某矿区岩石蠕变特性试验研究

何锦龙,袁海平

(江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州341000)

某矿是国内最大的镍生产基地,矿区位于青藏高原东北缘走廊过渡带与中朝准地台两大构造单元的复合部位,为构造运动强烈的高地应力区。矿区地层为前震旦纪中深度变质岩系,含矿超基性岩侵入大理岩、混合岩、片麻岩中,形成矿区复杂的岩石组合[1]。该矿区岩体特性通常表现为碎裂、节理裂隙发育,单块岩石强度较高,但整体强度却较低。另外,监测资料表明[2,3],该矿区地下巷道围岩应力分布具有极强的时间效应,随着时间推移,围岩应力显示出明显的阶段性 (初始来压期、应力调整期和平衡期),总体上表现出是来压快、初期压力大,此后为应力调整期,应力随时间不断增加,但增加速率降低,之后,围岩应力进入平衡期,持续时间较长。上述特征反映出围岩具有显著的流变性,显示出软岩的特征,因此有关学者视之为软岩或特殊软岩[4]。

岩石的蠕变特性是岩石类材料重要的力学特性之一,国内外学者对岩石的蠕变模型和蠕变特性进行了大量的研究[5-10],在理论与实践上取得了重大研究成果。然而,这些研究的对象主要是完整岩石,对于类似条件下软弱复杂矿岩的蠕变特性研究则相对较少。该矿是我国特大型硫化铜镍矿床,其储量丰富、矿体集中居全国之首,而地质构造发育,矿岩破碎,地应力值偏高,矿岩稳定性极差,开采难度大,亦居全国之首。因此,研究该矿山岩石力学问题,无疑会对我国矿山岩石力学理论的发展与工程经验的积累,起到积极的推动和促进作用。

1 岩石流变试验技术

岩石的压缩蠕变是指岩石试样在轴向压缩状态下,变形随时间增长而变化的力学性态。根据试验要求及实际取样情况,进行本次试验,以研究该矿区软弱复杂矿岩的流变特性及相应流变参数。

1.1 试验装置

岩石蠕变试验在流变试验室进行,采用长春朝阳公司生产的RYL-600微机控制岩石剪切流变仪。该流变仪主要用于岩石和岩石弱面的流变试验或岩石直剪、单轴压缩、岩石双向压缩等试验,主机组合门式框架结构由轴向力加载框、横向力加载框架、控制柜、吊车等部分组成。本试验用到的轴向力加载框架主要由机座、滚珠丝杠副、动横梁、固定横梁及轴向升降装置组成,并选用先进的日本松下全数字交流伺服高速系统,控制系统采用进口原装德国DOL I全数字伺服控制器

1.2 方案设计与过程控制

该矿区地应力高,矿体品位低、倾斜、厚大、碎裂,岩体节理裂隙发育,强度较低。本试验岩样即取自III矿区ZK06钻孔岩芯钻,经高精度切割、磨平,加工后的试样规格,如表1所示。试样端面平整度和侧面平整度控制在0.03 mm范围以内,试样中心线与端面的垂直度误差小于0.25°[11]。试验采用单轴压缩分级增量循环加卸载方式 (如图1)进行,各分级加载的蠕变载荷设定值 P0、初始加载速率V1及分级结束卸载速率V2如表2所示。各级荷载所持续的时间,根据试件的应变速率变化情况予以确定,即当试样的轴向变形在2d内小于0.01mm时,认为其变形基本稳定,则完全卸载,观测其滞后黏弹性恢复。当观测到24h内无滞后恢复时,再进行下一级荷载的循环,依此类推逐级进行。试样的径向变形通过千分表读数得到。

表1 加工后的试样规格

图1 分级增量循环加卸载

表2 分级加卸载控制参数

2 试验结果数据整理

试验严格按照以上设计方案和控制过程进行,由于试验数据量极大,本文仅以试样1-1为例,对试验结果进行数据整理和分析。如图2、图3分别为第一分级及整体各分级单轴压缩蠕变试验曲线,图4为第一和第五分级蠕变率曲线。

图2 第一加载分级蠕变曲线

图3 整体各加载分级蠕变曲线

图4 加载分级蠕变率曲线

由图2、图3可知,试件在各级荷载作用的瞬时轴向应变与轴向荷载大小成比例增长,进入蠕变阶段后,变形均随时间不断增长。在蠕变初期,各分级变形较明显,在轴向应力为8.88349M Pa,即载荷为20kN作用下,蠕变经过1.7592 h后,总应变值为0.0041466,蠕应变增加1.746×10-4,约为瞬时轴向应变的4.3958%,然后变形趋于稳定状态。由图4第一分级加载蠕变率曲线可明显看出这一变化过程。在该阶段,蠕变率很快衰减接近零,即保持不变,表明出并不明显的流变性能。第五分级在经过4.0329 h的蠕变快速衰减后,蠕变率保持在2.2167×10-4/h附近,蠕应变处于稳定阶段。在进行 30.0922 M Pa,即第六分级的70kN加载时,试样破坏,故在本试样的蠕变试验中未出现加速蠕变阶段情形。

3 蠕变模型分析及参数拟合

根据蠕变试验数据整理的结果,由试样1-1的ε-t曲线可知,蠕变曲线上开始有瞬时变形,然后剪应变以指数递减的速率增长,最后趋于不变速率增长,其蠕变特性与Burgers模型蠕变曲线特性较接近。Burgers蠕变模型是用来描述第三期蠕变以前的蠕变曲线的较好且简单的模型,用增加弹性单元和黏性单元的办法还可组成更复杂而合理的模型。但是,Burgers模型对实用而言已足够了[12],该模型已获得较广泛的应用[13-14]。因此,本文采用Burgers模型对试验曲线进行拟合分析,以获得该矿区矿岩的蠕变参数。应变ε(t)为:

式 (1)中,K为试样的体积模量;G1、G2、η1和η2分别为Burgers模型黏弹性常量,其物理意义和作用分别为控制迟延弹性的数量、弹性剪切模量、决定迟延弹性的速率和黏滞流动的速率。

为拟合以上五个黏弹性常量,假定在σ作用下各常量与时间无关,且满足方程 (1),则当时间t较大时应变速率为常数,蠕变曲线为一直线 (第二期蠕变曲线的渐近线),有:

式中,ε1(t)在t=0时,即为该直线延长线在纵轴上的截距。令q等于蠕变曲线与渐近线间的垂直距离,于是从几何关系中可得出:

因此,式 (3)在半对数空间也为一直线,σ、ε(t)和t为试验所采集的已知数据。在此,为方便计算,编制了Burgers蠕变试验数据处理程序,并依据ε(t)和t,可得出σ应力状态下一系列G1和η1,然后取各自的平均值,即可确定该应力条件下的 G1和η1,同理由式 (2)可得出η2。

体积应变根据测定的轴向应变ε1和侧向应变ε2计算,即 ΔV/V = ε1+2ε2,平均应力为σ/3,则

图5 Burgers蠕变模型

Burgers模型由Kelvin模型与M axwell模型串联而成,如图5所示,受轴向应力σ作用时,轴向

将所得 K取加权平均后,由式 (1)最终可得到G2的平均值。按上述步骤对岩石试样的流变力学模型进行拟合,得到岩石试样蠕变参数,详见表3。图6的散点为该矿区矿岩蠕变试验曲线,实线为理论曲线,显然,模型能较好地描述岩石的流变特性。件下,衰减蠕变后直接进入加速蠕变阶段,试样在极短时间内即可破坏。试验第六分级加载后导致试样直接破坏,说明了这一特性。

表3 试样模型拟合参数

图6 蠕变试验曲线与理论曲线

3)蠕变试验曲线与理论曲线较吻合,表明选用Burgers蠕变模型描述该矿区软弱复杂矿岩蠕变特性合理,编制的相应试验数据处理程序可行。本研究成果,将为该矿区诱导条件下贫矿大规模持续开采科学研究提供理论依据。

4 结论

本文根据试验要求及实际取样情况,对某矿区软弱复杂矿岩蠕变特性进行了分级加载试验研究,介绍了试验装置和试验技术要求,对试验数据进行了整理和分析。在对比研究的基础上,选取Burgers蠕变模型作为研究的重点,来反映岩石的蠕变特性。为方便数据的整理和模型参数的求解,编制了相应的数据处理程序,对蠕变模型参数进行了拟合和加权平均取值。本次蠕变特性试验研究成果定性描述如下:

1)试件在各级荷载作用的瞬时轴向应变与轴向荷载大小成比例增长,进入蠕变阶段后,变形均随时间不断增长。在蠕变初期,各分级变形较明显,在轴向应力为 8.88349 M Pa,即载荷为20kN作用下,蠕变经过1.7592 h后,总应变值为0.0041466,蠕应变增加1.746×10-4,约为瞬时轴向应变的4.3958%,然后变形趋于稳定状态。

2)各分级加载的蠕变变化率具有共同特点,即经历快速蠕变率衰减过程后进入稳定蠕变阶段,但蠕变稳定后各分级的蠕变率不同,蠕变应力越高,稳定的蠕变率越大。在分级加载应力为8.88349M Pa时,蠕变衰减1.7592h后进入稳定期,蠕变率接近为零,即流变性能不明显;而在分级加载应力为26.65046 M Pa时,经过4.0329 h的蠕变快速衰减后,蠕变率保持在 2.2167×10-4/h附近,具有一定流变特性。由此说明,在低应力状态下,试样表现为衰减蠕变,在中等应力状态下,表现为稳定蠕变,而在相对高应力条

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