張 毅 汪 崛 劉 斌 李貞芳

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;2.深部巖石力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

1 實(shí)驗(yàn)概述

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

矽卡巖的力學(xué)特性，包括單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

矽卡巖的力學(xué)試驗(yàn)是在WPM25KN 的德國材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。試樣的單軸抗壓強(qiáng)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。測試設(shè)備有采集速度為0.1 m/s 的高速計算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、MDG動態(tài)電阻應(yīng)變儀、KC 型靜態(tài)電阻應(yīng)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(xué)特性實(shí)驗(yàn)按ISRM 實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)按照巴西劈裂實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，按軸向變形0.002 mm/s 的速率加載，每個實(shí)驗(yàn)用3 組試件進(jìn)行。

1.3 試件制備

本試驗(yàn)所用試樣取自中關(guān)鐵礦，采樣時現(xiàn)場鉆孔取芯成型困難，故在現(xiàn)場采集力學(xué)性質(zhì)均勻、塊度適中的完整塊狀試樣，帶回實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)一步制作加工成標(biāo)準(zhǔn)試件。采樣方法按照GB/T 23561.1—2009 煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法第一部分:采樣基本規(guī)定執(zhí)行。按照巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用φ50 mm× 100 mm 的圓柱試件，抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用φ50 mm×25 mm 的圓柱試件。矽卡巖試件制備見圖1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

將矽卡巖試件放在實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，直至試件破壞，試件的應(yīng)變通過引伸計監(jiān)測。部分試件單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)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(yīng)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(qū)之一，不僅礦石品位高，而且儲量也很可觀［4］。中關(guān)鐵礦是邢臺地區(qū)一所較大型的矽卡巖型鐵礦床，其礦體形態(tài)復(fù)雜，涌水量大，其力學(xué)特性與圍巖的支護(hù)及采場參數(shù)設(shè)計緊密相關(guān)［5-9］。在建井期間和生產(chǎn)期中關(guān)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(hù)參數(shù)設(shè)計、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及施工安全，有必要研究該型巖石的力學(xué)特性，有利于為礦井安全高效開采提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文擬通過對中關(guān)鐵礦現(xiàn)場取樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室基本力學(xué)特性測試，對該礦的矽卡巖礦體進(jìn)行力學(xué)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(qiáng)度實(shí)驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

從圖2 中部分矽卡巖試件單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以看出，在實(shí)驗(yàn)機(jī)逐漸加載的過程中，軸向應(yīng)變和縱向應(yīng)變同時增加。在剛開始加載時，左側(cè)曲線變化較陡，表示同一加載過程，縱應(yīng)變變化較快。但縱向變形達(dá)到一定值后左側(cè)曲線明顯變緩，表示橫向變形開始顯著增大，而且應(yīng)力開始下降，試件發(fā)生破壞。圖2 右側(cè)曲線代表著單軸壓縮狀態(tài)下矽卡巖應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^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(jié)構(gòu)變得更加密實(shí);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(nèi)部有新的裂隙產(chǎn)生，曲線向下彎曲;第4 階段為破壞階段，荷載達(dá)到矽卡巖的峰值強(qiáng)度，試件開始破壞。通過單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)可得出矽卡巖的單軸抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 矽卡巖單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如果按照巖石單軸抗壓強(qiáng)度對矽卡巖進(jìn)行分類，矽卡巖單軸抗壓強(qiáng)度為60 MPa，故矽卡巖應(yīng)屬次堅巖。

2.2 抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用巴西劈裂法，將矽卡巖試件放在實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，直至試件破壞。記錄加載過程中的應(yīng)力位移曲線，部分矽卡巖抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖3 所示。

圖3 部分矽卡巖抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)軸向應(yīng)力與軸向變形曲線

從圖3 中矽卡巖軸向應(yīng)力與軸向變形曲線可以看出，實(shí)驗(yàn)機(jī)不斷加載過程中，矽卡巖的軸向變形不斷增大，直至荷載達(dá)到矽卡巖的極限破壞值，試件發(fā)生破壞，強(qiáng)度瞬間急劇下降。矽卡巖抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 矽卡巖抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一般而言，巖石抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值在8 左右，由矽卡巖單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，矽卡巖抗壓強(qiáng)度為60 MPa，而抗拉強(qiáng)度為7.9 MPa，兩者比值為7.59，接近8，說明測試結(jié)果可靠。

2.3 三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

對矽卡巖試件進(jìn)行三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測定在不同圍壓條件下矽卡巖的三軸抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)機(jī)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(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4 所示。

圖4 矽卡巖三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線

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

表3 矽卡巖三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

中關(guān)鐵礦矽卡巖試件天然情況下抗壓強(qiáng)度約為60 MPa，矽卡巖在進(jìn)行加載試驗(yàn)過程中的軸向變形不斷增大，試件發(fā)生破壞，強(qiáng)度瞬間急劇下降，并且矽卡巖存在孤島狀物質(zhì)、大量孔隙，加之礦井涌水現(xiàn)象明顯，在實(shí)際巷道工程中易出現(xiàn)頂板冒落或巖柱失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 結(jié)語

通過對矽卡巖的實(shí)驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論:

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，矽卡巖單軸抗壓強(qiáng)度為60 MPa，它屬次堅巖，抗拉強(qiáng)度為7.9 MPa，彈性模量為0.23 GPa，泊松比為0.19。2)矽卡巖內(nèi)摩擦角為31°，粘聚力為6.6 MPa，強(qiáng)度公式為Τ=0.6σ+6.6。3)該礦矽卡巖在加載過程中強(qiáng)度瞬間急劇下降，且存在孤島狀物質(zhì)和大量孔隙，在實(shí)際巷道工程中易出現(xiàn)頂板冒落或巖柱失穩(wěn)現(xiàn)象。

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