张 毅 汪 崛 刘 斌 李贞芳

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083;2.深部岩石力学国家重点实验室，北京 100083)

0 引言

1 实验概述

1.1 实验内容

矽卡岩的力学特性，包括单轴抗压强度、抗拉强度和三轴抗压强度。

1.2 实验设备及方法

矽卡岩的力学试验是在WPM25KN 的德国材料试验机上进行的。试样的单轴抗压强度及弹性模量、泊松比及各种冲击倾向的测定都是在WPM1000KN 的万能材料试验机上进行的。测试设备有采集速度为0.1 m/s 的高速计算机数据采集处理系统、MDG动态电阻应变仪、KC 型静态电阻应变仪及配套的载荷传感器和位移传感器。矽卡岩的抗压力学特性实验按ISRM 实验标准来进行，抗拉强度实验按照巴西劈裂实验进行，按轴向变形0.002 mm/s 的速率加载，每个实验用3 组试件进行。

1.3 试件制备

本试验所用试样取自中关铁矿，采样时现场钻孔取芯成型困难，故在现场采集力学性质均匀、块度适中的完整块状试样，带回实验室后进一步制作加工成标准试件。采样方法按照GB/T 23561.1—2009 煤和岩石物理力学性质测定方法第一部分:采样基本规定执行。按照岩石力学实验标准，抗压强度实验采用φ50 mm× 100 mm 的圆柱试件，抗拉强度实验采用φ50 mm×25 mm 的圆柱试件。矽卡岩试件制备见图1。

2 实验结果及分析

2.1 单轴抗压强度实验

将矽卡岩试件放在实验机上进行加载，直至试件破坏，试件的应变通过引伸计监测。部分试件单轴抗压强度实验的应力—应变曲线如图2 所示。

在我国分布着众多矽卡岩铁矿，虽然其储量小，但品位却高于其他含铁矿石，因此是我国重要的富铁矿源，供应我国3/5 以上的富铁矿石［1］。邢台是我国重要的矽卡岩型铁矿成矿区之一，不仅矿石品位高，而且储量也很可观［4］。中关铁矿是邢台地区一所较大型的矽卡岩型铁矿床，其矿体形态复杂，涌水量大，其力学特性与围岩的支护及采场参数设计紧密相关［5-9］。在建井期间和生产期中关矿不得不面临着井巷穿越矽卡岩及采场布置，为了保障井巷开掘的支护参数设计、采场结构参数设计及施工安全，有必要研究该型岩石的力学特性，有利于为矿井安全高效开采提供基础数据。本文拟通过对中关铁矿现场取样，进行实验室基本力学特性测试，对该矿的矽卡岩矿体进行力学特性分析研究。

图1 矽卡岩试件制备

图2 部分矽卡岩试件单轴抗压强度实验应力—应变曲线

从图2 中部分矽卡岩试件单轴抗压强度实验应力—应变曲线可以看出，在实验机逐渐加载的过程中，轴向应变和纵向应变同时增加。在刚开始加载时，左侧曲线变化较陡，表示同一加载过程，纵应变变化较快。但纵向变形达到一定值后左侧曲线明显变缓，表示横向变形开始显著增大，而且应力开始下降，试件发生破坏。图2 右侧曲线代表着单轴压缩状态下矽卡岩应力—应变全过程曲线，该过程第1 阶段为压密阶段，处于该阶段的矽卡岩因承载，使得初始裂隙闭合，整体结构变得更加密实;第2 阶段为线性变形阶段，此时曲线近似为直线;第3 阶段为弹塑性变形阶段，随着荷载逐渐增大，矽卡岩内部有新的裂隙产生，曲线向下弯曲;第4 阶段为破坏阶段，荷载达到矽卡岩的峰值强度，试件开始破坏。通过单轴抗压强度实验可得出矽卡岩的单轴抗压强度等力学参数，具体结果如表1 所示。

表1 矽卡岩单轴抗压强度实验结果

如果按照岩石单轴抗压强度对矽卡岩进行分类，矽卡岩单轴抗压强度为60 MPa，故矽卡岩应属次坚岩。

2.2 抗拉强度实验

抗拉强度实验采用巴西劈裂法，将矽卡岩试件放在实验机上进行加载，直至试件破坏。记录加载过程中的应力位移曲线，部分矽卡岩抗拉强度实验的应力—应变曲线如图3 所示。

图3 部分矽卡岩抗拉强度实验轴向应力与轴向变形曲线

从图3 中矽卡岩轴向应力与轴向变形曲线可以看出，实验机不断加载过程中，矽卡岩的轴向变形不断增大，直至荷载达到矽卡岩的极限破坏值，试件发生破坏，强度瞬间急剧下降。矽卡岩抗拉强度实验具体实验结果如表2 所示。

表2 矽卡岩抗拉强度实验结果

一般而言，岩石抗压强度与抗拉强度的比值在8 左右，由矽卡岩单轴抗压强度实验结果知，矽卡岩抗压强度为60 MPa，而抗拉强度为7.9 MPa，两者比值为7.59，接近8，说明测试结果可靠。

2.3 三轴抗压强度实验

对矽卡岩试件进行三轴抗压强度实验，测定在不同围压条件下矽卡岩的三轴抗压强度，实验机上施加的围压分别为5 MPa，10 MPa，15 MPa，然后施加竖向荷载，直至试件破坏，矽卡岩三轴抗压强度实验的轴应力—应变曲线如图4 所示。

图4 矽卡岩三轴抗压强度实验轴应力—应变曲线

根据矽卡岩破坏时的峰值应力画出不同围压条件下的摩尔应力圆，从而得出矽卡岩的内摩擦角和粘聚力，矽卡岩的三轴抗压强度等参数如表3 所示。

表3 矽卡岩三轴抗压强度实验结果

2.4 实验结果分析

中关铁矿矽卡岩试件天然情况下抗压强度约为60 MPa，矽卡岩在进行加载试验过程中的轴向变形不断增大，试件发生破坏，强度瞬间急剧下降，并且矽卡岩存在孤岛状物质、大量孔隙，加之矿井涌水现象明显，在实际巷道工程中易出现顶板冒落或岩柱失稳现象。

3 结语

通过对矽卡岩的实验研究，可以得出如下结论:

1)实验结果表明，矽卡岩单轴抗压强度为60 MPa，它属次坚岩，抗拉强度为7.9 MPa，弹性模量为0.23 GPa，泊松比为0.19。2)矽卡岩内摩擦角为31°，粘聚力为6.6 MPa，强度公式为Τ=0.6σ+6.6。3)该矿矽卡岩在加载过程中强度瞬间急剧下降，且存在孤岛状物质和大量孔隙，在实际巷道工程中易出现顶板冒落或岩柱失稳现象。

［1］张 志，张承帅.马坑铁(钼)矿床矽卡岩矿物学特征及分带研究［J］.岩石学报，2014，30(5):1339-1354.

［2］赵一鸣，丰成友，李大新，等.青海西部祁漫塔格地区主要矽卡岩铁多金属矿床成矿地质背景和矿化蚀变特征［J］.矿床地质，2013，32(1):1-9.

［3］姚 磊，谢桂青，张承帅，等.鄂东南矿集区程潮大型矽卡岩铁矿的矿物学特征及其地质意义［J］.岩石学报，2013，28(1):133-146.

［4］王庭院，张善明，康建飞，等.内蒙乱石山北地区成矿地质特征及成矿条件分析［J］.东华理工大学学报(自然科学版)，2015，38(3):280-286.

［5］侯公羽.岩石力学基础教程［M］.北京:机械工业出版社，2010:12.

［6］郭东明.湖西矿井深部煤岩组合体宏细观破坏实验与理论研究［D］.北京:中国矿业大学，2010:46-58.

［7］徐素国，郤保平，梁卫国，等.钙芒硝盐岩力学特性的研究［J］.地下空间与工程学报，2005，1(7):1126-1128.

［8］明 建，赵增山.矽卡岩体的工程力学特性及巷道支护对策［J］.中国矿业，2010，19(5):65-67.

［9］张立新，李长洪.矽卡岩软化特性及其力学试验研究［J］.现代矿业，2009(2):56-58.