金愛兵，朱東風(fēng)，孫浩，陳帥軍，姚寶順

(1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京，100083)

在礦產(chǎn)資源開發(fā)中，地下采礦活動(dòng)會(huì)對礦柱以及圍巖產(chǎn)生不同程度的加載效應(yīng)[1-3]，若施工進(jìn)度調(diào)整不當(dāng)，則容易誘發(fā)礦柱垮塌失穩(wěn)和巖爆等事故[4-6]，因此，分析加載速率變化對礦巖劈裂特性的影響，對于地下礦山安全生產(chǎn)及工程災(zāi)害防治具有重要意義。

礦巖在不同加載速率下的破壞機(jī)制與力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律已受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[7-10]。XIAO等[11]在研究煤巖隨單軸加載速率變化的過程中加入聲發(fā)射監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隨著軸向應(yīng)變率的增加，煤巖破壞過程中聲發(fā)射信號活躍性增加，聲發(fā)射活躍和強(qiáng)周期時(shí)對應(yīng)的應(yīng)變閾值減小。WANG等[12]通過鹽巖的直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著剪切加載速率的增加，鹽巖的黏聚力顯著增加，但其內(nèi)摩擦角略減小。CUI等[13-14]通過對巖石劈裂節(jié)理面粗糙度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，定量地研究了劈裂粗糙度與加載速率和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。李福林等[15]通過對泥巖進(jìn)行變速率單軸加載，發(fā)現(xiàn)泥巖的加載速率效應(yīng)表現(xiàn)為等速黏性特性。

礦巖破壞過程即為內(nèi)部能量儲(chǔ)存與釋放的過程，從能量角度研究礦巖失穩(wěn)一直是學(xué)者們的關(guān)注重點(diǎn)[16-18]。LUO 等[19]分析了巖石剪切破碎過程中的能量分配，發(fā)現(xiàn)隨著卸載水平的增加，彈性能、耗散能和輸入能呈顯著的二次增加變化。XU等[20]研究了單一裂紋對紅砂巖儲(chǔ)能特性的影響，發(fā)現(xiàn)不同裂紋角度下紅砂巖的彈性應(yīng)變能密度和耗散能密度均與總輸入能量密度呈線性關(guān)系。馬振乾等[21]對煤樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圍壓越大，煤樣耗散應(yīng)變能轉(zhuǎn)化速率越大，且變形損傷越快。

數(shù)字圖像相關(guān)(digital imagine correlation,DIC)技術(shù)作為一種非接觸式實(shí)時(shí)監(jiān)測礦巖全場變形的手段，近年來被廣泛應(yīng)用于巖石力學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域[22-24]。BU 等[25]采用數(shù)字圖像技術(shù)獲得混凝土斷裂試驗(yàn)中的全場位移后，在虛擬裂紋模型的基礎(chǔ)上建立了雙線性軟化模型。TANG 等[26]通過3DDIC技術(shù)分析安山巖在單軸和三軸壓縮下的應(yīng)變云場和裂紋擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)不同觀測方向的應(yīng)變場和裂紋演化規(guī)律會(huì)有所改變。金愛兵等[27]結(jié)合3D打印技術(shù)，應(yīng)用DIC 監(jiān)測交叉節(jié)理試件單軸壓縮破裂過程，發(fā)現(xiàn)主節(jié)理對巖體的破壞起絕對控制作用。王本鑫等[28]對粗糙交叉節(jié)理試樣進(jìn)行單軸壓縮并結(jié)合DIC技術(shù)分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)理尖端多為剪切裂隙，而遠(yuǎn)端多演化成張拉裂隙。

鐵礦資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，而目前鐵礦資源安全保障形勢異常嚴(yán)峻[29]。加載速率變化是影響礦巖穩(wěn)定的重要因素，但相關(guān)研究大多針對砂巖、泥巖和煤巖等礦巖，較少有對金屬礦山鐵礦資源礦巖受加載效應(yīng)影響的研究。礦巖抗拉強(qiáng)度往往遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度[30-31]，因此，有必要對礦巖在不同加載速率下的抗拉強(qiáng)度與破壞過程進(jìn)行分析。本文在對鐵礦石及其圍巖進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用DIC 技術(shù)同步監(jiān)測礦巖劈裂過程，通過掃描電子顯微鏡(SEM)獲取其微觀結(jié)構(gòu)特征，從礦巖微觀破裂及其對抗拉強(qiáng)度的影響、不同能量演化和水平應(yīng)變分布等方面研究鐵礦石與圍巖在不同加載速率下的劈裂破壞特性，以期為調(diào)整金屬礦山鐵礦資源的開采進(jìn)度和相應(yīng)的礦巖安全預(yù)防措施提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)礦巖均取自山東淄博某地下礦山-470 m處回采工作面，通過滴定法對鐵礦石及其周圍巖石試樣全鐵含量進(jìn)行測定，礦石全鐵含量為44.88%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，巖石含鐵量為14.74%，品位較低即可看作是鐵礦石圍巖(以下簡稱圍巖)。

為確保試驗(yàn)對象具有較好的均質(zhì)性，試樣從同一塊鐵礦石或圍巖中鉆取，加工成直徑為50 mm、厚度為25 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓盤試樣(見圖1(a)和圖1(b))，鐵礦石和圍巖試樣各12 個(gè)。仔細(xì)研磨試樣表面，清理殘?jiān)髧娡堪咨灼岷忘c(diǎn)狀黑漆，使散斑隨機(jī)分布在試樣表面(圖1(c))。

圖1 礦巖散斑試樣制備Fig.1 Preparation of ore-rock speckle samples

1.2 試驗(yàn)裝置與過程

試驗(yàn)裝置如圖2所示，加載系統(tǒng)為YAW-600微機(jī)控制電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)，主要由試樣下端加載設(shè)備和上端測力傳感器組成，采用ASTM D3967-16[32]中的建議進(jìn)行平面加載。DIC 監(jiān)測系統(tǒng)包括一套補(bǔ)光設(shè)備與拍攝裝置，圖像采集頻率可達(dá)60 幀/s，實(shí)時(shí)捕捉試樣表面應(yīng)變與裂紋孕育過程，后期通過Ⅴic-2D 軟件處理得到劈裂破壞過程的全場應(yīng)變和位移變化云圖。在以0.02 kN/s 加載速率進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn)后，設(shè)定靜態(tài)應(yīng)變速率范圍為10-6～10-4s-1，試驗(yàn)加載速率分別為0.02，0.04，0.08和0.16 kN/s。

圖2 巴西劈裂試驗(yàn)裝置與DIC監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Brazilian splitting tests setups and DIC monitoring system

試驗(yàn)過程具體為：1)首先對試樣施加不大于500 N 的預(yù)緊力，將圓盤試樣固定在加載平臺(tái)；2)根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境調(diào)整好光源距離和拍攝焦距，使拍攝裝置能夠采集到清晰圖像；3)進(jìn)行巴西劈裂加載試驗(yàn)并同步開啟DIC 監(jiān)測拍攝；4)試樣破壞即停止試驗(yàn)，整理記錄數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析。

在對鐵礦石和圍巖進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)后，于礦巖破裂面取巖石切片制作SEM試樣(圖3(a))，根據(jù)掃描電鏡設(shè)備要求，切片長為10 mm，寬為20 mm。由于礦巖本身的絕緣性，需在電鏡掃描前對其進(jìn)行噴金處理(圖3(b))。最后，采用日立TM4000 臺(tái)式掃描電鏡獲取礦巖微觀破壞結(jié)構(gòu)圖像。

圖3 掃描電鏡試樣制備Fig.3 Preparation of SEM samples

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 加載速率對礦巖抗拉強(qiáng)度的影響

根據(jù)鐵礦石和圍巖在不同加載速率下的巴西劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理得到典型礦巖試樣荷載-位移變化曲線，如圖4所示。由圖4可知：在不同加載速率v下，礦巖試樣荷載-位移曲線變化趨勢基本相同，即均經(jīng)歷了微裂紋與孔隙壓密階段、線彈性變化階段，而后達(dá)到峰值荷載隨即發(fā)生跌落，表現(xiàn)為脆性破壞特性；隨著巴西劈裂加載速率增大，礦巖峰值強(qiáng)度均呈現(xiàn)增大趨勢，而峰值位移(峰值強(qiáng)度對應(yīng)位移)則逐步減小。

圖4 礦巖試樣荷載-位移曲線Fig.4 Stress-displacement curves of ore-rock samples

統(tǒng)計(jì)不同加載速率下的礦巖試樣峰值荷載，并根據(jù)試樣的直徑和厚度等參數(shù)，通過式(1)計(jì)算其對應(yīng)抗拉強(qiáng)度，可得抗拉強(qiáng)度與加載速率v的關(guān)系曲線，見圖5。

圖5 礦巖抗拉強(qiáng)度與加載速率的關(guān)系Fig.5 Relationships between ore-rock tensile strength and loading rates

式中：σt為試樣抗拉強(qiáng)度，MPa；P為試樣峰值荷載，N；D為試樣直徑，mm；h為試樣厚度，mm。

由圖5 可知：隨著加載速率增加，鐵礦石和圍巖的抗拉強(qiáng)度均呈增大趨勢。其中，圍巖抗拉強(qiáng)度隨加載速率增大而呈線性增大，擬合優(yōu)度R2=0.99；而鐵礦石抗拉強(qiáng)度隨加載速率增加表現(xiàn)為先急劇增大、后緩慢增加的變化趨勢，可近似擬合為冪函數(shù)(R2=0.98)。

由于本文所用礦巖礦物成分特殊，為進(jìn)一步從微觀層面研究加載速率對礦巖抗拉強(qiáng)度的影響，通過SEM獲取礦巖微觀破裂面圖像，如圖6所示。其中，圖6(a)，(b)，(c)和(d)中的淺灰色物質(zhì)是以FexOy為主的含鐵金屬礦物，深灰色物質(zhì)為脈石礦物，白色線條表示礦物膠結(jié)面破裂，紫色線條表示脈石礦物張開裂隙，紅色線條表示金屬礦物張裂裂紋。

1)當(dāng)巴西劈裂加載速率較慢時(shí)(圖6(a)和(e))，礦巖內(nèi)部微孔隙和原始損傷有足夠時(shí)間發(fā)育擴(kuò)展，微裂紋在金屬礦物和脈石礦物內(nèi)部以及二者之間的膠結(jié)界面充分演化、匯集，從而造成抗拉強(qiáng)度較小而峰值位移較大；當(dāng)加載速率增大后(圖6(d)和(f))，試樣加載破壞時(shí)間縮短，微裂隙來不及發(fā)展，裂紋發(fā)育對試樣的劣化程度降低，損傷變形減弱，因而在宏觀上表現(xiàn)出較大的抗拉強(qiáng)度和較小的位移應(yīng)變。

2)從圖6(e)和(f)可知，圍巖內(nèi)部脈石礦物比例高，礦物膠結(jié)界面少，微觀結(jié)構(gòu)相比鐵礦石較為簡單，以穿過脈石礦物的裂紋破壞為主要形式。微裂隙受張拉作用產(chǎn)生的擴(kuò)展與延伸隨機(jī)分布且較為均勻，因而圍巖抗拉強(qiáng)度與加載速率變化呈線性關(guān)系。

3)由圖6(a)和(b)可知，當(dāng)加載速率由0.02 kN/s增大至0.04 kN/s 時(shí)，鐵礦石內(nèi)部金屬礦物張裂明顯受限，因而其抗拉強(qiáng)度增速明顯，以致超過圍巖抗拉強(qiáng)度。當(dāng)加載速率由0.04 kN/s 增大至0.16 kN/s時(shí)(圖6(b)，(c)和(d))，鐵礦石的金屬礦物張裂得到有效抑制，內(nèi)部微裂隙的擴(kuò)展與抑制則主要發(fā)生在脈石礦物和礦物膠結(jié)面，故抗拉強(qiáng)度增速漸緩。

圖6 不同加載速率下的礦巖破裂面SEM圖Fig.6 SEM pictures of ore-rock failure surface under different loading rates

當(dāng)加載速率為0.02～0.16 kN/s 時(shí)，礦巖抗拉強(qiáng)度主要受微裂紋擴(kuò)展程度和原始礦物分布的影響，圍巖破壞以均勻隨機(jī)的微裂紋為主要形式，其抗拉強(qiáng)度與加載速率呈線性關(guān)系；在加載速率增大后，鐵礦石的抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為先急劇增加后緩慢增加，與加載速率呈冪函數(shù)關(guān)系。

2.2 礦巖能量演化特征

對礦巖試樣進(jìn)行巴西劈裂加載的過程即為外力對其做功輸入能量的過程。在與外界沒有熱量交換的試驗(yàn)前提下[16]，外界輸入總能量一部分轉(zhuǎn)化為試樣的彈性應(yīng)變能，其余的則轉(zhuǎn)化為用于塑形變形和內(nèi)部微裂隙損傷發(fā)育的耗散應(yīng)變能，能量計(jì)算關(guān)系式如下：

式中：U為外界對試樣輸入的總能量(J)；Ue為試樣內(nèi)部積蓄的彈性應(yīng)變能(J)；Ud為試樣損傷變形的耗散能(J)。

試樣在外界作用下發(fā)生斷裂破壞，實(shí)質(zhì)為不同能量演化作用的結(jié)果，荷載-位移曲線中能量關(guān)系示意圖如圖7所示[16]?？偰芰縐可用荷載曲線與位移軸所圍面積表征，彈性應(yīng)變能Ue可用紅色陰影部分的面積表征，而耗散能Ud則可用荷載曲線與三角形之間的藍(lán)色陰影部分的面積表征。

圖7 荷載-位移曲線中能量關(guān)系示意圖Fig.7 Energy diagram of stress-displacement curve

根據(jù)圖4所示礦巖荷載-位移曲線，結(jié)合式(2)和圖7所示能量關(guān)系，可以得到鐵礦石和圍巖在巴西劈裂試驗(yàn)中從外界吸收的不同能量與加載速率的關(guān)系，如圖8所示。由圖8可見：在不同加載速率下，礦巖的彈性應(yīng)變能均顯著高于耗散能，說明影響礦巖內(nèi)部能量存儲(chǔ)與失穩(wěn)破壞的主要因素是加載速率變化引起彈性應(yīng)變能增加。鐵礦石和圍巖的彈性應(yīng)變能隨著加載速率增加分別增大了24.78% 和19.70%，而其耗散能則分別減少了10.32%和12.54%。由此可見，加載速率變化對礦巖內(nèi)部總能量與能量分配有不同影響，礦巖吸收的能量多用于儲(chǔ)存彈性能，且加載速率增大后，鐵礦石的增加的彈性能比圍巖的多25.78%。

圖8 礦巖能量演化與加載速率的關(guān)系Fig.8 Relationships between ore-rock energy evolutions and loading rates

當(dāng)加載速率較低時(shí)，礦巖試樣原始損傷發(fā)育時(shí)間長，初始裂隙緩慢擴(kuò)展，在充分貫通過程中裂隙面滑移消耗能量，因而0.02 kN/s 下的試樣耗散應(yīng)變能最大。當(dāng)加載速率逐漸增大后，微裂紋發(fā)育時(shí)間受限，強(qiáng)度劣化程度較小，因此，耗散能減少；在試樣總能量隨著加載速率增大而增大的前提下，能量耗散減少導(dǎo)致大部分能量以可恢復(fù)變形能形式儲(chǔ)存在試樣內(nèi)，因此，彈性應(yīng)變能隨加載速率顯著增加。鐵礦石中金屬礦物較多，增大加載速率會(huì)顯著減弱其內(nèi)部金屬礦物錯(cuò)位摩擦(在加載速率增加過程中，圖6(a)，(b)，(c)和(d)中的金屬礦物裂隙數(shù)(紅色線條)減少速率最快)，從而導(dǎo)致耗散能減少幅度比圍巖的小，而彈性能相比圍巖增加更多。

礦巖破壞的本質(zhì)是在能量驅(qū)動(dòng)下，損傷發(fā)育引發(fā)宏觀破裂。高加載速率實(shí)際對應(yīng)過快的開采速度，此時(shí)礦巖內(nèi)部存儲(chǔ)能量多，雖然強(qiáng)度較大，但積聚的彈性應(yīng)變能相比于消耗的耗散能更大，一旦失穩(wěn)破壞，變形能急劇釋放，容易引發(fā)巖爆災(zāi)害等嚴(yán)重的安全事故。鐵礦石相較圍巖儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能更多，因而其沖擊危險(xiǎn)性會(huì)更高。礦巖強(qiáng)度并不能作為其穩(wěn)定的唯一評判標(biāo)準(zhǔn)，從內(nèi)部能量分配與演化進(jìn)行分析，在不影響企業(yè)效率前提下合理減緩開采進(jìn)度，適當(dāng)減少加載效應(yīng)對裂隙發(fā)育的促進(jìn)作用，進(jìn)而釋放耗散能以減少能量積累，更能確保安全且高效開發(fā)礦產(chǎn)。

2.3 基于DIC的水平應(yīng)變分析

DIC技術(shù)作為監(jiān)測物體變形的一種手段，能夠全面捕捉試樣破壞過程，實(shí)時(shí)反映試樣在不同加載階段的應(yīng)變信息，廣泛用于全場變形分析。DIC應(yīng)用原理如下：基于數(shù)字圖像匹配技術(shù)，將涂有散斑的物理圖像提取為數(shù)字圖像，將分析區(qū)域網(wǎng)格化，參照變形前初始圖像，通過相關(guān)性算法，進(jìn)而獲取物體表面各區(qū)域變形信息[33]。

礦巖試樣由于受圓盤徑向壓縮，在其中部因受水平張拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生劈裂破壞，應(yīng)力作用的區(qū)域往往是應(yīng)變集中區(qū)域。選擇如圖9所示的試樣中部作為DIC 處理計(jì)算的主要分析區(qū)域，對試樣集中受力區(qū)中不同高度處的水平應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，即可獲取其受水平拉應(yīng)力作用而發(fā)生破裂的信息。

圖9 巴西劈裂試樣DIC分析區(qū)域Fig.9 DIC analysis region for samples during the Brazilian splitting tests

基于試樣加載破壞過程的物理圖像，通過Ⅴic-2D 軟件將其處理為數(shù)字圖像，獲取水平應(yīng)變場演化過程，從而探究加載速率對礦巖受拉應(yīng)變的影響規(guī)律。本文選取0.02 kN/s 和0.16 kN/s 這2 種典型加載速率下的礦巖水平應(yīng)變演化進(jìn)行分析。根據(jù)圖4 中0.02 kN/s 和0.16 kN/s 加載速率下的礦巖荷載-位移曲線，取0.30P，0.80P，0.950P和P(P為礦巖峰值強(qiáng)度)的實(shí)時(shí)物理圖像作為試樣破壞過程中的典型代表點(diǎn)，經(jīng)Ⅴic-2D 軟件加工，可得到如圖10所示的鐵礦石和圍巖的水平應(yīng)變場演化圖(其中，exx為水平應(yīng)變)。

從不同加載時(shí)刻之間的水平應(yīng)變場演化圖(圖10)可以看出，礦巖試樣水平應(yīng)變幅值在加載過程中不斷增大，在不同加載速率下，水平應(yīng)變集中區(qū)變化趨勢如下：

1)在0.30P(圖10(a)和(e))、不同加載速率下，鐵礦石和圍巖試樣表面的水平應(yīng)變均隨機(jī)分布，整體產(chǎn)生的水平應(yīng)變均勻變化，其變化幅值相對加載后期普遍較小。

2)隨著加載的繼續(xù)，當(dāng)荷載達(dá)到0.80P(圖10(b)和(f))時(shí)，試樣的水平應(yīng)變場由隨機(jī)均勻分布向非均勻分布變化，在施加荷載位置附近，水平應(yīng)變集中區(qū)呈現(xiàn)了明顯的局部化分布。不同加載速率下試樣萌發(fā)的初始水平應(yīng)變集中區(qū)呈現(xiàn)差異分布：當(dāng)加載速率較低時(shí)(0.02 kN/s)，加載初期的應(yīng)變局部集中帶從試樣中心擴(kuò)展；相比之下，隨著加載速率增加(0.16 kN/s)，端部荷載變大，應(yīng)變局部集中帶從圓盤中部轉(zhuǎn)移到兩端。

3)當(dāng)荷載增加到0.95P(圖10(c)和(g))時(shí)，水平應(yīng)變場幅值增大，應(yīng)變局部集中帶持續(xù)擴(kuò)展。當(dāng)加載速率較低時(shí)(0.02 kN/s)，應(yīng)變局部集中帶由試樣中心向端部進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)加載速率增加到0.16 kN/s 時(shí)，試樣繼續(xù)發(fā)生非均勻變形，頂部和底部加載端附近的局部應(yīng)變集中區(qū)沿荷載作用線向中部擴(kuò)延。

4)當(dāng)荷載增加到峰值P(圖10(d)和(h))時(shí)，試樣中部和端部加載點(diǎn)周圍的水平應(yīng)變集中區(qū)在荷載作用中心區(qū)域匯合，分布在圓盤的徑向有限圓弧上。圓盤試樣在微觀上的原始隨機(jī)缺陷不斷由無序分布演化為有序分布，處于強(qiáng)烈非均勻變形狀態(tài)，由水平間接拉應(yīng)力作用形成劈裂貫通破壞模式。

圖10 不同加載速率下礦巖水平應(yīng)變場演化圖Fig.10 Evolutions of horizontal strain field of ore-rock under different loading rates

DIC監(jiān)測礦巖水平應(yīng)變演化結(jié)果表明：不同加載速率下的礦巖試樣均存在明顯的水平應(yīng)變集中區(qū)，且不同加載速率下的應(yīng)變集中區(qū)在加載過程不斷變化，低加載速率的礦巖應(yīng)變帶從圓盤徑向中心向兩端延伸，高加載速率的試樣應(yīng)變集中區(qū)則是由頂部和底部加載端向中部匯合。

為進(jìn)一步探究加載速率對礦巖破壞應(yīng)變帶分布的影響規(guī)律，利用DIC 技術(shù)定量分析的優(yōu)勢，對鐵礦石和圍巖在破裂時(shí)的水平應(yīng)變分布進(jìn)行定量化研究，當(dāng)?shù)V巖所受荷載增加到峰值P時(shí)，提取圖9所示縱坐標(biāo)軸處的水平應(yīng)變，對礦巖破裂的水平應(yīng)變分布進(jìn)行定量分析。礦巖在不同加載速率下破裂時(shí)的水平應(yīng)變分布及其相應(yīng)正視投影圖如圖11所示。

由圖2 可知試樣下部為加載端(加載系統(tǒng)作用力施加端)，上部為測力端(測力傳感器反作用力施加端)。從圖11可以看出，礦巖破裂時(shí)的水平應(yīng)變隨加載速率變化呈不同的變化趨勢：

1)當(dāng)加載速率較低時(shí)(0.02 kN/s)，加載端和測力端荷載在圓盤徑向受力區(qū)充分?jǐn)U展，故礦巖水平應(yīng)變在集中受力破裂區(qū)呈正態(tài)分布(圖11(b)和(d)所示黑色曲線)。

2)隨著巴西劈裂加載速率增加，圓盤試樣端部破壞會(huì)比中部的破壞更加劇烈[4,9]。當(dāng)加載速率增幅較小時(shí)(0.02～0.08 kN/s)，位于測力端的試樣部分承載結(jié)構(gòu)弱化嚴(yán)重，試樣上部水平應(yīng)變明顯增大(圖11(b)所示紅色曲線和圖11(d)所示藍(lán)色曲線)。當(dāng)加載速率為0.16 kN/s時(shí)，加載端附近荷載集中，水平應(yīng)變峰值集中分布在試樣下部(圖11(b)和(d)所示綠色曲線)。

圖11 礦巖在不同加載速率下破裂時(shí)的水平應(yīng)變分布Fig.11 Distributions of horizontal strain of ore-rock fracture under different loading rates

3)隨著加載速率增大，鐵礦石的水平應(yīng)變分布相比于圍巖更早出現(xiàn)變化。當(dāng)加載速率由0.02 kN/s 增加到0.04 kN/s 時(shí)，鐵礦石的水平應(yīng)變由正態(tài)分布(圖11(b)中黑色曲線)轉(zhuǎn)變?yōu)樯喜繎?yīng)變突出(圖11(b)中紅色曲線)，而圍巖仍呈正態(tài)分布(圖11(d)中紅色曲線)；0.08 kN/s 時(shí)鐵礦石下部應(yīng)變小幅度突出(圖11(b)中藍(lán)色曲線)，而圍巖試樣則在上部出現(xiàn)應(yīng)變峰值(圖11(d)中藍(lán)色曲線)，直至0.16 kN/s 時(shí)圍巖試樣下部顯現(xiàn)應(yīng)變峰值集中現(xiàn)象(圖11(d)中綠色曲線)。

礦巖破裂時(shí)的水平應(yīng)變分布定量分析結(jié)果表明：當(dāng)加載速率較低時(shí)(0.02 kN/s)，礦巖表面水平應(yīng)變在集中受力區(qū)均呈正態(tài)分布。當(dāng)巴西劈裂加載速率增大后，礦巖端部破裂嚴(yán)重，且兩端破壞具有不對稱性，試樣破壞時(shí)的水平應(yīng)變峰值由上部偏移到下部。鐵礦石的水平應(yīng)變端部集中分布所對應(yīng)的加載速率要比圍巖的小，而圍巖僅在加載速率為0.08 kN/s 和0.16 kN/s 時(shí)才出現(xiàn)水平應(yīng)變端部突出現(xiàn)象。

本文試驗(yàn)僅針對礦山同一地點(diǎn)鐵礦石和圍巖的應(yīng)變演化分布進(jìn)行研究，而隨著礦山不同以及賦存位置的改變，礦產(chǎn)資源的礦石品位往往也發(fā)生改變。LIU等[34]在鐵礦石的霍普金森壓桿巴西劈裂試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同品位礦石應(yīng)變和裂紋演化亦有所區(qū)別。后續(xù)將細(xì)化鐵礦石品位，借助聲發(fā)射和CT掃描等手段深入探究不同品位的鐵礦石劈裂機(jī)制。

3 結(jié)論

1)增大加載速率會(huì)抑制微裂紋發(fā)育進(jìn)而提高礦巖抗拉強(qiáng)度。礦巖抗拉強(qiáng)度主要受微裂紋擴(kuò)展程度和原始礦物分布的影響：圍巖破壞以均勻隨機(jī)的微裂紋破壞為主要形式，其抗拉強(qiáng)度與加載速率呈線性關(guān)系變化；在加載速率增大后，鐵礦石中的金屬礦物張裂首先受到顯著抑制，而后則是脈石礦物和礦物膠接面的破裂受限，使抗拉強(qiáng)度與加載速率呈先急劇增加后緩慢增加的冪函數(shù)變化。

2)隨著加載速率增加，礦巖內(nèi)部總能量和彈性應(yīng)變能均隨之增大，而耗散能則是呈下降趨勢，且鐵礦石相比圍巖多儲(chǔ)存25.78%的彈性能，因而其巖爆危險(xiǎn)性更高。合理控制開采進(jìn)度以促進(jìn)裂隙發(fā)育，釋放耗散能，減少能量積累，更能保證實(shí)際礦山安全生產(chǎn)。

3)在不同加載速率下，礦巖劈裂破壞的水平應(yīng)變演化過程相似：在加載過程中，礦巖全場水平應(yīng)變由均勻分布向非均勻分布轉(zhuǎn)變，在0.02 kN/s 加載速率下，礦巖應(yīng)變帶從中部向兩端延伸，加載速率增大后，試樣應(yīng)變集中區(qū)則是由兩端向中部匯合。

4)不同加載速率對礦巖破裂的影響不同。當(dāng)加載速率較低時(shí)(0.02 kN/s)，礦巖表面水平應(yīng)變均呈正態(tài)分布；加載速率增加后的礦巖端部水平應(yīng)變突出，且鐵礦石相比于圍巖更早產(chǎn)生端部應(yīng)變集中現(xiàn)象。