劉 強 陳松巍

（湖北大峪口化工有限責任公司）

在我國磷礦開采過程中，含磷白云巖地層是比較常見的地層，含磷白云巖開采過程中巖石的力學特性以及變形破壞特征是分析工程安全性的重要因素［1-2］。因此，展開含磷白云巖的室內(nèi)試驗研究十分重要。

我國學者對于磷礦中含磷白云巖的相關性質也展開了深入的研究與探討。李冬蓮等［3］深入分析了鈣鎂離子對白云巖浮選的影響，發(fā)現(xiàn)當鈣鎂離子達到一定濃度后，白云巖及活化后石英的浮選回收率出現(xiàn)了一定程度下降現(xiàn)象。劉力生等［4］則基于蓮花山礦段含磷巖系稀土元素特征分析，從而確定了區(qū)域含磷巖系如含磷白云巖中的磷礦物質來源與基底片麻巖不相關，而與地下水的活動強度相關。綜上所述，現(xiàn)有關于含磷白云巖的研究多是從選礦或地質角度開展，而缺乏對磷礦開采過程中含磷白云巖力學性質的研究。

本研究通過室內(nèi)單軸壓縮試驗和聲發(fā)射試驗，深入分析了含水率對白云巖力學性質以及聲發(fā)射特征的影響。

1 工程背景

本次研究依托于某磷礦的開采工程，經(jīng)過前期現(xiàn)場工程地質勘察工作，發(fā)現(xiàn)該磷礦核心區(qū)域地下地層分布主要為磷礦層、含磷白云巖層、頁巖層、砥礫石及花崗片麻巖。根據(jù)前期工作發(fā)現(xiàn)，上述巖層中抗壓強度最大的為含磷白云巖，而承載能力最弱的巖層為頁巖，其他各層強度相差不大；同一巖層，深部比淺部穩(wěn)固，說明經(jīng)風化后，強度減弱；頁巖及第三磷礦層頂板強度具有方向性，說明層理較發(fā)育，斜交層理方向強度減弱。以上各巖層的抗壓強度是代表較完整巖段的，不包括斷層破碎帶。綜上，前期試驗主要涉及到的僅為巖石力學性能的探究，未能涉及到巖層在變形破壞過程中的內(nèi)在機理或變形過程。而在地下磷礦開采過程中，巖石地層的力學性質與變形特性是影響地下工程穩(wěn)定性的重要因素。其中，含磷白云巖的分布尤為廣泛。

2 室內(nèi)試驗

2.1 試樣制備

本次研究依托于某磷礦開采項目工程，室內(nèi)對取自該項目工程的含磷白云巖巖塊進行鉆孔取心，最終得到直徑為50 mm的圓柱形含磷白云巖巖心。根據(jù)工程巖體試驗標準等相關規(guī)范要求，室內(nèi)采用高壓水切法對含磷白云巖巖心進行切割和精加工，最終得到直徑為50 mm、高度為100 mm的標準巖體試樣。含磷白云巖整體呈灰黑色，根據(jù)成分檢測試驗結果，得到其主要礦物成分為白云石，含量在80%左右；其余成分還包括泥晶磷灰石、方解石等。

2.2 試驗方案

為研究不同含水率條件下含磷白云巖的力學性質和內(nèi)在損傷機理，利用SHAED-4000型萬能試驗機和聲發(fā)射試驗設備（圖1），對不同含水率（0%、4%、8%和12%）的白云巖試樣分別展開了室內(nèi)試驗研究。SHAED-4000型萬能試驗機的軸向最大荷載為1 000 kN，試驗中試樣變形通過機器位移進行監(jiān)測和記錄；聲發(fā)射設備則配備有4個聲發(fā)射探頭進行測試，放大器增益效果為40 dB。

3 試驗結果分析

3.1 單軸壓縮應力—應變曲線

圖2為單軸壓縮下不同含水率的含磷白云巖試樣應力—應變曲線。由圖2可知，不同含水率條件下的含磷白云巖試樣均表現(xiàn)出了明顯的脆性變形破壞特征，即巖石在加載破壞后軸向應力迅速跌落。這表明含磷白云巖是一種脆性巖石。此外，隨著含水率的逐漸增加，含磷白云巖的抗壓強度逐漸減小而峰值強度點對應的軸向變形則逐漸增大。這表明水分的存在導致巖石的力學性質劣化，而塑性變形能力則有所增強。分析認為，隨著含水率的增加，巖石內(nèi)部礦物顆粒之間的膠結能力會變?nèi)?，因此會產(chǎn)生大量的松散顆粒；而在浸水過程中，這些細小顆粒會隨著水流被帶出巖石，從而在巖石內(nèi)部形成了大量的微孔隙。在單軸壓縮荷載作用下，這些微小孔隙會逐漸被壓實，巖石的塑性變形也會變得更大。這就解釋了圖2中巖石的峰值點應變隨含水率增大而逐漸變大的現(xiàn)象［5-7］。

3.2 聲發(fā)射特征分析

圖3為單軸壓縮條件下含磷白云巖聲發(fā)射特征參數(shù)隨加載時間變化關系。受限于文章篇幅，僅給出了含水率為0%試樣的完整聲發(fā)射信號圖。從聲發(fā)射特征參數(shù)曲線可看出，在加載應力初期，聲發(fā)射特征參數(shù)均具有明顯的平靜期，而且這種平靜期耗時較長，持續(xù)時間甚至可至峰值偏應力殘余階段。含磷白云巖在單軸壓縮條件下會產(chǎn)生聲發(fā)射平靜期，是由于含磷白云巖作為一種典型硬脆性巖石材料，晶體礦物顆粒具有較強吸收能量的能力，達到聲發(fā)射爆發(fā)的階段需要耗時較長。由圖3可知，在AE平靜期階段，巖石變形破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射時間較少，而在峰后殘余破壞階段產(chǎn)生的聲發(fā)射信號較多。分析認為，在加載變形階段，白云巖斷裂所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號不強烈；而在殘余破壞階段，隨著加載過程的繼續(xù)進行，巖石塊體與顆粒的摩擦不斷進行，釋放出大量的聲發(fā)射信號。

3.3 破壞形態(tài)分析

圖4分別展示了含水率為0%時和含水率為12%時單軸壓縮力學試驗結束后含磷白云巖試樣的破壞形態(tài)。由圖4可知，含磷白云巖試樣的含水率為0%時，巖石破壞后出現(xiàn)了明顯的剪切破壞面，巖石破壞面剪切角度大致為45°，巖石試樣表現(xiàn)出顯著的脆性破壞特征；而當含磷白云巖試樣的含水率達到12%時，巖石試樣上并未出現(xiàn)非常明顯的剪切裂紋，僅在試樣中部出現(xiàn)了密布的微裂紋，這表明相較于干燥巖石試樣，含水率12%的巖石試樣表現(xiàn)出一定程度的延性破壞特征。綜上所述，含水率能夠顯著影響含磷白云巖試樣破壞特征。

3.4 含水率影響分析

表1展示了不同含水率條件下含磷白云巖試樣的單軸壓縮抗壓強度及聲發(fā)射累計能量隨巖石含水率的變化關系。由表1可知，隨著試樣含水率的增大，巖石的承載能力不斷劣化，其單軸壓縮抗壓強度逐漸減小，不同含水率條件下含磷白云巖的抗壓強度分別為165.32、132.96、113.15以及101.03 MPa。根據(jù)函數(shù)擬合結果可知，巖石的抗壓強度與含水率之間呈線性負相關關系；線性相關系數(shù)達到0.998，擬合效果良好，這表明二者之間的負線性相關關系可靠。此外，基于巖石的聲發(fā)射試驗結果可知，不同含水率條件下含磷白云巖的聲發(fā)射累計能量分別為5362、4515、3955以及3613 J，二者之間呈負指數(shù)相關，線性相關系數(shù)達0.981，擬合效果良好。上述研究成果表明，含磷白云巖的抗壓強度和聲發(fā)射信號的活躍度，均隨著含水率的增長而逐漸變?nèi)酢７治稣J為，這是由于水分的存在弱化了巖石內(nèi)部膠結成分的強度，導致巖石礦物顆粒間的膠結能力變差，因此巖石的抗壓強度變低；同時，水分會軟化巖石礦物顆粒，巖石在變形破壞過程中，摩擦、開裂所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號會減弱，因此，巖石試樣的聲發(fā)射信號也會變?nèi)酢?/p>

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含磷白云巖的力學強度較大，脆性變形特征明顯。但是，巖石的力學性質受含水率影響變化明顯，且產(chǎn)生了較大幅度的劣化現(xiàn)象，因此在開采和支護過程中一定要注意防水工作。此外，基于聲發(fā)射現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，巖石在彈性變形階段產(chǎn)生的聲信號較少而在峰值點以及峰后階段產(chǎn)生了較多的聲信號，這表明含磷白云巖的損傷與破壞主要發(fā)生在峰值破壞以后，由此可見，在含磷白云巖達到峰值強度之前一定要及時支護，以防發(fā)生更大的破壞現(xiàn)象。

4 結 論

（1）含水率越大，則巖石的單軸抗壓強度越小，聲發(fā)射信號越弱。不同含水率條件下含磷白云巖的抗壓強度分別為165.32、132.96、113.15以及101.03 MPa，二者之間呈線性負相關關系；聲發(fā)射累計能量則分別為5362、4515、3955以及3613 J，二者之間成負指數(shù)相關。

（2）在加載變形階段，白云巖斷裂所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號不強烈；而在殘余破壞階段，隨著加載過程的繼續(xù)進行，巖石塊體與顆粒的摩擦不斷進行，釋放出大量的聲發(fā)射信號。

（3）本次研究僅分析了含水率對含磷白云巖力學性質及聲發(fā)射特征的影響，而在工程實踐中應該考慮到埋深效果，在室內(nèi)試驗進一步分析圍壓等因素的影響。