眼前山铁矿矿岩三轴压缩力学特性研究

陈小伟， 常来山， 陈晓云， 解治宇， 李 文， 刘育明， 顾秀华

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038； 2.辽宁科技大学 矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；3.鞍钢集团矿业有限公司 眼前山分公司，辽宁 鞍山 114001；4.鞍钢集团矿业有限公司，辽宁 鞍山 114001)

矿区的开采技术条件是自然崩落采矿法关键技术研究的基础。准确、合理的崩落法采矿设计与风险预测需要建立在充分、准确的地质资料的基础之上，掌握矿体形态、规模和大小以及矿体中节理构造的分布规律是进行合理采矿设计的前提。通过现场取样和物理力学性质的测定试验，获得不同岩性岩组的物理力学参数，为后续可崩性评价和水压致裂技术研究提供基础。

国内外许多学者对不同性质的岩石展开了大量的试验，并取得了显著的研究成果。祝方才等以冬瓜山铜矿脆性岩石为研究对象，分析了不同应力路径下脆性岩石的响应特征[1]；林斌等基于岩性的不同，建立了煤系地层岩石单轴抗压强度与弹性之间的关系[2]；王志国等以帷幕体试样为研究对象，综合分析其破坏过程中的AE特性和分形特性，并揭示了其破坏机理[3]；Thomas Bruning等对超过1 000米深的花岗岩进行了一系列三轴压缩试验，确定了脆性岩石的全应力- 应变曲线及其损伤演化行为[4]；高耀辉等分析了硬岩在真三轴压缩下的力学特性，并建立了硬岩的特征应力水平与其相应的主应力之间的关系[5]。综合上述研究可知，室内三轴试验是获得岩体在三向荷载状态下力学特性的有效途径，开展三轴压缩试验下岩石破坏过程的研究对实际工程有着重要的意义。

岩样取自眼前山铁矿勘查钻孔，对磁铁石英岩、绿泥千枚岩和混合岩开展了常规三轴压缩试验，分别研究了3种岩样在三向应力状态下的力学特性，并进行了对比分析，为矿山的实际工程提供了参考依据。

1 试验概况

1.1 试验设备

试验在长春科新试验设备有限公司生产的SAM- 2000型微机控制岩石三轴试验机上进行(如图1所示)，主机采用整体式框架结构，其框架刚度优于1.0×1010N/m，具有刚度大、响应频率快的特点，能够完全满足岩石三轴试验要求。试验机采用先进的全数字测控技术，可以实时记录轴向力、轴应力、轴应变、径应变、轴变形、径变形、位移值，并同步绘制轴应力- 轴应变、轴应力- 径应变曲线等，为此次3种岩样力学特征的研究，提供了可靠的试验数据。

图1 SAM- 2000型微机控制岩石三轴试验机

1.2 岩样制备

试验的试样取自眼前山铁矿：

(1)磁铁石英岩，zk09钻孔，-303 m水平；

(2)绿泥千枚岩，zk08钻孔，-303 m水平；

(3)混合岩，zk01钻孔，-123 m水平。

试样均按照实验室岩样制备流程进行加工，经过切割、打磨等过程，制备成符合试验的圆柱形试样，试样的高度和直径比均为2∶1，平行度控制在0.02 mm以内。

试验前对符合标准的岩样进行48小时以上的清水浸泡，精确测量试样的高度和直径，称重并编号，计算试样的饱和密度。磁铁石英岩的饱和密度范围3.34～3.65 g/cm3之间，其平均密度为3.55 g/cm3；绿泥千枚岩的饱和密度范围2.71～2.81 g/cm3，其平均密度为2.76 g/cm3；混合岩的饱和密度范围2.63～2.68 g/cm3，其平均密度为2.66 g/cm3。

1.3 试验方案

三轴压缩试验围压水平分别为5、7.5、10、12.5、15、17.5和20 MPa，每组围压下进行2次重复试验。其主要试验过程为：

(1)将试件居中置于上下两个刚性垫块之间，用热缩管对其进行密封处理，防止试验过程中液压油浸入岩样，影响试验结果。

(2)在把试件放入压力室，连接轴向和径向引伸计并进行联机调试，确认连接无误后，压力室下降归位后进行充油。

(3)充油完毕后首先采用先位移控制、应力监控的方式加载到3 MPa的预加荷载下，待预加载荷稳定后以0.5 MPa的速率加载围压至预加值，而后切换为岩石1控制、岩石1监控的方式进行加载直至试件破坏，加载速率为0.01 mm/min。

2 试验结果分析

2.1 回归诊断与改进模型

岩石是非均匀且各向异性的，岩石三轴压缩强度的离散性较大，需应用概率统计分析方法判断异常点进行剔除处理[6-7]。

磁铁石英岩试验岩样数11块，围压范围为5.0～20 MPa，岩样的最小抗压强度为96.12 MPa，最大为317.41 MPa，在17.5 MPa和20 MPa围压下的三轴抗压强度离散性较大；绿泥千枚岩试验岩样10块，围压范围为5.0～17.5 MPa，岩样的最小抗压强度为41.52 MPa，最大为围压15 MPa下的140.94 MPa，在12.5 MPa和15 MPa围压下的离散性较大；混合岩试验岩样12块，围压范围为5.0～20 MPa，岩样的最小抗压强度为39.16 MPa，最大为156.33 MPa，在12.5 MPa和17.5 MPa围压下的离散性较大。

在应用原始散点进行初步回归计算后,应进行回归诊断，即通过计算标准化残差、学生化残差、杠杆值、cook距离、Covratio统计量、Dffits统计量等手段，查找异常点(离群点)和强影响点，取舍后重新回归，建立改进后的模型。

通过回归诊断建立改进后的模型图，与原始散点回归图对比分析，删除异常点(离群点)后最大主应力与最小主应力之间的拟合程度更好。

表1 岩石强度参数表

图2 磁铁石英岩原始散点数据回归模型

图3 磁铁石英岩回归诊断改进后模型

图4 绿泥千枚岩原始散点数据回归模型

图5 绿泥千枚岩回归诊断改进后模型

图6 混合岩原始散点数据回归模型

图7 混合岩回归诊断改进后模型

2.2 破坏特征分析

不同岩性岩样在三轴压缩下的破坏形态可能不尽相同，选取具有代表性破坏形态的岩样进行分析，如图6～图8所示。

图8 磁铁石英岩三轴压缩下的破坏形态

图9 绿泥千枚岩三轴压缩下的破坏形态

图10 混合岩三轴压缩下的破坏形态

磁铁石英岩在三轴压缩作用下破坏形式主要表现为劈裂破坏，岩样破坏后存在一条近似垂直贯通岩样的劈裂破坏面，将岩样大致分为左右两个椎体部分，劈裂破坏面与最大主应力面的夹角基本呈平行状态；随着围压的增加，其劈裂裂纹明显增加。

绿泥千枚岩的破坏形式主要表现为剪切破坏，破坏后的岩样存在一条斜贯穿岩样整体的主控剪切面，将岩样分为上下两个部分，在低围压下，主断裂面明显，随着围压的增加，其主剪切面周围开始出现多条细小的破裂裂纹。

混合岩在低围压下试样破坏形态与绿泥千枚岩相似，表现为单斜面的剪切破坏，随着围压的增加，试样断裂面周围有明显的碎片脱落。

从3种岩样的破坏形态不难看出，岩样破坏后呈现微鼓状，产生了明显的体积扩容现象；不同围压下，岩样的破坏形式基本保持一致，但破坏的程度不尽相同，这是因为岩样内部随机分布的裂隙缺陷或摩擦因素等影响，导致岩样在压缩时沿着裂隙缺陷面发生滑移，进而形成宏观破裂面。

3 结论

(1)三轴压缩试验围压对抗压强度的影响，3种性质的岩石强度均表现出围压效应，即都随着围压的增加而增加，但因岩石性质不同，增加的幅度不同。

(2)岩样峰值强度与围压具有较好的线性增长关系，且均符合Coulomb强度准则，求得了磁铁石英岩、绿泥千枚岩以及混合岩的黏聚力分别为14.02 MPa、8.68 MPa和10.20 MPa，内摩擦角为48.63°、41.48°和26.72°。

(3)磁铁石英岩在三轴压缩下的破坏形式主要表现为劈裂破坏，绿泥千枚岩和混合岩则发生剪切破坏，不同围压下，岩样的破坏形式基本保持一致，但破坏的程度不尽相同，随着围压的增加，岩样的劈裂裂纹和剪切裂纹数目都在增多。