某礦山深部開采巖石力學(xué)特性研究

龍 騰

(江銅集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司， 江西 德興 334200)

1 前言

某礦山首期開采設(shè)計(jì)最低標(biāo)高為-658 m，已進(jìn)入深部開采，二期回采深度更是達(dá)到-1 000 m以下。隨著采深的不斷加大，災(zāi)害事故的發(fā)生變得更加顯著，如礦震的增加，礦巖的持續(xù)大變形和流變的明顯增強(qiáng)，甚至特定條件下的巖爆等都是深部安全開采的巨大威脅[1-5]，因此，有必要對礦山深部巖石力學(xué)特性進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，這對礦山安全、合理、高效地開采具有十分重要的意義，同時(shí)可為類似深井礦山開采提供借鑒參考。

2 工程背景

某礦山開采方式為地下開采，根據(jù)礦體開采技術(shù)條件，設(shè)計(jì)兩種采礦方法對礦體進(jìn)行開采，即分段空場嗣后充填法和淺孔留礦法。分段空場嗣后充填法針對厚大礦體開采，礦塊垂直走向布置，不留間柱，先采礦柱后采礦房，中深孔爆破?；夭山Y(jié)束后，采空區(qū)采用全尾砂非膠結(jié)充填。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查，礦區(qū)的主要巖體為千枚巖和英安斑巖。千枚巖是低級的變質(zhì)巖石，常為細(xì)粒鱗片變晶結(jié)構(gòu)，一般表現(xiàn)為脆性，其破壞模式的特殊性體現(xiàn)在巖石內(nèi)在結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，而巖體材料自身并未破壞。千枚巖的破壞形式如圖1和圖2所示。千枚巖是礦區(qū)最主要巖體，其分布最廣，屬于半堅(jiān)硬巖組，完整性較好，整體穩(wěn)固性一般。英安斑巖，屬于堅(jiān)硬巖組，完整性較好，整體穩(wěn)固性較好。

圖1 巷道圍巖潰屈破壞示意圖

圖2 巷道圍巖潰屈破壞現(xiàn)場實(shí)際圖

3 深部巖石的脆- 延特性

深部開采的環(huán)境基本上可概括為“三高一擾動(dòng)”，在這樣的開采條件下對巖石峰后強(qiáng)度的研究就顯得尤為重要，在高地應(yīng)力的載荷條件下巖石表現(xiàn)為延性的概率增大，在發(fā)生破壞時(shí)的不能恢復(fù)的形變量一般也明顯增大。與淺部開采時(shí)巖石的脆性力學(xué)響應(yīng)顯著不同的是，深部開采巖石可能出現(xiàn)延性的力學(xué)行為，由淺入深大致經(jīng)歷脆性、脆- 延性、延性和高溫蠕變幾個(gè)變形階段。隨著圍壓的增加，巖石峰后從應(yīng)變軟化特性轉(zhuǎn)化為理想塑性，繼而轉(zhuǎn)化為應(yīng)變硬化特性[6]。使應(yīng)力- 應(yīng)變曲線峰后表現(xiàn)為理想塑性的圍壓值，一般稱為脆- 延轉(zhuǎn)換圍壓。

本文主要選取了礦山具有代表的巖樣(千枚巖和英安斑巖)，進(jìn)行論述和分析。在不同圍壓下絹云母化千枚巖的全應(yīng)力- 應(yīng)變曲線如圖3所示。在圍壓分別為10 MPa和20 MPa時(shí)，應(yīng)力降越來越小，延性特性更加明顯。當(dāng)圍壓增至30 MPa時(shí)，全應(yīng)力- 應(yīng)變曲線峰值后幾乎沒有出現(xiàn)應(yīng)力降，峰后段應(yīng)力- 應(yīng)變曲線呈水平狀態(tài)，其切線斜率趨向于零，全應(yīng)力- 應(yīng)變曲線整體符合巖石應(yīng)變軟硬化轉(zhuǎn)化的臨界曲線的特點(diǎn)。因此可以認(rèn)為當(dāng)圍壓為30 MPa時(shí)，絹云母類巖石即可認(rèn)為達(dá)到臨界圍壓狀態(tài)。

圖3 不同圍壓下絹云母千枚巖的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線

在不同圍壓下，硅化千枚巖應(yīng)力快速大幅度減小，減小值基本上和峰值應(yīng)力相當(dāng)，表現(xiàn)出顯著的脆性。在圍壓升高的過程中，峰后的應(yīng)力的降低幅度也逐漸變小，應(yīng)變曲線趨于水平。在圍壓升高為30 MPa時(shí)，峰后的應(yīng)力降低值較小，峰后曲線基本上接近水平，展現(xiàn)出顯著的延性，故硅化千枚巖的臨界圍壓可確定為30 MPa。

在不同圍壓下英安斑巖的全應(yīng)力- 應(yīng)變曲線如圖5所示。與絹云母化千枚巖和硅化千枚巖不同的是，英安斑巖在圍壓為30 MPa時(shí)，仍出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力大幅度降低，展現(xiàn)出明顯的脆性，因此，可推知強(qiáng)度較大的英安斑巖的臨界圍壓遠(yuǎn)大于30 MPa。

圖4 不同圍壓硅化千枚巖的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線

圖5 不同圍壓下英安斑巖的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線

根據(jù)單軸試驗(yàn)結(jié)果，絹云母千枚巖的平均抗壓強(qiáng)度約為18 MPa；硅化千枚巖的平均抗壓強(qiáng)度約為50 MPa；英安斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度約為140 MPa。根據(jù)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的變化規(guī)律可推知：絹云母千枚巖、硅化千枚巖和英安斑巖的臨界圍壓分別為20～30 MPa、32～48 MPa和84 MPa。

將臨界圍壓值代入地應(yīng)力的擬合式σh,max=-2.037+0.031 6H，即可得到各巖性的臨界深度。通過計(jì)算得到：絹云母千枚巖、硅化千枚巖和英安斑巖的臨界深度分別為698～1 014 m、1 077～1 584 m和2 700 m。

礦區(qū)分布范圍較廣的絹云母千枚巖脆- 延性轉(zhuǎn)化的臨界標(biāo)高約為-698～-1 014 m，因此在一期技改工程設(shè)計(jì)最低標(biāo)高-658 m范圍內(nèi)，作為圍巖的絹云母千枚巖不會(huì)發(fā)生明顯的脆- 延轉(zhuǎn)化，巖體暫不會(huì)出現(xiàn)較大的塑性軟化特性。而深部硅化千枚巖的脆- 延轉(zhuǎn)化標(biāo)高在-1 077～-1 584 m，說明開采深度達(dá)到1 500 m以后，圍巖可能出現(xiàn)延性破壞，影響圍巖的承載能力。少量的英安斑巖直至2 700 m以下才有可能表現(xiàn)出塑性軟化的大變形特征。

4 巖石的蠕變特征

蠕變是在應(yīng)力保持恒定的情況下，隨著時(shí)間的增加，變形也跟著增加的現(xiàn)象。巖石的蠕變有兩種基本形式，第一種形式稱為穩(wěn)定蠕變，蠕變速率隨時(shí)間增加逐步減小最后趨于零，變形則趨于一個(gè)穩(wěn)定值。第二種形式稱為不穩(wěn)定蠕變，巖石變形隨時(shí)間逐漸增大直至破壞，不能趨近于某一穩(wěn)定值。不穩(wěn)定蠕變根據(jù)蠕變速率的不同，其蠕變變形過程分為三個(gè)階段：第一蠕變階段可定義為初始蠕變階段或者減速蠕變階段，在時(shí)間增加的過程中蠕變速率不斷減??；第二蠕變階段可定義為等速蠕變階段，蠕變速率基本上保持恒定；第三蠕變階段可定義為加速蠕變階段，蠕變速率大幅度增大直至試樣破壞[10]。對于本次試驗(yàn)的試件，主要對其減速蠕變階段及穩(wěn)態(tài)蠕變階段進(jìn)行分析。

通過巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)獲得了11個(gè)巖石試樣在不同應(yīng)力水平下的蠕變曲線。由于篇幅限制，本文僅給出R11試件的蠕變曲線、應(yīng)變率曲線和軸向應(yīng)變變化情況表，具體情況見表1，其他試件的不再贅述。

表1 R11試件在不同荷載下軸向應(yīng)變變化情況

由圖6可知，對于同一試件，在低應(yīng)力水平時(shí)，巖石蠕變應(yīng)變很小，后續(xù)在應(yīng)力增大的過程中，軸向蠕變應(yīng)變表現(xiàn)出不斷增加的態(tài)勢。此外，在應(yīng)力增大的過程中，壓力穩(wěn)定的狀況下，蠕變的增加量也表現(xiàn)出不斷增加的態(tài)勢。

圖6 R11試件不同應(yīng)力水平蠕變曲線

對不同試件的蠕變曲線進(jìn)行擬合，并對擬合的公式求導(dǎo)，進(jìn)而可得到每個(gè)試件在各級荷載穩(wěn)壓加載下的應(yīng)變速率曲線。由圖7可知，試件在試驗(yàn)中均出現(xiàn)了減速蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變階段。通過觀察各個(gè)試件的軸向應(yīng)變率曲線，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度較低的試件減速蠕變的經(jīng)歷的時(shí)間較短，強(qiáng)度較高的試件減速蠕變的時(shí)間則相對更長，說明強(qiáng)度高的巖石的蠕變現(xiàn)象更為明顯。

圖7 R11試件不同應(yīng)力水平應(yīng)變率曲線

將試件在各循環(huán)加載過程中形成的應(yīng)變定義為加載瞬時(shí)應(yīng)變；將試件在各循環(huán)穩(wěn)壓階段形成的應(yīng)變定義為蠕變應(yīng)變增量；將在同一應(yīng)力水平下蠕變應(yīng)變增量與加載瞬時(shí)應(yīng)變的比值定義為蠕變應(yīng)變增加率。三者的計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

(3)

式中，Δεl為加載瞬時(shí)應(yīng)變、Δεc為蠕變應(yīng)變增量，u為蠕變應(yīng)變增加率；usl為初始加壓時(shí)的變形、uel為加壓結(jié)束時(shí)的變形；usc為初始蠕變時(shí)的變形、uec為蠕變結(jié)束時(shí)的變形；h為試件的高度。

在不同級別的應(yīng)力荷載下，雖然巖石試樣的蠕變應(yīng)變增加率變化幅度較大，但巖石不同試樣的蠕變應(yīng)變增加率基本上限定在1%～6%，即使是呈現(xiàn)出加速蠕變的巖樣R5和巖樣R11在加速蠕變階段的蠕變應(yīng)變增加率也僅為7.16%和7.34%。由此可推斷，礦山在標(biāo)高-1 100 m以下的巖石雖出現(xiàn)了蠕變變形的特征，但從蠕變應(yīng)變增加率可推知，在高圍壓條件下，深部巖石的蠕變性質(zhì)僅是略微呈現(xiàn)，實(shí)際上并不具備高速蠕變的態(tài)勢。

5 結(jié)論

本文采用巖石力學(xué)試驗(yàn)的方法，對某礦山深部巖石脆- 延轉(zhuǎn)化特性和蠕變變形進(jìn)行了研究，形成的結(jié)論與建議如下:

(1)在一期技改工程設(shè)計(jì)最低標(biāo)高-658 m范圍內(nèi)，作為圍巖的絹云母千枚巖不會(huì)發(fā)生明顯的脆- 延轉(zhuǎn)化，巖體暫不會(huì)出現(xiàn)較大的塑性軟化特性。而深部硅化千枚巖在開采深度達(dá)到1 500 m以后可能出現(xiàn)延性破壞，影響圍巖的承載能力。少量的英安斑巖直至2 700 m以下才有可能表現(xiàn)出塑性軟化的大變形特性。

(2)同一深度巖石在高應(yīng)力下蠕變變形較低應(yīng)力水平更為明顯；不同深度的巖石試樣在同一應(yīng)力水平下，深部試樣較淺部試樣蠕變變形更為明顯。試樣在不同的外載荷條件下其蠕應(yīng)變的增加率均保持在一個(gè)較低的范圍內(nèi)，故一期技改設(shè)計(jì)范圍內(nèi)深部巖石蠕變變形不明顯，不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)流變特性。

(3)巷道及硐室的長軸線方向與最大主應(yīng)力方向應(yīng)盡可能呈小角度相交，對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序進(jìn)行優(yōu)化，合理布置巷道及硐室的位置，從時(shí)間、空間和強(qiáng)度三個(gè)維度上減小開采擾動(dòng)對巷道圍巖的破壞作用。

(4)采用“臨時(shí)支護(hù)- 卸壓- 高強(qiáng)度支護(hù)”的巷道圍巖強(qiáng)化原則，以及“注、錨、噴、架”一體化支護(hù)技術(shù)，既可有效控制圍巖發(fā)生大變形和巖爆，也可保障支護(hù)系統(tǒng)的長期效能。

(5)適時(shí)構(gòu)建多源信息綜合監(jiān)測分析預(yù)警系統(tǒng)，保障深部開采的安全。