王明旭 許夢(mèng)國(guó) 程愛(ài)平 劉曉云 杜宇翔

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

目前膠結(jié)充填法逐漸被廣泛使用，可膠結(jié)充填體充填井下空區(qū)，將作為人工支撐礦柱或與圍巖共同承載處于雙向或三向受力狀態(tài)。對(duì)于充填體與礦巖的相互作用，相關(guān)學(xué)者主要從某一種受力狀態(tài)進(jìn)行分析，而充填體與礦巖的受力狀態(tài)在井下復(fù)雜環(huán)境下發(fā)生變化，需要研究比較每種狀態(tài)的充填體與礦巖相互作用特點(diǎn)。為此進(jìn)行了單軸、雙軸和自制的類(lèi)三軸加載裝置進(jìn)行充填體與礦巖的相互作用方面的試驗(yàn)研究，進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了相互作用模型，為礦山井下充填體與礦巖相互作用及可能存在的破壞形式提供指導(dǎo)，確保礦山井下充填體采場(chǎng)安全穩(wěn)定。

對(duì)于充填體-礦巖接觸帶的力學(xué)作用研究，周保精[1]給出了煤礦中充填體與礦巖之間的協(xié)調(diào)變形研究；秦帥等[2]通過(guò)螺栓上螺釘控制夾板，用夾板擠壓充填體，中間礦柱加載至破壞，發(fā)現(xiàn)有充填體和沒(méi)充填體相比，礦柱破壞時(shí)有明顯的殘余強(qiáng)度，說(shuō)明充填體對(duì)已破壞的礦柱仍有明顯的支撐作用；唐亞男等[3]在研究充填體與圍巖之間的作用機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)巖石在受壓時(shí)，巖石抗壓強(qiáng)度與周?chē)某涮铙w強(qiáng)度有密切關(guān)系，且隨著充填體強(qiáng)度的增大，巖石抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出不同程度的增大；姚振鞏[4]認(rèn)為膠結(jié)充填體和天然巖體相比較軟，其變形以柔性變形為主導(dǎo)；余偉健等[5]根據(jù)充填開(kāi)采特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮充填體、煤柱和承重巖層的共同協(xié)調(diào)作用，提出“充填體+煤柱+承重巖層”協(xié)作支撐系統(tǒng)這一概念； Liu等[6]研究膠結(jié)充填體與礦巖能量匹配的問(wèn)題；張東升等[7]對(duì)充填體強(qiáng)度和接頂時(shí)間的不同導(dǎo)致的沿空留巷圍巖變形特征的差異進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析,結(jié)果表明充填體強(qiáng)度越高 初凝時(shí)間越早、接頂效果越好越有利于沿空留巷圍巖的穩(wěn)定；高建科等[8]認(rèn)為圍巖與充填體的變形發(fā)展規(guī)律也直接影響礦區(qū)開(kāi)拓工程的安全正常運(yùn)行,且在金川礦區(qū)采取了水準(zhǔn)收斂以及GPS 等多種手段的全方位變形監(jiān)測(cè)；李克蓬等[9]、馬鳳山等[10]為合理解釋三山島金礦新立礦區(qū)海底開(kāi)采充填體和圍巖變形特征， 建立了假二維的礦山開(kāi)挖充填力學(xué)模型，并將其簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。根據(jù)對(duì)充填體力學(xué)特性的研究，在模型建立過(guò)程中，對(duì)充填體采用了雙屈服模型，對(duì)礦柱及圍巖采用了應(yīng)變硬化/軟化塑性模型；王文哲等[11]認(rèn)為充填金屬礦山采空區(qū)時(shí)，充填體與圍巖在接觸面上會(huì)發(fā)生滑動(dòng)和分離，并利用FLAC3D的分界面模擬接觸弱面。這些都對(duì)充填體與礦巖接觸帶的研究作了有益探索，更多的是通過(guò)數(shù)值模擬軟件的手段進(jìn)行研究，而即使有相似模擬試驗(yàn)，也是沒(méi)有建立直接的礦巖接觸帶的模擬試驗(yàn)。為了更進(jìn)一步研究礦巖接觸帶的力學(xué)作用機(jī)理，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)制作了礦巖和充填體整體澆筑的復(fù)合體試樣，進(jìn)行力學(xué)參數(shù)的測(cè)試，同時(shí)觀察表壁微觀結(jié)構(gòu)的變化，并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行不同荷載作用下的礦巖接觸帶的力學(xué)作用分析。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)中的礦巖與充填體的模擬，依據(jù)相似原理進(jìn)行配比制樣。為了比較礦巖和充填體的復(fù)合體配比試樣在不同加載形式下的力學(xué)變形特征，單軸加載使用WAW-300微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載，雙軸使用三軸儀進(jìn)行剪切加載，三軸采用自制的類(lèi)三軸加載裝置進(jìn)行三軸加載。

1.1 礦巖與充填體的分別軸向加載破壞試驗(yàn)

配比的礦巖試樣軸向加載破壞時(shí)，表壁主要以豎向裂紋為主，試驗(yàn)加載破壞后具有繼續(xù)承載能力。膠結(jié)充填體加載破壞時(shí)，試樣表壁呈現(xiàn)塊狀掉落，一直延伸至內(nèi)部，試樣破壞嚴(yán)重，見(jiàn)圖1。

圖1 礦巖和充填體軸向加載破壞Fig.1 Axial loading damage of rock and the filling body

1.2 復(fù)合體軸向加載試驗(yàn)

1.2.1 試樣制作及加載條件

根據(jù)相似模擬原理，確定礦巖配比為普通32.5號(hào)的硅酸鹽水泥和礦粉，配比為1∶6，充填體配料為水泥和河砂(1 mm×1 mm粒徑篩篩過(guò))，配比為1∶12，濃度為68%。模擬礦巖和充填體之間的接觸，在澆灌模型時(shí)，用隔板將礦巖和充填體隔開(kāi)，搗實(shí)之后，抽開(kāi)隔板，并將電阻應(yīng)變片內(nèi)置在礦巖接觸帶。在室內(nèi)恒溫箱(20±1 ℃)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

為了研究礦巖接觸帶在加載情況下的變化情況，考慮到邊界效應(yīng)的影響，應(yīng)變值選取中間區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。一是在礦巖接觸帶中心1/4和3/4的位置布置內(nèi)置電阻應(yīng)變片。將礦巖和充填體復(fù)合體表壁分成4行5列，在礦巖和充填體側(cè)表面布置4個(gè)電阻應(yīng)變片，并在相應(yīng)水平區(qū)域設(shè)置觀察監(jiān)測(cè)區(qū)域，用以觀察在不同荷載作用下表壁裂紋擴(kuò)展情況，見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖Fig.2 Distribution map of monitoring points

通過(guò)WAW-300微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載，先是進(jìn)行位移控制，以0.001 mm/s的速度加載，待荷載達(dá)到0.5 kN后，自動(dòng)轉(zhuǎn)為試驗(yàn)力控制，以0.001 kN/s的速度加載。

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)加載，埋置在復(fù)合體內(nèi)部的電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值，上平面J1的應(yīng)變值剛開(kāi)始較小，下平面J2的應(yīng)變值變化較大。在荷載達(dá)到0.36 MPa時(shí)，J1的應(yīng)變值開(kāi)始快速增加，最后兩者之間的比值達(dá)10.6倍。而在加載過(guò)程中，上表面的應(yīng)變值變化較為平穩(wěn)，呈現(xiàn)不斷遞增趨勢(shì)。下表面的應(yīng)變值卻出現(xiàn)了應(yīng)變值的壓縮和拉伸的反轉(zhuǎn)，說(shuō)明在加載過(guò)程中，礦巖接觸帶的應(yīng)變隨著兩邊礦巖和充填體的受力變化特點(diǎn)存在不斷的擠壓變形調(diào)整階段，最后下表面的應(yīng)變值區(qū)域穩(wěn)定，不斷遞增，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值見(jiàn)表1。

表1 不同荷載作用下的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值Table 1 Strain value of each monitoring point under different loads με

對(duì)于黏貼在復(fù)合體表壁的電阻應(yīng)變片，在荷載作用下，充填體的應(yīng)變值變化較大。從表1的豎向方向來(lái)看，從充填體到礦巖，其應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變值不斷減小。從表1橫向來(lái)看，礦巖一側(cè)的應(yīng)變值變化要小于充填體一側(cè)的應(yīng)變值。以接觸帶兩側(cè)的應(yīng)變變化來(lái)看，礦巖一側(cè)D2的應(yīng)變值從0.045 MPa時(shí)的108 με變化到3.23MPa的202 με，增長(zhǎng)了94 με，而充填體一側(cè)的D3的應(yīng)變值增長(zhǎng)了185 με。

為了研究礦巖接觸帶接觸不完整情況下的應(yīng)變情況，荷載加壓至3.23 MPa后就停止加載。待卸壓后，再重復(fù)相同的加載過(guò)程直至加載破壞。在加載前期，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變總體上呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。隨著荷載的進(jìn)行，開(kāi)始出現(xiàn)從負(fù)應(yīng)變到正應(yīng)變，再到負(fù)應(yīng)變的變化。直到加載的后期，各處應(yīng)變變化趨于穩(wěn)定增長(zhǎng)，見(jiàn)圖3。

復(fù)合體在加載過(guò)程中，除了內(nèi)部和表壁的應(yīng)變值的變化，表壁的部分區(qū)域也出現(xiàn)了破壞情況。從圖4可以看出，在復(fù)合體破壞時(shí)，所預(yù)定的4個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，充填體側(cè)的X1和X2區(qū)域出現(xiàn)了復(fù)合體破壞裂隙和錯(cuò)動(dòng)，礦巖側(cè)的X3也出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，而X4監(jiān)測(cè)區(qū)出現(xiàn)了較大的斷裂帶。這也說(shuō)明在不斷的加載過(guò)程中，由于礦巖體的完整性和強(qiáng)度較充填體高，其破壞主要發(fā)生在充填體，未能極大幅度的擴(kuò)展到表壁。

圖3 加載后期各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化Fig.3 Strain variation of each monitoring point at post loading■—D1；●—D2；▲—D3；▼—D4

圖4 監(jiān)測(cè)區(qū)域破壞時(shí)情況Fig.4 Damages in monitoring region

隨著荷載的不斷加大，充填體和礦巖復(fù)合體的表壁出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)和裂隙萌生，其值也是隨荷載值的加大，其相應(yīng)區(qū)域已經(jīng)萌生的裂隙寬度和深度也不斷加大。從圖5可以看出，在1 MPa荷載作用下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞較小，當(dāng)荷載達(dá)到3 MPa時(shí)，破壞顯著增大，通過(guò)CAD描圖計(jì)算面積得到破壞區(qū)域增大了8.4倍。

圖5 不斷加載過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞區(qū)域擴(kuò)展Fig.5 Expanded damaged area in the monitoring region during the loading process

從圖6可以看出，模擬的礦巖和充填體的復(fù)合體，在不斷加載過(guò)程中，接觸帶兩側(cè)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)值在不斷遞增。其中充填體側(cè)的應(yīng)變值要高于礦巖側(cè)的應(yīng)變值，兩側(cè)的應(yīng)變變化呈現(xiàn)線(xiàn)性遞增。在加載過(guò)程中，礦巖側(cè)的變形出現(xiàn)了一次變形協(xié)調(diào)調(diào)整階段，同一時(shí)間，充填體側(cè)也出現(xiàn)了相應(yīng)的變形協(xié)調(diào)調(diào)整階段。之后，礦巖側(cè)的變形一直處于較為穩(wěn)定的線(xiàn)性變化，而充填體繼續(xù)發(fā)生了2次變形協(xié)調(diào)調(diào)整階段。在最后還出現(xiàn)了較大幅度的應(yīng)變變化速率加快，說(shuō)明在復(fù)合體即將破壞時(shí)，充填體側(cè)對(duì)于施加的應(yīng)力要較礦巖側(cè)敏感。

圖6 礦巖接觸帶兩側(cè)應(yīng)變變化情況Fig.6 Variation of strain at both sides of contact zone of ore and rock

1.3 復(fù)合體雙軸加載剪切試驗(yàn)

雙軸加載剪切試驗(yàn)是為了研究礦巖和充填體組成的復(fù)合體的剪切荷載強(qiáng)度和變形特征。

1.3.1 試樣制作及加載條件

使用SAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)相同配比復(fù)合體進(jìn)行剪切試驗(yàn)，見(jiàn)圖7。先進(jìn)行豎直方向加載，按照500 N/s的速度進(jìn)行加載，待加載至10 kN后，進(jìn)行剪切方向的加載試驗(yàn)，按照0.5 mm/s的速度加載。

圖7 雙軸剪切試驗(yàn)Fig.7 Biaxial shear test

1.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)礦巖充填體復(fù)合模型，待試驗(yàn)力控制在10 kN時(shí)剪切方向加載試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)力一度出現(xiàn)15.6 kN的集中力之后恢復(fù)設(shè)定值。通過(guò)剪切試驗(yàn)，最后最大剪切強(qiáng)度達(dá)到28.134 MPa，見(jiàn)圖8。

圖8 雙軸剪切試驗(yàn)監(jiān)測(cè)Fig.8 Biaxial shear test monitoring

1.4 復(fù)合體類(lèi)三軸加載試驗(yàn)

井下礦巖和充填體處于三向受載環(huán)境，特進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的相似模擬試驗(yàn)，以更好研究礦巖-充填體的配比復(fù)合體在三向荷載作用下相互作用的力學(xué)變形特征，進(jìn)行類(lèi)三軸簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。

1.4.1 試樣制作及加載條件

先是定制了鋼板厚度為10 mm，內(nèi)部尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為165 mm×165 mm×100 mm鋼板盒。加載試樣對(duì)象尺寸100 mm×100 mm×100 mm。進(jìn)行類(lèi)三軸加載試驗(yàn)時(shí)，將試樣先放置在鋼板盒內(nèi)一角。在試樣上表壁放置10 mm厚度的鋼板(長(zhǎng)×寬尺寸為100 mm×100 mm)。試樣兩側(cè)自由邊放置96 mm×96 mm×5 mm的鋼板，預(yù)留的4 mm寬度是為了相鄰邊的鋼板之間不發(fā)生加載過(guò)程中的相互影響。然后通過(guò)超薄液壓千斤頂(RMC-051)和定做的帶表油泵(CP-180)進(jìn)行側(cè)向兩軸加載。待準(zhǔn)備妥當(dāng)后，頂部放置找平加載設(shè)備并通過(guò)WAW-300微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行類(lèi)三軸的加載試驗(yàn)，見(jiàn)圖9。

圖9 類(lèi)三軸加載試驗(yàn)Fig.9 Similar triaxial loading test

1.4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)位移變化。圍壓加載方式：對(duì)圍壓實(shí)行分級(jí)加載。開(kāi)始加載時(shí)，將σ2加載至0.32 MPa，σ3加載至0.8 MPa，開(kāi)始軸向σ1加載直至達(dá)到5 kN。接著繼續(xù)調(diào)整圍壓大小，在5 kN時(shí)，將σ2加載至0.8 MPa，σ3加載至1.6 MPa之后，將軸向σ1加載至30 kN；繼續(xù)調(diào)整圍壓大小，在σ1=30 kN時(shí)，將σ2加載至1.6 MPa，σ3加載至2.4 MPa，最后將軸向σ1加載至試樣破壞。在加載初期，隨著加載的進(jìn)行，當(dāng)側(cè)向兩軸加載主應(yīng)力(σ2和σ3)分別提高至0.8 MPa和1.6 MPa時(shí)出現(xiàn)試驗(yàn)力隨位移增長(zhǎng)反而降低的過(guò)程。通過(guò)加載發(fā)現(xiàn)，在軸向加載過(guò)程中，內(nèi)部裂紋開(kāi)始萌生擴(kuò)展，當(dāng)加大圍壓時(shí)，裂紋發(fā)生了閉合，在側(cè)向兩軸應(yīng)力加載作用下出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展閉合的近循環(huán)過(guò)程，相應(yīng)位移增量出現(xiàn)起伏變化，同時(shí)表現(xiàn)在試驗(yàn)力隨時(shí)間變化圖形中出現(xiàn)了試驗(yàn)力的下降之后的再提升，見(jiàn)圖10。

圖10 類(lèi)三軸試驗(yàn)不同加載作用下的位移變化Fig.10 Displacement of similar triaxial test under different loads

(2)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化。為了監(jiān)測(cè)試樣在加載過(guò)程中的電磁輻射情況，通過(guò)使用WT-10B型特斯拉弱磁儀監(jiān)測(cè)類(lèi)三軸加載試驗(yàn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化。在加載過(guò)程中，從0 kN到130 kN，試樣頂部裸露邊角處的磁感應(yīng)強(qiáng)度值在0.43～0.46 mT之間變化，在最后破壞時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)?.60 mT。

1.5 裂紋擴(kuò)展

雙軸剪切加載破壞試樣，沿著剪切面發(fā)生了剪切破壞，從剪切面破壞情況來(lái)看，充填體試樣剪切面平整，礦巖出現(xiàn)了破壞嚴(yán)重區(qū)域，且剪切面凸凹不平(圖11(a))。軸向加載直至破壞，接觸面裂開(kāi)，礦巖表壁形成了2條平行的豎直裂紋和1條較短的水平裂紋，其中豎直裂紋傾角大約71.8°，1條貫穿試樣整個(gè)表壁，1條只占延伸方向的1/4左右(圖11(b))。類(lèi)三軸加載破壞情況下，試樣破壞面出現(xiàn)了較多粉狀物，說(shuō)明在加載過(guò)程中，內(nèi)部發(fā)生了較多次的壓密泄壓再壓密的循環(huán)過(guò)程(圖11(c))。最后加載破壞時(shí)，充填體與礦巖從接觸面分開(kāi)，充填體破壞形成塊狀物，而充填體完整性較好。

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)

通過(guò)ANSYS有限元數(shù)值模擬不同荷載作用下礦巖和充填體組成的復(fù)合體的應(yīng)變變化情況。為了驗(yàn)證軸向加載的相似模擬結(jié)果，建立礦巖和充填體的數(shù)值模型。同樣在復(fù)合體表壁設(shè)置不同荷載作用下的應(yīng)變值監(jiān)測(cè)點(diǎn)和2個(gè)接觸帶內(nèi)部應(yīng)變值監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖12。

圖11 不同加載方式下的試樣破壞情況Fig.11 Damage of the specimen under different loading modes

圖12 數(shù)值模擬模型Fig.12 Numerical simulation model

選取不同荷載下的相應(yīng)點(diǎn)處的應(yīng)變值，見(jiàn)表2。從表2可以看出，對(duì)于復(fù)合體接觸帶的應(yīng)變值來(lái)說(shuō)，隨著荷載不斷加大，上水平的J1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值不斷增大，在破壞時(shí)達(dá)到2 450 με，而下水平的J2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值也是不斷增大，但其幅度要小于J1，直到復(fù)合體破壞，其值才為116 με，兩者相差21倍。對(duì)于復(fù)合體表壁的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值來(lái)看，4個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變值總體上都是不斷遞增。充填體側(cè)的2個(gè)應(yīng)變值變化幅度較大，最終破壞時(shí)達(dá)到748～768 με數(shù)量級(jí)，而礦巖側(cè)的應(yīng)變值才在73.6～149 με，兩者相差近7倍。

從室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的比較來(lái)看，數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)很好地驗(yàn)證了室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。在選取相關(guān)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)中，復(fù)合體上水平面J1的應(yīng)變值初期出現(xiàn)了較大的應(yīng)變值，直到0.18 MPa才開(kāi)始小于下水平面J2的應(yīng)變值，是因?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程中，復(fù)合體上表面平整度不夠，從加載初期上表面的鐵板與試樣復(fù)合體的接觸情況來(lái)看，存在較小的細(xì)微縫隙。加載前期接觸縫隙的存在影響礦巖接觸帶內(nèi)部2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。不過(guò)隨著荷載的加大，接觸面逐漸壓實(shí)壓密，后期的礦巖接觸帶的應(yīng)變值符合了數(shù)值模擬的變化結(jié)果。

表2 不同荷載作用下的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值Table 2 Strain value of each monitoring point under different loads με

在正立面表壁中間線(xiàn)100 mm長(zhǎng)度上等距離布置49個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在復(fù)合體模型內(nèi)部中間上下向100 mm長(zhǎng)度上等距離布置49個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

從圖13可以看出，在不同荷載作用下，復(fù)合體表壁的應(yīng)變值逐漸增大，充填體側(cè)應(yīng)變值要大于礦巖側(cè)應(yīng)變值，在接觸面偏礦巖側(cè)發(fā)生突變。在荷載呈倍數(shù)遞增的過(guò)程中，相應(yīng)點(diǎn)處的應(yīng)變值并沒(méi)有呈現(xiàn)相應(yīng)的變化趨勢(shì)。主要是1.44～2.88 MPa和3.23～4.66 MPa的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變值變化幅度較大。在充填體側(cè)，從臨空面到礦巖-充填體接觸面應(yīng)變值逐漸變小并在接近接觸面開(kāi)始有一個(gè)上升下降再上升的應(yīng)變協(xié)調(diào)變形階段。而礦巖側(cè)，應(yīng)變值最小點(diǎn)發(fā)生在其距離臨空面13 cm處，應(yīng)變值呈現(xiàn)中間低兩側(cè)高。

圖13 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同荷載下的表壁應(yīng)變值Fig.13 Strain value of surface at different monitoring points under different loads■—0.045 MPa;●—0.009 MPa;▲—0.18 MPa;▼—0.36 MPa; ◆—0.72 MPa;?—1.44 MPa;?—2.88 MPa;○—3.23 MPa;△—4.66 MPa

對(duì)于充填體一側(cè)的2個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，總體應(yīng)變值變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果一致，只是出現(xiàn)了在破壞時(shí)刻數(shù)值模擬值與室內(nèi)試驗(yàn)值的應(yīng)變值相差達(dá)332 με，見(jiàn)圖14。這顯然與充填體模擬制樣過(guò)程中出現(xiàn)的孔隙和測(cè)量誤差有關(guān)，這是室內(nèi)試驗(yàn)難以完全避免的。

邊界加載條件：底部固定，上表面施加4.66 MPa的應(yīng)力，四周自由約束。網(wǎng)格劃分完畢，共有節(jié)點(diǎn)數(shù)105 372個(gè)，單元數(shù)74 843個(gè)。

圖14 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同荷載下的內(nèi)部應(yīng)變值Fig.14 Inner strain value of different monitoring points under different loads■—0.045 MPa;●—0.009 MPa;▲—0.18 MPa;▼—0.36 MPa; ◆—0.72 MPa;?—1.44 MPa;?—2.88 MPa;○—3.23 MPa;△—4.66 MPa

為了更好地表征在軸向加載過(guò)程中的礦巖與充填體接觸面的變形破壞問(wèn)題，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，在礦巖和充填體組成的復(fù)合體上部添加1個(gè)墊板，其相關(guān)的力學(xué)參數(shù)同礦巖一樣。從圖15可以看出，上部施加荷載為4.66 MPa時(shí)，墊板中間出現(xiàn)安全系數(shù)小于1的區(qū)域，發(fā)生塑性破壞，這個(gè)區(qū)域就是礦巖與充填體接觸帶區(qū)域。

圖15 安全系數(shù)分布圖Fig.15 Safety factor distribution

3 相互作用力學(xué)模型

在荷載作用前期，礦巖和充填體的彈性模量不同，相同荷載作用下產(chǎn)生的變形大小不一。這時(shí)充填體與礦巖相互作用時(shí)進(jìn)行非線(xiàn)性變形調(diào)整，維系共同承載作用的力為充填體與礦巖澆筑整體形成的接觸面的摩擦力。因摩擦力導(dǎo)致接觸面持續(xù)不斷出現(xiàn)局部破壞。當(dāng)荷載作用力較大時(shí)，超過(guò)了充填體和礦巖之間的摩擦力，復(fù)合體試樣從接觸面處產(chǎn)生破壞，相應(yīng)的裂紋及破壞主要從內(nèi)部向外部擴(kuò)展，直至礦巖和充填體兩相分離。此時(shí)，隨著荷載的加大， 礦巖主要承受上部荷載，待礦巖變形到上部荷載又再次接觸到礦巖和充填體時(shí)，充填體發(fā)生變形，但相同荷載作用下，礦巖的變形值要小于充填體，這樣就存在不斷加載過(guò)程中，礦巖始終承受上部荷載，充填體與礦巖間歇式共同承受上部荷載，直到礦巖發(fā)生破壞(表壁產(chǎn)生裂紋)，而相應(yīng)的充填體保持較好的完整性，見(jiàn)圖16。

圖16 接觸面損傷破壞演化圖Fig.16 Damage evolution of contact surface

接觸面上的正應(yīng)力：

σx=νσy,

(1)

σy=Eεy.

(2)

接觸面上的摩擦力：

f=uσxS=uνEεyS.

(3)

軸向加載作用下y水平的應(yīng)變值：

(4)

(5)

接觸面完全破壞判據(jù)：

(6)

上述式中，σx為接觸面處水平應(yīng)力，MPa；σy為接觸面處豎直應(yīng)力，MPa；ν為側(cè)應(yīng)力系數(shù)；E為材料彈性模量，MPa；S為摩擦接觸面積，m2；u為摩擦系數(shù)；P為均布荷載，MPa；S0為復(fù)合體均布荷載接觸面積，m2；γK為材料重度，N/m3；hy為高度，m；f0為礦巖和充填體固有摩擦力，依據(jù)材料性質(zhì)和尺寸決定，N；f為作用在接觸面上的摩擦力，N。

4 結(jié) 論

(1)3種加載方式都是復(fù)合體中的礦巖側(cè)產(chǎn)生較大的損傷破壞，其中類(lèi)三軸破壞試驗(yàn)中礦巖破壞的最嚴(yán)重。

(2)對(duì)于復(fù)合體的軸向加載試驗(yàn)，借助電阻應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)礦巖和充填體在加載過(guò)程中的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。對(duì)于復(fù)合體內(nèi)部，上水平面的應(yīng)變值要小于下水平面的應(yīng)變值。對(duì)于復(fù)合體側(cè)壁，充填體區(qū)遠(yuǎn)離接觸帶的應(yīng)變值要大于靠近接觸帶應(yīng)變值，礦巖區(qū)遠(yuǎn)離接觸帶的應(yīng)變值要小于靠近接觸帶的應(yīng)變值。并且隨著加載的進(jìn)行，靠近接觸帶的充填體一側(cè)發(fā)生應(yīng)變突變調(diào)整次數(shù)要多于礦巖一側(cè)的次數(shù)。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬，建立礦巖和充填體的復(fù)合體模型，在不斷加載作用下，相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變值變化規(guī)律一致，只是存在極個(gè)別點(diǎn)處應(yīng)變值的大小差異。借助顯微成像設(shè)備觀察不同荷載作用下的復(fù)合體表壁的破壞情況，在出現(xiàn)破壞區(qū)域處，存在荷載加大，破壞處的裂紋或復(fù)合體表壁破壞凹槽不斷擴(kuò)展的現(xiàn)象。

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