雙介質(zhì)礦巖軸向加載損傷破壞試驗(yàn)分析研究*

王明旭， 許夢(mèng)國，杜宇翔，李玉飛，趙文斌，陳鄭亮

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430074)

0 引言

礦山井下地質(zhì)條件復(fù)雜，礦巖體強(qiáng)度既受到水作用的弱化，也受到節(jié)理裂隙和夾石的影響。如柴金飛等[1]為揭示不同節(jié)理方位對(duì)巖石破裂機(jī)理的影響，利用PFC軟件模擬巖石裂紋孕育、發(fā)展和貫通過程中產(chǎn)生的大量聲發(fā)射數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場調(diào)查，充填采區(qū)礦巖頂板和片幫夾石較多。這些夾石對(duì)礦柱或圍巖頂板的穩(wěn)定性影響有待深入研究。目前對(duì)于夾石礦體的相關(guān)力學(xué)特性及穩(wěn)定性研究取得了一些成果，如霍宗保等[2]對(duì)煤層夾石體中含水及涌水通道進(jìn)行了相關(guān)研究；闞興等[3]從大范圍內(nèi)的夾石層對(duì)采煤速度的影響，采用采煤機(jī)切割和爆破相結(jié)合的方式處理夾石；韓新平等[4]對(duì)含有軟弱夾層順層巖體臺(tái)階進(jìn)行深孔爆破試驗(yàn)；楊強(qiáng)強(qiáng)等[5]通過CT掃描顯示在有機(jī)質(zhì)和重礦物較發(fā)育的部位形成孔隙，因巖石成分和成巖作用使其孔隙空間降低；路珍等[6]對(duì)石英中的黑云母軟弱層等進(jìn)行摩擦試驗(yàn)；楊安國等[7]研究如何對(duì)鎢礦中夾石進(jìn)行剔除。更多的文獻(xiàn)只是論述了礦體中夾石的存在，并沒有就夾石存在對(duì)礦體的力學(xué)特性進(jìn)行具體的定量分析。本文為了定量研究礦巖的配比試樣在加載過程中的相關(guān)力學(xué)變形特征，選用了應(yīng)變值、磁感應(yīng)強(qiáng)度、紅外溫度測量方式對(duì)試樣表壁進(jìn)行相關(guān)測試，并提出了一種模擬夾石含量的數(shù)值模擬方法。同時(shí)通過對(duì)含有夾石的充填現(xiàn)場礦柱進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)礦巖能夠輕易被敲碎脫落，而沒有夾石且節(jié)理不發(fā)育礦巖在敲擊中不易敲碎破壞。

1 室內(nèi)加載試驗(yàn)

從現(xiàn)場選取含有較多夾石的礦塊(見圖1)，經(jīng)過鉆孔、切割和打磨成標(biāo)準(zhǔn)試件，通過軸向加載，含有夾石(主要是石膏)的單軸抗壓強(qiáng)度最小的只有20.02 MPa，而完整性好的礦石單軸抗壓強(qiáng)度平均達(dá)到99.70 MPa。說明夾石含量對(duì)礦巖的強(qiáng)度影響較大。礦巖中含有夾石，可以通過表壁的夾石分布了解夾石在礦體中大體的空間分布特點(diǎn)。

圖1 充填現(xiàn)場頂板和片幫夾石Fig.1 roof and wall caving dunn bass of filling the scene

1.1 模擬材料選擇及加載

為了更好研究夾石對(duì)礦巖產(chǎn)生的影響，便于研究含有夾石的礦柱與充填體的相互作用，運(yùn)用相似原理，選用全精煉的工業(yè)石蠟顆粒作為夾石(石膏)模擬與礦粉進(jìn)行配比混合，成型養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行加載試驗(yàn)(見圖2)。具體配比為水泥 ∶礦粉 ∶石蠟顆粒1 ∶6 ∶1，平均容重為1 998 kg/m3，而水泥 ∶礦粉為1 ∶6的平均容重為2 756 kg/m3。在WAW-300微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上加載，加載速率采用先位移控制，加載速率為0.01 mm/s，待荷載達(dá)到0.5 kN后，再轉(zhuǎn)為試驗(yàn)力控制，加載速率為0.001 kN/s。

圖2 配比試樣加載Fig.2 Proportioning sample loading

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 裂紋擴(kuò)展

通過10 mm厚鋼板加找平裝置進(jìn)行加載，不考慮夾石影響時(shí)，1 ∶6的水泥礦粉試樣在軸向加載過程中，載荷在86 kN時(shí)監(jiān)測表壁B在記號(hào)B的右上方開始顯現(xiàn)淺裂紋，當(dāng)載荷達(dá)到97 kN時(shí)這條裂紋漸趨明顯，載荷達(dá)到107 MPa時(shí)已經(jīng)形成2條明顯的間斷裂紋，而立方體試樣最后破壞時(shí)的最大載荷為107.513 kN。裂紋也是達(dá)到最大載荷后突然失穩(wěn)破壞，并伴隨試樣加載破壞時(shí)的聲音釋放(見圖3(a))。無夾石試樣在加載前期，處于壓密階段，載荷變化較平緩，當(dāng)位移達(dá)到0.75 mm后，隨著位移的加大，載荷隨之快速增長。當(dāng)位移達(dá)到0.9 mm時(shí)，隨著位移的加大，載荷迅速增長。

圖3 X-091試樣加載過程中的表壁裂紋擴(kuò)展Fig.3 surface crack of X-091 specimen under loading

無夾石試樣加載破壞后，表壁裂紋主要是豎向破壞裂紋，且各豎向裂紋較長，試樣4個(gè)表壁的最長裂紋的平均值達(dá)到72.25 mm。水平裂紋較少，最長的水平裂紋出現(xiàn)在正立面的底角處，背立面出現(xiàn)了較明顯的2條水平裂紋，不過裂紋長度較短(見圖3(b))。對(duì)于有夾石的試樣，表壁裂紋主要以短裂紋為主，且裂紋在試樣表壁分布較均勻(見圖3(c))。

加入了全精煉石蠟顆粒之后的配比試樣，加載破壞后的試樣表壁裂紋條數(shù)相較未加石蠟顆粒的試樣要多。未加石蠟的試樣各個(gè)表壁主要是幾條貫通的裂紋線，裂紋條數(shù)較少，平均每個(gè)面為3條左右，而夾石配比模擬的加載破壞的表壁裂紋條數(shù)平均為10條左右(見表1)。為了更好分析含有夾石試樣表壁的裂紋擴(kuò)展損傷破壞規(guī)律，借助PVC透明塑料薄片進(jìn)行試樣表壁裂紋的描摹，將描摹后的含有表壁裂紋線的PVC透明塑料薄片拍照后進(jìn)行電子版的描摹轉(zhuǎn)換(見圖3(b)和(c))。將100 mm×100 mm的尺寸均分為100個(gè)10 mm×10 mm的小正方形，再將已經(jīng)描摹成電子版的等尺寸的裂紋線投射，進(jìn)行裂紋線占據(jù)格子數(shù)的計(jì)算，同時(shí)計(jì)算裂紋條數(shù)和表壁最長裂紋長度(見表1)。

表1 表壁裂紋情況

1.2.2 應(yīng)變值變化

無夾石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度為10.751 MPa，而質(zhì)量占比為14.3%的夾石試樣單軸抗壓強(qiáng)度只有3.795 MPa。夾石的存在弱化了礦巖的整體強(qiáng)度。含有夾石試樣最后的位移為2.01 mm，而無夾石試樣最后的位移為1.92 mm，說明夾石的加入提高了試樣的壓縮變形量。為了更好研究夾石礦巖在荷載作用下的表壁應(yīng)變變化規(guī)律，在試樣表壁的幾何中心貼置橫向和縱向的電阻應(yīng)變片，通過BX2011C電阻應(yīng)變儀進(jìn)行應(yīng)變變化測試。同時(shí)通過微機(jī)控制電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)力加載與試樣軸向位移變化的監(jiān)測。從圖4可以看出，橫向應(yīng)變是拉應(yīng)變，縱向應(yīng)變是壓應(yīng)變。在載荷不斷加大的過程中，縱向應(yīng)變除在7.0 kN處發(fā)生突變回彈到121 με外，一直處于較平緩的折線式上升。而橫向應(yīng)變突變幅度較大，在載荷不斷加大的過程中，10，20，30 kN處存在應(yīng)變值的突變，30 kN之前處于階段性的線性變化階段，30 kN之后，橫向應(yīng)變值急速上升，直至破壞前有一個(gè)應(yīng)變值先回落后上升的階段，接著發(fā)生較大的破壞變形。從21.5 kN到最后的37 kN的變化過程中，試樣縱向位移的變化趨勢與縱向應(yīng)變值的絕對(duì)值都存在不斷增長的變化趨勢。

圖4 加載作用下應(yīng)變和位移變化情況Fig. 4 The change of strain and displacement under the action of loading

1.2.3 磁感應(yīng)強(qiáng)度和紅外溫度測量

金屬礦粉本身沒有磁性，通過高強(qiáng)度的釹鐵硼磁鐵進(jìn)行3 d的磁化處理，使其表壁產(chǎn)生磁化強(qiáng)度[8]。試驗(yàn)之前，在含有夾石試樣表壁設(shè)置三縱三橫的9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別在未加載，加載至10，20，30 kN和破壞時(shí)通過特斯拉計(jì)監(jiān)測試樣表壁的磁場變化情況。通過監(jiān)測得知，由于夾石的存在，不同點(diǎn)的磁場變化情況不一。除了試樣在最后破壞形成較多表壁裂紋造成各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度普遍降低外，在加載過程中，9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度并沒有統(tǒng)一的變化規(guī)律。對(duì)于紅外溫度[9]測量，依據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的溫度與輻射射度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即:

Wb=εσT4

(1)

式中：Wb為物體輻射出的射度，W/cm3；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.669 7×10-12W/(cm2·K-4)；T為物體的絕對(duì)溫度，K；ε為物體發(fā)射率。

含有夾石試樣在加載過程中，伴隨著能量的積聚與釋放，產(chǎn)生溫度的微弱變化，這一過程中存在紅外的釋放。通過希碼紅外溫度測量，表征含有夾石試樣在加載過程中的能量釋放規(guī)律。為此，在試樣表壁從上到下，從左至右，依次設(shè)置9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。分別在3.8，10，20，30 kN通過希碼紅外溫度測量，得到了夾石試樣表壁的溫度變化曲線圖(見圖5)。從圖5可以看出，除了極個(gè)別點(diǎn)發(fā)生的溫度變化突變外，9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的能量釋放存在統(tǒng)一的變化規(guī)律，這與徐文彬等[17]研究的充填體在壓縮破壞過程中，溫度表現(xiàn)出明顯的降低-上升-降低現(xiàn)象是一致的。試樣上表壁的溫度普遍高于試樣中間表壁，中間表壁普遍高于試樣下表壁的溫度，形成加載過程中的試樣表壁溫度的梯度變化。

圖5 X-12091 A面不同荷載作用下的溫度變化值Fig.5 Temperature variation of X-12091 a face under different loads

2 數(shù)值模擬

對(duì)于夾石對(duì)礦巖體產(chǎn)生的影響，定性分析較多。在定量分析方面，很多做法是將夾石考慮為宏觀大塊進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬。這種模擬方式為研究夾石的影響提供了一種研究手段，可對(duì)于夾石小范圍的分散分布情況，暫沒有很好的模擬方式。為了更好厘清不同夾石含量對(duì)礦巖體力學(xué)變形特征的影響，形成數(shù)值模擬的定量分析，提出了微元體的建模并借助隨機(jī)分布函數(shù)進(jìn)行賦值的數(shù)值模擬方式，具體使用ANSYS workbench模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

以正方體的幾何中心為原點(diǎn)(0，0，0)，建立空間直角坐標(biāo)系。從(0，-30，-49.5)到(0，-30，49.5)之間建立49個(gè)等距離的系列監(jiān)測點(diǎn)A1～A49。從(0，0，-49.5)到(0，0，49.5)之間建立49個(gè)等距離的系列監(jiān)測點(diǎn)B1～B49。現(xiàn)場夾石成分豐富，有矽卡巖、大理巖、閃長巖、石膏、石英等夾石，為了研究的方便，以綜合折減參數(shù)進(jìn)行夾石賦值的數(shù)值模擬(見表2)。建立100 mm×100 mm×100 mm的正方體模型，將其等分為1 000個(gè)小正方體。對(duì)這1 000個(gè)正方體進(jìn)行編號(hào)。考慮到實(shí)際當(dāng)中，夾石并非均勻分布，為此將連續(xù)的5個(gè)正方體作為1組，1 000個(gè)小正方體共編為200個(gè)組，將這200組通過excel表中的隨機(jī)函數(shù)(=rand())賦予隨機(jī)值，然后進(jìn)行降序排序之后，按照夾石含量體積占比不同分別取不同量的組數(shù)。以夾石含量10%來算，取前20組賦予夾石的參量。網(wǎng)格最后劃分成270 641個(gè)節(jié)點(diǎn)，64 000個(gè)單元。

表2 典型礦巖物理力學(xué)參數(shù)

如果全部為礦石，立方體礦體內(nèi)部在50 MPa荷載作用下的安全系數(shù)等值線圖呈現(xiàn)為皇冠狀(見圖6)。當(dāng)夾石為10%時(shí)，由于夾石隨機(jī)分布，礦體內(nèi)部等值線圖依然可以顯現(xiàn)安全系數(shù)等值線圖的皇冠狀，但局部區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了等值線圖的變化，安全系數(shù)為1.727 3～2.090 9區(qū)域的等值線向礦體上部延伸。也因?yàn)閵A石的存在，礦體內(nèi)上部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中顯現(xiàn)，最大處達(dá)到9.710 6 MPa。不同夾石含量對(duì)系列監(jiān)測點(diǎn)的安全系數(shù)、表壁應(yīng)變值的影響較大。

圖6 全礦石的安全系數(shù)和最大主應(yīng)力分布Fig.6 The safety factor and the maximum principal stress distribution of the whole ore

圖7 監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變值Fig.7 Strain value of monitoring point

當(dāng)夾石單軸抗壓強(qiáng)度為礦體單軸抗壓強(qiáng)度一半左右時(shí)，在沒有空區(qū)節(jié)理情況下，夾石含量對(duì)礦巖整體強(qiáng)度及變形影響不大。可如果夾石單軸抗壓強(qiáng)度只是礦體單軸抗壓強(qiáng)度的2%時(shí)，不同區(qū)域的應(yīng)變值差異較大(見圖7(c))。

3 結(jié)論

1)沒有夾石的礦巖試樣在軸向加載作用下，表壁主要以少量的豎向長裂紋為主，夾石的存在使加載過程中的試樣表壁出現(xiàn)較多裂紋條數(shù)，以短裂紋為主，其分布區(qū)域較廣。

2)表壁縱向應(yīng)變變化較平穩(wěn)，而橫向應(yīng)變存在階梯型變化且變化幅度較大。紅外溫度測量顯示夾石試樣加載過程中存在能量的積聚與釋放的階段性變化，并無恒定的變化幅度，存在起伏變化規(guī)律。磁感應(yīng)強(qiáng)度值變化受夾石影響較大，特別是表壁加載破壞前各處磁感應(yīng)強(qiáng)度值的一致減小，說明磁感應(yīng)強(qiáng)度測量能夠作為裂紋擴(kuò)展變化的表征指標(biāo)。

3)通過數(shù)值模擬得出：試樣的整體穩(wěn)定性與夾石的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，夾石的存在弱化了礦巖的整體強(qiáng)度。同時(shí)不同的夾石強(qiáng)度對(duì)礦巖的整體穩(wěn)定性影響不一樣。當(dāng)夾石是礦石強(qiáng)度的50%左右時(shí)，夾石存在及含量的多少所產(chǎn)生的影響不大。如果夾石強(qiáng)度只是礦石強(qiáng)度的2%時(shí)，相應(yīng)的測點(diǎn)起伏變化較大。如果試樣完整性不好，存在較多微觀空區(qū)，空區(qū)附近的相應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)變值的變化起伏較大。

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