某钨矿裂隙岩石力学性能分析

张树标

（赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000）

某钨矿裂隙岩石力学性能分析

张树标

（赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000）

为分析裂隙对某钨矿岩石力学性能的影响，以同一区域的完整变质砂岩和含裂隙变质砂岩为研究对象，进行单轴抗压试验、单轴压缩变形试验和抗拉试验。试验结果表明：与完整变质砂岩相比，裂隙变质砂岩的各项力学性能指标均出现了大幅度下降，其中，抗压强度下降70%，抗拉强度下降50%，而试件抗压和抗拉破坏形式显示裂隙诱导甚至控制岩石的破坏。根据大幅下降的各项力学指标，矿山应在岩石裂隙发育区域做好地压控制措施，严防裂隙贯通扩张引起岩体局部破坏，必要时实施超前支护。

裂隙；变质砂岩；力学性能；裂隙效应

0 引言

岩石是一种天然矿物集合体，受成岩条件控制和地质营力作用，存在节理、微裂纹等结构面[1-3]。众多研究表明，结构面的存在不但降低岩体强度，甚至控制岩体的破坏方式[4-7]。

赣南享有“世界钨都”美誉，聚集了大吉山、漂塘、盘古山、淘锡坑等大小数十座钨矿山，矿床形成与燕山期花岗质岩浆活动密切相关，多产于花岗岩体上部内、外接触带，呈“五层楼”状，矿床地质构造复杂，原生结构面和次生结构面发育[8-11]，采矿工艺受扰。为此，以某钨矿山变质砂岩为研究对象，分析裂隙对岩石力学性能的影响，以期为赣南钨矿开采及地压控制提供理论指导。

1 试验内容及方法

试验所用的岩石为变质砂岩，取自某钨矿矿区同一区域变质砂岩，分完整变质砂岩岩块和含裂隙变质砂岩岩块。

1.1 单轴抗压强度试验和单轴压缩变形试验

严格按照《工程岩体试验方法标准》（GB/ T50266—2013）要求进行试验[12]，将岩样加工成直径50 mm×100 mm的圆柱体试件，在WI-100型万能材料试验机上进行试验。单轴压缩变形试验与单轴抗压强度试验同时进行，为获取弹性模量、泊松比等力学参数，在试件对称侧面的中部分别贴上横向、纵向应变片各两片，辅以YJ-35型电阻应变仪进行测定。将试件置于试验机承压板中心位置，调整球形座，使试件受力均匀，以0.5～1.0 MPa/s的速度加载，逐级测读荷载与应变值，直至试件破坏，记录破坏荷载，并绘制σ-ε关系曲线及体积变形曲线。

1.2 抗拉强度试验

严格按照《工程岩体试验方法标准》（GB/ T50266—2013）要求进行试验[12]，将岩样加工成直径50 mm×50 mm的圆柱体试件，在WJ-10A型万能材料试验机上进行劈裂试验。将试件平置于试验机承压板中心，在试件与承压板之间插入垫条（合金丝），垫条与试件在同一加荷轴线上，调整球形座，使试件均匀受力，以0.3～0.5 MPa/s的加载速度加载，直至试件产生劈裂破坏，记录破坏荷载。劈裂拉伸试验示意见图1。

图1 劈裂拉伸试验示意Fig.1 Schematic diagram for splitting tensile tests

2 试验结果与分析

2.1 单轴抗压强度试验和单轴压缩变形试验

单轴抗压强度和单轴压缩变形试验结果见表1。

表1 单轴抗压力学指标Tab.1 Mechanical indexes for uni-axial stress resistance

试验结果表明：（1）与完整变质砂岩比较，含裂隙变质砂岩的抗压强度严重下降，仅为完整变质砂岩的30%左右，弹性模量也出现较大幅度下降，而泊松比出现小幅度增加。（2）由于裂隙弱面的存在，在荷载作用下，当剪应力超过弱面的抗剪强度时，裂隙试件产生滑移，沿着弱面产生剪切破坏。

2.2 抗拉强度试验

抗拉强度试验结果见表2。

表2 抗拉力学指标Tab.2 Mechanical indexes for tensile resistance

试验结果表明：（1）完整变质砂岩属于坚硬脆性岩石（脆性度为26），含裂隙变质砂岩因裂隙影响，抗拉强度下降50%左右，脆性度降低40%左右。（2）劈裂试验时，裂隙试件均沿裂隙破坏；完整试件沿直径破坏。

3 应力-应变特征分析

3.1 完整变质砂岩变形特征

完整变质砂岩应力-应变曲线见图2。

图2 完整变质砂岩应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of complete metamorphic sandstone

从图2可以总结出完整变质砂岩变形的特征。即试件从加压开始到破坏可以分成五个阶段，微裂隙压密阶段、线弹性阶段、破坏稳定发展阶段、破坏不稳定发展阶段及破坏阶段。见σ-ε关系曲线上的O、A、B、C、D各点。

第Ⅰ阶段为微裂隙压密阶段（O-A段）：在低应力范围内，由于岩石原生构造中的微裂隙受到初始压应力的作用，原生微裂隙闭合，试件有较明显的变形，卸载后留有较明显的残余变形。

第Ⅱ阶段为线弹性阶段（A-B段）。随着应力的增加，应力-应变关系曲线基本上呈线性，卸载后残余变形很小或等于零。

第Ⅲ阶段为破坏稳定发展阶段（B-C段）。应力继续增加，应力-应变关系曲线开始变化，线性关系较差，卸载后残余变形较明显。试件内部构造开始破坏，在这区段内，停止加载，可以保持稳定，破坏不会继续扩展。

第Ⅳ阶段为破坏不稳定发展阶段（C-D段）。当应力再继续增大，便出现不规则变形，纵向变形和横向变形常有异常情况出现，并有破裂声响。在σ-ε曲线图上出现体积应变由压缩开始膨胀，试件开始可见裂隙，卸载后有很大的残余应变，有时可达70%的残余变形。

第Ⅴ阶段为破坏阶段（D点后）。当应力达到极限时，应力突然下降或应力上下波动，然后突然释放，发出爆炸声，并有强烈的振动，此时试件完全破坏，时间极为短暂。

3.2 裂隙变质砂岩破坏特征及裂隙效应

裂隙变质砂岩应力-应变曲线见图3。

图3 裂隙变质砂岩应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of cracked metamorphic sandstone

与完整变质砂岩相比，裂隙变质砂岩的破坏过程和力学特性具有较明显的差异，这些差异称之为岩石的裂隙效应。从图3可知裂隙变质砂岩变形特征。

（1）开始加压时出现体积膨胀，横向应变很大，随应力增加后才开始出现裂隙压密。因此，矿山初始开挖后，应注意观测临空面岩体的破坏情况，严防应力分布变化引起岩体变形乃至破坏，必要时应实施支护。

（2）线弹性范围大大缩小，约3~5倍，泊松比变化较大。

（3）试件卸载后，各区段均有残余应变，特别是在B-C段的残余应变量要比完整试件大10～20倍，C-D段的残余应变量可达700 με以上。

（4）当试件达到极限强度时，没有出现猛烈破坏现象，大部分试件沿原有裂隙面产生张裂或剪切破坏，特别是与加压方向平行和斜交的裂隙，几乎控制着试件的破坏，而垂直加压方向的裂隙，则起着诱导破坏作用。

4 岩石破坏形态分析

裂隙变质砂岩的破坏形式往往是沿着各种裂隙结构面剪切滑移或张裂破坏，此类岩石的强度一般都比较低，如完整变质砂岩的抗压强度达158.7 MPa，含裂隙变质砂岩的抗压强度仅有50.7 MPa。完整变质砂岩的破坏受岩石结构构造、夕化程度等因素的影响，破坏类型不一样，完整变质砂岩具有坚硬、脆性岩石破坏的特点，破坏过程突然而猛烈，破坏时发出猛烈的爆声，碎石到处飞溅，并有很大的震动和响声，破坏后有明显的Y形锥体或拉伸破坏面，此类岩石基本属于张裂破坏或拉伸破坏。在单轴压缩破坏后裂隙变质砂岩试样照片见图4。

图4 裂隙变质砂岩在单轴压缩破坏后试样照片Fig.4 Photo of fractured metamorphic sandstone after uni-axial compressive test

抗压和抗拉试验均表明，裂隙对岩石的力学特性影响很大，并控制着岩体的破坏方式，因此，在裂隙发育的区域，矿山应做好地压控制措施，防止裂隙贯通扩张引起岩体局部破坏，必要时实施超前支护。

5 结论

通过完整和含裂隙变质砂岩的单轴抗压试验、单轴压缩变形试验和抗拉试验，研究和分析了裂隙对某钨矿岩石力学性能的影响，得出以下结论：

（1）在单轴压缩变形试验过程中，完整变质砂岩应力-应变关系曲线接近线性，呈脆性岩体特征；在单轴压力下，裂隙变质砂岩沿裂隙弱面剪切破坏；抗拉强度试验，裂隙变质砂岩沿裂隙面破坏，完整变质砂岩沿直径破坏。

（2）与完整变质砂岩相比，裂隙变质砂岩的各项力学指标均出现了大幅下降。裂隙诱导和控制岩石的破坏，在裂隙发育的矿带，矿山应做好地压控制措施，严防在裂隙影响下，出现大面积坍塌事件，必要时实施超前支护。

（3）试件开始加压时，裂隙变质砂岩出现体积膨胀，横向应变很大，矿山初始开挖后，应注意观测临空面岩体的破坏情况，严防应力分布变化引起岩体变形乃至破坏，必要时应实施支护。

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Analysis on the Mechanical Properties of Cracked Rock in a Tungsten Ore

ZHANG Shu-biao
(Ganzhou Research Institute of Nonferrous Metallurgy,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

To analyze the effects of cracks on rock mechanics properties of a tungsten mine,uni-axial compression test,uni-axial compression deformation test and tensile test were performed on the complete metamorphic sandstone and cracked metamorphic sandstone from the same area.Results show that the mechanical properties of cracked sandstone were demonstrated to be with a decreased tendency,in comparison with the complete metamorphic sandstone.The compressive strength decreased by 70%,while the tensile strength decreased by 50%.The rock samples under compressive and tensile failure mode displayed that the fracture induced or even controlled the damage of rocks.Considering the substantial decreased mechanical indexes,ground control measures should be taken in the fractured rock region to prevent crack coalescence expansion.Rock-support should also be performed if it deemed necessary.

crack;metamorphic sandstones;mechanical properties;crack effect

TD323

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2015.06.001

2015-08-21

张树标（1964-），男，江西进贤人，高级工程师，主要从事采矿工艺和地压控制研究工作。