張 毅 汪 崛 劉 斌 李貞芳

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;2.深部巖石力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

1 實(shí)驗(yàn)概述

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

矽卡巖的力學(xué)特性，包括單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

矽卡巖的力學(xué)試驗(yàn)是在WPM25KN 的德國(guó)材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。試樣的單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量、泊松比及各種沖擊傾向的測(cè)定都是在WPM1000KN 的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。測(cè)試設(shè)備有采集速度為0.1 m/s 的高速計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、MDG動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、KC 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀及配套的載荷傳感器和位移傳感器。矽卡巖的抗壓力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)按ISRM 實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行，抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)按照巴西劈裂實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，按軸向變形0.002 mm/s 的速率加載，每個(gè)實(shí)驗(yàn)用3 組試件進(jìn)行。

1.3 試件制備

本試驗(yàn)所用試樣取自中關(guān)鐵礦，采樣時(shí)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯成型困難，故在現(xiàn)場(chǎng)采集力學(xué)性質(zhì)均勻、塊度適中的完整塊狀試樣，帶回實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)一步制作加工成標(biāo)準(zhǔn)試件。采樣方法按照GB/T 23561.1—2009 煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法第一部分:采樣基本規(guī)定執(zhí)行。按照巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用φ50 mm× 100 mm 的圓柱試件，抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用φ50 mm×25 mm 的圓柱試件。矽卡巖試件制備見(jiàn)圖1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

將矽卡巖試件放在實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，直至試件破壞，試件的應(yīng)變通過(guò)引伸計(jì)監(jiān)測(cè)。部分試件單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2 所示。

在我國(guó)分布著眾多矽卡巖鐵礦，雖然其儲(chǔ)量小，但品位卻高于其他含鐵礦石，因此是我國(guó)重要的富鐵礦源，供應(yīng)我國(guó)3/5 以上的富鐵礦石［1］。邢臺(tái)是我國(guó)重要的矽卡巖型鐵礦成礦區(qū)之一，不僅礦石品位高，而且儲(chǔ)量也很可觀［4］。中關(guān)鐵礦是邢臺(tái)地區(qū)一所較大型的矽卡巖型鐵礦床，其礦體形態(tài)復(fù)雜，涌水量大，其力學(xué)特性與圍巖的支護(hù)及采場(chǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)［5-9］。在建井期間和生產(chǎn)期中關(guān)礦不得不面臨著井巷穿越矽卡巖及采場(chǎng)布置，為了保障井巷開(kāi)掘的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及施工安全，有必要研究該型巖石的力學(xué)特性，有利于為礦井安全高效開(kāi)采提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文擬通過(guò)對(duì)中關(guān)鐵礦現(xiàn)場(chǎng)取樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室基本力學(xué)特性測(cè)試，對(duì)該礦的矽卡巖礦體進(jìn)行力學(xué)特性分析研究。

圖1 矽卡巖試件制備

圖2 部分矽卡巖試件單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

從圖2 中部分矽卡巖試件單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以看出，在實(shí)驗(yàn)機(jī)逐漸加載的過(guò)程中，軸向應(yīng)變和縱向應(yīng)變同時(shí)增加。在剛開(kāi)始加載時(shí)，左側(cè)曲線變化較陡，表示同一加載過(guò)程，縱應(yīng)變變化較快。但縱向變形達(dá)到一定值后左側(cè)曲線明顯變緩，表示橫向變形開(kāi)始顯著增大，而且應(yīng)力開(kāi)始下降，試件發(fā)生破壞。圖2 右側(cè)曲線代表著單軸壓縮狀態(tài)下矽卡巖應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，該過(guò)程第1 階段為壓密階段，處于該階段的矽卡巖因承載，使得初始裂隙閉合，整體結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí);第2 階段為線性變形階段，此時(shí)曲線近似為直線;第3 階段為彈塑性變形階段，隨著荷載逐漸增大，矽卡巖內(nèi)部有新的裂隙產(chǎn)生，曲線向下彎曲;第4 階段為破壞階段，荷載達(dá)到矽卡巖的峰值強(qiáng)度，試件開(kāi)始破壞。通過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)可得出矽卡巖的單軸抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 矽卡巖單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如果按照巖石單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)矽卡巖進(jìn)行分類(lèi)，矽卡巖單軸抗壓強(qiáng)度為60 MPa，故矽卡巖應(yīng)屬次堅(jiān)巖。

2.2 抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用巴西劈裂法，將矽卡巖試件放在實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，直至試件破壞。記錄加載過(guò)程中的應(yīng)力位移曲線，部分矽卡巖抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖3 所示。

圖3 部分矽卡巖抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)軸向應(yīng)力與軸向變形曲線

從圖3 中矽卡巖軸向應(yīng)力與軸向變形曲線可以看出，實(shí)驗(yàn)機(jī)不斷加載過(guò)程中，矽卡巖的軸向變形不斷增大，直至荷載達(dá)到矽卡巖的極限破壞值，試件發(fā)生破壞，強(qiáng)度瞬間急劇下降。矽卡巖抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 矽卡巖抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一般而言，巖石抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值在8 左右，由矽卡巖單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，矽卡巖抗壓強(qiáng)度為60 MPa，而抗拉強(qiáng)度為7.9 MPa，兩者比值為7.59，接近8，說(shuō)明測(cè)試結(jié)果可靠。

2.3 三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

對(duì)矽卡巖試件進(jìn)行三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測(cè)定在不同圍壓條件下矽卡巖的三軸抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)機(jī)上施加的圍壓分別為5 MPa，10 MPa，15 MPa，然后施加豎向荷載，直至試件破壞，矽卡巖三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4 所示。

圖4 矽卡巖三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線

根據(jù)矽卡巖破壞時(shí)的峰值應(yīng)力畫(huà)出不同圍壓條件下的摩爾應(yīng)力圓，從而得出矽卡巖的內(nèi)摩擦角和粘聚力，矽卡巖的三軸抗壓強(qiáng)度等參數(shù)如表3 所示。

表3 矽卡巖三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

中關(guān)鐵礦矽卡巖試件天然情況下抗壓強(qiáng)度約為60 MPa，矽卡巖在進(jìn)行加載試驗(yàn)過(guò)程中的軸向變形不斷增大，試件發(fā)生破壞，強(qiáng)度瞬間急劇下降，并且矽卡巖存在孤島狀物質(zhì)、大量孔隙，加之礦井涌水現(xiàn)象明顯，在實(shí)際巷道工程中易出現(xiàn)頂板冒落或巖柱失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)矽卡巖的實(shí)驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論:

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，矽卡巖單軸抗壓強(qiáng)度為60 MPa，它屬次堅(jiān)巖，抗拉強(qiáng)度為7.9 MPa，彈性模量為0.23 GPa，泊松比為0.19。2)矽卡巖內(nèi)摩擦角為31°，粘聚力為6.6 MPa，強(qiáng)度公式為Τ=0.6σ+6.6。3)該礦矽卡巖在加載過(guò)程中強(qiáng)度瞬間急劇下降，且存在孤島狀物質(zhì)和大量孔隙，在實(shí)際巷道工程中易出現(xiàn)頂板冒落或巖柱失穩(wěn)現(xiàn)象。

［1］張 志，張承帥.馬坑鐵(鉬)礦床矽卡巖礦物學(xué)特征及分帶研究［J］.巖石學(xué)報(bào)，2014，30(5):1339-1354.

［2］趙一鳴，豐成友，李大新，等.青海西部祁漫塔格地區(qū)主要矽卡巖鐵多金屬礦床成礦地質(zhì)背景和礦化蝕變特征［J］.礦床地質(zhì)，2013，32(1):1-9.

［3］姚 磊，謝桂青，張承帥，等.鄂東南礦集區(qū)程潮大型矽卡巖鐵礦的礦物學(xué)特征及其地質(zhì)意義［J］.巖石學(xué)報(bào)，2013，28(1):133-146.

［4］王庭院，張善明，康建飛，等.內(nèi)蒙亂石山北地區(qū)成礦地質(zhì)特征及成礦條件分析［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，38(3):280-286.

［5］侯公羽.巖石力學(xué)基礎(chǔ)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:12.

［6］郭東明.湖西礦井深部煤巖組合體宏細(xì)觀破壞實(shí)驗(yàn)與理論研究［D］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2010:46-58.

［7］徐素國(guó)，郤保平，梁衛(wèi)國(guó)，等.鈣芒硝鹽巖力學(xué)特性的研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，1(7):1126-1128.

［8］明 建，趙增山.矽卡巖體的工程力學(xué)特性及巷道支護(hù)對(duì)策［J］.中國(guó)礦業(yè)，2010，19(5):65-67.

［9］張立新，李長(zhǎng)洪.矽卡巖軟化特性及其力學(xué)試驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2009(2):56-58.