摘要：為了解巖石性質與巖體性質的相關性，通過對陽泉礦區的巖石和巖體進行測試，研究了巖石強度與巖體強度、巖石波速與巖體波速的相關性。結果表明，巖石單軸抗壓強度與巖體強度具有相似的變化趨勢，并且具有顯著的線性變化關系，經過擬合后的公式可以較準確地進行巖石抗壓強度與巖體強度的換算。巖石的波速均大于巖體的波速，通過比例系數K表示巖體波速與巖石波速的變化關系，發現不同巖石的比例系數并不相同，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。

　　關鍵詞：巖石;巖體;單軸抗壓強度;波速;巖體完整性

　　0 引言

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

　　目前，巖石性質的研究已經較為豐富[-7]，一般將加工好的標準試件送至實驗室研究。雖然現場巖體性質的研究較為困難，但還是有學者進行了一系列研究。何滿潮等[8]研究了深部巖體的非線性力學特性。司林坡和康紅普[-10基于鉆孔觸探法開發了一套原位測試設備，并通過該設備在多個礦區進行測試，研究了巖體強度變化規律。徐光亮等[1]通過圍巖強度測試設備研究了圍巖強度變化規律。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種測試方法的優劣，并且通過鉆孔剪切法在礦區進行了測試，研究了原位強度的空間、時間效應。姚強嶺等[13]開發了一種地質力學原位測試系統，并且通過實測獲得了煤礦的地質力學參數。于可偉[1]進行了煤礦井下巷道的圍巖地質力學測試，研究了地質力學參數的變化規律。錢七虎等[15]研究了巖石與巖體變形與破壞的時間特性，討論了若干破壞準則。夏開宗等[1])研究了巖體波速估算地質強度指標的方法，引入了Hoek-Brown準則，給出了巖體波速預測力學參數的方法。黃承賢等[7)介紹了巖石單軸和三軸波速與力學參數的變化規律，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部結構對波速的影響。邵國建等[]在評價現有巖體穩定性分析方法的基礎上，根據實際工程問題建立了巖體穩定分析的干擾能量法。

　　巖體的力學參數測試分為現場巖體原位測試和實驗室巖石力學測試。現場原位測試通過專用設備測試巖體的力學物理性質，具有接近真實反映巖體性質的優勢，但現場測試又受諸多條件影響，測試結果通常不穩定，有的設備結構復雜，難以在地下空間展開。實驗室測試是通過在巖體上鉆孔取芯，加工成標準試件在實驗室內進行物理力學性質測試。實驗室測試結果通常較為穩定，但巖石試件脫離巖體，難以體現出真實地質環境的影響，而且當巖體較為破碎或者一些巖石強度較低時，難以取出完整的巖芯。因此，有必要研究巖石性質與巖體性質的變化關系，建立巖石與巖體的聯系，本文進行巖石和巖體的強度和波速測試，研究巖石、巖體強度與波速的相關性，為相關研究提供參考。

　　1測試方法

　　1.1 強度測試

　　巖石取自山西陽煤集團寺家莊礦某巖巷，在現場進行鉆孔取芯，將取芯的巖石加工成標準試件，在實驗室內進行抗壓強度測試。在相同取芯位置進行原位測試，得到巖體的原位測試強度。

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

　　在取芯孔內進行原位測試，每個孔進行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120后進行一次測試，然后再旋轉一次。每個深度測試3次求出算數平均值為該深度的測試強度，最后求出3個深度的強度值，取算數平均值為該孔的原位測試強度。

　　1.2 波速測試

　　波速研究的巖石取自山西陽煤集團新景礦，對礦區地面鉆孔取芯制成的巖石標準試件進行巖石波速測試，采用全波列測井方法在鉆孔內進行巖體波速測試，確定現場巖體的波速，對比實驗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性。

　　巖石波速測試的設備由示波器、脈沖收發器、探頭3部分組成。在試件上下表面均勻涂上耦合劑，將聲波發送、接受探頭分別放在試件上下兩側，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強度分析

　　實驗室巖石力學試驗和巷道原位測試試驗結果如表1所示。

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

　　將原位測試強度與巖石單軸抗壓強度繪制成散點圖(如圖2所示)，發現原位強度與巖石的單軸抗E強度呈現接近線性的變化關系，即相關性系數R"=0.886 08，擬合度較高，巖體原位測試強度與巖石的抗壓強度具有較強的線性變化關系，通過式(2)可以進行巖體強度與巖石單軸抗壓強度之間的換算。

　　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K表示巖石與巖體波速的變化關系。按不同種類的巖石劃分，通過實驗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硬且無明顯結構面，而巖體充斥著結構面與裂隙，影響著機械波的傳播，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可以表現巖體的完整性[21，如表3所示。泥巖的完整性最好，K2=0.90，質差些，K2=0.86，石灰巖K2-0.77，泥巖、砂質泥巖、石灰巖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結論

　　通過對巖石和巖體進行強度和波速測試，分析巖石強度與巖體強度、巖石波速與巖體波速的關系，得出以下結論：

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

　　(2)巖石波速均大于巖體波速，通過比例系數K表示巖體波速與巖石波速的變化關系，不同巖石的比例系數并不相同，這是由于這是由于巖石試件通常完整堅硬且無明顯結構面，而巖體充斥著結構面與裂隙，影響著機械波的傳播，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。

　　參考文獻(References)：

　　[1]謝和平，鞠楊，黎立云基于能量耗散與釋放原理的巖石強度與整體破壞準則[J].巖石力與工程學報，2005(17)：3003-3010.

　　[2]李庶林，尹賢剛，王泳嘉，等.單軸受壓巖石破壞全過程聲發射特征研究[J].若石力與工程學報，2004(15)：2499-2503.

　　[3]湯連生，張鵬程，王思敬，水一巖化學作用的巖石宏觀力學效應的試驗研究[J].與1程學報，2002(4)：526-531.

　　[4]李夕兵，周子龍，葉州元，洪亮，巖石動靜組合加載力學特性研究[J].若石力與工程學報，2008(7)：1387-1395.

　　[5]黃明利，唐春安，朱萬成.巖石破裂過程的數值模擬研究[J].與1程報，2000(4)：468-471.

　　[6]周輝，孟凡震，張傳慶，等，基于應力一應變曲線的巖石脆性特征定量評價方法[J.力與1程學報，2014，33(6)：1114-1122.

　　[7]張志鎮，高峰，受載巖石能量演化的圍壓效應研究[J].巖石2與1程報，2015，34(1)：1-11.

　　[8]何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等，深部開采巖體力學研究[J].巖與1程報，2005(16)：2803-2813.

　　[9]司林坡，康紅普·鉆孔觸探法圍巖強度原位測試[J].煤礦開采，2006，11(4)：10-12.

　　[10]康紅普，司林坡深部礦區煤巖體強度測試與分析[J].巖石與12報，2009，28(7)：1312-1320.

　　[11]徐光亮，康紅普，顏立新，煤巷圍巖強度現場測定及數據處理[J].煤礦開采，2004(1)：4-6

　　[12]靖洪文，蘇海健，史新帥，等，基于井下鉆孔剪切的煤礦巷道圍巖強度演化規律研究[J].巖石力學與工程學報，2019，38(12)：2428-2437.

　　[13]姚強嶺，李學華，朱柳，等，煤巖體地質力學參數原位測試系統開發與應用[J].中國礦業大學學報，2019，48(6)：1169-1176.

　　[14]于可偉，煤礦井下巷道圍巖地質力學測試試驗研究[J].煤炭科學技術，2019，47(12)：62-67.

　　[15]錢七虎，戚承志，巖石、巖體的動力強度與動力破壞準則[J].同濟大學學報(自然科學版).2008，36(12)：1599-1605.

　　[16]夏開宗，陳從新，劉秀敏，等，基于巖體波速的Hoek-Brown準則預測巖體力學參數方法及工程應用[J].巖石力學與工程報，2013，32(7)：1458-1466.

　　[17]黃承賢，宋大衛.在圍壓下巖石彈性波速的研究[J].巖土工程學報，1991(2).

　　[18]徐松林，劉永貴，席道瑛，等，卸荷過程巖體中彈性波波速變析[J].+，2011，32(10)：2907-2916.

　　[19]邵國建，卓家壽，章青，巖體穩定性分析與評判準則研究[J].巖石力學與工程學報，2003(5)：691-696.

　　[20]GB/T 50218-2014.工程巖體分級標準[S].

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文章名稱： 巖石與巖體性質的相關性研究

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