帕魯特金礦巖石抗壓性能研究

張浩強 史秀志 李冬萍 李群敬 邱賢陽 陳新

摘要：帕魯特金礦即將進入深部開采階段，開展深部巖石力學(xué)性能研究十分必要。采用RQD值調(diào)查法和抗壓性能試驗對其巖體性能開展研究。結(jié)果表明：巖體RQD值普遍小于50 %，巖體質(zhì)量相對較差。礦體的單軸抗壓強度、峰值應(yīng)變和彈性模量均高于上、下盤圍巖，其中，礦體單軸抗壓強度達到上、下盤圍巖單軸抗壓強度的2倍，巖石的破壞模式以脆性破壞為主，在工程實際中應(yīng)當注重對上、下盤圍巖的支護工作。

關(guān)鍵詞：帕魯特金礦;深部開采;巖體性能;抗壓性能;RQD值;破壞模式

中圖分類號：TD315文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）05-0034-03doi：10.11792/hj20220506

引 言

地下礦山深部開采是當前采礦業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢。由于深部巖體原巖應(yīng)力更大，應(yīng)力活動更加頻繁，對采礦技術(shù)和支護水平的發(fā)展提出了更高的要求[1]。此外，在全新采礦環(huán)境條件下，淺部巖體性能調(diào)查結(jié)果已經(jīng)不能適用于深部開采。因此，根據(jù)不同礦山的開采情況，有針對性地進行深部開采涉及的巖石力學(xué)性能研究十分必要[2-3]。

巖石的力學(xué)性能表征方法有很多，包括單軸抗壓性能、直接和間接抗拉性能、抗剪性能和動載壓力性能等，但受試驗設(shè)備、條件和成本的限制，這些方法的適用性受到不同程度影響[4]。其中，單軸抗壓性能應(yīng)用范圍最廣、效果也最好。迄今為止，單軸抗壓性能研究已經(jīng)在混凝土、巖石和金屬等方面得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

帕魯特金礦為中國有色礦業(yè)集團有限公司在塔吉克斯坦投資建設(shè)的黃金采選冶一體化礦山。該礦山于2012年開工建設(shè)，現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模為2 000 t/d，位于塔吉克斯坦瓦赫達特地區(qū)，礦區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒夂?，冬季寒冷、多雪，低溫持續(xù)時間長，易發(fā)生雪崩，海拔絕對標高1 960～2 500 m，屬于高海拔寒區(qū)礦山。礦山目前井下主要生產(chǎn)中段為2 110 m及以上的5個中段，預(yù)計2022年，2 110 m中段以上的儲量基本消耗殆盡。因此，為維持礦山三級礦量的動態(tài)平衡，規(guī)劃2 110 m中段以下深部中段的礦井開拓與設(shè)計工作成為當前礦山的主要工作之一，開展深部巖石抗壓性能研究十分必要。

1 礦山概況

1.1 地質(zhì)條件

帕魯特金礦礦體受Pakrut背斜、Graphitovy斷層和Pakrut斷層的控制，主要位于Pakrut河的南岸，東西走向長約400 m，南北方向上礦體近平行分布，礦體圍巖主要為熱液交代變質(zhì)巖和綠片巖。

經(jīng)過近幾年的生產(chǎn)勘探與開采，帕魯特金礦井下主要生產(chǎn)礦體有1號礦體和3號礦體。其中，1號礦體為主礦體，金平均品位2.2 g/t，總體傾角70°～80°，水平厚度6～30 m，西部北西走向，向東轉(zhuǎn)為近東西走向，走向延長約420 m。3號礦體分支嚴重，形態(tài)變化多樣，厚度不均，大多在1～12 m。

1.2 采礦工藝

帕魯特金礦于2012年開工建設(shè)，現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模為2 000 t/d。礦山現(xiàn)有主要生產(chǎn)開拓系統(tǒng)為一期建成工程，主要包括東、西風井，主斜坡道，采區(qū)斜坡道，以及5個中段。該礦山在2 230 m中段和2 110 m 中段采用4個分段進行采切工程布置，每個分段高度為12～13 m。從2 170 m中段開始設(shè)計采用高分段中深孔空場充填采礦法開采，每個分段高度定為21 m，底部結(jié)構(gòu)高度定為13 m，頂柱留設(shè)5 m。2 050 m中段以下深部中段預(yù)期沿用高分段中深孔空場充填采礦法開采，為避免出現(xiàn)礦房圍巖垮塌事故，對深部開采中涉及的巖石抗壓性能重新測試十分必要。

2 巖體質(zhì)量RQD值調(diào)查

在巖體工程中，為能夠快速、便捷地對巖體質(zhì)量進行評價，往往可以通過一些容易計算得到的巖體工程指標對巖體質(zhì)量進行分類和評價。其中，RQD分類法于1964年由Deere提出，并得到了較為廣泛的應(yīng)用[5]。RQD值是指巖心中長度等于或大于10 cm巖心的累計長度占鉆孔進尺總長度的百分比，其分類法評價指標[6-7]見表1。

本次研究根據(jù)工程實際情況，通過在2 084 m中段向深部鉆取巖心來統(tǒng)計RQD值，并為力學(xué)性能試驗準備巖心樣品，鉆孔進尺1.5 m，巖心鉆進長度共70 m。其中，1～18 m為上盤圍巖巖心，18～56 m為礦體巖心;56～70 m為下盤圍巖巖心。根據(jù)統(tǒng)計，上盤圍巖RQD值為55.30 %，礦體RQD值為41.70 %，下盤圍巖RQD值為40.70 %，整體的RQD值平均為45.90 %，對照表1所示的RQD值分類標準可知，深部巖體質(zhì)量差。

3 巖石抗壓性能

3.1 單軸抗壓強度

巖石的單軸抗壓強度是檢測巖石強度，并評判其穩(wěn)定性最常用的方法，其主要包括強度和變形2個方面[8-9]。單軸抗壓強度（σc）的大小能夠反映出巖石的承載能力，對應(yīng)的應(yīng)變（ε）體現(xiàn)了巖石在受壓破壞時具有的變形能力和韌性特征。2種指標的計算公式如下：

σc=pA（1）

式中：p為試件達到破壞時的最大軸向壓力（N）;A為試件的橫截面積（mm2）。

ε=Δll（2）

式中：Δl為試件達到破壞時產(chǎn)生的軸向變形（mm）;l為試件的長度（mm）。

試驗開始前，選取鉆孔巖心中較為完好的巖樣進行試驗樣品制作，制作規(guī)格為50 mm×100 mm的圓柱體樣品，對其直徑和高度進行測量，結(jié)果見表2。由表2可知，巖樣直徑47.50 mm，高度94.80～128.30 mm，樣品基本滿足高徑比2 ∶1的要求，巖石平均密度2 698.49 kg/m3。

本次試驗采用WDW-600型萬能壓力試驗機開展單軸抗壓強度試驗，確保試件表面平整，與壓力試驗機的平臺完整接觸，然后以0.6 mm/min的加載速率施加壓力，直至試件破壞失效（見圖1）。C73A5047-22BF-4A3F-973A-25B88C3E9A3E

單軸抗壓強度試驗結(jié)果見表3。由表3可知：上盤圍巖單軸抗壓強度均值42.36 MPa，峰值應(yīng)變均值1.288 5 %，彈性模量均值2.21 GPa;礦體單軸抗壓強度均值83.69 MPa，峰值應(yīng)變均值1.645 0 %，彈性模量均值3.31 GPa;下盤圍巖單軸抗壓強度均值34.16 MPa，峰值應(yīng)變均值1.102 3 %，彈性模量均值2.01 GPa。由試驗結(jié)果可知，礦體的單軸抗壓強度約為上、下盤圍巖單軸抗壓強度的2倍，礦體穩(wěn)定性較好，但上、下盤圍巖穩(wěn)定性較差，礦體的峰值應(yīng)變和彈性模量也高于上、下盤圍巖，具有更好的彈性變形能力。因此，在礦體開采過程中要注重對上、下盤圍巖的支護，防止發(fā)生圍巖垮落事故。

3.2 破壞模式

上盤巖樣（S-1）、礦體巖樣（K-1）和下盤巖樣（X-1）應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。由圖2可知，不同取樣點的巖樣在持續(xù)加載作用下，均經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段、強化階段和局部變形階段4個階段，基本符合巖石應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展過程[10]。

上盤巖樣（S-1）、礦體巖樣（K-1）和下盤巖樣（X-1）宏觀破壞形態(tài)對比見圖3。由圖3可知，巖樣在壓力作用下主要發(fā)生壓剪破壞，裂縫在貫通巖石樣品后導(dǎo)致了巖石的破壞失效。結(jié)合圖2，巖樣的峰值應(yīng)變均小于2 %，巖樣的破壞屬于脆性破壞范疇，以壓剪破壞為主。

4 結(jié) 論

1）本文針對帕魯特金礦深部采礦開展了必要的巖石抗壓性能研究工作，研究得到：深部巖體上盤圍巖、礦體和下盤圍巖RQD值分別為55.30 %、41.70 %和40.70 %，RQD值普遍小于50 %，巖體質(zhì)量差。

2）采用單軸壓縮的方法測試了深部上盤圍巖、礦體和下盤圍巖的抗壓性能，并認為礦體的單軸抗壓強度、峰值應(yīng)變和彈性模量均高于上、下盤圍巖，其中上盤圍巖、礦體和下盤圍巖的單軸抗壓強度分別為42.36 MPa、83.69 MPa和34.16 MPa，礦體的穩(wěn)定性較上、下盤圍巖更好。

3）在軸向壓力作用下，帕魯特金礦深部巖石的破壞主要是脆性破壞，以壓剪破壞為主。在后續(xù)的工作中，應(yīng)當對深部開采面臨的支護要求和效果開展研究。

[參 考 文 獻]

[1] 趙國彥，吳攀，裴佃飛，等.基于綠色開采的深部金屬礦開采模式與技術(shù)體系研究[J].黃金，2020，41（9）：58-65.

[2] 邵明申，李黎，李最雄.龍游石窟砂巖在不同含水狀態(tài)下的彈性波速與力學(xué)性能[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（增刊2）：3 514-3 518.

[3] 李地元，李夕兵，LI C C.2種巖石直接拉壓作用下的力學(xué)性能試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（3）：624-632.

[4] 徐禮華，劉素梅，李彥強.丹江口水庫區(qū)巖石軟化性能試驗研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（5）：1 430-1 434.

[5] 唐建鎧.層理對巖石抗壓強度影響解析[J].廣東化工，2019，46（23）：65，81.

[6] 李恩翀，劉濤.露天轉(zhuǎn)地下隔離頂板安全性綜合評價及應(yīng)用[J].黃金，2015，36（3）：36-39.

[7] 章邦瓊.金陶礦業(yè)公司巖體工程地質(zhì)特征及RMR巖體質(zhì)量評價[J].黃金，2021，42（5）：45-48.

[8] 侯永強.某礦山深部充填開采充填體強度及充填方案優(yōu)選研究[D].贛州：江西理工大學(xué)，2018.

[9] 陳猛，王浩，齊邁，等.巖石-鋼纖維混凝土復(fù)合層動態(tài)壓縮性能試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2020，39（6）：1 222-1 230.

[10] 姜永東，鮮學(xué)福，尹光志，等.巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程的聲發(fā)射及分形與混沌特征[J].巖土力學(xué)，2010，31（8）：2 413-2 418.

Study on the compressive performance of rock in Pakrut Gold Mine

Zhang Haoqiang1，Shi Xiuzhi2，Li Dongping1，3，Li Qunjing1，Qiu Xianyang2，Chen Xin2

（1.China Nonferrous Metals International Mining Pakrut LLC.;

2.School of Resource and Safety Engineering，Central South University;

3.China Nonferrous Metal Mining （Group）Co.，Ltd.）

Abstract：Pakrut Gold Mine is about to enter the deep mining stage，and it is necessary to carry out studies on the mechanical properties of deep rocks.Studies on its rock mass performance are carried out by the RQD value survey method and compressive performance tests.The results show that the rock RQD values are generally less than 50 % and the quality of rock mass is relatively poor.The uniaxial compressive strength，peak strain and elastic modulus of the orebodies are higher than the surrounding rock of the upper and lower，where the orebodies uniaxial compressive strength reaches twice that of surrounding rock of upper and lower walls，and the destruction pattern of the rocks is dominated by brittle failure，and engineering practices should pay more attention to the support of surrounding rock of the upper and lower walls.

Keywords：Pakrut Gold Mine;deep mining;rock mass performance;compressive performance;RQD value;failure mode

收稿日期：2021-11-08; 修回日期：2022-01-25

基金項目：湖南省自然科學(xué)基金項目（2021JJ40733）

作者簡介：張浩強（1988—），男，河南洛陽人，工程師，碩士，從事采礦技術(shù)及膏體充填相關(guān)方面的研究工作;塔吉克斯坦瓦赫達特，中色國礦帕魯特有限責任公司;E-mail：zhq512@126.com

通信作者，E-mail：chenxin_ck@csu.edu.cn，0731-88879612C73A5047-22BF-4A3F-973A-25B88C3E9A3E