邢邯地區矽卡巖力學特性試驗研究

張 毅 汪 崛 劉 斌 李貞芳

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083;2.深部巖石力學國家重點實驗室，北京 100083)

0 引言

1 實驗概述

1.1 實驗內容

矽卡巖的力學特性，包括單軸抗壓強度、抗拉強度和三軸抗壓強度。

1.2 實驗設備及方法

矽卡巖的力學試驗是在WPM25KN 的德國材料試驗機上進行的。試樣的單軸抗壓強度及彈性模量、泊松比及各種沖擊傾向的測定都是在WPM1000KN 的萬能材料試驗機上進行的。測試設備有采集速度為0.1 m/s 的高速計算機數據采集處理系統、MDG動態電阻應變儀、KC 型靜態電阻應變儀及配套的載荷傳感器和位移傳感器。矽卡巖的抗壓力學特性實驗按ISRM 實驗標準來進行，抗拉強度實驗按照巴西劈裂實驗進行，按軸向變形0.002 mm/s 的速率加載，每個實驗用3 組試件進行。

1.3 試件制備

本試驗所用試樣取自中關鐵礦，采樣時現場鉆孔取芯成型困難，故在現場采集力學性質均勻、塊度適中的完整塊狀試樣，帶回實驗室后進一步制作加工成標準試件。采樣方法按照GB/T 23561.1—2009 煤和巖石物理力學性質測定方法第一部分:采樣基本規定執行。按照巖石力學實驗標準，抗壓強度實驗采用φ50 mm× 100 mm 的圓柱試件，抗拉強度實驗采用φ50 mm×25 mm 的圓柱試件。矽卡巖試件制備見圖1。

2 實驗結果及分析

2.1 單軸抗壓強度實驗

將矽卡巖試件放在實驗機上進行加載，直至試件破壞，試件的應變通過引伸計監測。部分試件單軸抗壓強度實驗的應力—應變曲線如圖2 所示。

在我國分布著眾多矽卡巖鐵礦，雖然其儲量小，但品位卻高于其他含鐵礦石，因此是我國重要的富鐵礦源，供應我國3/5 以上的富鐵礦石［1］。邢臺是我國重要的矽卡巖型鐵礦成礦區之一，不僅礦石品位高，而且儲量也很可觀［4］。中關鐵礦是邢臺地區一所較大型的矽卡巖型鐵礦床，其礦體形態復雜，涌水量大，其力學特性與圍巖的支護及采場參數設計緊密相關［5-9］。在建井期間和生產期中關礦不得不面臨著井巷穿越矽卡巖及采場布置，為了保障井巷開掘的支護參數設計、采場結構參數設計及施工安全，有必要研究該型巖石的力學特性，有利于為礦井安全高效開采提供基礎數據。本文擬通過對中關鐵礦現場取樣，進行實驗室基本力學特性測試，對該礦的矽卡巖礦體進行力學特性分析研究。

圖1 矽卡巖試件制備

圖2 部分矽卡巖試件單軸抗壓強度實驗應力—應變曲線

從圖2 中部分矽卡巖試件單軸抗壓強度實驗應力—應變曲線可以看出，在實驗機逐漸加載的過程中，軸向應變和縱向應變同時增加。在剛開始加載時，左側曲線變化較陡，表示同一加載過程，縱應變變化較快。但縱向變形達到一定值后左側曲線明顯變緩，表示橫向變形開始顯著增大，而且應力開始下降，試件發生破壞。圖2 右側曲線代表著單軸壓縮狀態下矽卡巖應力—應變全過程曲線，該過程第1 階段為壓密階段，處于該階段的矽卡巖因承載，使得初始裂隙閉合，整體結構變得更加密實;第2 階段為線性變形階段，此時曲線近似為直線;第3 階段為彈塑性變形階段，隨著荷載逐漸增大，矽卡巖內部有新的裂隙產生，曲線向下彎曲;第4 階段為破壞階段，荷載達到矽卡巖的峰值強度，試件開始破壞。通過單軸抗壓強度實驗可得出矽卡巖的單軸抗壓強度等力學參數，具體結果如表1 所示。

表1 矽卡巖單軸抗壓強度實驗結果

如果按照巖石單軸抗壓強度對矽卡巖進行分類，矽卡巖單軸抗壓強度為60 MPa，故矽卡巖應屬次堅巖。

2.2 抗拉強度實驗

抗拉強度實驗采用巴西劈裂法，將矽卡巖試件放在實驗機上進行加載，直至試件破壞。記錄加載過程中的應力位移曲線，部分矽卡巖抗拉強度實驗的應力—應變曲線如圖3 所示。

圖3 部分矽卡巖抗拉強度實驗軸向應力與軸向變形曲線

從圖3 中矽卡巖軸向應力與軸向變形曲線可以看出，實驗機不斷加載過程中，矽卡巖的軸向變形不斷增大，直至荷載達到矽卡巖的極限破壞值，試件發生破壞，強度瞬間急劇下降。矽卡巖抗拉強度實驗具體實驗結果如表2 所示。

表2 矽卡巖抗拉強度實驗結果

一般而言，巖石抗壓強度與抗拉強度的比值在8 左右，由矽卡巖單軸抗壓強度實驗結果知，矽卡巖抗壓強度為60 MPa，而抗拉強度為7.9 MPa，兩者比值為7.59，接近8，說明測試結果可靠。

2.3 三軸抗壓強度實驗

對矽卡巖試件進行三軸抗壓強度實驗，測定在不同圍壓條件下矽卡巖的三軸抗壓強度，實驗機上施加的圍壓分別為5 MPa，10 MPa，15 MPa，然后施加豎向荷載，直至試件破壞，矽卡巖三軸抗壓強度實驗的軸應力—應變曲線如圖4 所示。

圖4 矽卡巖三軸抗壓強度實驗軸應力—應變曲線

根據矽卡巖破壞時的峰值應力畫出不同圍壓條件下的摩爾應力圓，從而得出矽卡巖的內摩擦角和粘聚力，矽卡巖的三軸抗壓強度等參數如表3 所示。

表3 矽卡巖三軸抗壓強度實驗結果

2.4 實驗結果分析

中關鐵礦矽卡巖試件天然情況下抗壓強度約為60 MPa，矽卡巖在進行加載試驗過程中的軸向變形不斷增大，試件發生破壞，強度瞬間急劇下降，并且矽卡巖存在孤島狀物質、大量孔隙，加之礦井涌水現象明顯，在實際巷道工程中易出現頂板冒落或巖柱失穩現象。

3 結語

通過對矽卡巖的實驗研究，可以得出如下結論:

1)實驗結果表明，矽卡巖單軸抗壓強度為60 MPa，它屬次堅巖，抗拉強度為7.9 MPa，彈性模量為0.23 GPa，泊松比為0.19。2)矽卡巖內摩擦角為31°，粘聚力為6.6 MPa，強度公式為Τ=0.6σ+6.6。3)該礦矽卡巖在加載過程中強度瞬間急劇下降，且存在孤島狀物質和大量孔隙，在實際巷道工程中易出現頂板冒落或巖柱失穩現象。

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