某銅鉬礦巖體崩解特性實(shí)驗(yàn)研究

朱利平

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

崩解性是指含有粘土礦物的巖石由于浸水而發(fā)生的解體現(xiàn)象，該特性是巖石水理性的重要特征之一。其原因是由于水進(jìn)入巖體孔隙的情況不平衡，以致顆粒間的相斥力大于吸附力， 從而使顆粒沿著吸附力最小的方向崩落下來。 崩解的速度與形式能反映巖石的水理性及抗風(fēng)化性， 也是快速判斷巖石是否具有膨脹和軟化性的簡捷方法。

礦巖的崩解形式多種多樣， 有的呈均勻的碎屑狀，有的呈粉泥狀、破塊狀或顆粒狀[1]。崩解性的存在主要取決于礦物組分、粒度組成及膠結(jié)形式，也與風(fēng)化程度、裂隙結(jié)構(gòu)相關(guān)，可根據(jù)直接觀察到的礦巖浸水破壞方式、崩解物形態(tài)、速度和礦巖的膨脹性對(duì)崩解形式加以簡易判別。 崩解試驗(yàn)是通過測(cè)定具有原狀結(jié)構(gòu)的巖石在水中的崩解速度，鑒別巖石膠結(jié)程度和膨脹性能強(qiáng)弱的方法。對(duì)不同礦巖樣品（風(fēng)干或烘干）進(jìn)行崩解試驗(yàn)十分必要。為能真實(shí)地反映某礦區(qū)圍巖的崩解特性及崩解程度的差異，本文采用專用耐崩解儀測(cè)取原巖的耐崩解指數(shù)[2]。

1 耐崩解指數(shù)試驗(yàn)

該試驗(yàn)是用來評(píng)估巖石在經(jīng)過干燥和濕潤兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)之后試件殘留質(zhì)量與原質(zhì)量之比， 以反映巖石樣品對(duì)軟化和崩解作用所表現(xiàn)出來的抵抗能力[3]。本次試驗(yàn)分別進(jìn)行鉬礦主要圍巖的蝕變花崗斑巖（A）、致密的花崗斑巖（B）、銅礦主要圍巖的蝕變角巖（C）3 組試樣試驗(yàn)。

1.1 儀器設(shè)備

1）保持溫度為105～110 ℃的自動(dòng)控制電熱恒溫烘箱或沸水烘箱、 紅外烘箱、 微波爐等其他能源烘箱；2）專用耐崩解儀；3）稱量5 kg、最小分度值為g的天平。

1.2 操作步驟

1）首先將試樣制成每塊質(zhì)量為40～60 g 的渾圓形巖塊，每組試驗(yàn)試樣數(shù)量為10 塊。

2）將試樣放入105～110 ℃的烘箱中烘干6～8 h后，稱其初始質(zhì)量。

3）將烘干后的巖石試件放入帶有篩孔的轉(zhuǎn)筒內(nèi)。待轉(zhuǎn)筒進(jìn)入水槽中，并以20 r/min 的速度旋轉(zhuǎn)10 min后，將試件烘干至質(zhì)量穩(wěn)定并測(cè)取其質(zhì)量，然后再進(jìn)行下一次循環(huán)。

4）第n個(gè)循環(huán)后，轉(zhuǎn)筒內(nèi)所剩試樣烘干后的質(zhì)量與原試件總質(zhì)量之比，即為耐崩解指數(shù)，表示為：

式中：Idn為n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后的巖石耐崩解指數(shù)，100%；Mn為第n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后試驗(yàn)筒內(nèi)殘留巖樣的干燥質(zhì)量，g；M為試件總的干燥質(zhì)量，g。

試樣崩解過程見圖1，試樣崩解前后對(duì)比如圖2所示。

圖1 崩解儀器

圖2 試樣崩解前后對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1 所示。

表1 礦巖耐崩解指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

由表1 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出， 崩解試驗(yàn)兩次循環(huán)后，各巖樣的耐崩解指數(shù)基本達(dá)到穩(wěn)定，A、B 試樣崩解指數(shù)很小，其中B 試樣幾乎不崩解，C 試樣的崩解比較強(qiáng)烈。由試驗(yàn)過程也可以看出，C 試樣由大塊崩解為顆粒狀，其它兩組試樣基本不崩解。

由崩解試驗(yàn)結(jié)果可知，C 試樣所代表的巖石在地下水的作用下，強(qiáng)烈崩解，巷道將會(huì)發(fā)生垮塌；A試樣所代表的巖石遇水崩解性一般，但崩解為片狀，強(qiáng)度也有所降低，具體降低多少，需要做軟化性實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步判斷。B 試樣完全不崩解，水對(duì)B 試樣的影響也需要進(jìn)一步的軟化性判斷。

3 巖體破壞機(jī)理

由試驗(yàn)結(jié)果可知， 礦山需要支護(hù)的部分是作為鉬礦主要圍巖的蝕變花崗斑巖以及作為銅礦主要圍巖的蝕變角巖，即為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的A、C 試樣。 B 試樣為致密的花崗斑巖，具有致密、高強(qiáng)度的特性，不需要額外支護(hù)即能達(dá)到自穩(wěn)。 巷道支護(hù)的變形破壞主要發(fā)生在A、C 試樣所代表的蝕變角巖、 蝕變花崗斑巖地段。 巷道變形破壞的機(jī)理研究主要是對(duì)A、C 試樣的水理特性的研究。

根據(jù)對(duì)蝕變花崗斑巖、蝕變角巖的崩解、軟化、膨脹等水理性試驗(yàn)，深入分析其破壞機(jī)理。對(duì)于巷道的變形破壞機(jī)理， 一方面是由于圍巖自身含有的粘土礦物，因此它的變形機(jī)理與它的水理性質(zhì)有關(guān)；另一方面，圍巖其自身抗壓強(qiáng)度降低后，在地應(yīng)力作用下所表現(xiàn)出的碎脹變形機(jī)制也是重要的因素[4-5]，具體原因可分為以下三部分：

1）蝕變花崗斑巖、蝕變角巖顯著的軟化特性、易崩解特性及巷道所處的物理環(huán)境對(duì)巷道的變形破壞機(jī)理起決定性作用。蝕變花崗斑巖、蝕變角巖吸水軟化，在風(fēng)化作用以及經(jīng)歷失水—吸水循環(huán)的情況下，使圍巖的抗壓強(qiáng)度顯著降低。在地應(yīng)力的影響下，圍巖發(fā)生明顯的破碎。 巖體易風(fēng)化及遇水崩解泥化是巖體強(qiáng)度低的根本原因。

2）巖石粘土礦物對(duì)巷道的變形破壞起控制性作用， 圍巖中的膨脹礦物是加速圍巖變形和增加變形量的內(nèi)在因素。研究表明，含粘土質(zhì)礦物越多的巖樣，其膨脹率越大。 巖石在膨脹過程中產(chǎn)生巨大的膨脹壓力，該膨脹壓力與地應(yīng)力共同作用于支護(hù)體，最終導(dǎo)致支護(hù)體被破壞，巷道失穩(wěn)。巖體膨脹壓力是引起鋼拱架變形的主要應(yīng)力來源， 構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性也具有重要影響。

3）地下水的影響。該礦距離地表近，地處南方多雨地區(qū)， 礦床充水類型屬產(chǎn)于裂隙巖層中水文地質(zhì)條件簡單—中等復(fù)雜類型， 豐富的地下水對(duì)圍巖膨脹、崩解軟化起到了促進(jìn)作用，屬于外在因素。

4 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦體調(diào)查及系列耐崩解指數(shù)試驗(yàn)，并基于現(xiàn)有理論知識(shí)，得出以下結(jié)論：

1）作為銅礦主要圍巖的蝕變角巖耐崩解指數(shù)小，強(qiáng)烈崩解，巷道發(fā)生垮塌，需要支護(hù)；作為鉬礦主要圍巖的蝕變花崗斑巖遇水崩解性一般， 但崩解為片狀，強(qiáng)度有所降低，需要支護(hù)；致密的花崗斑巖耐崩解指數(shù)超過99%，具有致密、高強(qiáng)度的特性，不需要額外支護(hù)即能達(dá)到自穩(wěn)。

2）蝕變花崗斑巖、蝕變角巖在干燥—浸水循環(huán)的環(huán)境下具有易崩解、軟化的顯著工程地質(zhì)特性，巖石的耐崩解指數(shù)位于16．41%～98．48%之間，經(jīng)過四次干燥—浸水循環(huán)后，蝕變花崗斑巖完全喪失強(qiáng)度，蝕變角巖強(qiáng)度大大降低，致密花崗斑巖強(qiáng)度基本不變化。

3）蝕變花崗斑巖、蝕變角巖含有粘土礦物和膨脹性礦物成分， 吸水后膨脹產(chǎn)生膨脹壓力和地應(yīng)力作用，使巷道產(chǎn)生變形破壞，圍巖在經(jīng)歷風(fēng)化—吸水循環(huán)后抗壓強(qiáng)度大大降低， 在地應(yīng)力的作用下圍巖發(fā)生破壞。