某铜钼矿岩体崩解特性实验研究

朱利平

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

崩解性是指含有粘土矿物的岩石由于浸水而发生的解体现象，该特性是岩石水理性的重要特征之一。其原因是由于水进入岩体孔隙的情况不平衡，以致颗粒间的相斥力大于吸附力， 从而使颗粒沿着吸附力最小的方向崩落下来。 崩解的速度与形式能反映岩石的水理性及抗风化性， 也是快速判断岩石是否具有膨胀和软化性的简捷方法。

矿岩的崩解形式多种多样， 有的呈均匀的碎屑状，有的呈粉泥状、破块状或颗粒状[1]。崩解性的存在主要取决于矿物组分、粒度组成及胶结形式，也与风化程度、裂隙结构相关，可根据直接观察到的矿岩浸水破坏方式、崩解物形态、速度和矿岩的膨胀性对崩解形式加以简易判别。 崩解试验是通过测定具有原状结构的岩石在水中的崩解速度，鉴别岩石胶结程度和膨胀性能强弱的方法。对不同矿岩样品（风干或烘干）进行崩解试验十分必要。为能真实地反映某矿区围岩的崩解特性及崩解程度的差异，本文采用专用耐崩解仪测取原岩的耐崩解指数[2]。

1 耐崩解指数试验

该试验是用来评估岩石在经过干燥和湿润两个标准循环之后试件残留质量与原质量之比， 以反映岩石样品对软化和崩解作用所表现出来的抵抗能力[3]。本次试验分别进行钼矿主要围岩的蚀变花岗斑岩（A）、致密的花岗斑岩（B）、铜矿主要围岩的蚀变角岩（C）3 组试样试验。

1.1 仪器设备

1）保持温度为105～110 ℃的自动控制电热恒温烘箱或沸水烘箱、 红外烘箱、 微波炉等其他能源烘箱；2）专用耐崩解仪；3）称量5 kg、最小分度值为g的天平。

1.2 操作步骤

1）首先将试样制成每块质量为40～60 g 的浑圆形岩块，每组试验试样数量为10 块。

2）将试样放入105～110 ℃的烘箱中烘干6～8 h后，称其初始质量。

3）将烘干后的岩石试件放入带有筛孔的转筒内。待转筒进入水槽中，并以20 r/min 的速度旋转10 min后，将试件烘干至质量稳定并测取其质量，然后再进行下一次循环。

4）第n个循环后，转筒内所剩试样烘干后的质量与原试件总质量之比，即为耐崩解指数，表示为：

式中：Idn为n个标准循环后的岩石耐崩解指数，100%；Mn为第n个标准循环后试验筒内残留岩样的干燥质量，g；M为试件总的干燥质量，g。

试样崩解过程见图1，试样崩解前后对比如图2所示。

图1 崩解仪器

图2 试样崩解前后对比

2 试验结果及分析

试验数据记录如表1 所示。

表1 矿岩耐崩解指数试验结果

由表1 中试验数据可以看出， 崩解试验两次循环后，各岩样的耐崩解指数基本达到稳定，A、B 试样崩解指数很小，其中B 试样几乎不崩解，C 试样的崩解比较强烈。由试验过程也可以看出，C 试样由大块崩解为颗粒状，其它两组试样基本不崩解。

由崩解试验结果可知，C 试样所代表的岩石在地下水的作用下，强烈崩解，巷道将会发生垮塌；A试样所代表的岩石遇水崩解性一般，但崩解为片状，强度也有所降低，具体降低多少，需要做软化性实验进一步判断。B 试样完全不崩解，水对B 试样的影响也需要进一步的软化性判断。

3 岩体破坏机理

由试验结果可知， 矿山需要支护的部分是作为钼矿主要围岩的蚀变花岗斑岩以及作为铜矿主要围岩的蚀变角岩，即为实验室试验的A、C 试样。 B 试样为致密的花岗斑岩，具有致密、高强度的特性，不需要额外支护即能达到自稳。 巷道支护的变形破坏主要发生在A、C 试样所代表的蚀变角岩、 蚀变花岗斑岩地段。 巷道变形破坏的机理研究主要是对A、C 试样的水理特性的研究。

根据对蚀变花岗斑岩、蚀变角岩的崩解、软化、膨胀等水理性试验，深入分析其破坏机理。对于巷道的变形破坏机理， 一方面是由于围岩自身含有的粘土矿物，因此它的变形机理与它的水理性质有关；另一方面，围岩其自身抗压强度降低后，在地应力作用下所表现出的碎胀变形机制也是重要的因素[4-5]，具体原因可分为以下三部分：

1）蚀变花岗斑岩、蚀变角岩显著的软化特性、易崩解特性及巷道所处的物理环境对巷道的变形破坏机理起决定性作用。蚀变花岗斑岩、蚀变角岩吸水软化，在风化作用以及经历失水—吸水循环的情况下，使围岩的抗压强度显著降低。在地应力的影响下，围岩发生明显的破碎。 岩体易风化及遇水崩解泥化是岩体强度低的根本原因。

2）岩石粘土矿物对巷道的变形破坏起控制性作用， 围岩中的膨胀矿物是加速围岩变形和增加变形量的内在因素。研究表明，含粘土质矿物越多的岩样，其膨胀率越大。 岩石在膨胀过程中产生巨大的膨胀压力，该膨胀压力与地应力共同作用于支护体，最终导致支护体被破坏，巷道失稳。岩体膨胀压力是引起钢拱架变形的主要应力来源， 构造应力对巷道稳定性也具有重要影响。

3）地下水的影响。该矿距离地表近，地处南方多雨地区， 矿床充水类型属产于裂隙岩层中水文地质条件简单—中等复杂类型， 丰富的地下水对围岩膨胀、崩解软化起到了促进作用，属于外在因素。

4 结论

结合现场矿体调查及系列耐崩解指数试验，并基于现有理论知识，得出以下结论：

1）作为铜矿主要围岩的蚀变角岩耐崩解指数小，强烈崩解，巷道发生垮塌，需要支护；作为钼矿主要围岩的蚀变花岗斑岩遇水崩解性一般， 但崩解为片状，强度有所降低，需要支护；致密的花岗斑岩耐崩解指数超过99%，具有致密、高强度的特性，不需要额外支护即能达到自稳。

2）蚀变花岗斑岩、蚀变角岩在干燥—浸水循环的环境下具有易崩解、软化的显著工程地质特性，岩石的耐崩解指数位于16．41%～98．48%之间，经过四次干燥—浸水循环后，蚀变花岗斑岩完全丧失强度，蚀变角岩强度大大降低，致密花岗斑岩强度基本不变化。

3）蚀变花岗斑岩、蚀变角岩含有粘土矿物和膨胀性矿物成分， 吸水后膨胀产生膨胀压力和地应力作用，使巷道产生变形破坏，围岩在经历风化—吸水循环后抗压强度大大降低， 在地应力的作用下围岩发生破坏。