楊清波

不同加載速率下充填體力學(xué)特性研究

楊清波

(平江縣國土資源局，湖南 岳陽市 414000)

地下礦山中的充填體往往會受到不同加載速率的載荷作用，因此研究不同加載速率下充填體的力學(xué)特性對礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義。以湖南某鉛鋅礦的膠結(jié)充填體為對象，進(jìn)行了不同加載速率下的單軸壓縮試驗(yàn)，研究了其相應(yīng)的力學(xué)特性。結(jié)果表明：總體而言，加載速率越大，充填體的抗壓強(qiáng)度也越大;加載速率存在一個(gè)臨界值，當(dāng)超過該臨界值時(shí)，隨著加載速率的增大，充填體的抗壓強(qiáng)度反而減小;灰砂比越大，充填體強(qiáng)度受加載速率的影響越大。

加載速率;充填體;鉛鋅礦;力學(xué)特性

0 引 言

隨著開采深度和開采難度的不斷加大，充填采礦法在我國地下礦山中的應(yīng)用越來越廣泛。在充填采礦法的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，要滿足生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)可行的要求，確定合理的充填體類型和強(qiáng)度是其中的關(guān)鍵因素。

在礦山生產(chǎn)過程中，充填體會受到地應(yīng)力、爆破作用以及滲流作用等不同載荷的影響，因此，眾多學(xué)者對不同受力條件下充填體的力學(xué)特性開展了研究。例如，楊偉等[1]以現(xiàn)場試驗(yàn)的方式研究了爆破荷載下全尾砂膠結(jié)充填體的破壞規(guī)律；馮蕭等[2]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了不同應(yīng)力路徑下塊石膠結(jié)充填體的破壞特性和能量耗散規(guī)律；熊睿[3]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了不同溫度條件下膠結(jié)充填體強(qiáng)度及變形特性；鄒南榮等[4]針對某深部銅礦的高階段充填方法和具體條件，開展了充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)，并計(jì)算了充填體的穩(wěn)定性；亓中華等[5]根據(jù)臥虎山鐵礦采用的預(yù)控頂上向分段落礦嗣后充填采礦法的實(shí)際情況，通過反演和數(shù)值模擬計(jì)算了采場充填體的強(qiáng)度要求范圍。這些研究成果在礦山實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，但對加載速率的影響考慮不足[6]。因此，以湖南省某鉛鋅礦的膠結(jié)充填體為對象，研究其在不同加載速率作用下的力學(xué)特性，以便為更合理地選擇充填體材料和強(qiáng)度提供基礎(chǔ)資料。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣制備

本次試驗(yàn)對象為湖南某鉛鋅礦實(shí)際使用的高濃度全尾砂膠結(jié)充填體。經(jīng)測試，該礦全尾砂平均密度為2.78 g/cm3，平均粒徑為94.6 μm，不均勻系數(shù)為9.545，孔隙率為46.01%，其礦物成分以CaO、 MgO、SiO2和Al2O3為主，含有少部分的不具回收價(jià)值的Cu、Zn和Pb等。

從礦山的實(shí)際情況來看，膠凝材料為P.C 32.5級普通硅酸鹽水泥，使用1:4和1:8兩種灰砂比的充填體，充填砂漿濃度為74%。因此，本次試驗(yàn)也按照灰砂比1:4和1:8制作試樣。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[7]，按照70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的標(biāo)準(zhǔn)制作了試樣，部分試樣可如圖1所示。

圖1 制作的部分試樣

1.2 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)以單軸壓縮實(shí)驗(yàn)為主，試驗(yàn)設(shè)備為INSTRON 1342型電液伺服控制材料試驗(yàn)機(jī)，試樣加載過程如圖2所示。試驗(yàn)按照下述步驟進(jìn)行：

（1）制作標(biāo)準(zhǔn)試樣，拆模后在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d；

（2）對試驗(yàn)機(jī)檢查標(biāo)定，采用常規(guī)靜態(tài)方法（加載速率0.2 mm/min）進(jìn)行試樣的壓縮實(shí)驗(yàn)；

（3）按照0.5，1.0，1.5，2.0 mm/min的加載速率進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)；

圖2 試樣加載過程

（4）整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析不同加載速率下充填體的力學(xué)特性。

2 不同加載速率下充填體力學(xué)特性

2.1 靜態(tài)加載應(yīng)力?應(yīng)變曲線

圖3所示為靜態(tài)加載條件（0.2 mm/min）下充填體的全應(yīng)力?應(yīng)變曲線。由圖3可知：

圖3 靜態(tài)加載（0.2 mm/min）時(shí)的應(yīng)力?應(yīng)變曲線

（1）充填體的全應(yīng)力?應(yīng)變曲線與普通巖石的類似，總體上可分為壓密段、彈性段、屈服段和破裂后階段，但破裂后階段明顯比巖石的要長，說明其脆性不如巖石明顯；

（2）灰砂比為1:4的充填體的抗壓強(qiáng)度大于灰砂比1:8的充填體，前者約為4.3 MPa，后者約為1.95 MPa，這與通常情況下灰砂比越大，充填體強(qiáng)度越高的規(guī)律相符；

（3）灰砂比越小，其彈性模量越小，這與其抗壓強(qiáng)度的規(guī)律基本一致。

2.2 不同加載速率下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線

圖4所示為不同加載速率下充填體的全應(yīng)力?應(yīng)變曲線，其中圖4（a）為灰砂比1:4的充填體，圖4（b）為灰砂比1:8的充填體。

由圖4可知：

（1）總體來說，加載速率越大，充填體的峰值強(qiáng)度也越大，這與巖石力學(xué)特性的應(yīng)變率效應(yīng)較為類似。其原因是：當(dāng)加載率較低時(shí)，充填體內(nèi)部裂隙有時(shí)間充分發(fā)育，因此，只需要較低的載荷就可讓其發(fā)生破壞；當(dāng)加載率較大時(shí)，相應(yīng)的加載時(shí)間便會減少，充填體的變形不夠充分，其內(nèi)部裂隙的發(fā)育也受到抑制，宏觀上就會表現(xiàn)出強(qiáng)度增加的現(xiàn)象。

圖4 不同加載速率下充填體的應(yīng)力?應(yīng)變曲線

（2）灰砂比1:8的充填體強(qiáng)度的增加值不如灰砂比1:4的充填體明顯。其原因是：灰砂比越低，充填體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展越容易，需要的時(shí)間也越短，加載速率對裂隙擴(kuò)展的抑制不明顯，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度增加較慢的現(xiàn)象。

（3）另外一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，加載速率越大，全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的破壞后階段部分越長，灰砂比1:4和1:8的充填體都是如此。這表明，隨著加載速率的增加，充填體的脆性呈下降趨勢。

2.3 不同加載速率下的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

為了進(jìn)一步分析充填體強(qiáng)度隨加載速率的變化規(guī)律，將圖4 中不同加載速率下充填體的應(yīng)力?應(yīng)變曲線對應(yīng)的峰值強(qiáng)度提取出來，繪制成如圖5所示的充填體抗壓強(qiáng)度隨加載速率的變化曲線。

由圖5可知，充填體的抗壓強(qiáng)度隨著加載速率的增加而增大，但達(dá)到一個(gè)臨界值后，抗壓強(qiáng)度又會隨著加載速率的增加而減小。甘德清等[6]將該值成為“臨界加載速率”，并認(rèn)為是充填體的一種特有現(xiàn)象。根據(jù)圖5的曲線，可知灰砂比1:4的充填體的“臨界加載速率”約為1.5 mm/min，而灰砂比1:8的充填體的“臨界加載速率”0~1.5 m/min之間。

圖5 充填體抗壓強(qiáng)度隨加載速率的變化曲線

式中，C表示充填體的單軸抗壓強(qiáng)度；表示加載速率。

3 結(jié) 論

（1）總體來看，加載速率對充填體的強(qiáng)度存在顯著影響：在“臨界加載速率”之前，充填體的強(qiáng)度隨著加載速率的增加而增大；在“臨界加載速率”之后，充填體的強(qiáng)度隨著加載速率的增大而 減小。

（2）不同灰砂比的充填體受加載速率的影響不同?；疑氨仍叫?，受影響程度也越小，且其全應(yīng)力?應(yīng)變曲線的破壞后階段也越長。

（3）加載速率主要是通過與充填體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展速率的關(guān)系來影響充填體的強(qiáng)度特性的，較大的加載速率會限制充填體內(nèi)部裂隙的充分?jǐn)U展。

[1] 楊 偉,李國平,李夕兵,等.爆破荷載下全尾砂膠結(jié)充填體破壞規(guī)律及防治措施[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2018,38(3):113-118.

[2] 馮 蕭,曹世榮,卓毓龍,等.不同應(yīng)力路徑下塊石膠結(jié)充填體破壞試驗(yàn)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(7):43-46.

[3] 熊 睿.高溫對膠結(jié)充填體強(qiáng)度及變形特性的影響[J].采礦技術(shù), 2015,15(6):18-21.

[4] 鄒南榮,尚振華,秦忠虎.深部銅礦高階段充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性計(jì)算[J].采礦技術(shù),2017,17(6):30-33+34.

[5] 亓中華,張紀(jì)偉,胡建華,等.臥虎山礦充填體強(qiáng)度參數(shù)的反演計(jì)算與數(shù)值模擬[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2018,38(11):26-30.

[6] 甘德清,韓 亮,劉志義,等.加載速率對充填體強(qiáng)度特性影響的試驗(yàn)研究[J].金屬礦山,2016(12):150-153.

[7] JGJ/T70—2009.建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

(2019-02-15)