眼前山鐵礦礦巖三軸壓縮力學特性研究

陳小偉， 常來山， 陳曉云， 解治宇， 李 文， 劉育明， 顧秀華

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038； 2.遼寧科技大學 礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051；3.鞍鋼集團礦業有限公司 眼前山分公司，遼寧 鞍山 114001；4.鞍鋼集團礦業有限公司，遼寧 鞍山 114001)

礦區的開采技術條件是自然崩落采礦法關鍵技術研究的基礎。準確、合理的崩落法采礦設計與風險預測需要建立在充分、準確的地質資料的基礎之上，掌握礦體形態、規模和大小以及礦體中節理構造的分布規律是進行合理采礦設計的前提。通過現場取樣和物理力學性質的測定試驗，獲得不同巖性巖組的物理力學參數，為后續可崩性評價和水壓致裂技術研究提供基礎。

國內外許多學者對不同性質的巖石展開了大量的試驗，并取得了顯著的研究成果。祝方才等以冬瓜山銅礦脆性巖石為研究對象，分析了不同應力路徑下脆性巖石的響應特征[1]；林斌等基于巖性的不同，建立了煤系地層巖石單軸抗壓強度與彈性之間的關系[2]；王志國等以帷幕體試樣為研究對象，綜合分析其破壞過程中的AE特性和分形特性，并揭示了其破壞機理[3]；Thomas Bruning等對超過1 000米深的花崗巖進行了一系列三軸壓縮試驗，確定了脆性巖石的全應力- 應變曲線及其損傷演化行為[4]；高耀輝等分析了硬巖在真三軸壓縮下的力學特性，并建立了硬巖的特征應力水平與其相應的主應力之間的關系[5]。綜合上述研究可知，室內三軸試驗是獲得巖體在三向荷載狀態下力學特性的有效途徑，開展三軸壓縮試驗下巖石破壞過程的研究對實際工程有著重要的意義。

巖樣取自眼前山鐵礦勘查鉆孔，對磁鐵石英巖、綠泥千枚巖和混合巖開展了常規三軸壓縮試驗，分別研究了3種巖樣在三向應力狀態下的力學特性，并進行了對比分析，為礦山的實際工程提供了參考依據。

1 試驗概況

1.1 試驗設備

試驗在長春科新試驗設備有限公司生產的SAM- 2000型微機控制巖石三軸試驗機上進行(如圖1所示)，主機采用整體式框架結構，其框架剛度優于1.0×1010N/m，具有剛度大、響應頻率快的特點，能夠完全滿足巖石三軸試驗要求。試驗機采用先進的全數字測控技術，可以實時記錄軸向力、軸應力、軸應變、徑應變、軸變形、徑變形、位移值，并同步繪制軸應力- 軸應變、軸應力- 徑應變曲線等，為此次3種巖樣力學特征的研究，提供了可靠的試驗數據。

圖1 SAM- 2000型微機控制巖石三軸試驗機

1.2 巖樣制備

試驗的試樣取自眼前山鐵礦：

(1)磁鐵石英巖，zk09鉆孔，-303 m水平；

(2)綠泥千枚巖，zk08鉆孔，-303 m水平；

(3)混合巖，zk01鉆孔，-123 m水平。

試樣均按照實驗室巖樣制備流程進行加工，經過切割、打磨等過程，制備成符合試驗的圓柱形試樣，試樣的高度和直徑比均為2∶1，平行度控制在0.02 mm以內。

試驗前對符合標準的巖樣進行48小時以上的清水浸泡，精確測量試樣的高度和直徑，稱重并編號，計算試樣的飽和密度。磁鐵石英巖的飽和密度范圍3.34～3.65 g/cm3之間，其平均密度為3.55 g/cm3；綠泥千枚巖的飽和密度范圍2.71～2.81 g/cm3，其平均密度為2.76 g/cm3；混合巖的飽和密度范圍2.63～2.68 g/cm3，其平均密度為2.66 g/cm3。

1.3 試驗方案

三軸壓縮試驗圍壓水平分別為5、7.5、10、12.5、15、17.5和20 MPa，每組圍壓下進行2次重復試驗。其主要試驗過程為：

(1)將試件居中置于上下兩個剛性墊塊之間，用熱縮管對其進行密封處理，防止試驗過程中液壓油浸入巖樣，影響試驗結果。

(2)在把試件放入壓力室，連接軸向和徑向引伸計并進行聯機調試，確認連接無誤后，壓力室下降歸位后進行充油。

(3)充油完畢后首先采用先位移控制、應力監控的方式加載到3 MPa的預加荷載下，待預加載荷穩定后以0.5 MPa的速率加載圍壓至預加值，而后切換為巖石1控制、巖石1監控的方式進行加載直至試件破壞，加載速率為0.01 mm/min。

2 試驗結果分析

2.1 回歸診斷與改進模型

巖石是非均勻且各向異性的，巖石三軸壓縮強度的離散性較大，需應用概率統計分析方法判斷異常點進行剔除處理[6-7]。

磁鐵石英巖試驗巖樣數11塊，圍壓范圍為5.0～20 MPa，巖樣的最小抗壓強度為96.12 MPa，最大為317.41 MPa，在17.5 MPa和20 MPa圍壓下的三軸抗壓強度離散性較大；綠泥千枚巖試驗巖樣10塊，圍壓范圍為5.0～17.5 MPa，巖樣的最小抗壓強度為41.52 MPa，最大為圍壓15 MPa下的140.94 MPa，在12.5 MPa和15 MPa圍壓下的離散性較大；混合巖試驗巖樣12塊，圍壓范圍為5.0～20 MPa，巖樣的最小抗壓強度為39.16 MPa，最大為156.33 MPa，在12.5 MPa和17.5 MPa圍壓下的離散性較大。

在應用原始散點進行初步回歸計算后,應進行回歸診斷，即通過計算標準化殘差、學生化殘差、杠桿值、cook距離、Covratio統計量、Dffits統計量等手段，查找異常點(離群點)和強影響點，取舍后重新回歸，建立改進后的模型。

通過回歸診斷建立改進后的模型圖，與原始散點回歸圖對比分析，刪除異常點(離群點)后最大主應力與最小主應力之間的擬合程度更好。

表1 巖石強度參數表

圖2 磁鐵石英巖原始散點數據回歸模型

圖3 磁鐵石英巖回歸診斷改進后模型

圖4 綠泥千枚巖原始散點數據回歸模型

圖5 綠泥千枚巖回歸診斷改進后模型

圖6 混合巖原始散點數據回歸模型

圖7 混合巖回歸診斷改進后模型

2.2 破壞特征分析

不同巖性巖樣在三軸壓縮下的破壞形態可能不盡相同，選取具有代表性破壞形態的巖樣進行分析，如圖6～圖8所示。

圖8 磁鐵石英巖三軸壓縮下的破壞形態

圖9 綠泥千枚巖三軸壓縮下的破壞形態

圖10 混合巖三軸壓縮下的破壞形態

磁鐵石英巖在三軸壓縮作用下破壞形式主要表現為劈裂破壞，巖樣破壞后存在一條近似垂直貫通巖樣的劈裂破壞面，將巖樣大致分為左右兩個椎體部分，劈裂破壞面與最大主應力面的夾角基本呈平行狀態；隨著圍壓的增加，其劈裂裂紋明顯增加。

綠泥千枚巖的破壞形式主要表現為剪切破壞，破壞后的巖樣存在一條斜貫穿巖樣整體的主控剪切面，將巖樣分為上下兩個部分，在低圍壓下，主斷裂面明顯，隨著圍壓的增加，其主剪切面周圍開始出現多條細小的破裂裂紋。

混合巖在低圍壓下試樣破壞形態與綠泥千枚巖相似，表現為單斜面的剪切破壞，隨著圍壓的增加，試樣斷裂面周圍有明顯的碎片脫落。

從3種巖樣的破壞形態不難看出，巖樣破壞后呈現微鼓狀，產生了明顯的體積擴容現象；不同圍壓下，巖樣的破壞形式基本保持一致，但破壞的程度不盡相同，這是因為巖樣內部隨機分布的裂隙缺陷或摩擦因素等影響，導致巖樣在壓縮時沿著裂隙缺陷面發生滑移，進而形成宏觀破裂面。

3 結論

(1)三軸壓縮試驗圍壓對抗壓強度的影響，3種性質的巖石強度均表現出圍壓效應，即都隨著圍壓的增加而增加，但因巖石性質不同，增加的幅度不同。

(2)巖樣峰值強度與圍壓具有較好的線性增長關系，且均符合Coulomb強度準則，求得了磁鐵石英巖、綠泥千枚巖以及混合巖的黏聚力分別為14.02 MPa、8.68 MPa和10.20 MPa，內摩擦角為48.63°、41.48°和26.72°。

(3)磁鐵石英巖在三軸壓縮下的破壞形式主要表現為劈裂破壞，綠泥千枚巖和混合巖則發生剪切破壞，不同圍壓下，巖樣的破壞形式基本保持一致，但破壞的程度不盡相同，隨著圍壓的增加，巖樣的劈裂裂紋和剪切裂紋數目都在增多。