露天矿山石材开采岩爆分析

王宇晨，张晓君

(山东理工大学 资源与环境工程学院，山东 淄博 255049)

中国石材资源丰富，国内各地区基本都有石材矿山的开采，开采的石材产品种类多、颜色多样。在露天矿山石材开采过程中，部分石材出现炸裂，表现为突然的、猛烈的脆性破坏形式即岩爆现象，尤其在夏季开采石材时表现得更明显，导致荒料率(石材总荒料量与矿体石材总矿石量之比)下降明显，资源浪费严重，因此，开展露天矿山石材开采岩爆领域的研究具有重大的理论和现实意义。山东五莲石材矿山开采现场情况如图1所示。

图1 山东五莲石材矿山

关于岩爆问题，近些年来，在破坏过程、形成机理方面取得了很大进展。冯涛等[1]提出了岩爆发生机理的层裂屈曲模型。徐林生等[2]指出岩爆破坏有压致拉裂、压致剪切拉裂、弯曲鼓折等3种基本类型。何满潮、苗金丽等[3-4]根据实验结果，将花岗岩岩爆的破坏形式分为颗粒弹射破坏、片状劈裂破坏和块状崩落破坏。冯夏庭、陈炳瑞等[5-7]指出岩爆的发生主要是由拉裂破坏、剪切破坏、压剪混合破坏或(和)拉剪混合破坏而引起的。张晓君等[8-10]指出岩爆破裂演化表现为劈裂和剪切的复合破坏形式，随着剪切成分的增大，爆坑形状由平底到弧形甚至三角形或V形。胡杰等[11]研究了各向异性层状砂岩的应变岩爆破坏特征，指出层理倾角显著影响岩爆破坏模式。宫凤强等[12]分析了深部直墙拱形隧道围岩板裂破坏特征。刘崇岩等[13]指出孔洞的岩爆可分为平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期4 个阶段。

山东五莲石材矿山冬季几乎不岩爆，而夏季岩爆现象特别突出，可见温度是露天矿山石材开采岩爆的重要影响因素。一些学者针对温度影响因素开展了岩爆研究，徐睿[14]开展了考虑温度效应的岩爆真三轴试验，李天斌等[15]开展了热-力作用下隧道岩爆温度效应的物理模型试验，李学成[16]、梁源凯[17]、董晋鹏[18]研究了热力耦合作用下花岗岩热破裂机理，目前已有的研究尚未见有关露天矿山石材开采岩爆方面的研究。

综上，本文将特别针对山东五莲石材，基于石材岩性和温度因素，分析五莲露天矿山石材开采岩爆的发生机理，为露天矿山石材岩爆机理以及工程预测预报和控制提供依据。

1 基于岩性的露天矿山石材岩爆分析

1.1 基于石材矿物成分的分析

为了更好地分析岩性，这里同时采取济南辉长岩与五莲石材进行对比分析，试验用岩石均取自露天开采现场，试样加工制作满足试验要求。二者都属于硅酸盐类岩石，均为岩浆岩，通过采用X射线衍射仪进行X射线衍射试验(XRD)和观察岩石的手标本知，济南辉长岩是细粒结构，矿物成分以斜长石、辉石为主，具体见表1，五莲石材属于花岗岩，是中粗粒结构，以石英、钾长石为主，具体见表2。

表1 辉长岩矿物成分含量表

表2 五莲石材矿物成分含量表

已有的研究表明，中粗粒结构的成因是岩浆缓慢冷却导致晶体成核速率缓慢，结晶中心少，因此围绕结晶中心生长出较大的矿物晶体，形成中粗粒结构。同等情况下，石材颗粒粒径越大，颗粒数量就越少，内部破坏所需要的黏聚力就越小，颗粒致密程度就越差，破坏就越易发生，因此中粗粒结构的石材要比细粒结构的石材强度要低[18]。综上分析可见，在相同条件下，相较于济南辉长岩等具有细粒结构的岩石，五莲石材颗粒粒径更大，强度更低，更易发生破坏。

根据表1、表2，这里定义石材矿物成分的均质度mv，

(1)

式中：n为石材中所含矿物成分的种类数量；vi为石材中各矿物成分的体积占总体积的百分比。根据式(1)可得到辉长岩和五莲石材矿物成分的均质度分别为0.385和0.3242，总体来看其均质度均较高，但与辉长岩相比，五莲石材的均质度偏低，根据已有的研究表明，矿物成分均质度越低，热破裂门槛值越低[19]，说明同等情况下五莲石材更易发生热破裂。

1.2 基于石材力学性质的分析

针对济南辉长岩与五莲石材开展单轴压缩试验，将采取的岩块在钻孔取样机上钻取直径50 mm，高为100 mm的圆柱形岩样，再通过磨石机磨平岩样的两个端面，形成Ф50 mm×100 mm的标准岩样。试件加工精度符合我国《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266—2013)规定的要求，即满足试样两端面不平行度误差不大于0.05 mm，端面不平整度误差不大于0.02 mm，标准石材试样如图2所示。试验是在微机控制电液伺服岩石刚性试验机上进行，以0.005 mm/min的位移速率加载至试样破坏。

(a)五莲花岗岩

辉长岩试样在整个加载过程中，峰前主要处于弹性阶段，进入屈服阶段后很快就达到峰值强度并随之发生破坏，峰前内部储存的大量弹性变形能在极短时间段内猛烈释放，造成岩样碎片的弹射并发出较大声响，峰后应力陡降，峰前峰后耗能均很小，试验得到辉长岩单轴抗压强度平均值为220 MPa，弹性模量平均值为17 GPa，破坏具有突发性，脆性明显，辉长岩试样破坏情况如图3所示。

图3 辉长岩单轴压缩岩样爆裂

五莲石材试样在整个加载过程中，峰前基本呈现弹性变形，塑性变形阶段不明显，随着压力逐渐增大，试样没有宏观裂纹产生，达到峰值强度后，强度开始降低并瞬间发生爆裂破坏，试样爆裂破坏后的情况见图4，将3个爆裂破坏后的试样碎片进行组合后的情况如图5所示，可见最终破坏形式均以劈裂破坏为主，脆性程度明显。通过单轴压缩试验综合得到五莲石材试样单轴抗压强度为99.21 MPa，属于坚硬岩，弹性模量为6.743 GPa。与辉长岩试样情况对比分析知，二者均具有岩爆倾向性，达到载荷(受力)条件均可发生岩爆，但五莲石材的单轴抗压强度、弹性模量均远低于济南辉长岩，因此，相比较而言，在同等情况下，五莲石材更易于发生岩爆破坏，这与前面的基于石材矿物成分的岩爆分析结果也是一致的。

图4 五莲石材试样破坏后的碎片

图5 五莲石材试样破坏后的碎片组合情况

针对济南辉长岩与五莲石材分别开展巴西劈裂试验，加工制作标准圆盘试样，采用电液伺服岩石刚性试验机加载，试验中试样采用劈裂夹具进行固定。济南辉长岩试样劈裂后的情况见图6，可见试样基本沿对称轴劈裂，经计算得到辉长岩单轴抗拉强度平均值为10.92 MPa。

图6 辉长岩劈裂后的试样

由试验得到五莲石材试样的单轴抗拉强度平均值为4.87 MPa，可见其抗拉强度非常低，试样基本沿对称轴劈裂，见图7。根据试样的单轴抗压强度，得到其压拉比为20.37。综合其单轴抗压强度试验的试样破裂演化情况及应力应变全过程曲线和压拉比判定标准，判断其具有强烈的脆性，具有强烈岩爆倾向性，极易发生岩爆。特别需要注意的是其抗拉强度很低，极易发生拉破坏即劈裂岩爆，这也是五莲石材岩爆的重要内因。相比较而言，辉长岩岩爆则难度较大，这与前面的分析结果是一致的。

图7 五莲石材试样破坏照片

2 基于热应力的露天矿山石材岩爆分析

已有的研究表明，在20～100 ℃区间内的实时加温时，花岗岩的抗拉强度和储能极限将随着温度的升高而降低，同时花岗岩的脆性指数却随着温度的升高而逐渐上升，并且上升速率随温度的升高而增大，将导致其脆性破坏越突然，释放能量越高，岩爆现象更强烈[14-15]。夏季露天石材开采石材本身受热温度较高，同时受光照、环境、开采工艺等影响导致其温差变化也较大，致使其表层一定范围内将产生很大的热应力。

热应力、热应变计算式为

σ=Eε，

(2)

(3)

式中：σ为热应力；E为弹性模量；ε为热应变；ΔL为石材尺寸变化量；L为原尺寸；α为热膨胀系数；t2-t1为石材温度变化量。

当石材内部各点的热应力超过其抗拉强度时，

σ≥σt，

(4)

式中σt为石材内部颗粒间的抗拉强度。满足上式条件将导致石材内部产生热破裂，由于五莲石材本身具有岩爆倾向性，其对损伤的临界敏感性很强，内部热破裂可诱发五莲石材岩爆。当温差为40 ℃，热膨胀系数α为8×10-6/℃时，可得到五莲石材内部的热应力达到2.16 MPa，由于石材表层温差最大(区域温度梯度dt/dx大)，而且表层抗拉强度更低，因此表层更易发生岩爆，这与实际情况相符。

温度变化是石材物理风化的一个重要条件，岩石受温度冷热交替变化的影响，导致产生热胀冷缩，造成表面崩裂，但这里也需要考虑一个时间问题，露天石材矿山岩爆并不是一个按年代发展的长期温度变化影响的过程。

某一具体时刻岩石内动态热应力[20]为

(5)

式中:τ为时间；d2t/dxdτ为传热过程中单位时间内温度梯度的变化率。由式(5)可见，从时间、区域角度来看，同等情况下，短时的局部的温度变化对石材的影响很大；而五莲石材作为一种非均质的中粗粒结构的花岗岩，因其内部颗粒热膨胀系数不同，在急剧升温或降温条件下均会产生非均匀应力和变形，当产生的拉应力超过其抗拉强度时易诱发石材热破裂导致其发生岩爆破坏。根据前面基于石材力学性质的岩爆分析结果知，五莲石材抗拉强度非常低，因此其极易诱发热破裂，这也是五莲石材岩爆的重要外因。

3 结论

针对露天矿山石材开采岩爆研究的不足，分别从矿物成分、力学性质及热应力等方面分析了五莲石材岩爆机理。结论如下：

1)五莲石材属于花岗岩，是中粗粒结构，比细粒结构的石材强度低，同等情况下，五莲石材更易发生破坏。

2)五莲石材具有强烈的岩爆倾向性，特别值得注意的是其抗拉强度很低，极易发生拉破坏即劈裂岩爆，这是五莲石材岩爆的重要内因。

3)夏季露天开采石材本身受热温度较高，同时受光照、环境、开采工艺等影响导致其温差变化也较大，将产生较大的热应力。当石材内部各点的热应力超过其抗拉强度时将导致石材内部产生热破裂，进而诱发石材岩爆，同等情况下，短时的局部的温度变化对石材的影响很大，极易导致石材发生岩爆破坏，这也是五莲石材岩爆的重要外因。

这里需要说明的是，本文的研究只是初步的，并未考虑地应力的影响问题，基于热应力的岩爆机理、判据及控制措施等也有待进一步深入研究。