南泥湖鉬礦礦巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試分析

黨國(guó)建，馬駿，林衛(wèi)星

(1.欒川龍宇鉬業(yè)有限公司，河南洛陽(yáng)市4715002;2.銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司安慶銅礦，安徽安慶市246131;3.長(zhǎng)沙礦山研究院，湖南長(zhǎng)沙410012)

南泥湖鉬礦礦巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試分析

黨國(guó)建1，馬駿2，林衛(wèi)星3

(1.欒川龍宇鉬業(yè)有限公司，河南洛陽(yáng)市4715002;2.銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司安慶銅礦，安徽安慶市246131;3.長(zhǎng)沙礦山研究院，湖南長(zhǎng)沙410012)

對(duì)影響南泥湖鉬礦采空區(qū)穩(wěn)定的黑云母長(zhǎng)英角巖和陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖進(jìn)行了物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，獲得了礦巖的塊體密度、彈性模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和巖塊聲波速度等物理力學(xué)指標(biāo)，為采空區(qū)頂板最小安全厚度計(jì)算提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

物理力學(xué)參數(shù);測(cè)試分析;黑云母長(zhǎng)英角巖;陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖

0 前言

欒川龍宇鉬業(yè)有限公司的南泥湖鉬礦床的開(kāi)采始于1980年代，采用平硐或斜井開(kāi)拓方式，淺孔留礦法或房柱式采礦方法進(jìn)行地下開(kāi)采，截止2003年，南泥湖礦區(qū)井下采出礦石量累計(jì)約1162萬(wàn)t，采空區(qū)面積約40.6萬(wàn)m2，體積約426萬(wàn)m3。2006年4月，南泥湖鉬礦轉(zhuǎn)為露天開(kāi)采，經(jīng)過(guò)近5年的開(kāi)拓建設(shè)，目前露天采場(chǎng)臺(tái)階已形成20000t/d的生產(chǎn)規(guī)模，首采區(qū)最低臺(tái)階1330m水平，最高臺(tái)階1490m水平。

地下大量空區(qū)的存在，嚴(yán)重威脅露天臺(tái)階作業(yè)的人員和設(shè)備的安全。為此，礦山需進(jìn)行巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，獲得全面、可靠的礦巖物理力學(xué)參數(shù)，然后以獲得參數(shù)進(jìn)行巖體穩(wěn)定分析，通過(guò)數(shù)值模擬，確定采空區(qū)頂板最小安全厚度。

1 試樣采集與制備

南泥湖鉬礦床主要分布于南莊口－三道莊嶺箱狀背斜的南西翼及其北西傾伏端和南泥湖向斜的北翼，礦體產(chǎn)出受南泥湖斑狀二長(zhǎng)花崗巖侵入體向北西側(cè)伏、產(chǎn)狀變緩部位的頂部接觸帶的控制。含礦地層主要為南泥湖組中段的黑云母長(zhǎng)英角巖和陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖及三川組中段的透斜角巖和矽卡巖。目前與欒川龍宇鉬業(yè)有限公司采礦關(guān)系密切的巖石主要為黑云母長(zhǎng)英角巖和陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖。

巖石試樣的采取方式為現(xiàn)場(chǎng)撿塊。巖塊的規(guī)格大小需滿(mǎn)足試件加工的要求，巖塊的基本規(guī)格為:長(zhǎng)×寬×高=200mm×200mm×150mm。對(duì)礦區(qū)2種主要巖石進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣，現(xiàn)場(chǎng)共采集巖塊12塊。取樣地點(diǎn)有3處，分別是1390m平臺(tái)、1375m平臺(tái)和1345m水平。

將采集的巖塊試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，本次試驗(yàn)的試件加工機(jī)器主要為工程金剛石鉆機(jī)、DQ－2自動(dòng)巖石切片機(jī)、SPQJ－300切片機(jī)及SMD－200雙端面磨石機(jī)。試件加工精度符合《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266－99)的要求。總共加工出巖石試樣38個(gè)，其中，用于單軸抗壓和波速等試驗(yàn)的長(zhǎng)巖芯樣10個(gè)，用于劈裂拉伸試驗(yàn)的短巖芯樣10個(gè)，用于剪切試驗(yàn)的邊長(zhǎng)為5cm的立方體18個(gè)。

2 試驗(yàn)方案

為了進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算，需要密度、彈性模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)指標(biāo);為了評(píng)價(jià)巖體的完整性，需要知道巖石的波速。依據(jù)研究目的，確定進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目為:密度試驗(yàn)(塊體密度)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、變形試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)(巴西劈裂法)、抗剪斷試驗(yàn)、巖塊聲波速度測(cè)試。

力學(xué)試驗(yàn)采用設(shè)備為液壓伺服控制試驗(yàn)機(jī)，其型號(hào)為INSTRON－1342(最大荷載25t)、INSTRON－1346(最大荷載200t)，該試驗(yàn)機(jī)是英國(guó)生產(chǎn)的，具有極強(qiáng)的載荷控制能力，單軸抗壓試驗(yàn)時(shí)可做出全應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

3 試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 塊體密度試驗(yàn)

巖石塊體密度是試件質(zhì)量與試件體積的比值。它是一個(gè)間接反映巖石致密程度、孔隙發(fā)育程度的參數(shù)，也是評(píng)價(jià)工程巖體穩(wěn)定性及確定圍巖壓力等必需的計(jì)算指標(biāo)。根據(jù)巖石的含水狀態(tài)，巖石塊體密度可分為干密度、飽和密度和天然密度等。巖石塊體密度試驗(yàn)可分為量積法、水中稱(chēng)量法和密封法。本次塊體密度試驗(yàn)采用量積法，測(cè)試巖石的天然密度，其計(jì)算公式如下:

式中:ρ0——天然密度，g/cm3;

m0——天然狀態(tài)下的質(zhì)量，g;

V——試件體積，cm3。

量積法測(cè)試天然密度試驗(yàn)按下列要求進(jìn)行:

(1)量測(cè)試件兩端和中間3個(gè)斷面上相互垂直的兩個(gè)直徑或邊長(zhǎng)，按平均值計(jì)算截面積;

(2)量測(cè)端面周邊對(duì)稱(chēng)4點(diǎn)和中心點(diǎn)的高度，計(jì)算高度平均值;

(3)稱(chēng)試件在天然狀態(tài)下的質(zhì)量;

(4)長(zhǎng)度量測(cè)精確至0.01mm，稱(chēng)量精確至0.1g。

采用游標(biāo)卡尺量測(cè)圓柱體試件的直徑和高度，天平稱(chēng)量試件質(zhì)量。本次塊體密度測(cè)試的試件數(shù)，每種巖石均為5個(gè)，全都采用單軸抗壓試驗(yàn)的試件。由試驗(yàn)得出黑云母長(zhǎng)英角巖平均塊體密度2.69 g/cm3，陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖平均塊體密度2.70 g/cm3。

3.2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是指試件在無(wú)側(cè)限條件下，受軸向力作用破壞時(shí)，單位面積上所承受的荷載，即試件破壞時(shí)的最大載荷與垂直于加載方向的截面積之比。試驗(yàn)采用直接壓壞試件的方法來(lái)求得巖石單軸抗壓強(qiáng)度，也可在進(jìn)行巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)的同時(shí)，測(cè)定巖石單軸抗壓強(qiáng)度。

巖石單軸抗壓強(qiáng)度按下列公式計(jì)算:

式中:R——巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa;

P——破壞載荷，N;

A——試件截面面積，mm2。

試件的含水狀態(tài)為室內(nèi)自然狀態(tài)。本次單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試件數(shù)，每種巖石均為5個(gè)，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。由于部分試件中存在結(jié)構(gòu)面，加上礦物成分不完全一樣，以及風(fēng)化程度上的差別，致使試驗(yàn)結(jié)果存在一定的離散性，但試驗(yàn)結(jié)果總體上是正常的。由試驗(yàn)得出黑云母長(zhǎng)英角巖抗壓強(qiáng)度平均值為127.39MPa，陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖抗壓強(qiáng)度平均值為98.42MPa。

3.3 變形試驗(yàn)

單軸壓縮變形試驗(yàn)是測(cè)定試件在單軸壓縮應(yīng)力條件下的縱向及橫向應(yīng)變值，據(jù)此計(jì)算巖石的彈性模量和泊松比。彈性模量是軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比;泊松比是在彈性模量相對(duì)應(yīng)條件下的徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比。

彈性模量和泊松比按下式計(jì)算:

式中:Ee——巖石彈性模量，MPa;

μe——巖石彈性泊松比;

σa——應(yīng)力與縱向應(yīng)變關(guān)系曲線上直線段起始點(diǎn)的應(yīng)力值，MPa;

σb——應(yīng)力與縱向應(yīng)變關(guān)系曲線上直線段終點(diǎn)的應(yīng)力值，MPa;

εha——應(yīng)力為σa時(shí)的縱向應(yīng)變值;

εhb——應(yīng)力為σb時(shí)的縱向應(yīng)變值;

εda——應(yīng)力為σa時(shí)的橫向應(yīng)變值;

εdb——應(yīng)力為σb時(shí)的橫向應(yīng)變值。

試驗(yàn)采用電阻片法測(cè)定變形參數(shù)，并同時(shí)采用縱向引伸記測(cè)量彈性模量。在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)彈性模量和泊松比進(jìn)行測(cè)試。試件的含水狀態(tài)為室內(nèi)自然狀態(tài)。變形試驗(yàn)過(guò)程中記錄應(yīng)變的儀器為DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀。不計(jì)無(wú)效試件結(jié)果，每組巖石尚存4組有效數(shù)據(jù)。用引伸記測(cè)量所得的彈性模量值與電阻片法的結(jié)果相吻合。由試驗(yàn)得出黑云母長(zhǎng)英角巖彈性模量平均值為34.08GPa，泊松比平均值為0.23μ;陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖彈性模量平均值為27.45GPa，泊松比平均值為0.25 μ。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，黑云母長(zhǎng)英角巖的彈性模量比陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖的大，而其泊松比則比陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖的小，符合一般規(guī)律。

3.4 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度的方法，有直接拉伸法和間接拉伸法兩種。由于直接法的試件制備困難和試驗(yàn)技術(shù)的復(fù)雜性，目前多采用間接法(即劈裂法)。劈裂法是在試件直徑方向上施加一對(duì)線性荷載，使試件沿直徑方向破壞，間接測(cè)定巖石的抗拉強(qiáng)度。本試驗(yàn)采用劈裂法進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，屬間接拉伸法。

巖石抗拉強(qiáng)度按下式計(jì)算:

式中:σt——巖石抗拉強(qiáng)度，MPa;

P——破壞載荷，N;

D——試件直徑，mm;

H——試件高度，mm。

試件的巖性較為均一，試驗(yàn)結(jié)果的離散性不大，黑云母長(zhǎng)英角巖抗拉強(qiáng)度平均值為4.21MPa，陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖抗拉強(qiáng)度平均值為4.90MPa，結(jié)果較為理想。雖然黑云母長(zhǎng)英角巖的抗壓強(qiáng)度比陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖的大，但黑云母長(zhǎng)英角巖的抗拉強(qiáng)度卻比陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖的小，這種結(jié)果也屬正常。

3.5 抗剪斷試驗(yàn)

室內(nèi)巖石抗剪斷強(qiáng)度的測(cè)定，通常采用楔形剪切試驗(yàn)方法。試驗(yàn)時(shí)把巖石試件置于楔形剪切儀中，并放在壓力機(jī)上進(jìn)行加壓試驗(yàn)，直到試件沿預(yù)定的剪切面發(fā)生破壞。

剪切面上的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ按下式計(jì)算:

式中:P——壓力機(jī)施加的總壓力，N;

A——剪切面積，mm2;

α——剪切面與水平面的夾角，°;

f——圓柱形液子與試驗(yàn)機(jī)墊板間的摩擦系數(shù)。

將每種巖石的剪切試件分為3組，采用3個(gè)不同的傾角進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)每次試驗(yàn)使用的正應(yīng)力σ和對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力τ，采用直線回歸的方法求得抗剪強(qiáng)度曲線(見(jiàn)圖1和圖2)，從而獲得巖石的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)。黑云母長(zhǎng)英角巖剪切參數(shù):內(nèi)聚力為10.13MPa，內(nèi)摩擦角為41.19°。陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖剪切參數(shù):內(nèi)聚力為12.11MPa，內(nèi)摩擦角為42.86°。

3.6 巖塊聲波速度測(cè)試

本次試驗(yàn)只測(cè)定縱波速度，采用凡士林作耦合劑。采用直透法布置換能器，將換能器安放在試件的兩個(gè)端面上，使換能器的中心在試件的軸線上。換能器置于試件上后，將多余的凡士林?jǐn)D出，以減少耦合介質(zhì)對(duì)測(cè)試成果的影響。試驗(yàn)所采用的儀器為中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)所研制的RSM－SYS智能聲波檢測(cè)儀。

圖1 黑云母長(zhǎng)英角巖的抗剪斷強(qiáng)度曲線

圖2 陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖的抗剪斷強(qiáng)度曲線

測(cè)試結(jié)束后，應(yīng)測(cè)定超聲波在標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)玻璃棒中的傳播時(shí)間，繪制時(shí)距曲線并確定儀器系統(tǒng)的零延時(shí)，或?qū)l(fā)射接收換能器對(duì)接，測(cè)讀零延時(shí)。這里采用后一種方式確定零延時(shí)。

按下式計(jì)算巖塊的縱波速度:

式中:Vp——縱波速度，m/s;

L——發(fā)射、接收換能器中心間的距離，m;

tp——縱波在試件中行走的時(shí)間，s;

t0——儀器系統(tǒng)的零延時(shí)，s。

試驗(yàn)測(cè)定得黑云母長(zhǎng)英角巖平均縱波速度3816m/s，陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角平均縱波速度4193 m/s。陽(yáng)起石透輝石長(zhǎng)英角巖較黑云母長(zhǎng)英角巖在結(jié)構(gòu)致密性、均質(zhì)度和完整性方面稍好，故波速稍微大一些。兩種巖石的波速屬于中等類(lèi)型。

4 試驗(yàn)結(jié)果匯總

本次試驗(yàn)共使用巖石試樣38個(gè)，按照巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程，在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)欒川龍宇鉬礦2種主要礦巖的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了較為全面的測(cè)試。通過(guò)試驗(yàn)，獲得了礦巖的塊體密度、彈性模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和巖塊聲波速度等物理力學(xué)指標(biāo)，為采空區(qū)頂板最小安全厚度計(jì)算提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)分析最終結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 欒川龍宇鉬礦巖石物理力學(xué)參數(shù)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果

［1］王文星.巖體力學(xué)［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2004.

［2］《采礦手冊(cè)》編輯委員會(huì).采礦手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1990.

2011－07－13)

黨國(guó)建(1970－)，男，河南南陽(yáng)人，工程師，主要從事于礦山采礦安全生產(chǎn)及管理。