眼前山鐵礦礦巖三軸壓縮力學(xué)特性研究

陳小偉， 常來(lái)山， 陳曉云， 解治宇， 李 文， 劉育明， 顧秀華

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038； 2.遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司 眼前山分公司，遼寧 鞍山 114001；4.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114001)

礦區(qū)的開采技術(shù)條件是自然崩落采礦法關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)。準(zhǔn)確、合理的崩落法采礦設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)需要建立在充分、準(zhǔn)確的地質(zhì)資料的基礎(chǔ)之上，掌握礦體形態(tài)、規(guī)模和大小以及礦體中節(jié)理構(gòu)造的分布規(guī)律是進(jìn)行合理采礦設(shè)計(jì)的前提。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣和物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定試驗(yàn)，獲得不同巖性巖組的物理力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)可崩性評(píng)價(jià)和水壓致裂技術(shù)研究提供基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同性質(zhì)的巖石展開了大量的試驗(yàn)，并取得了顯著的研究成果。祝方才等以冬瓜山銅礦脆性巖石為研究對(duì)象，分析了不同應(yīng)力路徑下脆性巖石的響應(yīng)特征[1]；林斌等基于巖性的不同，建立了煤系地層巖石單軸抗壓強(qiáng)度與彈性之間的關(guān)系[2]；王志國(guó)等以帷幕體試樣為研究對(duì)象，綜合分析其破壞過(guò)程中的AE特性和分形特性，并揭示了其破壞機(jī)理[3]；Thomas Bruning等對(duì)超過(guò)1 000米深的花崗巖進(jìn)行了一系列三軸壓縮試驗(yàn)，確定了脆性巖石的全應(yīng)力- 應(yīng)變曲線及其損傷演化行為[4]；高耀輝等分析了硬巖在真三軸壓縮下的力學(xué)特性，并建立了硬巖的特征應(yīng)力水平與其相應(yīng)的主應(yīng)力之間的關(guān)系[5]。綜合上述研究可知，室內(nèi)三軸試驗(yàn)是獲得巖體在三向荷載狀態(tài)下力學(xué)特性的有效途徑，開展三軸壓縮試驗(yàn)下巖石破壞過(guò)程的研究對(duì)實(shí)際工程有著重要的意義。

巖樣取自眼前山鐵礦勘查鉆孔，對(duì)磁鐵石英巖、綠泥千枚巖和混合巖開展了常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，分別研究了3種巖樣在三向應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性，并進(jìn)行了對(duì)比分析，為礦山的實(shí)際工程提供了參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在長(zhǎng)春科新試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SAM- 2000型微機(jī)控制巖石三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行(如圖1所示)，主機(jī)采用整體式框架結(jié)構(gòu)，其框架剛度優(yōu)于1.0×1010N/m，具有剛度大、響應(yīng)頻率快的特點(diǎn)，能夠完全滿足巖石三軸試驗(yàn)要求。試驗(yàn)機(jī)采用先進(jìn)的全數(shù)字測(cè)控技術(shù)，可以實(shí)時(shí)記錄軸向力、軸應(yīng)力、軸應(yīng)變、徑應(yīng)變、軸變形、徑變形、位移值，并同步繪制軸應(yīng)力- 軸應(yīng)變、軸應(yīng)力- 徑應(yīng)變曲線等，為此次3種巖樣力學(xué)特征的研究，提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 SAM- 2000型微機(jī)控制巖石三軸試驗(yàn)機(jī)

1.2 巖樣制備

試驗(yàn)的試樣取自眼前山鐵礦：

(1)磁鐵石英巖，zk09鉆孔，-303 m水平；

(2)綠泥千枚巖，zk08鉆孔，-303 m水平；

(3)混合巖，zk01鉆孔，-123 m水平。

試樣均按照實(shí)驗(yàn)室?guī)r樣制備流程進(jìn)行加工，經(jīng)過(guò)切割、打磨等過(guò)程，制備成符合試驗(yàn)的圓柱形試樣，試樣的高度和直徑比均為2∶1，平行度控制在0.02 mm以內(nèi)。

試驗(yàn)前對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)的巖樣進(jìn)行48小時(shí)以上的清水浸泡，精確測(cè)量試樣的高度和直徑，稱重并編號(hào)，計(jì)算試樣的飽和密度。磁鐵石英巖的飽和密度范圍3.34～3.65 g/cm3之間，其平均密度為3.55 g/cm3；綠泥千枚巖的飽和密度范圍2.71～2.81 g/cm3，其平均密度為2.76 g/cm3；混合巖的飽和密度范圍2.63～2.68 g/cm3，其平均密度為2.66 g/cm3。

1.3 試驗(yàn)方案

三軸壓縮試驗(yàn)圍壓水平分別為5、7.5、10、12.5、15、17.5和20 MPa，每組圍壓下進(jìn)行2次重復(fù)試驗(yàn)。其主要試驗(yàn)過(guò)程為：

(1)將試件居中置于上下兩個(gè)剛性墊塊之間，用熱縮管對(duì)其進(jìn)行密封處理，防止試驗(yàn)過(guò)程中液壓油浸入巖樣，影響試驗(yàn)結(jié)果。

(2)在把試件放入壓力室，連接軸向和徑向引伸計(jì)并進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，確認(rèn)連接無(wú)誤后，壓力室下降歸位后進(jìn)行充油。

(3)充油完畢后首先采用先位移控制、應(yīng)力監(jiān)控的方式加載到3 MPa的預(yù)加荷載下，待預(yù)加載荷穩(wěn)定后以0.5 MPa的速率加載圍壓至預(yù)加值，而后切換為巖石1控制、巖石1監(jiān)控的方式進(jìn)行加載直至試件破壞，加載速率為0.01 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 回歸診斷與改進(jìn)模型

巖石是非均勻且各向異性的，巖石三軸壓縮強(qiáng)度的離散性較大，需應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)分析方法判斷異常點(diǎn)進(jìn)行剔除處理[6-7]。

磁鐵石英巖試驗(yàn)巖樣數(shù)11塊，圍壓范圍為5.0～20 MPa，巖樣的最小抗壓強(qiáng)度為96.12 MPa，最大為317.41 MPa，在17.5 MPa和20 MPa圍壓下的三軸抗壓強(qiáng)度離散性較大；綠泥千枚巖試驗(yàn)巖樣10塊，圍壓范圍為5.0～17.5 MPa，巖樣的最小抗壓強(qiáng)度為41.52 MPa，最大為圍壓15 MPa下的140.94 MPa，在12.5 MPa和15 MPa圍壓下的離散性較大；混合巖試驗(yàn)巖樣12塊，圍壓范圍為5.0～20 MPa，巖樣的最小抗壓強(qiáng)度為39.16 MPa，最大為156.33 MPa，在12.5 MPa和17.5 MPa圍壓下的離散性較大。

在應(yīng)用原始散點(diǎn)進(jìn)行初步回歸計(jì)算后,應(yīng)進(jìn)行回歸診斷，即通過(guò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化殘差、學(xué)生化殘差、杠桿值、cook距離、Covratio統(tǒng)計(jì)量、Dffits統(tǒng)計(jì)量等手段，查找異常點(diǎn)(離群點(diǎn))和強(qiáng)影響點(diǎn)，取舍后重新回歸，建立改進(jìn)后的模型。

通過(guò)回歸診斷建立改進(jìn)后的模型圖，與原始散點(diǎn)回歸圖對(duì)比分析，刪除異常點(diǎn)(離群點(diǎn))后最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之間的擬合程度更好。

表1 巖石強(qiáng)度參數(shù)表

圖2 磁鐵石英巖原始散點(diǎn)數(shù)據(jù)回歸模型

圖3 磁鐵石英巖回歸診斷改進(jìn)后模型

圖4 綠泥千枚巖原始散點(diǎn)數(shù)據(jù)回歸模型

圖5 綠泥千枚巖回歸診斷改進(jìn)后模型

圖6 混合巖原始散點(diǎn)數(shù)據(jù)回歸模型

圖7 混合巖回歸診斷改進(jìn)后模型

2.2 破壞特征分析

不同巖性巖樣在三軸壓縮下的破壞形態(tài)可能不盡相同，選取具有代表性破壞形態(tài)的巖樣進(jìn)行分析，如圖6～圖8所示。

圖8 磁鐵石英巖三軸壓縮下的破壞形態(tài)

圖9 綠泥千枚巖三軸壓縮下的破壞形態(tài)

圖10 混合巖三軸壓縮下的破壞形態(tài)

磁鐵石英巖在三軸壓縮作用下破壞形式主要表現(xiàn)為劈裂破壞，巖樣破壞后存在一條近似垂直貫通巖樣的劈裂破壞面，將巖樣大致分為左右兩個(gè)椎體部分，劈裂破壞面與最大主應(yīng)力面的夾角基本呈平行狀態(tài)；隨著圍壓的增加，其劈裂裂紋明顯增加。

綠泥千枚巖的破壞形式主要表現(xiàn)為剪切破壞，破壞后的巖樣存在一條斜貫穿巖樣整體的主控剪切面，將巖樣分為上下兩個(gè)部分，在低圍壓下，主斷裂面明顯，隨著圍壓的增加，其主剪切面周圍開始出現(xiàn)多條細(xì)小的破裂裂紋。

混合巖在低圍壓下試樣破壞形態(tài)與綠泥千枚巖相似，表現(xiàn)為單斜面的剪切破壞，隨著圍壓的增加，試樣斷裂面周圍有明顯的碎片脫落。

從3種巖樣的破壞形態(tài)不難看出，巖樣破壞后呈現(xiàn)微鼓狀，產(chǎn)生了明顯的體積擴(kuò)容現(xiàn)象；不同圍壓下，巖樣的破壞形式基本保持一致，但破壞的程度不盡相同，這是因?yàn)閹r樣內(nèi)部隨機(jī)分布的裂隙缺陷或摩擦因素等影響，導(dǎo)致巖樣在壓縮時(shí)沿著裂隙缺陷面發(fā)生滑移，進(jìn)而形成宏觀破裂面。

3 結(jié)論

(1)三軸壓縮試驗(yàn)圍壓對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，3種性質(zhì)的巖石強(qiáng)度均表現(xiàn)出圍壓效應(yīng)，即都隨著圍壓的增加而增加，但因巖石性質(zhì)不同，增加的幅度不同。

(2)巖樣峰值強(qiáng)度與圍壓具有較好的線性增長(zhǎng)關(guān)系，且均符合Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，求得了磁鐵石英巖、綠泥千枚巖以及混合巖的黏聚力分別為14.02 MPa、8.68 MPa和10.20 MPa，內(nèi)摩擦角為48.63°、41.48°和26.72°。

(3)磁鐵石英巖在三軸壓縮下的破壞形式主要表現(xiàn)為劈裂破壞，綠泥千枚巖和混合巖則發(fā)生剪切破壞，不同圍壓下，巖樣的破壞形式基本保持一致，但破壞的程度不盡相同，隨著圍壓的增加，巖樣的劈裂裂紋和剪切裂紋數(shù)目都在增多。