玲珑金矿花岗岩岩爆倾向性的实验研究

刘润田 张雪楣 刘吉兴

(山东黄金矿业(玲珑)有限公司，山东烟台 264000)

0 引言

山东黄金集团的玲珑金矿是山东黄金主体矿山之一，也是我国黄金矿山开采历史悠久和开采深度最大的黄金矿山之一。经过半个多世纪的规模开采，矿山资源已近枯竭，已列入国家资源危机矿山之列。近年来矿山加大了深部资源找矿力度，已在深部多处发现了新的资源，使矿山重焕生机，矿山目前已进入深部开采，开采深度超过1 000 m。矿山前期岩石力学研究表明，该矿属于高地应力地区，随着矿区开采深度增加，矿区地应力明显增强，受地应力影响和开采过程中的二次应力场改变的影响，井下岩石应力发生集中，岩爆事故时有发生，这些已经严重威胁到井下工人作业的安全与资源、财产损失，进而影响到矿山生产效能的提高与企业的经济效益。因此，有必要开展玲珑金矿深部花岗岩的力学特性研究，建立相应的岩爆倾向性判别指标，对其岩爆倾向性进行判别，为玲珑金矿深部地压控制提出早期对策。

1 玲珑金矿花岗岩力学实验

目前的研究表明，发生岩爆的条件有:1)岩体中有较高的地应力，且其大小超过岩石本身的强度;2)岩石具有较高的脆性度和弹性［1，2］。具备以上两个条件，一旦地下工程破坏了岩体的平衡，强大的能量使岩体破坏，并将破碎岩石抛出。现有的岩爆倾向性研究均以岩石基本物理力学性质为基础，结合现场地应力及岩石所受的应力水平等因素来评判发生岩爆的可能性［3］。因此，为研究玲珑金矿花岗岩岩爆倾向性，首先要开展岩石单轴压缩实验、劈裂拉伸实验和单轴加卸载实验，得到岩石基本物理力学参数。

1.1 实验方案及过程

实验所用的岩石试样采自玲珑金矿西山坑口－50 m中段，在实验室用取芯机、切割机和磨石机将岩石加工成标准力学实验试样后，用SANS-CHT4605型液压万能试验机进行了单轴压缩实验和劈裂拉伸实验。

岩石的压缩实验分两组进行:其中一组试样在试验机上以恒定0.3 mm/min的位移加载速率加载至试样破坏，得到其单轴压缩破坏全过程的应力应变曲线，并且计算得出其单轴抗压强度;另一组试样在试验机上以恒定0.3 mm/min的位移加载速率加载至单轴压缩强度的80%～90%，然后以120 kN/min的速率进行卸载，试样并不压坏，这样可以得到试样的加卸载应力应变曲线。

岩石的抗拉实验采用间接的巴西劈裂法进行，即在圆柱体试样的直径方向上，施加相对的线形荷载，使之沿试样直径方向破坏的实验。实验时，在试件的两端侧面沿轴线方向画两条加载基线，将两根垫条沿加载基线固定。考虑到实验对象为较硬的花岗岩，应选用直径为1 mm的钢丝为垫条;将试件置于试验机承压板中心，调整球形座，使时间均匀受力，作用力通过两垫条所确定的平面，加载速率设置为0.2 MPa/s，直至试件破坏。

1.2 实验结果及分析

按照上述实验方案，对玲珑花岗岩进行了常规力学实验，典型的单轴压缩破坏荷载位移曲线如图1所示，加卸载应力应变曲线如图2所示，劈裂拉伸破坏的荷载位移曲线及破坏试样如图3和图4所示。各试件的力学参数结果汇总见表1和表2。

图1 抗压试件CT1的轴向载荷—位移曲线图

图2 加卸载试件CT5的应力应变关系

图3 拉伸试件BT5的载荷—位移曲线图

图4 拉伸试件的破坏形式

表1 单轴压缩破坏实验结果

表2 劈裂拉伸实验结果

2 玲珑金矿花岗岩岩爆倾向性评价

2.1 评价指标的建立

岩爆倾向性预测是防治岩爆灾害的基础，根据预测结果及时进行岩石工程的反馈设计，采取防治措施，对于深部资源的安全高效回采具有重要的理论意义及实用价值［4-6］。目前岩爆倾向性评判的方法大体可分为两类，即以各种单一指标为基础的指标评判法和以统计数学方法为基础的综合评判方法。本文采用三种单一指标法对玲珑金矿花岗岩的岩爆倾向性进行评价。

1)岩石脆性系数法。

用岩石的单轴抗压强度与抗拉强度之比来表示岩石的脆性系数B，判别指标准则见表3，其计算式为:

2)岩石弹性变形能指标Wet。

弹性能量指标通过对岩石试块进行单轴压缩加载和卸载实验确定。该指标的值这样确定:在实验室对岩样进行单轴压缩实验，取应力为岩石强度的80%～90%时记录的应力应变曲线，用图形积分法求出弹性变形能量储能与塑性变形耗能之比，即为弹性变形能量指数Wet，其计算公式为:

其中，Ee为弹性变形能;Ep为塑性变形能。Kidybinski根据波兰煤岩的试验结果，给出了Wet的岩性临界判别指标，如表3所示。

3)岩石冲击能指标Wcf。

冲击倾向性是产生岩爆的矿岩体的固有属性，指矿岩能够聚集弹性应变能并在超过其本身的强度后突然释放的各种物理力学性质的总和。运用单轴压缩实验过程中的应力应变全过程曲线来求取岩爆能量冲击性指标Wcf，其计算公式为:

其中，F1为峰值强度前全应力应变曲线与横坐标围成的面积;F2为峰值强度后全应力应变曲线与横坐标围成的面积。岩石冲击能指标的判别标准见表3。

表3 岩爆倾向性判别标准

2.2 岩爆倾向性评价

由岩石力学实验结果可知，玲珑金矿花岗岩的平均抗压强度为158.4 MPa，平均抗拉强度为4.71 MPa，根据脆性系数的定义，计算得到其脆性系数为33.6，可知玲珑金矿的花岗岩为强岩爆倾向性。

根据弹性变形能的定义，进行了单轴加卸载实验，并计算了各试件的弹性变形能指标Wet，如图5所示。从图5中可以看到，三个试样的平均弹性变形能指数为6.52，其判定结果为强岩爆倾向性。

从岩石的单轴压缩破坏全应力应变曲线，可以计算得到岩石的冲击能指数Wcf，如图6所示。从图6中我们可以看到，三个试样的平均弹性变形能指数为2.99，其判定结果为中等～强岩爆倾向性。

图5 弹性变形能指数Wet的计算

图6 岩石冲击能指数Wcf的计算

以上三种指标均判定玲珑金矿花岗岩为强岩爆倾向性，可见玲珑金矿花岗岩已具备了发生岩爆的内在因素，在外界一定的应力条件下，就有可能会引发强岩爆现象。

3 结语

1)分别采取岩石脆性系数、弹性变形能指数、岩石冲击能指数等三种指标对玲珑金矿的花岗岩进行了岩爆倾向性评价。结果表明，玲珑金矿花岗岩为强岩爆倾向性岩石，已具备发生强烈岩爆的内在因素。

2)岩石的岩爆倾向性评价能为深部开采岩爆的控制提供依据，但还远远不够，实际工程中还应考虑更多方面的因素。

［1］陶振宇.高地应力区的岩爆及其判别［J］.人民长江，1987(5):25-32.

［2］周瑞忠.岩爆发生的规律和断裂力学机理分析［J］.岩土工程学报，1995，17(6):111-117.

［3］郭 立.深部硬岩岩爆倾向性动态预测模型及其应用［D］.长沙:中南大学博士学位论文，2004.

［4］徐林生.卸荷状态下岩爆岩石力学试验［J］.重庆交通学院学报，2003，22(1):1-4.

［5］张津生，陆家佑，贾愚如.天生桥二级水电站引水隧洞岩爆研究［J］.水利发电，1991(10):34-37，76.

［6］王文星，潘长良，冯 涛.确定岩石岩爆倾向性的新方法及其应用［J］.有色金属设计，2001，28(4):42-46.