露天礦山石材開采巖爆分析

王宇晨，張曉君

(山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

中國石材資源豐富，國內(nèi)各地區(qū)基本都有石材礦山的開采，開采的石材產(chǎn)品種類多、顏色多樣。在露天礦山石材開采過程中，部分石材出現(xiàn)炸裂，表現(xiàn)為突然的、猛烈的脆性破壞形式即巖爆現(xiàn)象，尤其在夏季開采石材時(shí)表現(xiàn)得更明顯，導(dǎo)致荒料率(石材總荒料量與礦體石材總礦石量之比)下降明顯，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，因此，開展露天礦山石材開采巖爆領(lǐng)域的研究具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。山東五蓮石材礦山開采現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 山東五蓮石材礦山

關(guān)于巖爆問題，近些年來，在破壞過程、形成機(jī)理方面取得了很大進(jìn)展。馮濤等[1]提出了巖爆發(fā)生機(jī)理的層裂屈曲模型。徐林生等[2]指出巖爆破壞有壓致拉裂、壓致剪切拉裂、彎曲鼓折等3種基本類型。何滿潮、苗金麗等[3-4]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將花崗巖巖爆的破壞形式分為顆粒彈射破壞、片狀劈裂破壞和塊狀崩落破壞。馮夏庭、陳炳瑞等[5-7]指出巖爆的發(fā)生主要是由拉裂破壞、剪切破壞、壓剪混合破壞或(和)拉剪混合破壞而引起的。張曉君等[8-10]指出巖爆破裂演化表現(xiàn)為劈裂和剪切的復(fù)合破壞形式，隨著剪切成分的增大，爆坑形狀由平底到弧形甚至三角形或V形。胡杰等[11]研究了各向異性層狀砂巖的應(yīng)變巖爆破壞特征，指出層理傾角顯著影響巖爆破壞模式。宮鳳強(qiáng)等[12]分析了深部直墻拱形隧道圍巖板裂破壞特征。劉崇巖等[13]指出孔洞的巖爆可分為平靜期、顆粒彈射期、穩(wěn)定破壞期、全面崩塌期4 個(gè)階段。

山東五蓮石材礦山冬季幾乎不巖爆，而夏季巖爆現(xiàn)象特別突出，可見溫度是露天礦山石材開采巖爆的重要影響因素。一些學(xué)者針對溫度影響因素開展了巖爆研究，徐睿[14]開展了考慮溫度效應(yīng)的巖爆真三軸試驗(yàn)，李天斌等[15]開展了熱-力作用下隧道巖爆溫度效應(yīng)的物理模型試驗(yàn)，李學(xué)成[16]、梁源凱[17]、董晉鵬[18]研究了熱力耦合作用下花崗巖熱破裂機(jī)理，目前已有的研究尚未見有關(guān)露天礦山石材開采巖爆方面的研究。

綜上，本文將特別針對山東五蓮石材，基于石材巖性和溫度因素，分析五蓮露天礦山石材開采巖爆的發(fā)生機(jī)理，為露天礦山石材巖爆機(jī)理以及工程預(yù)測預(yù)報(bào)和控制提供依據(jù)。

1 基于巖性的露天礦山石材巖爆分析

1.1 基于石材礦物成分的分析

為了更好地分析巖性，這里同時(shí)采取濟(jì)南輝長巖與五蓮石材進(jìn)行對比分析，試驗(yàn)用巖石均取自露天開采現(xiàn)場，試樣加工制作滿足試驗(yàn)要求。二者都屬于硅酸鹽類巖石，均為巖漿巖，通過采用X射線衍射儀進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)(XRD)和觀察巖石的手標(biāo)本知，濟(jì)南輝長巖是細(xì)粒結(jié)構(gòu)，礦物成分以斜長石、輝石為主，具體見表1，五蓮石材屬于花崗巖，是中粗粒結(jié)構(gòu)，以石英、鉀長石為主，具體見表2。

表1 輝長巖礦物成分含量表

表2 五蓮石材礦物成分含量表

已有的研究表明，中粗粒結(jié)構(gòu)的成因是巖漿緩慢冷卻導(dǎo)致晶體成核速率緩慢，結(jié)晶中心少，因此圍繞結(jié)晶中心生長出較大的礦物晶體，形成中粗粒結(jié)構(gòu)。同等情況下，石材顆粒粒徑越大，顆粒數(shù)量就越少，內(nèi)部破壞所需要的黏聚力就越小，顆粒致密程度就越差，破壞就越易發(fā)生，因此中粗粒結(jié)構(gòu)的石材要比細(xì)粒結(jié)構(gòu)的石材強(qiáng)度要低[18]。綜上分析可見，在相同條件下，相較于濟(jì)南輝長巖等具有細(xì)粒結(jié)構(gòu)的巖石，五蓮石材顆粒粒徑更大，強(qiáng)度更低，更易發(fā)生破壞。

根據(jù)表1、表2，這里定義石材礦物成分的均質(zhì)度mv，

(1)

式中：n為石材中所含礦物成分的種類數(shù)量；vi為石材中各礦物成分的體積占總體積的百分比。根據(jù)式(1)可得到輝長巖和五蓮石材礦物成分的均質(zhì)度分別為0.385和0.3242，總體來看其均質(zhì)度均較高，但與輝長巖相比，五蓮石材的均質(zhì)度偏低，根據(jù)已有的研究表明，礦物成分均質(zhì)度越低，熱破裂門檻值越低[19]，說明同等情況下五蓮石材更易發(fā)生熱破裂。

1.2 基于石材力學(xué)性質(zhì)的分析

針對濟(jì)南輝長巖與五蓮石材開展單軸壓縮試驗(yàn)，將采取的巖塊在鉆孔取樣機(jī)上鉆取直徑50 mm，高為100 mm的圓柱形巖樣，再通過磨石機(jī)磨平巖樣的兩個(gè)端面，形成Ф50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣。試件加工精度符合我國《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266—2013)規(guī)定的要求，即滿足試樣兩端面不平行度誤差不大于0.05 mm，端面不平整度誤差不大于0.02 mm，標(biāo)準(zhǔn)石材試樣如圖2所示。試驗(yàn)是在微機(jī)控制電液伺服巖石剛性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，以0.005 mm/min的位移速率加載至試樣破壞。

(a)五蓮花崗巖

輝長巖試樣在整個(gè)加載過程中，峰前主要處于彈性階段，進(jìn)入屈服階段后很快就達(dá)到峰值強(qiáng)度并隨之發(fā)生破壞，峰前內(nèi)部儲存的大量彈性變形能在極短時(shí)間段內(nèi)猛烈釋放，造成巖樣碎片的彈射并發(fā)出較大聲響，峰后應(yīng)力陡降，峰前峰后耗能均很小，試驗(yàn)得到輝長巖單軸抗壓強(qiáng)度平均值為220 MPa，彈性模量平均值為17 GPa，破壞具有突發(fā)性，脆性明顯，輝長巖試樣破壞情況如圖3所示。

圖3 輝長巖單軸壓縮巖樣爆裂

五蓮石材試樣在整個(gè)加載過程中，峰前基本呈現(xiàn)彈性變形，塑性變形階段不明顯，隨著壓力逐漸增大，試樣沒有宏觀裂紋產(chǎn)生，達(dá)到峰值強(qiáng)度后，強(qiáng)度開始降低并瞬間發(fā)生爆裂破壞，試樣爆裂破壞后的情況見圖4，將3個(gè)爆裂破壞后的試樣碎片進(jìn)行組合后的情況如圖5所示，可見最終破壞形式均以劈裂破壞為主，脆性程度明顯。通過單軸壓縮試驗(yàn)綜合得到五蓮石材試樣單軸抗壓強(qiáng)度為99.21 MPa，屬于堅(jiān)硬巖，彈性模量為6.743 GPa。與輝長巖試樣情況對比分析知，二者均具有巖爆傾向性，達(dá)到載荷(受力)條件均可發(fā)生巖爆，但五蓮石材的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量均遠(yuǎn)低于濟(jì)南輝長巖，因此，相比較而言，在同等情況下，五蓮石材更易于發(fā)生巖爆破壞，這與前面的基于石材礦物成分的巖爆分析結(jié)果也是一致的。

圖4 五蓮石材試樣破壞后的碎片

圖5 五蓮石材試樣破壞后的碎片組合情況

針對濟(jì)南輝長巖與五蓮石材分別開展巴西劈裂試驗(yàn)，加工制作標(biāo)準(zhǔn)圓盤試樣，采用電液伺服巖石剛性試驗(yàn)機(jī)加載，試驗(yàn)中試樣采用劈裂夾具進(jìn)行固定。濟(jì)南輝長巖試樣劈裂后的情況見圖6，可見試樣基本沿對稱軸劈裂，經(jīng)計(jì)算得到輝長巖單軸抗拉強(qiáng)度平均值為10.92 MPa。

圖6 輝長巖劈裂后的試樣

由試驗(yàn)得到五蓮石材試樣的單軸抗拉強(qiáng)度平均值為4.87 MPa，可見其抗拉強(qiáng)度非常低，試樣基本沿對稱軸劈裂，見圖7。根據(jù)試樣的單軸抗壓強(qiáng)度，得到其壓拉比為20.37。綜合其單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣破裂演化情況及應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線和壓拉比判定標(biāo)準(zhǔn)，判斷其具有強(qiáng)烈的脆性，具有強(qiáng)烈?guī)r爆傾向性，極易發(fā)生巖爆。特別需要注意的是其抗拉強(qiáng)度很低，極易發(fā)生拉破壞即劈裂巖爆，這也是五蓮石材巖爆的重要內(nèi)因。相比較而言，輝長巖巖爆則難度較大，這與前面的分析結(jié)果是一致的。

圖7 五蓮石材試樣破壞照片

2 基于熱應(yīng)力的露天礦山石材巖爆分析

已有的研究表明，在20～100 ℃區(qū)間內(nèi)的實(shí)時(shí)加溫時(shí)，花崗巖的抗拉強(qiáng)度和儲能極限將隨著溫度的升高而降低，同時(shí)花崗巖的脆性指數(shù)卻隨著溫度的升高而逐漸上升，并且上升速率隨溫度的升高而增大，將導(dǎo)致其脆性破壞越突然，釋放能量越高，巖爆現(xiàn)象更強(qiáng)烈[14-15]。夏季露天石材開采石材本身受熱溫度較高，同時(shí)受光照、環(huán)境、開采工藝等影響導(dǎo)致其溫差變化也較大，致使其表層一定范圍內(nèi)將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。

熱應(yīng)力、熱應(yīng)變計(jì)算式為

σ=Eε，

(2)

(3)

式中：σ為熱應(yīng)力；E為彈性模量；ε為熱應(yīng)變；ΔL為石材尺寸變化量；L為原尺寸；α為熱膨脹系數(shù)；t2-t1為石材溫度變化量。

當(dāng)石材內(nèi)部各點(diǎn)的熱應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，

σ≥σt，

(4)

式中σt為石材內(nèi)部顆粒間的抗拉強(qiáng)度。滿足上式條件將導(dǎo)致石材內(nèi)部產(chǎn)生熱破裂，由于五蓮石材本身具有巖爆傾向性，其對損傷的臨界敏感性很強(qiáng)，內(nèi)部熱破裂可誘發(fā)五蓮石材巖爆。當(dāng)溫差為40 ℃，熱膨脹系數(shù)α為8×10-6/℃時(shí)，可得到五蓮石材內(nèi)部的熱應(yīng)力達(dá)到2.16 MPa，由于石材表層溫差最大(區(qū)域溫度梯度dt/dx大)，而且表層抗拉強(qiáng)度更低，因此表層更易發(fā)生巖爆，這與實(shí)際情況相符。

溫度變化是石材物理風(fēng)化的一個(gè)重要條件，巖石受溫度冷熱交替變化的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生熱脹冷縮，造成表面崩裂，但這里也需要考慮一個(gè)時(shí)間問題，露天石材礦山巖爆并不是一個(gè)按年代發(fā)展的長期溫度變化影響的過程。

某一具體時(shí)刻巖石內(nèi)動態(tài)熱應(yīng)力[20]為

(5)

式中:τ為時(shí)間；d2t/dxdτ為傳熱過程中單位時(shí)間內(nèi)溫度梯度的變化率。由式(5)可見，從時(shí)間、區(qū)域角度來看，同等情況下，短時(shí)的局部的溫度變化對石材的影響很大；而五蓮石材作為一種非均質(zhì)的中粗粒結(jié)構(gòu)的花崗巖，因其內(nèi)部顆粒熱膨脹系數(shù)不同，在急劇升溫或降溫條件下均會產(chǎn)生非均勻應(yīng)力和變形，當(dāng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)易誘發(fā)石材熱破裂導(dǎo)致其發(fā)生巖爆破壞。根據(jù)前面基于石材力學(xué)性質(zhì)的巖爆分析結(jié)果知，五蓮石材抗拉強(qiáng)度非常低，因此其極易誘發(fā)熱破裂，這也是五蓮石材巖爆的重要外因。

3 結(jié)論

針對露天礦山石材開采巖爆研究的不足，分別從礦物成分、力學(xué)性質(zhì)及熱應(yīng)力等方面分析了五蓮石材巖爆機(jī)理。結(jié)論如下：

1)五蓮石材屬于花崗巖，是中粗粒結(jié)構(gòu)，比細(xì)粒結(jié)構(gòu)的石材強(qiáng)度低，同等情況下，五蓮石材更易發(fā)生破壞。

2)五蓮石材具有強(qiáng)烈的巖爆傾向性，特別值得注意的是其抗拉強(qiáng)度很低，極易發(fā)生拉破壞即劈裂巖爆，這是五蓮石材巖爆的重要內(nèi)因。

3)夏季露天開采石材本身受熱溫度較高，同時(shí)受光照、環(huán)境、開采工藝等影響導(dǎo)致其溫差變化也較大，將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。當(dāng)石材內(nèi)部各點(diǎn)的熱應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)將導(dǎo)致石材內(nèi)部產(chǎn)生熱破裂，進(jìn)而誘發(fā)石材巖爆，同等情況下，短時(shí)的局部的溫度變化對石材的影響很大，極易導(dǎo)致石材發(fā)生巖爆破壞，這也是五蓮石材巖爆的重要外因。

這里需要說明的是，本文的研究只是初步的，并未考慮地應(yīng)力的影響問題，基于熱應(yīng)力的巖爆機(jī)理、判據(jù)及控制措施等也有待進(jìn)一步深入研究。