某礦區(qū)巖石蠕變特性試驗(yàn)研究

何錦龍,袁海平

(江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西贛州341000)

某礦是國內(nèi)最大的鎳生產(chǎn)基地,礦區(qū)位于青藏高原東北緣走廊過渡帶與中朝準(zhǔn)地臺兩大構(gòu)造單元的復(fù)合部位,為構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈的高地應(yīng)力區(qū)。礦區(qū)地層為前震旦紀(jì)中深度變質(zhì)巖系,含礦超基性巖侵入大理巖、混合巖、片麻巖中,形成礦區(qū)復(fù)雜的巖石組合[1]。該礦區(qū)巖體特性通常表現(xiàn)為碎裂、節(jié)理裂隙發(fā)育,單塊巖石強(qiáng)度較高,但整體強(qiáng)度卻較低。另外,監(jiān)測資料表明[2,3],該礦區(qū)地下巷道圍巖應(yīng)力分布具有極強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng),隨著時(shí)間推移,圍巖應(yīng)力顯示出明顯的階段性 (初始來壓期、應(yīng)力調(diào)整期和平衡期),總體上表現(xiàn)出是來壓快、初期壓力大,此后為應(yīng)力調(diào)整期,應(yīng)力隨時(shí)間不斷增加,但增加速率降低,之后,圍巖應(yīng)力進(jìn)入平衡期,持續(xù)時(shí)間較長。上述特征反映出圍巖具有顯著的流變性,顯示出軟巖的特征,因此有關(guān)學(xué)者視之為軟巖或特殊軟巖[4]。

巖石的蠕變特性是巖石類材料重要的力學(xué)特性之一,國內(nèi)外學(xué)者對巖石的蠕變模型和蠕變特性進(jìn)行了大量的研究[5-10],在理論與實(shí)踐上取得了重大研究成果。然而,這些研究的對象主要是完整巖石,對于類似條件下軟弱復(fù)雜礦巖的蠕變特性研究則相對較少。該礦是我國特大型硫化銅鎳礦床,其儲量豐富、礦體集中居全國之首,而地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,礦巖破碎,地應(yīng)力值偏高,礦巖穩(wěn)定性極差,開采難度大,亦居全國之首。因此,研究該礦山巖石力學(xué)問題,無疑會對我國礦山巖石力學(xué)理論的發(fā)展與工程經(jīng)驗(yàn)的積累,起到積極的推動和促進(jìn)作用。

1 巖石流變試驗(yàn)技術(shù)

巖石的壓縮蠕變是指巖石試樣在軸向壓縮狀態(tài)下,變形隨時(shí)間增長而變化的力學(xué)性態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)要求及實(shí)際取樣情況,進(jìn)行本次試驗(yàn),以研究該礦區(qū)軟弱復(fù)雜礦巖的流變特性及相應(yīng)流變參數(shù)。

1.1 試驗(yàn)裝置

巖石蠕變試驗(yàn)在流變試驗(yàn)室進(jìn)行,采用長春朝陽公司生產(chǎn)的RYL-600微機(jī)控制巖石剪切流變儀。該流變儀主要用于巖石和巖石弱面的流變試驗(yàn)或巖石直剪、單軸壓縮、巖石雙向壓縮等試驗(yàn),主機(jī)組合門式框架結(jié)構(gòu)由軸向力加載框、橫向力加載框架、控制柜、吊車等部分組成。本試驗(yàn)用到的軸向力加載框架主要由機(jī)座、滾珠絲杠副、動橫梁、固定橫梁及軸向升降裝置組成,并選用先進(jìn)的日本松下全數(shù)字交流伺服高速系統(tǒng),控制系統(tǒng)采用進(jìn)口原裝德國DOL I全數(shù)字伺服控制器

1.2 方案設(shè)計(jì)與過程控制

該礦區(qū)地應(yīng)力高,礦體品位低、傾斜、厚大、碎裂,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,強(qiáng)度較低。本試驗(yàn)巖樣即取自III礦區(qū)ZK06鉆孔巖芯鉆,經(jīng)高精度切割、磨平,加工后的試樣規(guī)格,如表1所示。試樣端面平整度和側(cè)面平整度控制在0.03 mm范圍以內(nèi),試樣中心線與端面的垂直度誤差小于0.25°[11]。試驗(yàn)采用單軸壓縮分級增量循環(huán)加卸載方式 (如圖1)進(jìn)行,各分級加載的蠕變載荷設(shè)定值 P0、初始加載速率V1及分級結(jié)束卸載速率V2如表2所示。各級荷載所持續(xù)的時(shí)間,根據(jù)試件的應(yīng)變速率變化情況予以確定,即當(dāng)試樣的軸向變形在2d內(nèi)小于0.01mm時(shí),認(rèn)為其變形基本穩(wěn)定,則完全卸載,觀測其滯后黏彈性恢復(fù)。當(dāng)觀測到24h內(nèi)無滯后恢復(fù)時(shí),再進(jìn)行下一級荷載的循環(huán),依此類推逐級進(jìn)行。試樣的徑向變形通過千分表讀數(shù)得到。

表1 加工后的試樣規(guī)格

圖1 分級增量循環(huán)加卸載

表2 分級加卸載控制參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)整理

試驗(yàn)嚴(yán)格按照以上設(shè)計(jì)方案和控制過程進(jìn)行,由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)量極大,本文僅以試樣1-1為例,對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。如圖2、圖3分別為第一分級及整體各分級單軸壓縮蠕變試驗(yàn)曲線,圖4為第一和第五分級蠕變率曲線。

圖2 第一加載分級蠕變曲線

圖3 整體各加載分級蠕變曲線

圖4 加載分級蠕變率曲線

由圖2、圖3可知,試件在各級荷載作用的瞬時(shí)軸向應(yīng)變與軸向荷載大小成比例增長,進(jìn)入蠕變階段后,變形均隨時(shí)間不斷增長。在蠕變初期,各分級變形較明顯,在軸向應(yīng)力為8.88349M Pa,即載荷為20kN作用下,蠕變經(jīng)過1.7592 h后,總應(yīng)變值為0.0041466,蠕應(yīng)變增加1.746×10-4,約為瞬時(shí)軸向應(yīng)變的4.3958%,然后變形趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖4第一分級加載蠕變率曲線可明顯看出這一變化過程。在該階段,蠕變率很快衰減接近零,即保持不變,表明出并不明顯的流變性能。第五分級在經(jīng)過4.0329 h的蠕變快速衰減后,蠕變率保持在2.2167×10-4/h附近,蠕應(yīng)變處于穩(wěn)定階段。在進(jìn)行 30.0922 M Pa,即第六分級的70kN加載時(shí),試樣破壞,故在本試樣的蠕變試驗(yàn)中未出現(xiàn)加速蠕變階段情形。

3 蠕變模型分析及參數(shù)擬合

根據(jù)蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的結(jié)果,由試樣1-1的ε-t曲線可知,蠕變曲線上開始有瞬時(shí)變形,然后剪應(yīng)變以指數(shù)遞減的速率增長,最后趨于不變速率增長,其蠕變特性與Burgers模型蠕變曲線特性較接近。Burgers蠕變模型是用來描述第三期蠕變以前的蠕變曲線的較好且簡單的模型,用增加彈性單元和黏性單元的辦法還可組成更復(fù)雜而合理的模型。但是,Burgers模型對實(shí)用而言已足夠了[12],該模型已獲得較廣泛的應(yīng)用[13-14]。因此,本文采用Burgers模型對試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合分析,以獲得該礦區(qū)礦巖的蠕變參數(shù)。應(yīng)變ε(t)為:

式 (1)中,K為試樣的體積模量;G1、G2、η1和η2分別為Burgers模型黏彈性常量,其物理意義和作用分別為控制遲延彈性的數(shù)量、彈性剪切模量、決定遲延彈性的速率和黏滯流動的速率。

為擬合以上五個黏彈性常量,假定在σ作用下各常量與時(shí)間無關(guān),且滿足方程 (1),則當(dāng)時(shí)間t較大時(shí)應(yīng)變速率為常數(shù),蠕變曲線為一直線 (第二期蠕變曲線的漸近線),有:

式中,ε1(t)在t=0時(shí),即為該直線延長線在縱軸上的截距。令q等于蠕變曲線與漸近線間的垂直距離,于是從幾何關(guān)系中可得出:

因此,式 (3)在半對數(shù)空間也為一直線,σ、ε(t)和t為試驗(yàn)所采集的已知數(shù)據(jù)。在此,為方便計(jì)算,編制了Burgers蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序,并依據(jù)ε(t)和t,可得出σ應(yīng)力狀態(tài)下一系列G1和η1,然后取各自的平均值,即可確定該應(yīng)力條件下的 G1和η1,同理由式 (2)可得出η2。

體積應(yīng)變根據(jù)測定的軸向應(yīng)變ε1和側(cè)向應(yīng)變ε2計(jì)算,即 ΔV/V = ε1+2ε2,平均應(yīng)力為σ/3,則

圖5 Burgers蠕變模型

Burgers模型由Kelvin模型與M axwell模型串聯(lián)而成,如圖5所示,受軸向應(yīng)力σ作用時(shí),軸向

將所得 K取加權(quán)平均后,由式 (1)最終可得到G2的平均值。按上述步驟對巖石試樣的流變力學(xué)模型進(jìn)行擬合,得到巖石試樣蠕變參數(shù),詳見表3。圖6的散點(diǎn)為該礦區(qū)礦巖蠕變試驗(yàn)曲線,實(shí)線為理論曲線,顯然,模型能較好地描述巖石的流變特性。件下,衰減蠕變后直接進(jìn)入加速蠕變階段,試樣在極短時(shí)間內(nèi)即可破壞。試驗(yàn)第六分級加載后導(dǎo)致試樣直接破壞,說明了這一特性。

表3 試樣模型擬合參數(shù)

圖6 蠕變試驗(yàn)曲線與理論曲線

3)蠕變試驗(yàn)曲線與理論曲線較吻合,表明選用Burgers蠕變模型描述該礦區(qū)軟弱復(fù)雜礦巖蠕變特性合理,編制的相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序可行。本研究成果,將為該礦區(qū)誘導(dǎo)條件下貧礦大規(guī)模持續(xù)開采科學(xué)研究提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)試驗(yàn)要求及實(shí)際取樣情況,對某礦區(qū)軟弱復(fù)雜礦巖蠕變特性進(jìn)行了分級加載試驗(yàn)研究,介紹了試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)技術(shù)要求,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和分析。在對比研究的基礎(chǔ)上,選取Burgers蠕變模型作為研究的重點(diǎn),來反映巖石的蠕變特性。為方便數(shù)據(jù)的整理和模型參數(shù)的求解,編制了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序,對蠕變模型參數(shù)進(jìn)行了擬合和加權(quán)平均取值。本次蠕變特性試驗(yàn)研究成果定性描述如下:

1)試件在各級荷載作用的瞬時(shí)軸向應(yīng)變與軸向荷載大小成比例增長,進(jìn)入蠕變階段后,變形均隨時(shí)間不斷增長。在蠕變初期,各分級變形較明顯,在軸向應(yīng)力為 8.88349 M Pa,即載荷為20kN作用下,蠕變經(jīng)過1.7592 h后,總應(yīng)變值為0.0041466,蠕應(yīng)變增加1.746×10-4,約為瞬時(shí)軸向應(yīng)變的4.3958%,然后變形趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)各分級加載的蠕變變化率具有共同特點(diǎn),即經(jīng)歷快速蠕變率衰減過程后進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段,但蠕變穩(wěn)定后各分級的蠕變率不同,蠕變應(yīng)力越高,穩(wěn)定的蠕變率越大。在分級加載應(yīng)力為8.88349M Pa時(shí),蠕變衰減1.7592h后進(jìn)入穩(wěn)定期,蠕變率接近為零,即流變性能不明顯;而在分級加載應(yīng)力為26.65046 M Pa時(shí),經(jīng)過4.0329 h的蠕變快速衰減后,蠕變率保持在 2.2167×10-4/h附近,具有一定流變特性。由此說明,在低應(yīng)力狀態(tài)下,試樣表現(xiàn)為衰減蠕變,在中等應(yīng)力狀態(tài)下,表現(xiàn)為穩(wěn)定蠕變,而在相對高應(yīng)力條

[1] 劉同有,周成浦.金川鎳礦采礦過程中巖層控制的問題[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,1996.

[2] 劉高,王小春,聶德新.金川礦區(qū)地下巷道圍巖應(yīng)力場特征及演化機(jī)制 [J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2002,13(4):40-45.

[3] 楊新安,黃宏偉,劉保衛(wèi).金川高應(yīng)力碎裂巖體巷道變形與支護(hù)技術(shù)研究 [J].湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2000,15(3):12-16.

[4] 劉高,聶德新,韓文峰.高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000,19(6):726-730.

[5] Y S Tian,W Zhang.Engineering Geological Characteristics and Rheological Properties of Rock Mass in Jinchuan Nickel Mine[A].In:Proc.8th ISRM Congress[C].A.A.Balkema,1995:9-12.

[6] 袁海平,曹平,萬文,等.分級加卸載條件下軟弱復(fù)雜礦巖蠕變規(guī)律研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(8):1575-1581.

[7] Wu Wen,Hou Zhengmeng.Damage and Creep Model for Rock Salt as well as Its Validation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(12):1797-1804.

[8] 王延寧,陳運(yùn)濤,黃玉龍,等.側(cè)向約束條件下砂巖的壓縮蠕變特性研究 [J].金屬礦山,2010(7):14-19.

[9] 曹樹剛,邊金,李鵬.巖石蠕變本構(gòu)關(guān)系及改進(jìn)的西原正夫模型 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(5):632-634.

[10] 朱合華,葉斌.飽水狀態(tài)下隧道圍巖蠕變力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(12):1971-1796.

[11] ISRM,鄭雨天譯.巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法:上集 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1982.

[12] 徐志英.巖石力學(xué) [M].北京:中國水利水電出版社,1997.

[13] 沈明榮,朱根橋.規(guī)則齒形結(jié)構(gòu)面的蠕變特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(2):223-226.

[14] 張曉春.中厚軟巖板靜載彎曲時(shí)中面特性的時(shí)間相關(guān)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(9):1424-1427.