常用 GSI =RMR-5 来进行估算。RMR 为岩石地质力学分类，根据实测资料，按照标准进行评分。表 4 由岩石类型所决定的 HoekBrown 常量 miTable 4 Hoek-Brown constant mi determined by rock type结 构岩石类型 岩石性状岩石化学特征 粗糙的 中等的 精细的 非常精细的碎屑状 砾岩 22 砂岩 19 粉砂岩 9 泥岩 4有机的 煤 821碳化的 角砾岩
22、20 石灰岩 810沉积岩非碎屑状化学的 石膏 16 硬石膏 13非层状 大理岩 9 角页岩 19 石英岩 24轻微层状 惩麻岩 30 闪石 2531 糜棱岩 6变质岩层状 片麻岩 33 片岩 48 千枚岩 10 板岩 9花岗岩 33 流纹岩 16 黑曜岩 19亮色的 花岗闪长岩 30石英安山岩 17暗色的 辉长岩 27 辉绿岩 19 玄武岩 17火成岩火成碎屑状 砾岩 20 角砾岩 18 凝灰岩 15采用以下三个基本参数，使用 Hoek-Brown 准则来估计节理化岩体强度与力学参数：(1)岩体中完整岩块的单轴抗压强度 ；c(2) 岩体中完整岩块的 Hoek-Brown 常数 mi；(3)岩
23、体的地质强度指标 GSI。由于岩体的地质强度指标可以通过 GSI=RMR-5 来确定。因此，岩体的抗拉强度由式(6)中令 =0 解出；节理化岩体的抗压强度可由方程 (6)中1令 =0 而得到。33.2 关于弹性模量折减弹性模量折减根据 Mitrietal.（ 1994）提出了下述经验公式：（10）)10cos(15.0RMERFlm3.3 内聚力和内摩擦角的求解根据试件的抗压强度和抗拉强度值，可绘制典型试件的摩尔圆 8，求算出它的内聚力和内摩擦角，如图 7 所示直线型的摩尔强度曲线与 轴有一截距 c 为粘结力，与 轴有一夹角 则为内摩擦角。根据抗压强度 c 和抗拉强度 t 结果，绘制摩尔圆，按
24、下式求取内聚力 c 和内摩擦角 ： =arctan （11）+（12）1tancos图 7 摩尔圆及粘结力与内摩擦角Fig.7 Moores circle , adhesion and internal friction angle3.4 HML 磷矿岩体力学参数折算完整岩块的单轴抗拉强度 c 数据可有 HML 矿岩室内力学试验研究取得， mi 值可通过表 4 查得，岩体的 Hoek-Brown 常量中 mb 值可通过公式（7）计算得到；通过 HML 矿段岩心钻探资料可知，节理裂隙不发育，岩心完整，岩层较坚硬的顶、底板位于矿床较远处，反之距离矿床较近时岩石较破碎。根据地质报告，由表 7 可以到
25、得的岩体的地质强度指标GSI，并且可以根据式(8)、(9)可求得常数 s， 值，所得数据列于表 5。表 5 HML 矿区岩体力学折减参数表Table 5 HML Mining Rock Mechanics Parameter Reduction Table岩 性 cimbGSI s浅粒磷灰岩（矿石） 121 9 3.685357126 75 0.1889 0.5浅粒磷灰岩 221 9 2.5785432 65 0.0970 0.5含磷变粒岩 104 8 2.5512525 68 0.1184 0.5石英云母片岩 36 6 1.7190288 65 0.0970 0.5绿片岩 40.1 6 1.
26、7190288 65 0.0970 0.5变粒磷灰岩 150 9 3.0826697 70 0.1353 0.5片麻岩 77.2 33 10.523916 68 0.1184 0.5大理岩 165 9 1.5090952 50 0.0357 0.5半石墨片岩 128 4 0.392532 35 0.0131 0.5在对 HML 矿区岩体力学参数进行折减时，既要考虑 HML 磷矿的实际情况，又要结合室内岩石力学试验，考虑 Hoek-Brown 折算准则，按照的 Nicholson 和 Bieniawski 提出的回归公式对岩体的弹性模量 进行折减 9，即公式(10)进行计算；因为计算结果变化不大
27、，mE所以一般不会调整该岩石的泊松比和岩体的泊松比整；然而对于其他参数，都是可以根据Hoek-Brown 折算准则进行计算估计得出。通过表 3 和表 4 的数据，让式(6)中的 =0 计算1得出到岩体的抗拉强度 ；通过式(13)的回归分析可以得到式 (12)中 ， 值，并让 =0t kb3可得到岩体的抗压强度 ；根据公式(10)、(11)、(12) 折减后得到弹性模量、粘结力、内m摩擦角等。并将结果列于表 8。表 6 HML 矿区折减后岩体力学参数表Table 6 HML mining area reduced rock mechanical parameters table岩 性弹性模量Em
28、/GPa抗压强度m/MPa抗拉强度t/MPa泊松比u粘结力Cm/MPa内摩擦角m/浅粒磷灰岩（矿石） 8.21 52.59 3.06 0.325 8.04 48.33浅粒磷灰岩 5.47 68.82 4.58 0.384 12.19 48.81含磷变粒岩 4.66 35.79 4.74 0.304 13.99 52.55石英云母片岩 1.87 11.21 2.1 0.231 6.23 54.96绿片岩 7.46 12.49 2.19 0.220 6.94 54.96变粒磷灰岩 20.57 55.18 4.04 0.327 10.85 49.18片麻岩 7.30 26.57 7.29 0.440
29、 27.55 60.35大理岩 11.75 31.16 3.84 0.430 11.16 52.03半石墨片岩 3.12 14.66 3.97 0.438 14.87 60.144 结论（1）文章通过现场取样，室内岩石力学试验得出岩石的抗拉、抗压强度，还有弹性模量泊松比等力学参数。（2）结合 HML 露天矿的地质特征，通过工程力学参数折算法得出了更加符合实际要求的应用于工程分析和建模计算的合理准确的力学参数。参考文献1 周火明，孔祥辉. 水利水电工程岩石力学参数取值问题与对策J. 长江科学院报，2006，23（4）：36-40.Zhou Huoming，Kong Xianghui. Probl
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