南泥湖钼矿矿岩物理力学参数测试分析

党国建，马骏，林卫星

(1.栾川龙宇钼业有限公司，河南洛阳市4715002;2.铜陵有色金属集团控股有限公司安庆铜矿，安徽安庆市246131;3.长沙矿山研究院，湖南长沙410012)

南泥湖钼矿矿岩物理力学参数测试分析

党国建1，马骏2，林卫星3

(1.栾川龙宇钼业有限公司，河南洛阳市4715002;2.铜陵有色金属集团控股有限公司安庆铜矿，安徽安庆市246131;3.长沙矿山研究院，湖南长沙410012)

对影响南泥湖钼矿采空区稳定的黑云母长英角岩和阳起石透辉石长英角岩进行了物理力学参数测试，获得了矿岩的块体密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角和岩块声波速度等物理力学指标，为采空区顶板最小安全厚度计算提供了基础数据。

物理力学参数;测试分析;黑云母长英角岩;阳起石透辉石长英角岩

0 前言

栾川龙宇钼业有限公司的南泥湖钼矿床的开采始于1980年代，采用平硐或斜井开拓方式，浅孔留矿法或房柱式采矿方法进行地下开采，截止2003年，南泥湖矿区井下采出矿石量累计约1162万t，采空区面积约40.6万m2，体积约426万m3。2006年4月，南泥湖钼矿转为露天开采，经过近5年的开拓建设，目前露天采场台阶已形成20000t/d的生产规模，首采区最低台阶1330m水平，最高台阶1490m水平。

地下大量空区的存在，严重威胁露天台阶作业的人员和设备的安全。为此，矿山需进行岩石物理力学参数测试，获得全面、可靠的矿岩物理力学参数，然后以获得参数进行岩体稳定分析，通过数值模拟，确定采空区顶板最小安全厚度。

1 试样采集与制备

南泥湖钼矿床主要分布于南庄口－三道庄岭箱状背斜的南西翼及其北西倾伏端和南泥湖向斜的北翼，矿体产出受南泥湖斑状二长花岗岩侵入体向北西侧伏、产状变缓部位的顶部接触带的控制。含矿地层主要为南泥湖组中段的黑云母长英角岩和阳起石透辉石长英角岩及三川组中段的透斜角岩和矽卡岩。目前与栾川龙宇钼业有限公司采矿关系密切的岩石主要为黑云母长英角岩和阳起石透辉石长英角岩。

岩石试样的采取方式为现场捡块。岩块的规格大小需满足试件加工的要求，岩块的基本规格为:长×宽×高=200mm×200mm×150mm。对矿区2种主要岩石进行了现场取样，现场共采集岩块12块。取样地点有3处，分别是1390m平台、1375m平台和1345m水平。

将采集的岩块试样加工成标准试件，本次试验的试件加工机器主要为工程金刚石钻机、DQ－2自动岩石切片机、SPQJ－300切片机及SMD－200双端面磨石机。试件加工精度符合《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266－99)的要求。总共加工出岩石试样38个，其中，用于单轴抗压和波速等试验的长岩芯样10个，用于劈裂拉伸试验的短岩芯样10个，用于剪切试验的边长为5cm的立方体18个。

2 试验方案

为了进行稳定性数值模拟计算，需要密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角等物理力学指标;为了评价岩体的完整性，需要知道岩石的波速。依据研究目的，确定进行的测试项目为:密度试验(块体密度)、单轴抗压强度试验、变形试验、抗拉强度试验(巴西劈裂法)、抗剪断试验、岩块声波速度测试。

力学试验采用设备为液压伺服控制试验机，其型号为INSTRON－1342(最大荷载25t)、INSTRON－1346(最大荷载200t)，该试验机是英国生产的，具有极强的载荷控制能力，单轴抗压试验时可做出全应力－应变曲线。

3 试验及结果

3.1 块体密度试验

岩石块体密度是试件质量与试件体积的比值。它是一个间接反映岩石致密程度、孔隙发育程度的参数，也是评价工程岩体稳定性及确定围岩压力等必需的计算指标。根据岩石的含水状态，岩石块体密度可分为干密度、饱和密度和天然密度等。岩石块体密度试验可分为量积法、水中称量法和密封法。本次块体密度试验采用量积法，测试岩石的天然密度，其计算公式如下:

式中:ρ0——天然密度，g/cm3;

m0——天然状态下的质量，g;

V——试件体积，cm3。

量积法测试天然密度试验按下列要求进行:

(1)量测试件两端和中间3个断面上相互垂直的两个直径或边长，按平均值计算截面积;

(2)量测端面周边对称4点和中心点的高度，计算高度平均值;

(3)称试件在天然状态下的质量;

(4)长度量测精确至0.01mm，称量精确至0.1g。

采用游标卡尺量测圆柱体试件的直径和高度，天平称量试件质量。本次块体密度测试的试件数，每种岩石均为5个，全都采用单轴抗压试验的试件。由试验得出黑云母长英角岩平均块体密度2.69 g/cm3，阳起石透辉石长英角岩平均块体密度2.70 g/cm3。

3.2 单轴抗压强度试验

岩石单轴抗压强度试验是指试件在无侧限条件下，受轴向力作用破坏时，单位面积上所承受的荷载，即试件破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。试验采用直接压坏试件的方法来求得岩石单轴抗压强度，也可在进行岩石单轴压缩变形试验的同时，测定岩石单轴抗压强度。

岩石单轴抗压强度按下列公式计算:

式中:R——岩石单轴抗压强度，MPa;

P——破坏载荷，N;

A——试件截面面积，mm2。

试件的含水状态为室内自然状态。本次单轴抗压强度试验的试件数，每种岩石均为5个，满足标准要求。由于部分试件中存在结构面，加上矿物成分不完全一样，以及风化程度上的差别，致使试验结果存在一定的离散性，但试验结果总体上是正常的。由试验得出黑云母长英角岩抗压强度平均值为127.39MPa，阳起石透辉石长英角岩抗压强度平均值为98.42MPa。

3.3 变形试验

单轴压缩变形试验是测定试件在单轴压缩应力条件下的纵向及横向应变值，据此计算岩石的弹性模量和泊松比。弹性模量是轴向应力与轴向应变之比;泊松比是在弹性模量相对应条件下的径向应变与轴向应变之比。

弹性模量和泊松比按下式计算:

式中:Ee——岩石弹性模量，MPa;

μe——岩石弹性泊松比;

σa——应力与纵向应变关系曲线上直线段起始点的应力值，MPa;

σb——应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力值，MPa;

εha——应力为σa时的纵向应变值;

εhb——应力为σb时的纵向应变值;

εda——应力为σa时的横向应变值;

εdb——应力为σb时的横向应变值。

试验采用电阻片法测定变形参数，并同时采用纵向引伸记测量弹性模量。在单轴抗压强度试验的同时，对弹性模量和泊松比进行测试。试件的含水状态为室内自然状态。变形试验过程中记录应变的仪器为DH3817动静态应变仪。不计无效试件结果，每组岩石尚存4组有效数据。用引伸记测量所得的弹性模量值与电阻片法的结果相吻合。由试验得出黑云母长英角岩弹性模量平均值为34.08GPa，泊松比平均值为0.23μ;阳起石透辉石长英角岩弹性模量平均值为27.45GPa，泊松比平均值为0.25 μ。从试验结果来看，黑云母长英角岩的弹性模量比阳起石透辉石长英角岩的大，而其泊松比则比阳起石透辉石长英角岩的小，符合一般规律。

3.4 抗拉强度试验

测定岩石抗拉强度的方法，有直接拉伸法和间接拉伸法两种。由于直接法的试件制备困难和试验技术的复杂性，目前多采用间接法(即劈裂法)。劈裂法是在试件直径方向上施加一对线性荷载，使试件沿直径方向破坏，间接测定岩石的抗拉强度。本试验采用劈裂法进行抗拉试验，属间接拉伸法。

岩石抗拉强度按下式计算:

式中:σt——岩石抗拉强度，MPa;

P——破坏载荷，N;

D——试件直径，mm;

H——试件高度，mm。

试件的岩性较为均一，试验结果的离散性不大，黑云母长英角岩抗拉强度平均值为4.21MPa，阳起石透辉石长英角岩抗拉强度平均值为4.90MPa，结果较为理想。虽然黑云母长英角岩的抗压强度比阳起石透辉石长英角岩的大，但黑云母长英角岩的抗拉强度却比阳起石透辉石长英角岩的小，这种结果也属正常。

3.5 抗剪断试验

室内岩石抗剪断强度的测定，通常采用楔形剪切试验方法。试验时把岩石试件置于楔形剪切仪中，并放在压力机上进行加压试验，直到试件沿预定的剪切面发生破坏。

剪切面上的正应力σ和剪应力τ按下式计算:

式中:P——压力机施加的总压力，N;

A——剪切面积，mm2;

α——剪切面与水平面的夹角，°;

f——圆柱形液子与试验机垫板间的摩擦系数。

将每种岩石的剪切试件分为3组，采用3个不同的倾角进行试验。根据每次试验使用的正应力σ和对应的剪应力τ，采用直线回归的方法求得抗剪强度曲线(见图1和图2)，从而获得岩石的抗剪断强度参数。黑云母长英角岩剪切参数:内聚力为10.13MPa，内摩擦角为41.19°。阳起石透辉石长英角岩剪切参数:内聚力为12.11MPa，内摩擦角为42.86°。

3.6 岩块声波速度测试

本次试验只测定纵波速度，采用凡士林作耦合剂。采用直透法布置换能器，将换能器安放在试件的两个端面上，使换能器的中心在试件的轴线上。换能器置于试件上后，将多余的凡士林挤出，以减少耦合介质对测试成果的影响。试验所采用的仪器为中国科学院武汉岩土力学所研制的RSM－SYS智能声波检测仪。

图1 黑云母长英角岩的抗剪断强度曲线

图2 阳起石透辉石长英角岩的抗剪断强度曲线

测试结束后，应测定超声波在标准有机玻璃棒中的传播时间，绘制时距曲线并确定仪器系统的零延时，或将发射接收换能器对接，测读零延时。这里采用后一种方式确定零延时。

按下式计算岩块的纵波速度:

式中:Vp——纵波速度，m/s;

L——发射、接收换能器中心间的距离，m;

tp——纵波在试件中行走的时间，s;

t0——仪器系统的零延时，s。

试验测定得黑云母长英角岩平均纵波速度3816m/s，阳起石透辉石长英角平均纵波速度4193 m/s。阳起石透辉石长英角岩较黑云母长英角岩在结构致密性、均质度和完整性方面稍好，故波速稍微大一些。两种岩石的波速属于中等类型。

4 试验结果汇总

本次试验共使用岩石试样38个，按照岩石力学试验规程，在岩石力学实验室，对栾川龙宇钼矿2种主要矿岩的物理力学参数进行了较为全面的测试。通过试验，获得了矿岩的块体密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角和岩块声波速度等物理力学指标，为采空区顶板最小安全厚度计算提供了基础数据。试验分析最终结果见表1。

表1 栾川龙宇钼矿岩石物理力学参数室内测试结果

［1］王文星.岩体力学［M］.长沙:中南大学出版社，2004.

［2］《采矿手册》编辑委员会.采矿手册［M］.北京:冶金工业出版社，1990.

2011－07－13)

党国建(1970－)，男，河南南阳人，工程师，主要从事于矿山采矿安全生产及管理。