沈慧明吳愛祥焦華喆,3王貽明

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院；2.中鎢高新材料股份有限公司；3.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院）

充填采礦法在礦山中應(yīng)用廣泛，其不但對控制采空區(qū)塌陷成效顯著，而且使選礦廢棄尾砂可以得到有效處置［1-2］。充填體的力學(xué)特性是該領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)，一直倍受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。傳統(tǒng)充填體力學(xué)研究往往通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測，未考慮分層作用對充填體力學(xué)性能的影響［3-5］。在厚大礦體采場或大型采空區(qū)回填時(shí)，由于充填能力的限制和充填過程的不連續(xù)，大型采空區(qū)往往經(jīng)多次充填過程，充填體是多次或多層累積形成，內(nèi)部存在若干結(jié)構(gòu)面。Cao等［6］通過對充填體分層數(shù)及充填角度等因素進(jìn)行研究，探索充填體力學(xué)特性與其關(guān)系。Xu等［7］研究不同配比下分層充填體力學(xué)性能，對充填體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度效率進(jìn)行評價(jià)。張愛卿等［8-9］基于不同充填體試驗(yàn)參數(shù)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)面與荷載耦合作用下的損傷本構(gòu)模型。葛海源等［10］針對超細(xì)全尾砂充填體的強(qiáng)度試驗(yàn)，揭示了充填體的力學(xué)特性及其強(qiáng)度變化規(guī)律。陳國瑞等［11］對比不同配比的尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度，驗(yàn)證了分層充填體破壞時(shí)端部效應(yīng)機(jī)理的正確性；薛改利等［12］針對階段嗣后充填過程，研究采場穩(wěn)定性和充填體之間的關(guān)系。汪杰等［13］開展水平分層充填體力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了其分層效應(yīng)和荷載耦合對充填體損傷的劣化效應(yīng)；宋衛(wèi)東等［14］針對不同充填次數(shù)的分層充填體，得出充填體能量損耗與充填次數(shù)間的關(guān)系。

隨著數(shù)值模擬軟件快速發(fā)展，越來越多專家學(xué)者采用數(shù)值模擬軟件對材料的性能進(jìn)行模擬計(jì)算，分析總結(jié)物理實(shí)驗(yàn)所無法獲取的結(jié)果。于永純等［15］采用FLAC3D軟件得出充填體在其極限穩(wěn)定狀態(tài)下，確定采場充填體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；吳振坤等［16］應(yīng)用ANSYS軟件模擬充填體的爆破響應(yīng)特征，為充填采礦起爆設(shè)計(jì)提供依據(jù)。目前，運(yùn)用顆粒離散元法對巖石、水泥類材料的研究已廣泛發(fā)展。通過離散元法，將顆粒材料模擬為球形顆粒，研究顆粒間運(yùn)動和相互作用，從而揭示材料特性［17-19］。馬乾天等［20］基于PFC顆粒離散元對廢石膠結(jié)充填體模型進(jìn)行單軸壓縮模擬，研究其破壞規(guī)律；唐亞男等［21］借助PFC分析膠結(jié)充填體的內(nèi)部裂紋演化規(guī)律；程愛平等［22］運(yùn)用顆粒流數(shù)值模型從宏細(xì)觀角度對充填體裂紋擴(kuò)展模式進(jìn)行驗(yàn)證。秦緒忠等［23］利用PFC2D軟件對不同灰砂比的多層充填體進(jìn)行3點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，分析分層充填體的抗彎特性。辛杰［24］根據(jù)充填材料掃描電鏡圖像建立充填材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)PFC2D模型，獲取孔隙率、接觸力鏈等微觀信息。

二步驟采礦或者殘礦回采時(shí)充填體暴露，且爆破振動對充填體擾動會進(jìn)一步造成其劣化。香爐山鎢礦礦體厚度較大，使用水平分層充填法進(jìn)行礦體的回采和礦柱的回收。在二步驟回采、礦柱回收過程中，分層現(xiàn)象顯著。部分薄弱區(qū)域產(chǎn)生充填體片幫或坍塌現(xiàn)象，對正常的回采產(chǎn)生較大的安全隱患。因此，研究分層充填體的強(qiáng)度特性具有較高的理論價(jià)值和工程意義。

本研究在確定較優(yōu)充填體配比基礎(chǔ)上，對不同分層數(shù)充填體進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到不同分層數(shù)量充填體的單軸抗壓強(qiáng)度及其破壞特征，分析分層數(shù)對充填體強(qiáng)度失效模式的影響。并采用數(shù)值模擬軟件PFC2D對充填試件進(jìn)行模擬計(jì)算，研究其內(nèi)部細(xì)觀裂紋演化規(guī)律。通過物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，探究分層充填體的破壞特征，將研究結(jié)果應(yīng)用于礦山充填，對于充填體目標(biāo)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與優(yōu)化和礦山建設(shè)有重要意義。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

（1）中鎢高新香爐山鎢礦的礦物成分主要為石英、斜長石、輝石和云母，其化學(xué)成分如表1所示，其中SiO2的含量最高，達(dá)69.52%，SO3的含量僅有0.03%。尾礦粒度分析結(jié)果見表2，鎢尾礦的粒級為-0.15～+0.074 mm的產(chǎn)率高達(dá)23.45%。

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（2）膠固粉取自湖南某膠固粉廠，其化學(xué)成分見表1，從表中可看出含量最高化學(xué)成分為CaO，其含量為66.3%，其次為SiO2，其含量為22.50%。而SO3的含量最少，僅含0.31%。

1.2 分層充填體實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)＞卟捎枚ㄗ鰞?nèi)徑為50 mm、高度為100 mm的透明亞克力管，因其為透明模具，可保持較好的可視性，從而容易觀察到試件的分層充填。試塊制作完成后，需進(jìn)行28 d養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)環(huán)境為恒溫恒濕環(huán)境，溫度控制在20℃左右，濕度控制保持于95%左右，灰砂比設(shè)定為1∶12。質(zhì)量濃度采用65%、70%、75%這3種濃度，分層次數(shù)選定1～4層，試件每層高度依次為100，50，33.3，25 mm，分層澆筑時(shí)間間隔48 h（圖1）。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）實(shí)驗(yàn)材料混合攪拌。首先將尾砂、膠固粉以及水按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比例混合，然后把混合的料漿攪拌均勻備用充填。

（2）模具分層充填。按照不同分層數(shù)的充填體的分層高度向模具內(nèi)充填料漿，不同層間時(shí)間間隔48 h后，繼續(xù)按照預(yù)定高度向模具充填料漿，直至充填頂層料漿至模具頂口高度。

（3）充填體脫模及其養(yǎng)護(hù)。充填完成后，將試件置于養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，恒溫恒濕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)3 d，之后取出脫模，并將脫模后的充填體試塊再次置于養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)直至28 d養(yǎng)護(hù)期；對于分層試件，其養(yǎng)護(hù)周期以頂部充填體養(yǎng)護(hù)周期為準(zhǔn)。

（4）強(qiáng)度檢測。采用電液伺服控制壓力機(jī)對試件養(yǎng)護(hù)完成后的充填體試塊進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。壓力機(jī)加載方式采用位移加載形式，加載速率調(diào)至0.5 mm/min，每組試件測試3個(gè)強(qiáng)度，并計(jì)算每組試件的平均強(qiáng)度。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2，其強(qiáng)度為每組相同試件的平均強(qiáng)度。分析圖中數(shù)據(jù)得出，完整試塊的單軸抗壓強(qiáng)度普遍較高，最高為2.786 MPa，而分層試塊強(qiáng)度普遍較完整試塊強(qiáng)度小，由此得其強(qiáng)度規(guī)律：伴隨填充次數(shù)的逐步增多，充填體試塊單軸抗壓強(qiáng)度整體呈減小趨勢。針對相同分層數(shù)的充填體試塊，隨濃度增大，單軸抗壓強(qiáng)度逐步增大。

在我國，無論是分層開采還是分段、嗣后開采，充填體強(qiáng)度的理論計(jì)算通常是基于完整充填體的強(qiáng)度值。在超大采空充填體時(shí)，無法一次充填，因此，研究充填體的分層強(qiáng)度破壞規(guī)律至關(guān)重要。圖2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，填充次數(shù)對填充體的強(qiáng)度有明顯的削弱作用。也就是說，伴隨分層充填體的層數(shù)增多，其單軸抗壓強(qiáng)度則變小。鑒于目前研究成果的不足，考慮了充填體強(qiáng)度折減系數(shù)（k）概念，對其折減規(guī)律進(jìn)行研究，將分層填充試件強(qiáng)度與整體填充試件強(qiáng)度進(jìn)行比值：

運(yùn)用式（1）對試驗(yàn)充填體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行折減計(jì)算，結(jié)果見表3。

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由表3可知，當(dāng)填充料漿濃度恒定時(shí)，抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)隨填充次數(shù)的增加而減少。隨著充填次數(shù)的增加，充填體強(qiáng)度折減所產(chǎn)生的的弱化作用愈加明顯。相同充填次數(shù)情況下，料漿濃度從65%增至75%時(shí)，折減系數(shù)呈增大趨勢。當(dāng)充填體質(zhì)量濃度在65%～75%時(shí)，其對應(yīng)的折減系數(shù)k值在0.613～0.929。

單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中試件破壞形式如圖3所示，通過對不同分層充填體試件破壞形式分析發(fā)現(xiàn)，1層填充的完整試件以平行于加載方向的貫穿張拉破壞和半貫穿的剪切破壞形式為主；2層填充充填體試件破壞則主要表現(xiàn)為靠近加載端的上分層充填體的共軛剪切破壞形式，部分出現(xiàn)了貫穿分層面的裂紋。對于3、4層填充形成的充填體，試件的破壞形式主要表現(xiàn)為貫穿分層面的拉伸破壞。伴隨料漿質(zhì)量濃度的增加，相同層數(shù)的充填體的破壞程度減弱，但其相較于層數(shù)對于充填體破壞所產(chǎn)生的影響較小。

綜合分析得到，充填體試件破壞形式主要為共軛剪切破壞以及貫穿分層面的張拉破壞，完整充填體破壞裂紋呈現(xiàn)整體貫穿，而分層充填體裂紋多集中于上部分層。不同填充次數(shù)的試件在加載試驗(yàn)完成后，破壞充填體試件分別在其分層面出現(xiàn)程度不一的分離、錯(cuò)動現(xiàn)象。此現(xiàn)象是因充填過程中，時(shí)間間隔造成其分層面之間形成低強(qiáng)度夾層，在加載試驗(yàn)時(shí)，該面呈現(xiàn)易破壞狀態(tài)，從而使充填體的整體抗壓強(qiáng)度降低。由此，在進(jìn)行充填強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮充填分層對強(qiáng)度造成的弱化作用。

2 分層膠結(jié)充填體破裂的細(xì)觀機(jī)理

利用PFC顆粒離散元軟件建立尾砂和膠固粉2種顆粒模型。PFC軟件其本質(zhì)是從細(xì)觀角度對介質(zhì)的力學(xué)特性進(jìn)行研究，在軟件中，顆粒為剛性顆粒，在力學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上其相互之間可以重疊，從而達(dá)到對顆粒間接觸力的模擬。但在軟件中，需要對顆粒材料的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，包括顆粒級配、摩擦力等微力學(xué)參數(shù)。尾砂顆粒模型之間無黏結(jié)作用，膠固粉顆粒模型間構(gòu)建平行黏結(jié)模型，從而模擬因水化反應(yīng)而產(chǎn)生的膠凝體。對照室內(nèi)試驗(yàn)，對在不同分層數(shù)下的不同濃度試件依次進(jìn)行建模，并進(jìn)行加載模擬，分析其破壞形式。

2.1 模型顆粒分布

尾砂顆粒大小經(jīng)簡化處理應(yīng)用于數(shù)值模型中，顆粒級配與真實(shí)保持一致。膠固粉顆粒半徑為3.0×10-4mm，略小于尾砂顆粒半徑中最小顆粒。通過PFC2D軟件，將尾砂與膠固粉顆粒隨機(jī)均勻分布于所建模型中。

2.2 參數(shù)標(biāo)定

通過建立單軸壓縮命令，實(shí)現(xiàn)對所建立模型的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到與物理單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的同等效果。數(shù)值計(jì)算模型大小與室內(nèi)試驗(yàn)試塊大小一致，其高度為100 mm，寬度為50 mm，上下界面運(yùn)動速率設(shè)定為0.02 m/s。

2.3 模型構(gòu)建

采用PFC進(jìn)行模擬時(shí)，需要對充填體的尾砂顆粒、膠固粉顆粒以及分層接觸面間的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，接觸模型參數(shù)如表4中所示。

2.4 分層膠結(jié)充填體破裂機(jī)理分析

通過利用PFC數(shù)值仿真軟件加載，研究分析充填體內(nèi)部破壞特征，分層充填體單軸壓縮破壞形式數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

模型加載初期階段，模型顆粒間的接觸力大小相比其黏結(jié)鍵強(qiáng)度較??；隨著加載的逐步進(jìn)行，顆粒間的接觸力逐步緩慢增大，黏結(jié)鍵受力破壞，充填體開始逐漸產(chǎn)生裂紋，其數(shù)量開始呈現(xiàn)波動上升；繼續(xù)對充填體施加荷載，接觸力大于黏結(jié)強(qiáng)度的顆粒逐漸增加，內(nèi)部裂紋開始緩慢形成；持續(xù)施加荷載，裂紋數(shù)目出現(xiàn)拐點(diǎn)且迅速上升；最終裂紋數(shù)目保持增長狀態(tài)并穩(wěn)定于較高水平。

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綜合分析可知，分層充填體試件主要表現(xiàn)為剪切破壞和張拉破壞。在灰砂比固定的情況下，隨分層數(shù)的增加，試件內(nèi)部裂紋密度越大，且內(nèi)部裂紋集中于分層軟弱層，分層面存在明顯的弱化效應(yīng)。充填體內(nèi)部裂紋多集中于分層充填體上層，下層充填體基本上保持完好。加載完成后，充填體模型呈現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象，且脫落現(xiàn)象跟隨分層結(jié)構(gòu)因素的出現(xiàn)，大都出現(xiàn)在上層中，底層充填體基本保持完好狀態(tài)，而上層及中間層充填體均呈現(xiàn)不同程度的脫落分離，且隨充填體質(zhì)量濃度的增加，脫落程度呈加劇趨勢。

通過采用PFC數(shù)值模擬，對充填體內(nèi)部裂紋的發(fā)展規(guī)律及其數(shù)目增長形式進(jìn)行研究，得出內(nèi)部裂紋多集中于分層面，且裂紋增長趨勢先呈現(xiàn)波動增長，進(jìn)而緩慢增加，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖僭鲩L，最后保持于較高狀態(tài)，且分層現(xiàn)象會造成充填體脫落分離，裂紋集中體現(xiàn)于上部充填層，下部充填層大都保持完整性。將數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)對比，結(jié)果基本相同，驗(yàn)證了顆粒離散元PFC2D數(shù)值模擬對充填體建模模擬的正確性。

3 現(xiàn)場充填建議

針對充填體的分層結(jié)構(gòu)因素所開展的研究，對于香爐山鎢礦采空區(qū)充填具有重要意義。依據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)充填體的強(qiáng)度與充填次數(shù)所產(chǎn)生的多層分層面有密切關(guān)系，充填次數(shù)的多少直接影響分層對充填體所產(chǎn)生的折減效應(yīng)強(qiáng)弱。因此，減少采空區(qū)的充填次數(shù)，對礦山充填至關(guān)重要，需要實(shí)現(xiàn)充填站的連續(xù)造漿，以此消除多次充填所產(chǎn)生的折減影響。但考慮連續(xù)造漿技術(shù)對礦山的充填擋墻建設(shè)要求和采空區(qū)大小等問題，該解決手段實(shí)施過程難度巨大。結(jié)合目前香爐山鎢礦的生產(chǎn)實(shí)際，建議縮短充填周期以及增加單次充填量來降低分層所產(chǎn)生的影響。通過實(shí)際充填改造，采空區(qū)充填體整體強(qiáng)度較之前有明顯增加，為安全回采創(chuàng)造了有利條件。

4 結(jié)論

（1）通過對灰砂比為1∶12的充填體試件壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)充填次數(shù)的增多會導(dǎo)致充填體強(qiáng)度的劣化。對強(qiáng)度折減后，折減系數(shù)隨著分層數(shù)的增加而上升，當(dāng)充填體濃度為65%～75%時(shí)，充填體分2～4次進(jìn)行充填，強(qiáng)度折減系數(shù)范圍為0.613～0.929，分層數(shù)對強(qiáng)度產(chǎn)生明顯折減效果。

（2）分析充填體破壞后的裂紋特征，發(fā)現(xiàn)充填體試件的破壞模式主要以共軛剪切破壞以及貫穿分層面張拉破壞為主，而整體充填體裂紋貫穿明顯，分層充填體裂紋多集中于上部充填層，且在分層面處出現(xiàn)不同程度的分離、錯(cuò)動現(xiàn)象，降低了充填體的整體承壓能力。分層面存在明顯的弱化效應(yīng)。

（3）運(yùn)用顆粒離散元軟件從細(xì)觀角度對充填體的裂紋擴(kuò)展形式進(jìn)行探究，分層充填體模型的破壞裂紋多發(fā)生于上部充填層，下部充填層大都保持完整性，與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果正確性，為礦山采空區(qū)充填體強(qiáng)度提供參考依據(jù)，提高礦山建設(shè)的安全性。