某礦區巖石蠕變特性試驗研究

何錦龍,袁海平

(江西理工大學資源與環境工程學院,江西贛州341000)

某礦是國內最大的鎳生產基地,礦區位于青藏高原東北緣走廊過渡帶與中朝準地臺兩大構造單元的復合部位,為構造運動強烈的高地應力區。礦區地層為前震旦紀中深度變質巖系,含礦超基性巖侵入大理巖、混合巖、片麻巖中,形成礦區復雜的巖石組合[1]。該礦區巖體特性通常表現為碎裂、節理裂隙發育,單塊巖石強度較高,但整體強度卻較低。另外,監測資料表明[2,3],該礦區地下巷道圍巖應力分布具有極強的時間效應,隨著時間推移,圍巖應力顯示出明顯的階段性 (初始來壓期、應力調整期和平衡期),總體上表現出是來壓快、初期壓力大,此后為應力調整期,應力隨時間不斷增加,但增加速率降低,之后,圍巖應力進入平衡期,持續時間較長。上述特征反映出圍巖具有顯著的流變性,顯示出軟巖的特征,因此有關學者視之為軟巖或特殊軟巖[4]。

巖石的蠕變特性是巖石類材料重要的力學特性之一,國內外學者對巖石的蠕變模型和蠕變特性進行了大量的研究[5-10],在理論與實踐上取得了重大研究成果。然而,這些研究的對象主要是完整巖石,對于類似條件下軟弱復雜礦巖的蠕變特性研究則相對較少。該礦是我國特大型硫化銅鎳礦床,其儲量豐富、礦體集中居全國之首,而地質構造發育,礦巖破碎,地應力值偏高,礦巖穩定性極差,開采難度大,亦居全國之首。因此,研究該礦山巖石力學問題,無疑會對我國礦山巖石力學理論的發展與工程經驗的積累,起到積極的推動和促進作用。

1 巖石流變試驗技術

巖石的壓縮蠕變是指巖石試樣在軸向壓縮狀態下,變形隨時間增長而變化的力學性態。根據試驗要求及實際取樣情況,進行本次試驗,以研究該礦區軟弱復雜礦巖的流變特性及相應流變參數。

1.1 試驗裝置

巖石蠕變試驗在流變試驗室進行,采用長春朝陽公司生產的RYL-600微機控制巖石剪切流變儀。該流變儀主要用于巖石和巖石弱面的流變試驗或巖石直剪、單軸壓縮、巖石雙向壓縮等試驗,主機組合門式框架結構由軸向力加載框、橫向力加載框架、控制柜、吊車等部分組成。本試驗用到的軸向力加載框架主要由機座、滾珠絲杠副、動橫梁、固定橫梁及軸向升降裝置組成,并選用先進的日本松下全數字交流伺服高速系統,控制系統采用進口原裝德國DOL I全數字伺服控制器

1.2 方案設計與過程控制

該礦區地應力高,礦體品位低、傾斜、厚大、碎裂,巖體節理裂隙發育,強度較低。本試驗巖樣即取自III礦區ZK06鉆孔巖芯鉆,經高精度切割、磨平,加工后的試樣規格,如表1所示。試樣端面平整度和側面平整度控制在0.03 mm范圍以內,試樣中心線與端面的垂直度誤差小于0.25°[11]。試驗采用單軸壓縮分級增量循環加卸載方式 (如圖1)進行,各分級加載的蠕變載荷設定值 P0、初始加載速率V1及分級結束卸載速率V2如表2所示。各級荷載所持續的時間,根據試件的應變速率變化情況予以確定,即當試樣的軸向變形在2d內小于0.01mm時,認為其變形基本穩定,則完全卸載,觀測其滯后黏彈性恢復。當觀測到24h內無滯后恢復時,再進行下一級荷載的循環,依此類推逐級進行。試樣的徑向變形通過千分表讀數得到。

表1 加工后的試樣規格

圖1 分級增量循環加卸載

表2 分級加卸載控制參數

2 試驗結果數據整理

試驗嚴格按照以上設計方案和控制過程進行,由于試驗數據量極大,本文僅以試樣1-1為例,對試驗結果進行數據整理和分析。如圖2、圖3分別為第一分級及整體各分級單軸壓縮蠕變試驗曲線,圖4為第一和第五分級蠕變率曲線。

圖2 第一加載分級蠕變曲線

圖3 整體各加載分級蠕變曲線

圖4 加載分級蠕變率曲線

由圖2、圖3可知,試件在各級荷載作用的瞬時軸向應變與軸向荷載大小成比例增長,進入蠕變階段后,變形均隨時間不斷增長。在蠕變初期,各分級變形較明顯,在軸向應力為8.88349M Pa,即載荷為20kN作用下,蠕變經過1.7592 h后,總應變值為0.0041466,蠕應變增加1.746×10-4,約為瞬時軸向應變的4.3958%,然后變形趨于穩定狀態。由圖4第一分級加載蠕變率曲線可明顯看出這一變化過程。在該階段,蠕變率很快衰減接近零,即保持不變,表明出并不明顯的流變性能。第五分級在經過4.0329 h的蠕變快速衰減后,蠕變率保持在2.2167×10-4/h附近,蠕應變處于穩定階段。在進行 30.0922 M Pa,即第六分級的70kN加載時,試樣破壞,故在本試樣的蠕變試驗中未出現加速蠕變階段情形。

3 蠕變模型分析及參數擬合

根據蠕變試驗數據整理的結果,由試樣1-1的ε-t曲線可知,蠕變曲線上開始有瞬時變形,然后剪應變以指數遞減的速率增長,最后趨于不變速率增長,其蠕變特性與Burgers模型蠕變曲線特性較接近。Burgers蠕變模型是用來描述第三期蠕變以前的蠕變曲線的較好且簡單的模型,用增加彈性單元和黏性單元的辦法還可組成更復雜而合理的模型。但是,Burgers模型對實用而言已足夠了[12],該模型已獲得較廣泛的應用[13-14]。因此,本文采用Burgers模型對試驗曲線進行擬合分析,以獲得該礦區礦巖的蠕變參數。應變ε(t)為:

式 (1)中,K為試樣的體積模量;G1、G2、η1和η2分別為Burgers模型黏彈性常量,其物理意義和作用分別為控制遲延彈性的數量、彈性剪切模量、決定遲延彈性的速率和黏滯流動的速率。

為擬合以上五個黏彈性常量,假定在σ作用下各常量與時間無關,且滿足方程 (1),則當時間t較大時應變速率為常數,蠕變曲線為一直線 (第二期蠕變曲線的漸近線),有:

式中,ε1(t)在t=0時,即為該直線延長線在縱軸上的截距。令q等于蠕變曲線與漸近線間的垂直距離,于是從幾何關系中可得出:

因此,式 (3)在半對數空間也為一直線,σ、ε(t)和t為試驗所采集的已知數據。在此,為方便計算,編制了Burgers蠕變試驗數據處理程序,并依據ε(t)和t,可得出σ應力狀態下一系列G1和η1,然后取各自的平均值,即可確定該應力條件下的 G1和η1,同理由式 (2)可得出η2。

體積應變根據測定的軸向應變ε1和側向應變ε2計算,即 ΔV/V = ε1+2ε2,平均應力為σ/3,則

圖5 Burgers蠕變模型

Burgers模型由Kelvin模型與M axwell模型串聯而成,如圖5所示,受軸向應力σ作用時,軸向

將所得 K取加權平均后,由式 (1)最終可得到G2的平均值。按上述步驟對巖石試樣的流變力學模型進行擬合,得到巖石試樣蠕變參數,詳見表3。圖6的散點為該礦區礦巖蠕變試驗曲線,實線為理論曲線,顯然,模型能較好地描述巖石的流變特性。件下,衰減蠕變后直接進入加速蠕變階段,試樣在極短時間內即可破壞。試驗第六分級加載后導致試樣直接破壞,說明了這一特性。

表3 試樣模型擬合參數

圖6 蠕變試驗曲線與理論曲線

3)蠕變試驗曲線與理論曲線較吻合,表明選用Burgers蠕變模型描述該礦區軟弱復雜礦巖蠕變特性合理,編制的相應試驗數據處理程序可行。本研究成果,將為該礦區誘導條件下貧礦大規模持續開采科學研究提供理論依據。

4 結論

本文根據試驗要求及實際取樣情況,對某礦區軟弱復雜礦巖蠕變特性進行了分級加載試驗研究,介紹了試驗裝置和試驗技術要求,對試驗數據進行了整理和分析。在對比研究的基礎上,選取Burgers蠕變模型作為研究的重點,來反映巖石的蠕變特性。為方便數據的整理和模型參數的求解,編制了相應的數據處理程序,對蠕變模型參數進行了擬合和加權平均取值。本次蠕變特性試驗研究成果定性描述如下:

1)試件在各級荷載作用的瞬時軸向應變與軸向荷載大小成比例增長,進入蠕變階段后,變形均隨時間不斷增長。在蠕變初期,各分級變形較明顯,在軸向應力為 8.88349 M Pa,即載荷為20kN作用下,蠕變經過1.7592 h后,總應變值為0.0041466,蠕應變增加1.746×10-4,約為瞬時軸向應變的4.3958%,然后變形趨于穩定狀態。

2)各分級加載的蠕變變化率具有共同特點,即經歷快速蠕變率衰減過程后進入穩定蠕變階段,但蠕變穩定后各分級的蠕變率不同,蠕變應力越高,穩定的蠕變率越大。在分級加載應力為8.88349M Pa時,蠕變衰減1.7592h后進入穩定期,蠕變率接近為零,即流變性能不明顯;而在分級加載應力為26.65046 M Pa時,經過4.0329 h的蠕變快速衰減后,蠕變率保持在 2.2167×10-4/h附近,具有一定流變特性。由此說明,在低應力狀態下,試樣表現為衰減蠕變,在中等應力狀態下,表現為穩定蠕變,而在相對高應力條

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