南泥湖鉬礦礦巖物理力學參數測試分析

黨國建，馬駿，林衛星

(1.欒川龍宇鉬業有限公司，河南洛陽市4715002;2.銅陵有色金屬集團控股有限公司安慶銅礦，安徽安慶市246131;3.長沙礦山研究院，湖南長沙410012)

南泥湖鉬礦礦巖物理力學參數測試分析

黨國建1，馬駿2，林衛星3

(1.欒川龍宇鉬業有限公司，河南洛陽市4715002;2.銅陵有色金屬集團控股有限公司安慶銅礦，安徽安慶市246131;3.長沙礦山研究院，湖南長沙410012)

對影響南泥湖鉬礦采空區穩定的黑云母長英角巖和陽起石透輝石長英角巖進行了物理力學參數測試，獲得了礦巖的塊體密度、彈性模量、泊松比、單軸抗壓強度、抗拉強度、內聚力、內摩擦角和巖塊聲波速度等物理力學指標，為采空區頂板最小安全厚度計算提供了基礎數據。

物理力學參數;測試分析;黑云母長英角巖;陽起石透輝石長英角巖

0 前言

欒川龍宇鉬業有限公司的南泥湖鉬礦床的開采始于1980年代，采用平硐或斜井開拓方式，淺孔留礦法或房柱式采礦方法進行地下開采，截止2003年，南泥湖礦區井下采出礦石量累計約1162萬t，采空區面積約40.6萬m2，體積約426萬m3。2006年4月，南泥湖鉬礦轉為露天開采，經過近5年的開拓建設，目前露天采場臺階已形成20000t/d的生產規模，首采區最低臺階1330m水平，最高臺階1490m水平。

地下大量空區的存在，嚴重威脅露天臺階作業的人員和設備的安全。為此，礦山需進行巖石物理力學參數測試，獲得全面、可靠的礦巖物理力學參數，然后以獲得參數進行巖體穩定分析，通過數值模擬，確定采空區頂板最小安全厚度。

1 試樣采集與制備

南泥湖鉬礦床主要分布于南莊口－三道莊嶺箱狀背斜的南西翼及其北西傾伏端和南泥湖向斜的北翼，礦體產出受南泥湖斑狀二長花崗巖侵入體向北西側伏、產狀變緩部位的頂部接觸帶的控制。含礦地層主要為南泥湖組中段的黑云母長英角巖和陽起石透輝石長英角巖及三川組中段的透斜角巖和矽卡巖。目前與欒川龍宇鉬業有限公司采礦關系密切的巖石主要為黑云母長英角巖和陽起石透輝石長英角巖。

巖石試樣的采取方式為現場撿塊。巖塊的規格大小需滿足試件加工的要求，巖塊的基本規格為:長×寬×高=200mm×200mm×150mm。對礦區2種主要巖石進行了現場取樣，現場共采集巖塊12塊。取樣地點有3處，分別是1390m平臺、1375m平臺和1345m水平。

將采集的巖塊試樣加工成標準試件，本次試驗的試件加工機器主要為工程金剛石鉆機、DQ－2自動巖石切片機、SPQJ－300切片機及SMD－200雙端面磨石機。試件加工精度符合《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266－99)的要求。總共加工出巖石試樣38個，其中，用于單軸抗壓和波速等試驗的長巖芯樣10個，用于劈裂拉伸試驗的短巖芯樣10個，用于剪切試驗的邊長為5cm的立方體18個。

2 試驗方案

為了進行穩定性數值模擬計算，需要密度、彈性模量、泊松比、單軸抗壓強度、抗拉強度、內聚力、內摩擦角等物理力學指標;為了評價巖體的完整性，需要知道巖石的波速。依據研究目的，確定進行的測試項目為:密度試驗(塊體密度)、單軸抗壓強度試驗、變形試驗、抗拉強度試驗(巴西劈裂法)、抗剪斷試驗、巖塊聲波速度測試。

力學試驗采用設備為液壓伺服控制試驗機，其型號為INSTRON－1342(最大荷載25t)、INSTRON－1346(最大荷載200t)，該試驗機是英國生產的，具有極強的載荷控制能力，單軸抗壓試驗時可做出全應力－應變曲線。

3 試驗及結果

3.1 塊體密度試驗

巖石塊體密度是試件質量與試件體積的比值。它是一個間接反映巖石致密程度、孔隙發育程度的參數，也是評價工程巖體穩定性及確定圍巖壓力等必需的計算指標。根據巖石的含水狀態，巖石塊體密度可分為干密度、飽和密度和天然密度等。巖石塊體密度試驗可分為量積法、水中稱量法和密封法。本次塊體密度試驗采用量積法，測試巖石的天然密度，其計算公式如下:

式中:ρ0——天然密度，g/cm3;

m0——天然狀態下的質量，g;

V——試件體積，cm3。

量積法測試天然密度試驗按下列要求進行:

(1)量測試件兩端和中間3個斷面上相互垂直的兩個直徑或邊長，按平均值計算截面積;

(2)量測端面周邊對稱4點和中心點的高度，計算高度平均值;

(3)稱試件在天然狀態下的質量;

(4)長度量測精確至0.01mm，稱量精確至0.1g。

采用游標卡尺量測圓柱體試件的直徑和高度，天平稱量試件質量。本次塊體密度測試的試件數，每種巖石均為5個，全都采用單軸抗壓試驗的試件。由試驗得出黑云母長英角巖平均塊體密度2.69 g/cm3，陽起石透輝石長英角巖平均塊體密度2.70 g/cm3。

3.2 單軸抗壓強度試驗

巖石單軸抗壓強度試驗是指試件在無側限條件下，受軸向力作用破壞時，單位面積上所承受的荷載，即試件破壞時的最大載荷與垂直于加載方向的截面積之比。試驗采用直接壓壞試件的方法來求得巖石單軸抗壓強度，也可在進行巖石單軸壓縮變形試驗的同時，測定巖石單軸抗壓強度。

巖石單軸抗壓強度按下列公式計算:

式中:R——巖石單軸抗壓強度，MPa;

P——破壞載荷，N;

A——試件截面面積，mm2。

試件的含水狀態為室內自然狀態。本次單軸抗壓強度試驗的試件數，每種巖石均為5個，滿足標準要求。由于部分試件中存在結構面，加上礦物成分不完全一樣，以及風化程度上的差別，致使試驗結果存在一定的離散性，但試驗結果總體上是正常的。由試驗得出黑云母長英角巖抗壓強度平均值為127.39MPa，陽起石透輝石長英角巖抗壓強度平均值為98.42MPa。

3.3 變形試驗

單軸壓縮變形試驗是測定試件在單軸壓縮應力條件下的縱向及橫向應變值，據此計算巖石的彈性模量和泊松比。彈性模量是軸向應力與軸向應變之比;泊松比是在彈性模量相對應條件下的徑向應變與軸向應變之比。

彈性模量和泊松比按下式計算:

式中:Ee——巖石彈性模量，MPa;

μe——巖石彈性泊松比;

σa——應力與縱向應變關系曲線上直線段起始點的應力值，MPa;

σb——應力與縱向應變關系曲線上直線段終點的應力值，MPa;

εha——應力為σa時的縱向應變值;

εhb——應力為σb時的縱向應變值;

εda——應力為σa時的橫向應變值;

εdb——應力為σb時的橫向應變值。

試驗采用電阻片法測定變形參數，并同時采用縱向引伸記測量彈性模量。在單軸抗壓強度試驗的同時，對彈性模量和泊松比進行測試。試件的含水狀態為室內自然狀態。變形試驗過程中記錄應變的儀器為DH3817動靜態應變儀。不計無效試件結果，每組巖石尚存4組有效數據。用引伸記測量所得的彈性模量值與電阻片法的結果相吻合。由試驗得出黑云母長英角巖彈性模量平均值為34.08GPa，泊松比平均值為0.23μ;陽起石透輝石長英角巖彈性模量平均值為27.45GPa，泊松比平均值為0.25 μ。從試驗結果來看，黑云母長英角巖的彈性模量比陽起石透輝石長英角巖的大，而其泊松比則比陽起石透輝石長英角巖的小，符合一般規律。

3.4 抗拉強度試驗

測定巖石抗拉強度的方法，有直接拉伸法和間接拉伸法兩種。由于直接法的試件制備困難和試驗技術的復雜性，目前多采用間接法(即劈裂法)。劈裂法是在試件直徑方向上施加一對線性荷載，使試件沿直徑方向破壞，間接測定巖石的抗拉強度。本試驗采用劈裂法進行抗拉試驗，屬間接拉伸法。

巖石抗拉強度按下式計算:

式中:σt——巖石抗拉強度，MPa;

P——破壞載荷，N;

D——試件直徑，mm;

H——試件高度，mm。

試件的巖性較為均一，試驗結果的離散性不大，黑云母長英角巖抗拉強度平均值為4.21MPa，陽起石透輝石長英角巖抗拉強度平均值為4.90MPa，結果較為理想。雖然黑云母長英角巖的抗壓強度比陽起石透輝石長英角巖的大，但黑云母長英角巖的抗拉強度卻比陽起石透輝石長英角巖的小，這種結果也屬正常。

3.5 抗剪斷試驗

室內巖石抗剪斷強度的測定，通常采用楔形剪切試驗方法。試驗時把巖石試件置于楔形剪切儀中，并放在壓力機上進行加壓試驗，直到試件沿預定的剪切面發生破壞。

剪切面上的正應力σ和剪應力τ按下式計算:

式中:P——壓力機施加的總壓力，N;

A——剪切面積，mm2;

α——剪切面與水平面的夾角，°;

f——圓柱形液子與試驗機墊板間的摩擦系數。

將每種巖石的剪切試件分為3組，采用3個不同的傾角進行試驗。根據每次試驗使用的正應力σ和對應的剪應力τ，采用直線回歸的方法求得抗剪強度曲線(見圖1和圖2)，從而獲得巖石的抗剪斷強度參數。黑云母長英角巖剪切參數:內聚力為10.13MPa，內摩擦角為41.19°。陽起石透輝石長英角巖剪切參數:內聚力為12.11MPa，內摩擦角為42.86°。

3.6 巖塊聲波速度測試

本次試驗只測定縱波速度，采用凡士林作耦合劑。采用直透法布置換能器，將換能器安放在試件的兩個端面上，使換能器的中心在試件的軸線上。換能器置于試件上后，將多余的凡士林擠出，以減少耦合介質對測試成果的影響。試驗所采用的儀器為中國科學院武漢巖土力學所研制的RSM－SYS智能聲波檢測儀。

圖1 黑云母長英角巖的抗剪斷強度曲線

圖2 陽起石透輝石長英角巖的抗剪斷強度曲線

測試結束后，應測定超聲波在標準有機玻璃棒中的傳播時間，繪制時距曲線并確定儀器系統的零延時，或將發射接收換能器對接，測讀零延時。這里采用后一種方式確定零延時。

按下式計算巖塊的縱波速度:

式中:Vp——縱波速度，m/s;

L——發射、接收換能器中心間的距離，m;

tp——縱波在試件中行走的時間，s;

t0——儀器系統的零延時，s。

試驗測定得黑云母長英角巖平均縱波速度3816m/s，陽起石透輝石長英角平均縱波速度4193 m/s。陽起石透輝石長英角巖較黑云母長英角巖在結構致密性、均質度和完整性方面稍好，故波速稍微大一些。兩種巖石的波速屬于中等類型。

4 試驗結果匯總

本次試驗共使用巖石試樣38個，按照巖石力學試驗規程，在巖石力學實驗室，對欒川龍宇鉬礦2種主要礦巖的物理力學參數進行了較為全面的測試。通過試驗，獲得了礦巖的塊體密度、彈性模量、泊松比、單軸抗壓強度、抗拉強度、內聚力、內摩擦角和巖塊聲波速度等物理力學指標，為采空區頂板最小安全厚度計算提供了基礎數據。試驗分析最終結果見表1。

表1 欒川龍宇鉬礦巖石物理力學參數室內測試結果

［1］王文星.巖體力學［M］.長沙:中南大學出版社，2004.

［2］《采礦手冊》編輯委員會.采礦手冊［M］.北京:冶金工業出版社，1990.

2011－07－13)

黨國建(1970－)，男，河南南陽人，工程師，主要從事于礦山采礦安全生產及管理。