单轴压缩下含磷白云岩变形破坏特征及损伤机理研究

刘 强 陈松巍

（湖北大峪口化工有限责任公司）

在我国磷矿开采过程中，含磷白云岩地层是比较常见的地层，含磷白云岩开采过程中岩石的力学特性以及变形破坏特征是分析工程安全性的重要因素［1-2］。因此，展开含磷白云岩的室内试验研究十分重要。

我国学者对于磷矿中含磷白云岩的相关性质也展开了深入的研究与探讨。李冬莲等［3］深入分析了钙镁离子对白云岩浮选的影响，发现当钙镁离子达到一定浓度后，白云岩及活化后石英的浮选回收率出现了一定程度下降现象。刘力生等［4］则基于莲花山矿段含磷岩系稀土元素特征分析，从而确定了区域含磷岩系如含磷白云岩中的磷矿物质来源与基底片麻岩不相关，而与地下水的活动强度相关。综上所述，现有关于含磷白云岩的研究多是从选矿或地质角度开展，而缺乏对磷矿开采过程中含磷白云岩力学性质的研究。

本研究通过室内单轴压缩试验和声发射试验，深入分析了含水率对白云岩力学性质以及声发射特征的影响。

1 工程背景

本次研究依托于某磷矿的开采工程，经过前期现场工程地质勘察工作，发现该磷矿核心区域地下地层分布主要为磷矿层、含磷白云岩层、页岩层、砥砾石及花岗片麻岩。根据前期工作发现，上述岩层中抗压强度最大的为含磷白云岩，而承载能力最弱的岩层为页岩，其他各层强度相差不大；同一岩层，深部比浅部稳固，说明经风化后，强度减弱；页岩及第三磷矿层顶板强度具有方向性，说明层理较发育，斜交层理方向强度减弱。以上各岩层的抗压强度是代表较完整岩段的，不包括断层破碎带。综上，前期试验主要涉及到的仅为岩石力学性能的探究，未能涉及到岩层在变形破坏过程中的内在机理或变形过程。而在地下磷矿开采过程中，岩石地层的力学性质与变形特性是影响地下工程稳定性的重要因素。其中，含磷白云岩的分布尤为广泛。

2 室内试验

2.1 试样制备

本次研究依托于某磷矿开采项目工程，室内对取自该项目工程的含磷白云岩岩块进行钻孔取心，最终得到直径为50 mm的圆柱形含磷白云岩岩心。根据工程岩体试验标准等相关规范要求，室内采用高压水切法对含磷白云岩岩心进行切割和精加工，最终得到直径为50 mm、高度为100 mm的标准岩体试样。含磷白云岩整体呈灰黑色，根据成分检测试验结果，得到其主要矿物成分为白云石，含量在80%左右；其余成分还包括泥晶磷灰石、方解石等。

2.2 试验方案

为研究不同含水率条件下含磷白云岩的力学性质和内在损伤机理，利用SHAED-4000型万能试验机和声发射试验设备（图1），对不同含水率（0%、4%、8%和12%）的白云岩试样分别展开了室内试验研究。SHAED-4000型万能试验机的轴向最大荷载为1 000 kN，试验中试样变形通过机器位移进行监测和记录；声发射设备则配备有4个声发射探头进行测试，放大器增益效果为40 dB。

3 试验结果分析

3.1 单轴压缩应力—应变曲线

图2为单轴压缩下不同含水率的含磷白云岩试样应力—应变曲线。由图2可知，不同含水率条件下的含磷白云岩试样均表现出了明显的脆性变形破坏特征，即岩石在加载破坏后轴向应力迅速跌落。这表明含磷白云岩是一种脆性岩石。此外，随着含水率的逐渐增加，含磷白云岩的抗压强度逐渐减小而峰值强度点对应的轴向变形则逐渐增大。这表明水分的存在导致岩石的力学性质劣化，而塑性变形能力则有所增强。分析认为，随着含水率的增加，岩石内部矿物颗粒之间的胶结能力会变弱，因此会产生大量的松散颗粒；而在浸水过程中，这些细小颗粒会随着水流被带出岩石，从而在岩石内部形成了大量的微孔隙。在单轴压缩荷载作用下，这些微小孔隙会逐渐被压实，岩石的塑性变形也会变得更大。这就解释了图2中岩石的峰值点应变随含水率增大而逐渐变大的现象［5-7］。

3.2 声发射特征分析

图3为单轴压缩条件下含磷白云岩声发射特征参数随加载时间变化关系。受限于文章篇幅，仅给出了含水率为0%试样的完整声发射信号图。从声发射特征参数曲线可看出，在加载应力初期，声发射特征参数均具有明显的平静期，而且这种平静期耗时较长，持续时间甚至可至峰值偏应力残余阶段。含磷白云岩在单轴压缩条件下会产生声发射平静期，是由于含磷白云岩作为一种典型硬脆性岩石材料，晶体矿物颗粒具有较强吸收能量的能力，达到声发射爆发的阶段需要耗时较长。由图3可知，在AE平静期阶段，岩石变形破坏产生的声发射时间较少，而在峰后残余破坏阶段产生的声发射信号较多。分析认为，在加载变形阶段，白云岩断裂所产生的声发射信号不强烈；而在残余破坏阶段，随着加载过程的继续进行，岩石块体与颗粒的摩擦不断进行，释放出大量的声发射信号。

3.3 破坏形态分析

图4分别展示了含水率为0%时和含水率为12%时单轴压缩力学试验结束后含磷白云岩试样的破坏形态。由图4可知，含磷白云岩试样的含水率为0%时，岩石破坏后出现了明显的剪切破坏面，岩石破坏面剪切角度大致为45°，岩石试样表现出显著的脆性破坏特征；而当含磷白云岩试样的含水率达到12%时，岩石试样上并未出现非常明显的剪切裂纹，仅在试样中部出现了密布的微裂纹，这表明相较于干燥岩石试样，含水率12%的岩石试样表现出一定程度的延性破坏特征。综上所述，含水率能够显著影响含磷白云岩试样破坏特征。

3.4 含水率影响分析

表1展示了不同含水率条件下含磷白云岩试样的单轴压缩抗压强度及声发射累计能量随岩石含水率的变化关系。由表1可知，随着试样含水率的增大，岩石的承载能力不断劣化，其单轴压缩抗压强度逐渐减小，不同含水率条件下含磷白云岩的抗压强度分别为165.32、132.96、113.15以及101.03 MPa。根据函数拟合结果可知，岩石的抗压强度与含水率之间呈线性负相关关系；线性相关系数达到0.998，拟合效果良好，这表明二者之间的负线性相关关系可靠。此外，基于岩石的声发射试验结果可知，不同含水率条件下含磷白云岩的声发射累计能量分别为5362、4515、3955以及3613 J，二者之间呈负指数相关，线性相关系数达0.981，拟合效果良好。上述研究成果表明，含磷白云岩的抗压强度和声发射信号的活跃度，均随着含水率的增长而逐渐变弱。分析认为，这是由于水分的存在弱化了岩石内部胶结成分的强度，导致岩石矿物颗粒间的胶结能力变差，因此岩石的抗压强度变低；同时，水分会软化岩石矿物颗粒，岩石在变形破坏过程中，摩擦、开裂所产生的声发射信号会减弱，因此，岩石试样的声发射信号也会变弱。

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含磷白云岩的力学强度较大，脆性变形特征明显。但是，岩石的力学性质受含水率影响变化明显，且产生了较大幅度的劣化现象，因此在开采和支护过程中一定要注意防水工作。此外，基于声发射现象可以发现，岩石在弹性变形阶段产生的声信号较少而在峰值点以及峰后阶段产生了较多的声信号，这表明含磷白云岩的损伤与破坏主要发生在峰值破坏以后，由此可见，在含磷白云岩达到峰值强度之前一定要及时支护，以防发生更大的破坏现象。

4 结 论

（1）含水率越大，则岩石的单轴抗压强度越小，声发射信号越弱。不同含水率条件下含磷白云岩的抗压强度分别为165.32、132.96、113.15以及101.03 MPa，二者之间呈线性负相关关系；声发射累计能量则分别为5362、4515、3955以及3613 J，二者之间成负指数相关。

（2）在加载变形阶段，白云岩断裂所产生的声发射信号不强烈；而在残余破坏阶段，随着加载过程的继续进行，岩石块体与颗粒的摩擦不断进行，释放出大量的声发射信号。

（3）本次研究仅分析了含水率对含磷白云岩力学性质及声发射特征的影响，而在工程实践中应该考虑到埋深效果，在室内试验进一步分析围压等因素的影响。