玲瓏金礦花崗巖巖爆傾向性的實(shí)驗(yàn)研究

劉潤田 張雪楣 劉吉興

(山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司，山東煙臺 264000)

0 引言

山東黃金集團(tuán)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(jīng)過半個多世紀(jì)的規(guī)模開采，礦山資源已近枯竭，已列入國家資源危機(jī)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(fā)現(xiàn)了新的資源，使礦山重?zé)ㄉ鷻C(jī)，礦山目前已進(jìn)入深部開采，開采深度超過1 000 m。礦山前期巖石力學(xué)研究表明，該礦屬于高地應(yīng)力地區(qū)，隨著礦區(qū)開采深度增加，礦區(qū)地應(yīng)力明顯增強(qiáng)，受地應(yīng)力影響和開采過程中的二次應(yīng)力場改變的影響，井下巖石應(yīng)力發(fā)生集中，巖爆事故時(shí)有發(fā)生，這些已經(jīng)嚴(yán)重威脅到井下工人作業(yè)的安全與資源、財(cái)產(chǎn)損失，進(jìn)而影響到礦山生產(chǎn)效能的提高與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，有必要開展玲瓏金礦深部花崗巖的力學(xué)特性研究，建立相應(yīng)的巖爆傾向性判別指標(biāo)，對其巖爆傾向性進(jìn)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(xué)實(shí)驗(yàn)

目前的研究表明，發(fā)生巖爆的條件有:1)巖體中有較高的地應(yīng)力，且其大小超過巖石本身的強(qiáng)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(qiáng)大的能量使巖體破壞，并將破碎巖石拋出?，F(xiàn)有的巖爆傾向性研究均以巖石基本物理力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場地應(yīng)力及巖石所受的應(yīng)力水平等因素來評判發(fā)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(shí)驗(yàn)、劈裂拉伸實(shí)驗(yàn)和單軸加卸載實(shí)驗(yàn)，得到巖石基本物理力學(xué)參數(shù)。

1.1 實(shí)驗(yàn)方案及過程

實(shí)驗(yàn)所用的巖石試樣采自玲瓏金礦西山坑口－50 m中段，在實(shí)驗(yàn)室用取芯機(jī)、切割機(jī)和磨石機(jī)將巖石加工成標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)實(shí)驗(yàn)試樣后，用SANS-CHT4605型液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和劈裂拉伸實(shí)驗(yàn)。

巖石的壓縮實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行:其中一組試樣在試驗(yàn)機(jī)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(yīng)力應(yīng)變曲線，并且計(jì)算得出其單軸抗壓強(qiáng)度;另一組試樣在試驗(yàn)機(jī)上以恒定0.3 mm/min的位移加載速率加載至單軸壓縮強(qiáng)度的80%～90%，然后以120 kN/min的速率進(jìn)行卸載，試樣并不壓壞，這樣可以得到試樣的加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線。

巖石的抗拉實(shí)驗(yàn)采用間接的巴西劈裂法進(jìn)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在試件的兩端側(cè)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(shí)驗(yàn)對象為較硬的花崗巖，應(yīng)選用直徑為1 mm的鋼絲為墊條;將試件置于試驗(yàn)機(jī)承壓板中心，調(diào)整球形座，使時(shí)間均勻受力，作用力通過兩墊條所確定的平面，加載速率設(shè)置為0.2 MPa/s，直至試件破壞。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照上述實(shí)驗(yàn)方案，對玲瓏花崗巖進(jìn)行了常規(guī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，典型的單軸壓縮破壞荷載位移曲線如圖1所示，加卸載應(yīng)力應(yīng)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(xué)參數(shù)結(jié)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 劈裂拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 玲瓏金礦花崗巖巖爆傾向性評價(jià)

2.1 評價(jià)指標(biāo)的建立

巖爆傾向性預(yù)測是防治巖爆災(zāi)害的基礎(chǔ)，根據(jù)預(yù)測結(jié)果及時(shí)進(jìn)行巖石工程的反饋設(shè)計(jì)，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(shí)用價(jià)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(biāo)為基礎(chǔ)的指標(biāo)評判法和以統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方法為基礎(chǔ)的綜合評判方法。本文采用三種單一指標(biāo)法對玲瓏金礦花崗巖的巖爆傾向性進(jìn)行評價(jià)。

1)巖石脆性系數(shù)法。

用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比來表示巖石的脆性系數(shù)B，判別指標(biāo)準(zhǔn)則見表3，其計(jì)算式為:

2)巖石彈性變形能指標(biāo)Wet。

彈性能量指標(biāo)通過對巖石試塊進(jìn)行單軸壓縮加載和卸載實(shí)驗(yàn)確定。該指標(biāo)的值這樣確定:在實(shí)驗(yàn)室對巖樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，取應(yīng)力為巖石強(qiáng)度的80%～90%時(shí)記錄的應(yīng)力應(yīng)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(shù)Wet，其計(jì)算公式為:

其中，Ee為彈性變形能;Ep為塑性變形能。Kidybinski根據(jù)波蘭煤巖的試驗(yàn)結(jié)果，給出了Wet的巖性臨界判別指標(biāo)，如表3所示。

3)巖石沖擊能指標(biāo)Wcf。

沖擊傾向性是產(chǎn)生巖爆的礦巖體的固有屬性，指礦巖能夠聚集彈性應(yīng)變能并在超過其本身的強(qiáng)度后突然釋放的各種物理力學(xué)性質(zhì)的總和。運(yùn)用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線來求取巖爆能量沖擊性指標(biāo)Wcf，其計(jì)算公式為:

其中，F(xiàn)1為峰值強(qiáng)度前全應(yīng)力應(yīng)變曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積;F2為峰值強(qiáng)度后全應(yīng)力應(yīng)變曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積。巖石沖擊能指標(biāo)的判別標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 巖爆傾向性判別標(biāo)準(zhǔn)

2.2 巖爆傾向性評價(jià)

由巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，玲瓏金礦花崗巖的平均抗壓強(qiáng)度為158.4 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為4.71 MPa，根據(jù)脆性系數(shù)的定義，計(jì)算得到其脆性系數(shù)為33.6，可知玲瓏金礦的花崗巖為強(qiáng)巖爆傾向性。

根據(jù)彈性變形能的定義，進(jìn)行了單軸加卸載實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算了各試件的彈性變形能指標(biāo)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(shù)為6.52，其判定結(jié)果為強(qiáng)巖爆傾向性。

從巖石的單軸壓縮破壞全應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以計(jì)算得到巖石的沖擊能指數(shù)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(shù)為2.99，其判定結(jié)果為中等～強(qiáng)巖爆傾向性。

圖5 彈性變形能指數(shù)Wet的計(jì)算

圖6 巖石沖擊能指數(shù)Wcf的計(jì)算

以上三種指標(biāo)均判定玲瓏金礦花崗巖為強(qiáng)巖爆傾向性，可見玲瓏金礦花崗巖已具備了發(fā)生巖爆的內(nèi)在因素，在外界一定的應(yīng)力條件下，就有可能會引發(fā)強(qiáng)巖爆現(xiàn)象。

3 結(jié)語

1)分別采取巖石脆性系數(shù)、彈性變形能指數(shù)、巖石沖擊能指數(shù)等三種指標(biāo)對玲瓏金礦的花崗巖進(jìn)行了巖爆傾向性評價(jià)。結(jié)果表明，玲瓏金礦花崗巖為強(qiáng)巖爆傾向性巖石，已具備發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆的內(nèi)在因素。

2)巖石的巖爆傾向性評價(jià)能為深部開采巖爆的控制提供依據(jù)，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，實(shí)際工程中還應(yīng)考慮更多方面的因素。

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