荷载作用下磷块岩晶界裂纹产生扩展贯通破坏机理研究

The dolomitic banded structure phosphor ore is the main phosphorite body in China. The crack propagation in stope roof and pillar often causes the instability of stope in underground mining，and disasters will take place because of the crack propagation in the underground Phosphorite mine. The main reason of causing phosphorite destruction is the crack propagation in different kinds of banded Phosphorite grain boundary.Selecting the typical phosphorite sample,three types of test samples(collophanite, dolomite and mixing grain boundary of collophanite and dolomite) will be taken. The crack propagation in different types of Phosphorite grain boundary will be tested by using real time observation SEM experimental system. Based on the crack SEM image, the grain boundary crack propagation will be analyzed by using digital image processing method.Through experimental study and theoretical analysis for three different types of grain boundary fracture, the first fractured grain boundary can be determined by using energy dissipation and energy release theory , the first fractured grain boundary is the weakest parts of the Phosphorite. Based on the fracture and damage mechanics theory，the mechanical model of phosphorite grain boundary crack propagation and failure will be set up .

白云质条带状构造磷矿石是我国磷块岩矿主体，在其地下开采过程中，采场顶板、边帮及矿柱裂纹的产生扩展破坏，常引起采场的不稳定并导致灾难性事故发生，而条带状磷块岩中不同晶界起裂以及裂纹的扩展贯通是引起磷块岩变形破坏的关键。选取具有代表性的磷块岩，将磷块岩中胶磷矿、白云石以及含胶磷矿与白云石接触晶界的部位分别加工成试样，借助加载下实时观测的 SEM实验系统，对载荷作用下磷块岩中不同类型晶界起裂及裂纹扩展规律进行室内实验。根据试样中裂纹的 SEM 图像，借助数字图像处理的方法，分析研究晶界的开裂及裂纹传播规律。通过对三种不同类型晶界在应力作用下的起裂破坏实验研究及理论分析，从能量耗散及释放的理论出发，确定出在应力作用下最先起裂的晶界类型，该晶界就是磷块岩开裂破坏的最弱部位，以此为基础，采用断裂力学及损伤力学相关理论，建立在荷载作用下磷块岩晶界裂纹产生扩展贯通破坏力学模型。

本项目紧密结合我国磷块岩矿山的生产实际，通过调研，在矿山现场采取了具有代表性的磷块岩，研究在荷载作用下磷块岩中不同微观结构及矿物成分对其强度影响规律，分析研究了磷块岩微观开裂与宏观破坏关系。. 采用RXT-1000高温高压岩石三轴试验仪及WAM-600微机控制电液伺服万能试验机，分别进行三轴加载及单轴加载破坏规律力学实验。在岩石三轴仪连接前置放大器，在岩样上设置6个声发射探头，以此实现声发射震源的三维定位，用三维布设的传感器监测磷块岩在载荷作用下的声发射活动，实时采集磷块岩在三轴应力作用下声发射活动信息，观测岩样破碎活动。利用AEwin软件对磷块岩样进行监测分析，得出三轴加载下磷块岩样声发射变化过程图。研究表明：在三维应力作用下，磷块岩中的起裂点是在岩体内部的某个弱面或弱点处，而不是在试件的周边。而现场磷块岩破坏的发生主要是在开挖后的自由面附近。这说明约束力的重要性。. 对磷块岩样进行SEM细观试验分析研究，观察磷块岩样的晶体结构及压裂试验后晶界裂纹产生发展情况，对宏观破坏试样断面切片进行电镜扫描和元素分析，观察晶界裂纹破坏情况及发展趋势。确定出在应力作用下磷块岩开裂破坏的最弱部位。研究表明:磷块岩的裂纹扩展特征与材料非均质性密切相关，磷块岩在加载条件下主要从其胶结物处开裂。岩体中大量硅质的存在，一方面提高了岩体的总体强度，另一方面提高岩石储存弹性应变能的能力，使得围岩体成为岩爆高储能体，体现出较高岩爆倾向性。把室内试验结果与磷块岩矿床现场破坏情况对比，分析了磷块岩微观开裂与宏观破坏之间的关系。. 我国许多磷矿山出现岩爆等地质灾害，本项目研究中的大量岩样取自这些磷矿山，研究磷块岩晶界裂纹产生、扩展贯通破坏机理，找出磷块岩的开裂破坏规律，可为磷块岩地下开采中地质灾害预防和安全生产提供科学理论依据。研究成果已在宜昌部分矿山中得到应用。