于跟波，呂文生，王 昆

(1.北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100070，2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；3.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)

尾砂膠結(jié)充填體側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)特性實(shí)驗(yàn)研究

于跟波1，呂文生2，3，王 昆2，3

(1.北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100070，2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；3.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)

充填接頂后，充填體在復(fù)雜應(yīng)力條件下發(fā)生變形量的大小直接關(guān)系到能否對上覆巖層進(jìn)行有效控制。為揭示深部開采充填體服役過程中的力學(xué)作用機(jī)制，必須深刻了解充填體在復(fù)雜應(yīng)力作用下的變形性能。本文結(jié)合工程實(shí)際，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上分別對不同齡期充填體側(cè)限約束條件下的固結(jié)變形特性進(jìn)行研究，得到了不同養(yǎng)護(hù)齡期充填體的壓縮規(guī)律；對側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)過程中充填體的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了探討，分析了側(cè)限約束條件下充填體由彈性變形到彈塑性變形再過渡到彈性變形的全過程，研究結(jié)論能夠?yàn)樯畈块_采充填設(shè)計(jì)及安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

充填體；尾砂膠結(jié)；側(cè)限高應(yīng)力；固結(jié)特性

強(qiáng)度較低的充填體屬于松散體，在復(fù)雜應(yīng)力作用下必然產(chǎn)生壓縮。長期以來，人們對膠結(jié)充填體的破壞機(jī)理及其力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了一定的成果[1-4]。但研究方法大都局限在宏觀層次上，且對力學(xué)性能的研究主要是確定充填體的抗壓、抗剪切強(qiáng)度和彈性常數(shù)等方面。充填料漿到達(dá)采空區(qū)進(jìn)行充填接頂后，充填體受到上覆巖層的重力及地應(yīng)力的作用。在這種受力條件下，固結(jié)體發(fā)生變形量的大小，直接關(guān)系到能否對上覆巖層進(jìn)行有效控制[5-6]。因此，研究深部開采充填體的壓縮性能對于防止地表沉陷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于不同礦山充填體條件較為懸殊，要揭示充填體服役過程中的力學(xué)作用機(jī)制，必須深刻了解充填體在復(fù)雜應(yīng)力作用下的變形性能，因此對其進(jìn)行研究十分必要。

1 試驗(yàn)方案及方法

1.1 試驗(yàn)原料

根據(jù)山東某金礦充填所用灰砂比和料漿濃度的實(shí)際情況，本次試驗(yàn)采用灰砂比為1∶10，質(zhì)量濃度為70%的尾砂膠結(jié)充填試塊進(jìn)行壓縮固結(jié)試驗(yàn)。試塊模具采用自行設(shè)計(jì)的45#鋼制作的無縫鋼筒，其規(guī)格參數(shù)如下：內(nèi)徑80 mm，高度180 mm，壁厚6 mm。為了保證試塊質(zhì)量，同時(shí)設(shè)計(jì)了尼龍材料制作的濾水底座配套鋼筒使用，其規(guī)格參數(shù)如下：底座上部直徑79 mm、高20 mm，底座下部直徑100 mm、高10 mm，同時(shí)設(shè)計(jì)了濾水孔，利于尾砂膠結(jié)充填試塊脫水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

為研究不同條件下充填體在側(cè)限高應(yīng)力條件下固結(jié)特性，分別對不同齡期的尾砂膠結(jié)試塊進(jìn)行不同應(yīng)力的固結(jié)試驗(yàn)，記錄各組試塊的壓縮率及試驗(yàn)曲線，固結(jié)試驗(yàn)完成后測試試塊的單軸抗壓強(qiáng)度。由于目前還沒有關(guān)于尾砂膠結(jié)充填體壓縮固結(jié)的試驗(yàn)規(guī)程，試驗(yàn)過程參考土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T-50123-1999)進(jìn)行。在借鑒行業(yè)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上確定本方案的加載等級，最后一級壓力應(yīng)大于深部開采充填體的自重壓力與上覆巖體的應(yīng)力之和[7]，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的加載應(yīng)力等級最大值為128 KN(25.5 MPa)，中間加載壓力等級分別為為4 kN(0.8 MPa)、8 kN(1.6 MPa)、16 kN(3.2 MPa)、32 kN(6.4 MPa)、64 kN(12.8 MPa)。固結(jié)試驗(yàn)結(jié)束后采用自主設(shè)計(jì)的脫模器對試塊進(jìn)行脫模，然后分別測試不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 不同養(yǎng)護(hù)齡期尾砂膠結(jié)充填體側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)方案

2 側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)試驗(yàn)

2.1 充填試塊制備

1)料漿制備。按照計(jì)算好的用量用電子秤(精確到0.1 g)分別稱取充填水、尾砂、膠結(jié)劑等試驗(yàn)原料，然后稱量好的原料依次倒入于攪拌器內(nèi)并不停進(jìn)行攪拌使料漿充分混合混勻。

2)試塊澆筑。制作試塊時(shí)，首先要將試模內(nèi)壁清理干凈并均勻涂抹一層潤滑油后套在尼龍底座上，然后將制備好的料漿緩慢倒入試模中。在加料過程中要持續(xù)對料漿進(jìn)行攪拌，防止料漿的離析。試模澆滿后，靜置等待料漿脫水后再澆注，直到固態(tài)料漿高于試模為止。試件制作完成24 h后，用刮板將膠結(jié)試塊的頂部刮平，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案對試塊進(jìn)行編號，并做好清晰的標(biāo)記。

3)試塊養(yǎng)護(hù)。將試件放于HBY-40B型水泥(砼)恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為濕度95%、溫度20℃。

2.2 側(cè)限固結(jié)壓縮實(shí)驗(yàn)

試塊達(dá)到預(yù)定養(yǎng)護(hù)齡期后，在300 kN電子液壓壓力機(jī)上進(jìn)行側(cè)限固結(jié)壓縮試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程如下所述。

1)將尼龍濾水底座拆除，裝上專用實(shí)心壓頭。將試塊和壓頭順利置于承載臺的中心位置，調(diào)整好壓力機(jī)后安裝千分表，如圖1所示。

圖1 側(cè)限固結(jié)實(shí)驗(yàn)及裝置

2)試驗(yàn)開始后，施加1 kN的預(yù)壓力使試樣與儀器上下各部件之間充分接觸，待壓頭與壓力機(jī)有效接觸，將千分表調(diào)零。

3)根據(jù)確定施加的各級壓力進(jìn)行加載。

4)控制壓力機(jī)加載速率，對試塊進(jìn)行應(yīng)力加載。達(dá)到預(yù)定等級加載壓力后，調(diào)整壓力機(jī)使試塊應(yīng)力維持在該加載應(yīng)力等級下持續(xù)10 min，并及時(shí)記錄千分表度數(shù)。

5)持載過程結(jié)束后繼續(xù)按照恒定加載速率加載至下一應(yīng)力等級，按此步驟逐級加壓至128 kN。

6)加載過程結(jié)束后，記錄千分表數(shù)據(jù)并保存試驗(yàn)曲線，最后卸載應(yīng)力，固結(jié)過程結(jié)束。

7)脫模及強(qiáng)度測定。待充填試件固結(jié)試驗(yàn)結(jié)束后，取出加壓壓頭。在鋼筒內(nèi)放置一個(gè)直徑79 mm、厚度為20 mm的實(shí)心鋼墊。然后把鋼筒和墊片放置于脫模器中，用千斤頂進(jìn)行加壓、脫模。將固結(jié)、脫模后得到的充填試塊進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測定。

3 尾砂膠結(jié)充填體側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)機(jī)理研究

3.1 側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)變形規(guī)律分析

由于每組充填試塊的尾砂粒級組成和孔隙率存在差異，因此實(shí)驗(yàn)過程中，對相同條件的各組試塊的壓縮量取平均值作為各自養(yǎng)護(hù)齡期充填體的壓縮量。與此同時(shí)，按照上文中的固結(jié)步驟，對試驗(yàn)用分級尾砂也進(jìn)行了壓縮固結(jié)試驗(yàn)，得到了不同固結(jié)應(yīng)力下分級尾砂的壓縮規(guī)律，實(shí)驗(yàn)所得的不同齡期充填體及尾砂的壓縮數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 試件脫模后抗壓強(qiáng)度測定

固結(jié)應(yīng)力(MPa)56d壓縮量(mm)28d壓縮量(mm)14d壓縮量(mm)純尾砂壓縮量(mm)0.80.6151.6631.5082.3741.61.1542.4213.0544.7893.22.1744.3456.0818.1196.45.8607.82410.53411.10112.810.78413.07316.38915.55025.517.43019.51623.89721.406

對實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，并對不同養(yǎng)護(hù)齡期的充填體及尾砂的壓縮量隨固結(jié)應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行回歸擬合分析，數(shù)據(jù)擬合曲線如圖3所示。由圖3可以看出，隨著固結(jié)應(yīng)力的不斷增大，充填體的壓縮量(軸向變形)也隨之增大。三種養(yǎng)護(hù)齡期的充填體隨固結(jié)應(yīng)力的增加表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，軸向壓縮變形量遵循指數(shù)函數(shù)S=aebσ(a、b為常數(shù))增長，且曲線擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于98%，表明充填體壓縮變形回歸顯著，擬合曲線具有很高的精度，擬合結(jié)果見表3。對比不同齡期充填體的壓縮變形曲線可以看出，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，充填體相同固結(jié)應(yīng)力下軸向壓縮量越小。

圖3 不同固結(jié)應(yīng)力下充填體及尾砂的壓縮量擬合曲線

充填試塊齡期abR214d1.00250.55440.984728d0.94890.51310.995656d0.30040.69770.9916

3.2 側(cè)限固結(jié)過程充填體本構(gòu)關(guān)系探討

對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的齡期分別為14 d、28 d、56 d充填體的側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，分別繪制充填試塊的側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)壓縮曲線。繪制尾砂膠結(jié)充填體側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)壓縮曲線的原理和步驟如下[8]。

1)在充填體固結(jié)壓實(shí)過程中，用千分表記錄下剛性圓筒內(nèi)充填體的軸向變形Δ與軸向應(yīng)力P的對應(yīng)讀數(shù)。

2)根據(jù)公式ε=Δ/h(h為初始壓力時(shí)充填體的高度)將Δ轉(zhuǎn)化為軸向應(yīng)變。

3)繪制尾砂膠結(jié)充填體的側(cè)限固結(jié)曲線，即σ-ε曲線。

尾砂膠結(jié)充填試塊進(jìn)行側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)繪制充填試塊固結(jié)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖4為灰砂比1∶10，濃度為70%，養(yǎng)護(hù)齡期分別為14 d、28 d、56 d充填體側(cè)限固結(jié)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4中可以看出，充填體側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)過程可分為以下四個(gè)階段。

圖4 不同齡期充填體側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1)第一階段為初始變形階段(圖4中oa段)，此階段為充填體受力的初期階段。充填體內(nèi)大量微孔隙和微裂紋開始不斷被壓密，并且在側(cè)限約束條件下發(fā)生初始變形。此時(shí)充填試塊應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為平緩，隨著應(yīng)力的增大曲線斜率越來越大；固結(jié)前充填體齡期越長，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率越大。

2)第二階段為彈性變形階段(圖4中ab段)，此階段充填體隨著加載應(yīng)力的變大而發(fā)生彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近直線。齡期為28 d、56 d的充填體應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律基本一致，齡期14 d的充填體應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍然較為平緩，該階段應(yīng)力條件下變形最大。

3)第三階段為彈塑性變形階段(圖4中bc段)，此階段充填體發(fā)生彈塑性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率逐漸變大。該階段充填體微空隙和微裂隙進(jìn)一步被壓密，同時(shí)隨著應(yīng)力的持續(xù)增大，充填體內(nèi)部開始出現(xiàn)新的裂隙并擴(kuò)展、集結(jié)，充填體發(fā)生塑性變形。由于側(cè)限約束條件的存在，充填體內(nèi)部出現(xiàn)的裂隙不能持續(xù)發(fā)育，無法通過宏觀狀態(tài)表現(xiàn)出來。

4)第四階段為彈性變形階段(圖4中cd段)，此階段充填體側(cè)限約高應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性變化。該階段充填體微空隙和微裂隙被壓實(shí)，同時(shí)由于剛性側(cè)限約束的存在，充填體內(nèi)部出現(xiàn)的裂隙不能持續(xù)發(fā)育，充填體不再發(fā)生塑性變形，隨著應(yīng)力的增大，充填體發(fā)生彈性形變，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變?yōu)橹本€。

4 結(jié) 論

本文在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分別對不同齡期充填體側(cè)限約束條件下的固結(jié)變形特性進(jìn)行研究，對側(cè)限高應(yīng)力條件下充填體固結(jié)機(jī)理進(jìn)行了探討，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)針對深部開采充填體的受力特性，進(jìn)行了齡期分別為14 d、28 d、56 d的一系列充填試塊的側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)試驗(yàn)，得到了不同養(yǎng)護(hù)齡期充填體的壓縮規(guī)律。研究表明，在最大固結(jié)應(yīng)力為25.5 MPa的剛性側(cè)限條件下，充填體軸向壓縮變形量遵循指數(shù)函數(shù)S=aebε(a、b為常數(shù))增長，擬合曲線回歸顯著，具有很高的精度。

2)對側(cè)限高應(yīng)力固結(jié)過程中充填體的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了探討，分析了側(cè)限約束條件下充填體由彈性變形到彈塑性變形再過渡到彈性變形的全過程；分別對不同齡期充填體固結(jié)過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果表明回歸顯著，精度較高，所擬合應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠很好的描述側(cè)限固結(jié)過程中充填體的力學(xué)特性。

3)關(guān)于尾砂膠結(jié)充填體側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)，目前還是一項(xiàng)探索性研究，無論從方法和試驗(yàn)規(guī)程上都需作進(jìn)一步的探討和完善，需要形成相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

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Research on the consolidation characteristics test of cemented tailings backfill under side-confined high stress

YU Genbo1，LYU Wensheng2，3，WANG Kun2，3

(1.Beijing GXAK Technology Co.，Ltd.，Beijing 100070，China；2.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；3.Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Beijing 100083，China)

After the roof-contacted filling，the ability of controlling the overburden was directly affected by the deformation value of backfill under the complicated stress conditions.In order to reveal the mechanics mechanism of the backfill in service process in deep mining，the deformation performance of backfill under complicated stress conditions must be understood deeply.Combined with engineering practice and in base of laboratory tests，the consolidation deformation characteristics of different curing age side-confined backfill were studied in this paper，and the compression rules of different curing age backfill were revealed.The constitutive relations of backfill in the process of side-confined consolidation were discussed.And the whole process of backfill under side-confined consolidation from elastic deformation to elastic-plastic deformation was analyzed.The conclusions can provide a scientific basis for deep mining design and safety management.

backfill；cemented tailings；side-confined high stress；consolidation characteristics

2017-05-20 責(zé)任編輯：劉艷敏

于跟波(1986-)，男，工程師，博士，主要從事充填工藝、安全技術(shù)方面的研究，E-mail：jiangbobj08@163.com。

TD853.34+3

A

1004-4051(2017)07-0101-04