王明旭， 許夢國，杜宇翔，李玉飛，趙文斌，陳鄭亮

(1.武漢科技大學 資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430081；2.中國科學院 武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430074)

0 引言

礦山井下地質條件復雜，礦巖體強度既受到水作用的弱化，也受到節(jié)理裂隙和夾石的影響。如柴金飛等[1]為揭示不同節(jié)理方位對巖石破裂機理的影響，利用PFC軟件模擬巖石裂紋孕育、發(fā)展和貫通過程中產生的大量聲發(fā)射數據。通過現場調查，充填采區(qū)礦巖頂板和片幫夾石較多。這些夾石對礦柱或圍巖頂板的穩(wěn)定性影響有待深入研究。目前對于夾石礦體的相關力學特性及穩(wěn)定性研究取得了一些成果，如霍宗保等[2]對煤層夾石體中含水及涌水通道進行了相關研究；闞興等[3]從大范圍內的夾石層對采煤速度的影響，采用采煤機切割和爆破相結合的方式處理夾石；韓新平等[4]對含有軟弱夾層順層巖體臺階進行深孔爆破試驗；楊強強等[5]通過CT掃描顯示在有機質和重礦物較發(fā)育的部位形成孔隙，因巖石成分和成巖作用使其孔隙空間降低；路珍等[6]對石英中的黑云母軟弱層等進行摩擦試驗；楊安國等[7]研究如何對鎢礦中夾石進行剔除。更多的文獻只是論述了礦體中夾石的存在，并沒有就夾石存在對礦體的力學特性進行具體的定量分析。本文為了定量研究礦巖的配比試樣在加載過程中的相關力學變形特征，選用了應變值、磁感應強度、紅外溫度測量方式對試樣表壁進行相關測試，并提出了一種模擬夾石含量的數值模擬方法。同時通過對含有夾石的充填現場礦柱進行錘擊試驗，發(fā)現礦巖能夠輕易被敲碎脫落，而沒有夾石且節(jié)理不發(fā)育礦巖在敲擊中不易敲碎破壞。

1 室內加載試驗

從現場選取含有較多夾石的礦塊(見圖1)，經過鉆孔、切割和打磨成標準試件，通過軸向加載，含有夾石(主要是石膏)的單軸抗壓強度最小的只有20.02 MPa，而完整性好的礦石單軸抗壓強度平均達到99.70 MPa。說明夾石含量對礦巖的強度影響較大。礦巖中含有夾石，可以通過表壁的夾石分布了解夾石在礦體中大體的空間分布特點。

圖1 充填現場頂板和片幫夾石Fig.1 roof and wall caving dunn bass of filling the scene

1.1 模擬材料選擇及加載

為了更好研究夾石對礦巖產生的影響，便于研究含有夾石的礦柱與充填體的相互作用，運用相似原理，選用全精煉的工業(yè)石蠟顆粒作為夾石(石膏)模擬與礦粉進行配比混合，成型養(yǎng)護后進行加載試驗(見圖2)。具體配比為水泥 ∶礦粉 ∶石蠟顆粒1 ∶6 ∶1，平均容重為1 998 kg/m3，而水泥 ∶礦粉為1 ∶6的平均容重為2 756 kg/m3。在WAW-300微機控制電液伺服萬能試驗機上加載，加載速率采用先位移控制，加載速率為0.01 mm/s，待荷載達到0.5 kN后，再轉為試驗力控制，加載速率為0.001 kN/s。

圖2 配比試樣加載Fig.2 Proportioning sample loading

1.2 試驗結果分析

1.2.1 裂紋擴展

通過10 mm厚鋼板加找平裝置進行加載，不考慮夾石影響時，1 ∶6的水泥礦粉試樣在軸向加載過程中，載荷在86 kN時監(jiān)測表壁B在記號B的右上方開始顯現淺裂紋，當載荷達到97 kN時這條裂紋漸趨明顯，載荷達到107 MPa時已經形成2條明顯的間斷裂紋，而立方體試樣最后破壞時的最大載荷為107.513 kN。裂紋也是達到最大載荷后突然失穩(wěn)破壞，并伴隨試樣加載破壞時的聲音釋放(見圖3(a))。無夾石試樣在加載前期，處于壓密階段，載荷變化較平緩，當位移達到0.75 mm后，隨著位移的加大，載荷隨之快速增長。當位移達到0.9 mm時，隨著位移的加大，載荷迅速增長。

圖3 X-091試樣加載過程中的表壁裂紋擴展Fig.3 surface crack of X-091 specimen under loading

無夾石試樣加載破壞后，表壁裂紋主要是豎向破壞裂紋，且各豎向裂紋較長，試樣4個表壁的最長裂紋的平均值達到72.25 mm。水平裂紋較少，最長的水平裂紋出現在正立面的底角處，背立面出現了較明顯的2條水平裂紋，不過裂紋長度較短(見圖3(b))。對于有夾石的試樣，表壁裂紋主要以短裂紋為主，且裂紋在試樣表壁分布較均勻(見圖3(c))。

加入了全精煉石蠟顆粒之后的配比試樣，加載破壞后的試樣表壁裂紋條數相較未加石蠟顆粒的試樣要多。未加石蠟的試樣各個表壁主要是幾條貫通的裂紋線，裂紋條數較少，平均每個面為3條左右，而夾石配比模擬的加載破壞的表壁裂紋條數平均為10條左右(見表1)。為了更好分析含有夾石試樣表壁的裂紋擴展損傷破壞規(guī)律，借助PVC透明塑料薄片進行試樣表壁裂紋的描摹，將描摹后的含有表壁裂紋線的PVC透明塑料薄片拍照后進行電子版的描摹轉換(見圖3(b)和(c))。將100 mm×100 mm的尺寸均分為100個10 mm×10 mm的小正方形，再將已經描摹成電子版的等尺寸的裂紋線投射，進行裂紋線占據格子數的計算，同時計算裂紋條數和表壁最長裂紋長度(見表1)。

表1 表壁裂紋情況

1.2.2 應變值變化

無夾石試樣的單軸抗壓強度為10.751 MPa，而質量占比為14.3%的夾石試樣單軸抗壓強度只有3.795 MPa。夾石的存在弱化了礦巖的整體強度。含有夾石試樣最后的位移為2.01 mm，而無夾石試樣最后的位移為1.92 mm，說明夾石的加入提高了試樣的壓縮變形量。為了更好研究夾石礦巖在荷載作用下的表壁應變變化規(guī)律，在試樣表壁的幾何中心貼置橫向和縱向的電阻應變片，通過BX2011C電阻應變儀進行應變變化測試。同時通過微機控制電液伺服系統(tǒng)進行試驗力加載與試樣軸向位移變化的監(jiān)測。從圖4可以看出，橫向應變是拉應變，縱向應變是壓應變。在載荷不斷加大的過程中，縱向應變除在7.0 kN處發(fā)生突變回彈到121 με外，一直處于較平緩的折線式上升。而橫向應變突變幅度較大，在載荷不斷加大的過程中，10，20，30 kN處存在應變值的突變，30 kN之前處于階段性的線性變化階段，30 kN之后，橫向應變值急速上升，直至破壞前有一個應變值先回落后上升的階段，接著發(fā)生較大的破壞變形。從21.5 kN到最后的37 kN的變化過程中，試樣縱向位移的變化趨勢與縱向應變值的絕對值都存在不斷增長的變化趨勢。

圖4 加載作用下應變和位移變化情況Fig. 4 The change of strain and displacement under the action of loading

1.2.3 磁感應強度和紅外溫度測量

金屬礦粉本身沒有磁性，通過高強度的釹鐵硼磁鐵進行3 d的磁化處理，使其表壁產生磁化強度[8]。試驗之前，在含有夾石試樣表壁設置三縱三橫的9個監(jiān)測點，分別在未加載，加載至10，20，30 kN和破壞時通過特斯拉計監(jiān)測試樣表壁的磁場變化情況。通過監(jiān)測得知，由于夾石的存在，不同點的磁場變化情況不一。除了試樣在最后破壞形成較多表壁裂紋造成各點的磁感應強度普遍降低外，在加載過程中，9個監(jiān)測點的磁感應強度并沒有統(tǒng)一的變化規(guī)律。對于紅外溫度[9]測量，依據斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的溫度與輻射射度存在對應關系，即:

Wb=εσT4

(1)

式中：Wb為物體輻射出的射度，W/cm3；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，5.669 7×10-12W/(cm2·K-4)；T為物體的絕對溫度，K；ε為物體發(fā)射率。

含有夾石試樣在加載過程中，伴隨著能量的積聚與釋放，產生溫度的微弱變化，這一過程中存在紅外的釋放。通過希碼紅外溫度測量，表征含有夾石試樣在加載過程中的能量釋放規(guī)律。為此，在試樣表壁從上到下，從左至右，依次設置9個監(jiān)測點。分別在3.8，10，20，30 kN通過希碼紅外溫度測量，得到了夾石試樣表壁的溫度變化曲線圖(見圖5)。從圖5可以看出，除了極個別點發(fā)生的溫度變化突變外，9個監(jiān)測點的能量釋放存在統(tǒng)一的變化規(guī)律，這與徐文彬等[17]研究的充填體在壓縮破壞過程中，溫度表現出明顯的降低-上升-降低現象是一致的。試樣上表壁的溫度普遍高于試樣中間表壁，中間表壁普遍高于試樣下表壁的溫度，形成加載過程中的試樣表壁溫度的梯度變化。

圖5 X-12091 A面不同荷載作用下的溫度變化值Fig.5 Temperature variation of X-12091 a face under different loads

2 數值模擬

對于夾石對礦巖體產生的影響，定性分析較多。在定量分析方面，很多做法是將夾石考慮為宏觀大塊進行相關的數值模擬。這種模擬方式為研究夾石的影響提供了一種研究手段，可對于夾石小范圍的分散分布情況，暫沒有很好的模擬方式。為了更好厘清不同夾石含量對礦巖體力學變形特征的影響，形成數值模擬的定量分析，提出了微元體的建模并借助隨機分布函數進行賦值的數值模擬方式，具體使用ANSYS workbench模擬軟件進行數值模擬研究。

以正方體的幾何中心為原點(0，0，0)，建立空間直角坐標系。從(0，-30，-49.5)到(0，-30，49.5)之間建立49個等距離的系列監(jiān)測點A1～A49。從(0，0，-49.5)到(0，0，49.5)之間建立49個等距離的系列監(jiān)測點B1～B49。現場夾石成分豐富，有矽卡巖、大理巖、閃長巖、石膏、石英等夾石，為了研究的方便，以綜合折減參數進行夾石賦值的數值模擬(見表2)。建立100 mm×100 mm×100 mm的正方體模型，將其等分為1 000個小正方體。對這1 000個正方體進行編號?？紤]到實際當中，夾石并非均勻分布，為此將連續(xù)的5個正方體作為1組，1 000個小正方體共編為200個組，將這200組通過excel表中的隨機函數(=rand())賦予隨機值，然后進行降序排序之后，按照夾石含量體積占比不同分別取不同量的組數。以夾石含量10%來算，取前20組賦予夾石的參量。網格最后劃分成270 641個節(jié)點，64 000個單元。

表2 典型礦巖物理力學參數

如果全部為礦石，立方體礦體內部在50 MPa荷載作用下的安全系數等值線圖呈現為皇冠狀(見圖6)。當夾石為10%時，由于夾石隨機分布，礦體內部等值線圖依然可以顯現安全系數等值線圖的皇冠狀，但局部區(qū)域已經發(fā)生了等值線圖的變化，安全系數為1.727 3～2.090 9區(qū)域的等值線向礦體上部延伸。也因為夾石的存在，礦體內上部區(qū)域出現應力集中顯現，最大處達到9.710 6 MPa。不同夾石含量對系列監(jiān)測點的安全系數、表壁應變值的影響較大。

圖6 全礦石的安全系數和最大主應力分布Fig.6 The safety factor and the maximum principal stress distribution of the whole ore

圖7 監(jiān)測點應變值Fig.7 Strain value of monitoring point

當夾石單軸抗壓強度為礦體單軸抗壓強度一半左右時，在沒有空區(qū)節(jié)理情況下，夾石含量對礦巖整體強度及變形影響不大?？扇绻麏A石單軸抗壓強度只是礦體單軸抗壓強度的2%時，不同區(qū)域的應變值差異較大(見圖7(c))。

3 結論

1)沒有夾石的礦巖試樣在軸向加載作用下，表壁主要以少量的豎向長裂紋為主，夾石的存在使加載過程中的試樣表壁出現較多裂紋條數，以短裂紋為主，其分布區(qū)域較廣。

2)表壁縱向應變變化較平穩(wěn)，而橫向應變存在階梯型變化且變化幅度較大。紅外溫度測量顯示夾石試樣加載過程中存在能量的積聚與釋放的階段性變化，并無恒定的變化幅度，存在起伏變化規(guī)律。磁感應強度值變化受夾石影響較大，特別是表壁加載破壞前各處磁感應強度值的一致減小，說明磁感應強度測量能夠作為裂紋擴展變化的表征指標。

3)通過數值模擬得出：試樣的整體穩(wěn)定性與夾石的物理力學性質有關，夾石的存在弱化了礦巖的整體強度。同時不同的夾石強度對礦巖的整體穩(wěn)定性影響不一樣。當夾石是礦石強度的50%左右時，夾石存在及含量的多少所產生的影響不大。如果夾石強度只是礦石強度的2%時，相應的測點起伏變化較大。如果試樣完整性不好，存在較多微觀空區(qū)，空區(qū)附近的相應測點的應變值的變化起伏較大。

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