某鎢礦裂隙巖石力學性能分析

張樹標

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

某鎢礦裂隙巖石力學性能分析

張樹標

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

為分析裂隙對某鎢礦巖石力學性能的影響，以同一區(qū)域的完整變質(zhì)砂巖和含裂隙變質(zhì)砂巖為研究對象，進行單軸抗壓試驗、單軸壓縮變形試驗和抗拉試驗。試驗結(jié)果表明：與完整變質(zhì)砂巖相比，裂隙變質(zhì)砂巖的各項力學性能指標均出現(xiàn)了大幅度下降，其中，抗壓強度下降70%，抗拉強度下降50%，而試件抗壓和抗拉破壞形式顯示裂隙誘導甚至控制巖石的破壞。根據(jù)大幅下降的各項力學指標，礦山應在巖石裂隙發(fā)育區(qū)域做好地壓控制措施，嚴防裂隙貫通擴張引起巖體局部破壞，必要時實施超前支護。

裂隙；變質(zhì)砂巖；力學性能；裂隙效應

0 引言

巖石是一種天然礦物集合體，受成巖條件控制和地質(zhì)營力作用，存在節(jié)理、微裂紋等結(jié)構(gòu)面[1-3]。眾多研究表明，結(jié)構(gòu)面的存在不但降低巖體強度，甚至控制巖體的破壞方式[4-7]。

贛南享有“世界鎢都”美譽，聚集了大吉山、漂塘、盤古山、淘錫坑等大小數(shù)十座鎢礦山，礦床形成與燕山期花崗質(zhì)巖漿活動密切相關，多產(chǎn)于花崗巖體上部內(nèi)、外接觸帶，呈“五層樓”狀，礦床地質(zhì)構(gòu)造復雜，原生結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面發(fā)育[8-11]，采礦工藝受擾。為此，以某鎢礦山變質(zhì)砂巖為研究對象，分析裂隙對巖石力學性能的影響，以期為贛南鎢礦開采及地壓控制提供理論指導。

1 試驗內(nèi)容及方法

試驗所用的巖石為變質(zhì)砂巖，取自某鎢礦礦區(qū)同一區(qū)域變質(zhì)砂巖，分完整變質(zhì)砂巖巖塊和含裂隙變質(zhì)砂巖巖塊。

1.1 單軸抗壓強度試驗和單軸壓縮變形試驗

嚴格按照《工程巖體試驗方法標準》（GB/ T50266—2013）要求進行試驗[12]，將巖樣加工成直徑50 mm×100 mm的圓柱體試件，在WI-100型萬能材料試驗機上進行試驗。單軸壓縮變形試驗與單軸抗壓強度試驗同時進行，為獲取彈性模量、泊松比等力學參數(shù)，在試件對稱側(cè)面的中部分別貼上橫向、縱向應變片各兩片，輔以YJ-35型電阻應變儀進行測定。將試件置于試驗機承壓板中心位置，調(diào)整球形座，使試件受力均勻，以0.5～1.0 MPa/s的速度加載，逐級測讀荷載與應變值，直至試件破壞，記錄破壞荷載，并繪制σ-ε關系曲線及體積變形曲線。

1.2 抗拉強度試驗

嚴格按照《工程巖體試驗方法標準》（GB/ T50266—2013）要求進行試驗[12]，將巖樣加工成直徑50 mm×50 mm的圓柱體試件，在WJ-10A型萬能材料試驗機上進行劈裂試驗。將試件平置于試驗機承壓板中心，在試件與承壓板之間插入墊條（合金絲），墊條與試件在同一加荷軸線上，調(diào)整球形座，使試件均勻受力，以0.3～0.5 MPa/s的加載速度加載，直至試件產(chǎn)生劈裂破壞，記錄破壞荷載。劈裂拉伸試驗示意見圖1。

圖1 劈裂拉伸試驗示意Fig.1 Schematic diagram for splitting tensile tests

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 單軸抗壓強度試驗和單軸壓縮變形試驗

單軸抗壓強度和單軸壓縮變形試驗結(jié)果見表1。

表1 單軸抗壓力學指標Tab.1 Mechanical indexes for uni-axial stress resistance

試驗結(jié)果表明：（1）與完整變質(zhì)砂巖比較，含裂隙變質(zhì)砂巖的抗壓強度嚴重下降，僅為完整變質(zhì)砂巖的30%左右，彈性模量也出現(xiàn)較大幅度下降，而泊松比出現(xiàn)小幅度增加。（2）由于裂隙弱面的存在，在荷載作用下，當剪應力超過弱面的抗剪強度時，裂隙試件產(chǎn)生滑移，沿著弱面產(chǎn)生剪切破壞。

2.2 抗拉強度試驗

抗拉強度試驗結(jié)果見表2。

表2 抗拉力學指標Tab.2 Mechanical indexes for tensile resistance

試驗結(jié)果表明：（1）完整變質(zhì)砂巖屬于堅硬脆性巖石（脆性度為26），含裂隙變質(zhì)砂巖因裂隙影響，抗拉強度下降50%左右，脆性度降低40%左右。（2）劈裂試驗時，裂隙試件均沿裂隙破壞；完整試件沿直徑破壞。

3 應力-應變特征分析

3.1 完整變質(zhì)砂巖變形特征

完整變質(zhì)砂巖應力-應變曲線見圖2。

圖2 完整變質(zhì)砂巖應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of complete metamorphic sandstone

從圖2可以總結(jié)出完整變質(zhì)砂巖變形的特征。即試件從加壓開始到破壞可以分成五個階段，微裂隙壓密階段、線彈性階段、破壞穩(wěn)定發(fā)展階段、破壞不穩(wěn)定發(fā)展階段及破壞階段。見σ-ε關系曲線上的O、A、B、C、D各點。

第Ⅰ階段為微裂隙壓密階段（O-A段）：在低應力范圍內(nèi)，由于巖石原生構(gòu)造中的微裂隙受到初始壓應力的作用，原生微裂隙閉合，試件有較明顯的變形，卸載后留有較明顯的殘余變形。

第Ⅱ階段為線彈性階段（A-B段）。隨著應力的增加，應力-應變關系曲線基本上呈線性，卸載后殘余變形很小或等于零。

第Ⅲ階段為破壞穩(wěn)定發(fā)展階段（B-C段）。應力繼續(xù)增加，應力-應變關系曲線開始變化，線性關系較差，卸載后殘余變形較明顯。試件內(nèi)部構(gòu)造開始破壞，在這區(qū)段內(nèi)，停止加載，可以保持穩(wěn)定，破壞不會繼續(xù)擴展。

第Ⅳ階段為破壞不穩(wěn)定發(fā)展階段（C-D段）。當應力再繼續(xù)增大，便出現(xiàn)不規(guī)則變形，縱向變形和橫向變形常有異常情況出現(xiàn)，并有破裂聲響。在σ-ε曲線圖上出現(xiàn)體積應變由壓縮開始膨脹，試件開始可見裂隙，卸載后有很大的殘余應變，有時可達70%的殘余變形。

第Ⅴ階段為破壞階段（D點后）。當應力達到極限時，應力突然下降或應力上下波動，然后突然釋放，發(fā)出爆炸聲，并有強烈的振動，此時試件完全破壞，時間極為短暫。

3.2 裂隙變質(zhì)砂巖破壞特征及裂隙效應

裂隙變質(zhì)砂巖應力-應變曲線見圖3。

圖3 裂隙變質(zhì)砂巖應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of cracked metamorphic sandstone

與完整變質(zhì)砂巖相比，裂隙變質(zhì)砂巖的破壞過程和力學特性具有較明顯的差異，這些差異稱之為巖石的裂隙效應。從圖3可知裂隙變質(zhì)砂巖變形特征。

（1）開始加壓時出現(xiàn)體積膨脹，橫向應變很大，隨應力增加后才開始出現(xiàn)裂隙壓密。因此，礦山初始開挖后，應注意觀測臨空面巖體的破壞情況，嚴防應力分布變化引起巖體變形乃至破壞，必要時應實施支護。

（2）線彈性范圍大大縮小，約3~5倍，泊松比變化較大。

（3）試件卸載后，各區(qū)段均有殘余應變，特別是在B-C段的殘余應變量要比完整試件大10～20倍，C-D段的殘余應變量可達700 με以上。

（4）當試件達到極限強度時，沒有出現(xiàn)猛烈破壞現(xiàn)象，大部分試件沿原有裂隙面產(chǎn)生張裂或剪切破壞，特別是與加壓方向平行和斜交的裂隙，幾乎控制著試件的破壞，而垂直加壓方向的裂隙，則起著誘導破壞作用。

4 巖石破壞形態(tài)分析

裂隙變質(zhì)砂巖的破壞形式往往是沿著各種裂隙結(jié)構(gòu)面剪切滑移或張裂破壞，此類巖石的強度一般都比較低，如完整變質(zhì)砂巖的抗壓強度達158.7 MPa，含裂隙變質(zhì)砂巖的抗壓強度僅有50.7 MPa。完整變質(zhì)砂巖的破壞受巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造、夕化程度等因素的影響，破壞類型不一樣，完整變質(zhì)砂巖具有堅硬、脆性巖石破壞的特點，破壞過程突然而猛烈，破壞時發(fā)出猛烈的爆聲，碎石到處飛濺，并有很大的震動和響聲，破壞后有明顯的Y形錐體或拉伸破壞面，此類巖石基本屬于張裂破壞或拉伸破壞。在單軸壓縮破壞后裂隙變質(zhì)砂巖試樣照片見圖4。

圖4 裂隙變質(zhì)砂巖在單軸壓縮破壞后試樣照片F(xiàn)ig.4 Photo of fractured metamorphic sandstone after uni-axial compressive test

抗壓和抗拉試驗均表明，裂隙對巖石的力學特性影響很大，并控制著巖體的破壞方式，因此，在裂隙發(fā)育的區(qū)域，礦山應做好地壓控制措施，防止裂隙貫通擴張引起巖體局部破壞，必要時實施超前支護。

5 結(jié)論

通過完整和含裂隙變質(zhì)砂巖的單軸抗壓試驗、單軸壓縮變形試驗和抗拉試驗，研究和分析了裂隙對某鎢礦巖石力學性能的影響，得出以下結(jié)論：

（1）在單軸壓縮變形試驗過程中，完整變質(zhì)砂巖應力-應變關系曲線接近線性，呈脆性巖體特征；在單軸壓力下，裂隙變質(zhì)砂巖沿裂隙弱面剪切破壞；抗拉強度試驗，裂隙變質(zhì)砂巖沿裂隙面破壞，完整變質(zhì)砂巖沿直徑破壞。

（2）與完整變質(zhì)砂巖相比，裂隙變質(zhì)砂巖的各項力學指標均出現(xiàn)了大幅下降。裂隙誘導和控制巖石的破壞，在裂隙發(fā)育的礦帶，礦山應做好地壓控制措施，嚴防在裂隙影響下，出現(xiàn)大面積坍塌事件，必要時實施超前支護。

（3）試件開始加壓時，裂隙變質(zhì)砂巖出現(xiàn)體積膨脹，橫向應變很大，礦山初始開挖后，應注意觀測臨空面巖體的破壞情況，嚴防應力分布變化引起巖體變形乃至破壞，必要時應實施支護。

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Analysis on the Mechanical Properties of Cracked Rock in a Tungsten Ore

ZHANG Shu-biao
(Ganzhou Research Institute of Nonferrous Metallurgy,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

To analyze the effects of cracks on rock mechanics properties of a tungsten mine,uni-axial compression test,uni-axial compression deformation test and tensile test were performed on the complete metamorphic sandstone and cracked metamorphic sandstone from the same area.Results show that the mechanical properties of cracked sandstone were demonstrated to be with a decreased tendency,in comparison with the complete metamorphic sandstone.The compressive strength decreased by 70%,while the tensile strength decreased by 50%.The rock samples under compressive and tensile failure mode displayed that the fracture induced or even controlled the damage of rocks.Considering the substantial decreased mechanical indexes,ground control measures should be taken in the fractured rock region to prevent crack coalescence expansion.Rock-support should also be performed if it deemed necessary.

crack;metamorphic sandstones;mechanical properties;crack effect

TD323

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2015.06.001

2015-08-21

張樹標（1964-），男，江西進賢人，高級工程師，主要從事采礦工藝和地壓控制研究工作。