玲瓏金礦花崗巖巖爆傾向性的實驗研究

劉潤田 張雪楣 劉吉興

(山東黃金礦業(玲瓏)有限公司，山東煙臺 264000)

0 引言

山東黃金集團的玲瓏金礦是山東黃金主體礦山之一，也是我國黃金礦山開采歷史悠久和開采深度最大的黃金礦山之一。經過半個多世紀的規模開采，礦山資源已近枯竭，已列入國家資源危機礦山之列。近年來礦山加大了深部資源找礦力度，已在深部多處發現了新的資源，使礦山重煥生機，礦山目前已進入深部開采，開采深度超過1 000 m。礦山前期巖石力學研究表明，該礦屬于高地應力地區，隨著礦區開采深度增加，礦區地應力明顯增強，受地應力影響和開采過程中的二次應力場改變的影響，井下巖石應力發生集中，巖爆事故時有發生，這些已經嚴重威脅到井下工人作業的安全與資源、財產損失，進而影響到礦山生產效能的提高與企業的經濟效益。因此，有必要開展玲瓏金礦深部花崗巖的力學特性研究，建立相應的巖爆傾向性判別指標，對其巖爆傾向性進行判別，為玲瓏金礦深部地壓控制提出早期對策。

1 玲瓏金礦花崗巖力學實驗

目前的研究表明，發生巖爆的條件有:1)巖體中有較高的地應力，且其大小超過巖石本身的強度;2)巖石具有較高的脆性度和彈性［1，2］。具備以上兩個條件，一旦地下工程破壞了巖體的平衡，強大的能量使巖體破壞，并將破碎巖石拋出。現有的巖爆傾向性研究均以巖石基本物理力學性質為基礎，結合現場地應力及巖石所受的應力水平等因素來評判發生巖爆的可能性［3］。因此，為研究玲瓏金礦花崗巖巖爆傾向性，首先要開展巖石單軸壓縮實驗、劈裂拉伸實驗和單軸加卸載實驗，得到巖石基本物理力學參數。

1.1 實驗方案及過程

實驗所用的巖石試樣采自玲瓏金礦西山坑口－50 m中段，在實驗室用取芯機、切割機和磨石機將巖石加工成標準力學實驗試樣后，用SANS-CHT4605型液壓萬能試驗機進行了單軸壓縮實驗和劈裂拉伸實驗。

巖石的壓縮實驗分兩組進行:其中一組試樣在試驗機上以恒定0.3 mm/min的位移加載速率加載至試樣破壞，得到其單軸壓縮破壞全過程的應力應變曲線，并且計算得出其單軸抗壓強度;另一組試樣在試驗機上以恒定0.3 mm/min的位移加載速率加載至單軸壓縮強度的80%～90%，然后以120 kN/min的速率進行卸載，試樣并不壓壞，這樣可以得到試樣的加卸載應力應變曲線。

巖石的抗拉實驗采用間接的巴西劈裂法進行，即在圓柱體試樣的直徑方向上，施加相對的線形荷載，使之沿試樣直徑方向破壞的實驗。實驗時，在試件的兩端側面沿軸線方向畫兩條加載基線，將兩根墊條沿加載基線固定。考慮到實驗對象為較硬的花崗巖，應選用直徑為1 mm的鋼絲為墊條;將試件置于試驗機承壓板中心，調整球形座，使時間均勻受力，作用力通過兩墊條所確定的平面，加載速率設置為0.2 MPa/s，直至試件破壞。

1.2 實驗結果及分析

按照上述實驗方案，對玲瓏花崗巖進行了常規力學實驗，典型的單軸壓縮破壞荷載位移曲線如圖1所示，加卸載應力應變曲線如圖2所示，劈裂拉伸破壞的荷載位移曲線及破壞試樣如圖3和圖4所示。各試件的力學參數結果匯總見表1和表2。

圖1 抗壓試件CT1的軸向載荷—位移曲線圖

圖2 加卸載試件CT5的應力應變關系

圖3 拉伸試件BT5的載荷—位移曲線圖

圖4 拉伸試件的破壞形式

表1 單軸壓縮破壞實驗結果

表2 劈裂拉伸實驗結果

2 玲瓏金礦花崗巖巖爆傾向性評價

2.1 評價指標的建立

巖爆傾向性預測是防治巖爆災害的基礎，根據預測結果及時進行巖石工程的反饋設計，采取防治措施，對于深部資源的安全高效回采具有重要的理論意義及實用價值［4-6］。目前巖爆傾向性評判的方法大體可分為兩類，即以各種單一指標為基礎的指標評判法和以統計數學方法為基礎的綜合評判方法。本文采用三種單一指標法對玲瓏金礦花崗巖的巖爆傾向性進行評價。

1)巖石脆性系數法。

用巖石的單軸抗壓強度與抗拉強度之比來表示巖石的脆性系數B，判別指標準則見表3，其計算式為:

2)巖石彈性變形能指標Wet。

彈性能量指標通過對巖石試塊進行單軸壓縮加載和卸載實驗確定。該指標的值這樣確定:在實驗室對巖樣進行單軸壓縮實驗，取應力為巖石強度的80%～90%時記錄的應力應變曲線，用圖形積分法求出彈性變形能量儲能與塑性變形耗能之比，即為彈性變形能量指數Wet，其計算公式為:

其中，Ee為彈性變形能;Ep為塑性變形能。Kidybinski根據波蘭煤巖的試驗結果，給出了Wet的巖性臨界判別指標，如表3所示。

3)巖石沖擊能指標Wcf。

沖擊傾向性是產生巖爆的礦巖體的固有屬性，指礦巖能夠聚集彈性應變能并在超過其本身的強度后突然釋放的各種物理力學性質的總和。運用單軸壓縮實驗過程中的應力應變全過程曲線來求取巖爆能量沖擊性指標Wcf，其計算公式為:

其中，F1為峰值強度前全應力應變曲線與橫坐標圍成的面積;F2為峰值強度后全應力應變曲線與橫坐標圍成的面積。巖石沖擊能指標的判別標準見表3。

表3 巖爆傾向性判別標準

2.2 巖爆傾向性評價

由巖石力學實驗結果可知，玲瓏金礦花崗巖的平均抗壓強度為158.4 MPa，平均抗拉強度為4.71 MPa，根據脆性系數的定義，計算得到其脆性系數為33.6，可知玲瓏金礦的花崗巖為強巖爆傾向性。

根據彈性變形能的定義，進行了單軸加卸載實驗，并計算了各試件的彈性變形能指標Wet，如圖5所示。從圖5中可以看到，三個試樣的平均彈性變形能指數為6.52，其判定結果為強巖爆傾向性。

從巖石的單軸壓縮破壞全應力應變曲線，可以計算得到巖石的沖擊能指數Wcf，如圖6所示。從圖6中我們可以看到，三個試樣的平均彈性變形能指數為2.99，其判定結果為中等～強巖爆傾向性。

圖5 彈性變形能指數Wet的計算

圖6 巖石沖擊能指數Wcf的計算

以上三種指標均判定玲瓏金礦花崗巖為強巖爆傾向性，可見玲瓏金礦花崗巖已具備了發生巖爆的內在因素，在外界一定的應力條件下，就有可能會引發強巖爆現象。

3 結語

1)分別采取巖石脆性系數、彈性變形能指數、巖石沖擊能指數等三種指標對玲瓏金礦的花崗巖進行了巖爆傾向性評價。結果表明，玲瓏金礦花崗巖為強巖爆傾向性巖石，已具備發生強烈巖爆的內在因素。

2)巖石的巖爆傾向性評價能為深部開采巖爆的控制提供依據，但還遠遠不夠，實際工程中還應考慮更多方面的因素。

［1］陶振宇.高地應力區的巖爆及其判別［J］.人民長江，1987(5):25-32.

［2］周瑞忠.巖爆發生的規律和斷裂力學機理分析［J］.巖土工程學報，1995，17(6):111-117.

［3］郭 立.深部硬巖巖爆傾向性動態預測模型及其應用［D］.長沙:中南大學博士學位論文，2004.

［4］徐林生.卸荷狀態下巖爆巖石力學試驗［J］.重慶交通學院學報，2003，22(1):1-4.

［5］張津生，陸家佑，賈愚如.天生橋二級水電站引水隧洞巖爆研究［J］.水利發電，1991(10):34-37，76.

［6］王文星，潘長良，馮 濤.確定巖石巖爆傾向性的新方法及其應用［J］.有色金屬設計，2001，28(4):42-46.