陳小偉， 常來山， 陳曉云， 解治宇， 李 文， 劉育明， 顧秀華

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038； 2.遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司 眼前山分公司，遼寧 鞍山 114001；4.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114001)

礦區(qū)的開采技術(shù)條件是自然崩落采礦法關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)。準(zhǔn)確、合理的崩落法采礦設(shè)計與風(fēng)險預(yù)測需要建立在充分、準(zhǔn)確的地質(zhì)資料的基礎(chǔ)之上，掌握礦體形態(tài)、規(guī)模和大小以及礦體中節(jié)理構(gòu)造的分布規(guī)律是進(jìn)行合理采礦設(shè)計的前提。通過現(xiàn)場取樣和物理力學(xué)性質(zhì)的測定試驗，獲得不同巖性巖組的物理力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)可崩性評價和水壓致裂技術(shù)研究提供基礎(chǔ)。

國內(nèi)外許多學(xué)者對不同性質(zhì)的巖石展開了大量的試驗，并取得了顯著的研究成果。祝方才等以冬瓜山銅礦脆性巖石為研究對象，分析了不同應(yīng)力路徑下脆性巖石的響應(yīng)特征[1]；林斌等基于巖性的不同，建立了煤系地層巖石單軸抗壓強(qiáng)度與彈性之間的關(guān)系[2]；王志國等以帷幕體試樣為研究對象，綜合分析其破壞過程中的AE特性和分形特性，并揭示了其破壞機(jī)理[3]；Thomas Bruning等對超過1 000米深的花崗巖進(jìn)行了一系列三軸壓縮試驗，確定了脆性巖石的全應(yīng)力- 應(yīng)變曲線及其損傷演化行為[4]；高耀輝等分析了硬巖在真三軸壓縮下的力學(xué)特性，并建立了硬巖的特征應(yīng)力水平與其相應(yīng)的主應(yīng)力之間的關(guān)系[5]。綜合上述研究可知，室內(nèi)三軸試驗是獲得巖體在三向荷載狀態(tài)下力學(xué)特性的有效途徑，開展三軸壓縮試驗下巖石破壞過程的研究對實際工程有著重要的意義。

巖樣取自眼前山鐵礦勘查鉆孔，對磁鐵石英巖、綠泥千枚巖和混合巖開展了常規(guī)三軸壓縮試驗，分別研究了3種巖樣在三向應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性，并進(jìn)行了對比分析，為礦山的實際工程提供了參考依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)備

試驗在長春科新試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SAM- 2000型微機(jī)控制巖石三軸試驗機(jī)上進(jìn)行(如圖1所示)，主機(jī)采用整體式框架結(jié)構(gòu)，其框架剛度優(yōu)于1.0×1010N/m，具有剛度大、響應(yīng)頻率快的特點，能夠完全滿足巖石三軸試驗要求。試驗機(jī)采用先進(jìn)的全數(shù)字測控技術(shù)，可以實時記錄軸向力、軸應(yīng)力、軸應(yīng)變、徑應(yīng)變、軸變形、徑變形、位移值，并同步繪制軸應(yīng)力- 軸應(yīng)變、軸應(yīng)力- 徑應(yīng)變曲線等，為此次3種巖樣力學(xué)特征的研究，提供了可靠的試驗數(shù)據(jù)。

圖1 SAM- 2000型微機(jī)控制巖石三軸試驗機(jī)

1.2 巖樣制備

試驗的試樣取自眼前山鐵礦：

(1)磁鐵石英巖，zk09鉆孔，-303 m水平；

(2)綠泥千枚巖，zk08鉆孔，-303 m水平；

(3)混合巖，zk01鉆孔，-123 m水平。

試樣均按照實驗室?guī)r樣制備流程進(jìn)行加工，經(jīng)過切割、打磨等過程，制備成符合試驗的圓柱形試樣，試樣的高度和直徑比均為2∶1，平行度控制在0.02 mm以內(nèi)。

試驗前對符合標(biāo)準(zhǔn)的巖樣進(jìn)行48小時以上的清水浸泡，精確測量試樣的高度和直徑，稱重并編號，計算試樣的飽和密度。磁鐵石英巖的飽和密度范圍3.34～3.65 g/cm3之間，其平均密度為3.55 g/cm3；綠泥千枚巖的飽和密度范圍2.71～2.81 g/cm3，其平均密度為2.76 g/cm3；混合巖的飽和密度范圍2.63～2.68 g/cm3，其平均密度為2.66 g/cm3。

1.3 試驗方案

三軸壓縮試驗圍壓水平分別為5、7.5、10、12.5、15、17.5和20 MPa，每組圍壓下進(jìn)行2次重復(fù)試驗。其主要試驗過程為：

(1)將試件居中置于上下兩個剛性墊塊之間，用熱縮管對其進(jìn)行密封處理，防止試驗過程中液壓油浸入巖樣，影響試驗結(jié)果。

(2)在把試件放入壓力室，連接軸向和徑向引伸計并進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，確認(rèn)連接無誤后，壓力室下降歸位后進(jìn)行充油。

(3)充油完畢后首先采用先位移控制、應(yīng)力監(jiān)控的方式加載到3 MPa的預(yù)加荷載下，待預(yù)加載荷穩(wěn)定后以0.5 MPa的速率加載圍壓至預(yù)加值，而后切換為巖石1控制、巖石1監(jiān)控的方式進(jìn)行加載直至試件破壞，加載速率為0.01 mm/min。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 回歸診斷與改進(jìn)模型

巖石是非均勻且各向異性的，巖石三軸壓縮強(qiáng)度的離散性較大，需應(yīng)用概率統(tǒng)計分析方法判斷異常點進(jìn)行剔除處理[6-7]。

磁鐵石英巖試驗巖樣數(shù)11塊，圍壓范圍為5.0～20 MPa，巖樣的最小抗壓強(qiáng)度為96.12 MPa，最大為317.41 MPa，在17.5 MPa和20 MPa圍壓下的三軸抗壓強(qiáng)度離散性較大；綠泥千枚巖試驗巖樣10塊，圍壓范圍為5.0～17.5 MPa，巖樣的最小抗壓強(qiáng)度為41.52 MPa，最大為圍壓15 MPa下的140.94 MPa，在12.5 MPa和15 MPa圍壓下的離散性較大；混合巖試驗巖樣12塊，圍壓范圍為5.0～20 MPa，巖樣的最小抗壓強(qiáng)度為39.16 MPa，最大為156.33 MPa，在12.5 MPa和17.5 MPa圍壓下的離散性較大。

在應(yīng)用原始散點進(jìn)行初步回歸計算后,應(yīng)進(jìn)行回歸診斷，即通過計算標(biāo)準(zhǔn)化殘差、學(xué)生化殘差、杠桿值、cook距離、Covratio統(tǒng)計量、Dffits統(tǒng)計量等手段，查找異常點(離群點)和強(qiáng)影響點，取舍后重新回歸，建立改進(jìn)后的模型。

通過回歸診斷建立改進(jìn)后的模型圖，與原始散點回歸圖對比分析，刪除異常點(離群點)后最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之間的擬合程度更好。

表1 巖石強(qiáng)度參數(shù)表

圖2 磁鐵石英巖原始散點數(shù)據(jù)回歸模型

圖3 磁鐵石英巖回歸診斷改進(jìn)后模型

圖4 綠泥千枚巖原始散點數(shù)據(jù)回歸模型

圖5 綠泥千枚巖回歸診斷改進(jìn)后模型

圖6 混合巖原始散點數(shù)據(jù)回歸模型

圖7 混合巖回歸診斷改進(jìn)后模型

2.2 破壞特征分析

不同巖性巖樣在三軸壓縮下的破壞形態(tài)可能不盡相同，選取具有代表性破壞形態(tài)的巖樣進(jìn)行分析，如圖6～圖8所示。

圖8 磁鐵石英巖三軸壓縮下的破壞形態(tài)

圖9 綠泥千枚巖三軸壓縮下的破壞形態(tài)

圖10 混合巖三軸壓縮下的破壞形態(tài)

磁鐵石英巖在三軸壓縮作用下破壞形式主要表現(xiàn)為劈裂破壞，巖樣破壞后存在一條近似垂直貫通巖樣的劈裂破壞面，將巖樣大致分為左右兩個椎體部分，劈裂破壞面與最大主應(yīng)力面的夾角基本呈平行狀態(tài)；隨著圍壓的增加，其劈裂裂紋明顯增加。

綠泥千枚巖的破壞形式主要表現(xiàn)為剪切破壞，破壞后的巖樣存在一條斜貫穿巖樣整體的主控剪切面，將巖樣分為上下兩個部分，在低圍壓下，主斷裂面明顯，隨著圍壓的增加，其主剪切面周圍開始出現(xiàn)多條細(xì)小的破裂裂紋。

混合巖在低圍壓下試樣破壞形態(tài)與綠泥千枚巖相似，表現(xiàn)為單斜面的剪切破壞，隨著圍壓的增加，試樣斷裂面周圍有明顯的碎片脫落。

從3種巖樣的破壞形態(tài)不難看出，巖樣破壞后呈現(xiàn)微鼓狀，產(chǎn)生了明顯的體積擴(kuò)容現(xiàn)象；不同圍壓下，巖樣的破壞形式基本保持一致，但破壞的程度不盡相同，這是因為巖樣內(nèi)部隨機(jī)分布的裂隙缺陷或摩擦因素等影響，導(dǎo)致巖樣在壓縮時沿著裂隙缺陷面發(fā)生滑移，進(jìn)而形成宏觀破裂面。

3 結(jié)論

(1)三軸壓縮試驗圍壓對抗壓強(qiáng)度的影響，3種性質(zhì)的巖石強(qiáng)度均表現(xiàn)出圍壓效應(yīng)，即都隨著圍壓的增加而增加，但因巖石性質(zhì)不同，增加的幅度不同。

(2)巖樣峰值強(qiáng)度與圍壓具有較好的線性增長關(guān)系，且均符合Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，求得了磁鐵石英巖、綠泥千枚巖以及混合巖的黏聚力分別為14.02 MPa、8.68 MPa和10.20 MPa，內(nèi)摩擦角為48.63°、41.48°和26.72°。

(3)磁鐵石英巖在三軸壓縮下的破壞形式主要表現(xiàn)為劈裂破壞，綠泥千枚巖和混合巖則發(fā)生剪切破壞，不同圍壓下，巖樣的破壞形式基本保持一致，但破壞的程度不盡相同，隨著圍壓的增加，巖樣的劈裂裂紋和剪切裂紋數(shù)目都在增多。