田迎春， 陳小偉, 馬 東, 謝盛青, 胡世超, 李宗武, 范文錄

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長嶺有限公司, 遼寧 遼陽 111007; 2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

1 前言

弓長嶺井下礦是一個(gè)擁有數(shù)十年生產(chǎn)歷史的礦山，礦床賦存于太古界鞍山群茨溝組變質(zhì)巖系中，為鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦后期經(jīng)熱液交代富集的磁鐵礦床。礦區(qū)出露地層主要為太古界鞍山群茨溝組變質(zhì)巖系，少部分為奧陶系薄層灰?guī)r、頁巖及白云質(zhì)灰?guī)r，以及第四系沖、坡積層。礦體形態(tài)呈層狀和似層狀，總體走向120°～160°，傾向NE，傾角60°～85°。長期以來，采礦方法以無底柱分段崩落法為主，淺孔留礦法為輔，根據(jù)目前礦業(yè)生產(chǎn)形勢(shì)需要，擬改為充填法采礦。通過現(xiàn)場(chǎng)取樣和物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定試驗(yàn)，獲得不同巖性巖組的物理力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)充填法采礦設(shè)計(jì)和研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者在不同性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究方面，取得了大量成果。劉云鵬[1]等針對(duì)板裂原巖本身確有的各向異性特征，試驗(yàn)研究了加載應(yīng)力與板裂方向的關(guān)系與巖石破壞特征；韓忠英[2]等對(duì)缺陷儲(chǔ)層進(jìn)行水力壓裂，在較高的均勻壓應(yīng)力狀態(tài)下，缺陷儲(chǔ)層中新裂縫的產(chǎn)生方位可能與預(yù)置裂縫無關(guān)；張宇[3]等對(duì)煤礦采區(qū)內(nèi)砂巖的變形破壞性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并分析了巖爆傾向性；陳子全[4]等揭示了水- 力耦合作用下巖石的破壞機(jī)制和脆性破壞增強(qiáng)特征；張勇[5]等研究認(rèn)為蝕變、碎裂程度越大的巖石對(duì)溫度周期循環(huán)作用越敏。綜上認(rèn)為，室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)是獲得巖體在三向荷載狀態(tài)下變形破壞特征的有效途徑，巖石破壞過程的研究對(duì)采礦方案設(shè)計(jì)具有重要的意義。

巖樣取自弓長嶺井下鐵礦，對(duì)磁鐵富礦、貧赤鐵礦、2層鐵礦、4層鐵礦、斜長片巖、底部片巖、綠泥片巖、角閃巖等礦巖進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，分別研究了在三向應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性，并進(jìn)行了對(duì)比分析，為礦山的工程設(shè)計(jì)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)簡介

2.1 主要試驗(yàn)設(shè)備

巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)在遼寧科技大學(xué)巖石力學(xué)試驗(yàn)室開展，主要設(shè)備為SAM- 2000型微機(jī)控制巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，具體如圖1所示。設(shè)備主體采用整體式框架結(jié)構(gòu)，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(diǎn)，能夠滿足巖石三軸試驗(yàn)要求。試驗(yàn)機(jī)采用先進(jìn)的全數(shù)字測(cè)控技術(shù)，可以實(shí)時(shí)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，可為此次巖樣力學(xué)特征的研究提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 SAM- 2000型微機(jī)控制巖石三軸試驗(yàn)機(jī)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)取樣

根據(jù)弓長嶺鐵礦前期勘查成果、生產(chǎn)實(shí)踐和項(xiàng)目研究需要，在礦山現(xiàn)場(chǎng)采取了8種礦巖試樣(富磁鐵礦、貧赤鐵礦、2層鐵礦、4層鐵礦、斜長片巖、底部片巖、綠泥片巖和角閃巖)，試驗(yàn)所需試樣加工尺寸及精度符合《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)相關(guān)要求。

圖2-160 m西區(qū)6419礦塊4層鐵礦取樣點(diǎn)

圖3-244 m東區(qū)0穿05采場(chǎng)綠泥片巖取樣點(diǎn)

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)項(xiàng)目包括巖石密度、單軸抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、三軸壓縮強(qiáng)度(內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ)、彈性模量和泊松比。

三軸試驗(yàn)中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。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 巖石密度

巖石密度取決于組成巖石的礦物成分、孔隙發(fā)育程度及其含水量。巖石容重的大小，在一定程度上反映出巖石力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣。一般地，巖石密度愈大，其力學(xué)性質(zhì)愈好，反之則愈差。

巖石密度參數(shù)測(cè)定采用量積法，即分別測(cè)量的質(zhì)量和體積(包括巖石內(nèi)孔隙體積)，計(jì)算式為

(1)

式中：γ——巖石密度，g/cm3；

W——被測(cè)巖樣的質(zhì)量，g；

V——被測(cè)巖樣的體積，cm3。

飽和密度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 飽和密度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.2 巖石抗拉強(qiáng)度

巖石的抗拉強(qiáng)度是指巖石試件在受到軸向拉應(yīng)力后其試件發(fā)生破壞時(shí)的單位面積所能承受的拉力。測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度的常見方法主要是劈裂法。劈裂法也稱作徑向壓裂法，由南美巴西人杭德羅斯(Hondros)提出，故又稱為巴西劈裂法。

根據(jù)布辛奈斯克(Boursinesq)半無限體上作用集中力的解析解，求得試件破壞時(shí)作用在試件中心的最大拉應(yīng)力(抗拉強(qiáng)度)為

(2)

式中：σt——抗拉強(qiáng)度；

P——試件破壞時(shí)的極限壓力；

D——試件直徑；

t——試件厚度。

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.3 巖石單軸抗壓強(qiáng)度

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石試件在無側(cè)限條件下，受軸向力作用破壞時(shí)單位面積上所承受的荷載。即

(3)

式中：σc——單軸抗壓強(qiáng)度；

P——無側(cè)限條件下軸向破壞荷載；

A——試件橫截面積。

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)見表3。

表3 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.4 巖石單軸壓縮特性參數(shù)

應(yīng)用引伸計(jì)連續(xù)自動(dòng)測(cè)定巖樣的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變，由試驗(yàn)機(jī)軟件計(jì)算得到彈性模量E50與泊松比μ50。

(4)

式中：E50——彈性模量；

μ——泊松比；

σ50——相當(dāng)于單軸抗壓強(qiáng)度50%的應(yīng)力值；

εy50、εx50——應(yīng)力為σ50的軸向應(yīng)變值和橫向應(yīng)變值。

彈性模量試驗(yàn)結(jié)果、泊松比試驗(yàn)結(jié)果分別見表4、表5。

表4 彈性模量試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表5 泊松比試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.5 巖石三軸壓縮特性參數(shù)

巖石的三軸壓縮強(qiáng)度是指巖石在圍壓σ3條件下(主要指壓應(yīng)力)所能抵抗的最大壓應(yīng)力σ1。

以不同的σ3值進(jìn)行多塊巖樣的三軸壓縮試驗(yàn)，即可得到多個(gè)相應(yīng)的(σ1，σ3)數(shù)據(jù)點(diǎn)值，這樣即可在σ1-σ3坐標(biāo)系上作出它們的關(guān)系曲線，巖石的抗剪斷強(qiáng)度關(guān)系曲線是一條弧形曲線，一般簡化為直線形式，即斜直線型摩爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。

(5)

式中：φ——巖石內(nèi)摩擦角；

C——巖石內(nèi)聚力。

一般情況下，巖石三軸壓縮強(qiáng)度的離散性較大，在應(yīng)用原始散點(diǎn)進(jìn)行初步回歸計(jì)算后，應(yīng)進(jìn)行回歸診斷。通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化殘差、學(xué)生化殘差、杠桿值、cook距離、Covratio統(tǒng)計(jì)量、Dffits統(tǒng)計(jì)量等手段，查找異常點(diǎn)(離群點(diǎn))和強(qiáng)影響點(diǎn)，取舍后重新回歸，建立改進(jìn)后的模型；通過殘差分析，用來驗(yàn)證模型的基本假定，包括模型線性診斷、誤差正態(tài)性診斷、誤差方差齊性診斷和誤差獨(dú)立性診斷。

摩爾- 庫侖強(qiáng)度參數(shù)見表6。

表6 摩爾- 庫侖強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果表

4 結(jié)論

通過開展上述試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)獲取了弓長嶺井下礦8種礦巖的巖石物理力學(xué)性質(zhì)基本參數(shù)，為礦山工程設(shè)計(jì)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)弓長嶺井下礦鐵礦石品位對(duì)其強(qiáng)度有一定影響，富磁鐵礦強(qiáng)度相比其他品位礦石更低。

(3)巖石強(qiáng)度均表現(xiàn)出圍壓效應(yīng)，即巖石強(qiáng)度隨圍壓的增大而增加，受巖石性質(zhì)差異影響幅度不同。