路燕澤，李仁會，劉志義

(1.河北鋼鐵集團沙河中關(guān)鐵礦有限公司，河北 邢臺 054100；2.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000；3.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

上向水平分層充填采礦法是礦山常用采礦方法之一，占我國充填法的60%[1]。該方法采場自下而上分層開采，各分層以采礦、出礦、充填形式循環(huán)作業(yè)，采場充填體維護上下盤圍巖，并作為繼續(xù)上采的工作平臺，承受爆破落礦的沖擊作用[2]。在實際中，為了提高生產(chǎn)能力，經(jīng)常在充填體形成不久就立即進行下一工作循環(huán)，爆破落礦使早齡期充填體產(chǎn)生一定損傷甚至發(fā)生破裂，導(dǎo)致回采礦石貧化損失率的升高，同時影響充填體長期強度的形成，威脅礦山安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益[3]。

目前，充填體動力學(xué)的研究主要集中在穩(wěn)定齡期充填體力學(xué)的研究。張云海等[4]研究了應(yīng)變率為10～80 s-1的動載條件下分層充填體的動態(tài)力學(xué)特性及變形破壞規(guī)律，并基于Stenerding-Lehnigk準(zhǔn)則推導(dǎo)出的改進方程作為分層充填體失穩(wěn)的判據(jù)；楊珊等[5]采用SHPB試驗系統(tǒng)研究了水灰比和水泥摻量對膠結(jié)充填體的動力學(xué)特性的影響；譚玉葉等[6]采用SHPB研究了養(yǎng)護28、56、90 d的膠結(jié)充填體在單次和多次循環(huán)沖擊作用下的力學(xué)特性；朱鵬瑞等[7]針對嗣后充填采礦法中充填體的受力特征，采用SHPB研究了養(yǎng)護28 d的分級尾砂膠結(jié)充填體在高應(yīng)變率下的力學(xué)特性和破壞機理；曹帥[8]開展了考慮不同加載速率和分離式霍普金森壓桿(SHPB)沖擊效應(yīng)的膠結(jié)充填體動力學(xué)試驗，定量表征了膠結(jié)充填體峰值抗壓強度與動力學(xué)特性的函數(shù)關(guān)系；張欽禮等[9]通過SHPB單軸沖擊試驗研究了不同應(yīng)變率條件下充填體的破壞形式、動力學(xué)特性及能量演化特征；付玉華等[10]采用SHPB研究了充填體灰砂配比對其動力特性及抵抗破壞能力的影響規(guī)律，表明充填體的抗沖擊破壞性能對灰砂比敏感。

以往研究中大多研究者都專注于齡期為28 d后充填體的動力學(xué)特性，針對早齡期充填體的研究主要集中在早期水化方面和早期強度的影響因素的研究，如劉浪等[11]采用等溫量熱計研究了溫度與水泥摻量耦合作用下充填體早期水化演化規(guī)律；李文臣和Mamadou Fall等[12-13]通過開展機械電導(dǎo)率和水力電導(dǎo)率試驗研究了硫酸鹽對膠結(jié)充填體的早期強度和自干燥過程的影響；CHEN H等[14]通過嵌入早齡期充填體的光纖光柵研究膠結(jié)劑含量對充填體的溫度和內(nèi)部應(yīng)變演化的影響。上述研究表明，目前針對早齡期充填體的動力學(xué)特性的研究則涉及較少，因此，基于上向水平分層充填采礦法開采過程中充填體在早期的受力特征，結(jié)合工程和科學(xué)研究的需要，本文以灰砂比為1∶4的充填體為對象，研究其在3、5、7、9 d齡期養(yǎng)護后不同沖擊載荷作用下的動力學(xué)特性，探索齡期與沖擊力對早齡期充填體力學(xué)性質(zhì)的影響，為采用上向水平分層充填采礦法安全高效開采提供理論支撐。

1 充填體動態(tài)沖擊壓縮試驗

1.1 充填體試樣制備

試驗采用自制的亞克力管模具制備充填體試樣。根據(jù)各試驗需求，參考相關(guān)試驗規(guī)程，動態(tài)沖擊壓縮試驗試樣為圓柱形，直徑50 mm，長25 mm(見圖1)。試樣制備按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程進行，經(jīng)配料、混合攪拌、澆筑、搗實、刮平、脫模、養(yǎng)護等制作過程完成。根據(jù)礦山生產(chǎn)實際，本次試驗中制作充填體的骨料來源于冀東地區(qū)某鐵礦山全尾砂，比重2.85 g/cm3，其粒級分布曲線如圖2所示，尾砂中SiO2含量較高，還有少量CaO、MgO，S、P等成分很低(見表1)；膠凝材料為該鐵礦山充填工藝中使用的膠固粉；制漿用水為實驗室該鐵礦山充填工藝中使用水。試樣的灰砂配比為1∶4，濃度72%，養(yǎng)護齡期分別為3、5、7、9 d。

圖1 充填體試樣制備Fig.1 Backfill samples preparation

圖2 全尾砂粒級分布Fig.2 Sand level distribution of full tailing

表1 全尾砂化學(xué)成分

1.2 試驗裝置與原理

圖3 SHPB試驗裝置Fig.3 SHPB test equipment

σ(t)=[σI(t)-σR(t)+σT(t)]Ae/(2As)

(1)

(2)

(3)

式中：σI(t)、σR(t)和σT(t)分別為t時刻的入射應(yīng)力，反射應(yīng)力和透射應(yīng)力；ρeCe為彈性桿的波阻抗；Ls為試樣的長度；Ae、As分別為彈性桿和試樣的截面積。

1.3 試驗方案

動態(tài)沖擊壓縮試驗通過開展預(yù)實驗，以齡期為7 d充填體在單次沖擊下試樣破碎分離為碎塊的入射能為本次試驗的沖擊能，確定本次試驗的入射能約為40 J。通過控制氣壓和彈頭位置控制入射能值，對養(yǎng)護齡期為3、5、7、9 d的充填體開展動態(tài)沖擊壓縮實驗，每個齡期取3個試樣，備選3個，共計15塊。

2 結(jié)果與討論

2.1 變形特性分析

由沖擊載荷作用下各齡期充填體的應(yīng)力應(yīng)變(見圖4)可知，早齡期充填體的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線主要分為彈性階段、屈服階段、破壞階段等3個階段。由圖中可知，沖擊載荷作用下充填體隨齡期的增長，早齡期充填體的彈性階段的斜率逐漸增大，彈性模量逐漸變大，峰值應(yīng)力逐漸增大，峰值應(yīng)變和最大應(yīng)變逐漸變小。隨著齡期的增長，彈性階段逐漸變長，彈性逐漸增強；屈服階段隨齡期的增長而變短；峰后階段分別呈明顯區(qū)別，分別為“峰后塑性”與“應(yīng)力跌落”。齡期為3、5 d的充填體強度較低，最大應(yīng)變較大，彈性變形階段較短、塑性變形階段較長，充填體在達到峰值應(yīng)變后仍然處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，表現(xiàn)出一定的延性，峰后階段呈峰后塑性；齡期為7、9 d的充填體峰值應(yīng)變和最大應(yīng)變均較小，且到達峰值應(yīng)變后應(yīng)力水平迅速降低，表現(xiàn)出脆性材料的特性，峰后階段呈應(yīng)力跌落，齡期為9 d的充填體表現(xiàn)的脆性特性更為顯著。

圖4 不同齡期充填體動載作用下應(yīng)力應(yīng)變Fig.4 Stress-strain of backfill at different ages under dynamic loading

早齡期充填體強度和變形特性的變化主要受膠凝材料的水化、凝結(jié)和硬化影響，結(jié)合各齡期充填體應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，齡期為3、5 d的充填體中膠凝材料仍處于凝結(jié)向硬化轉(zhuǎn)換階段，充填體內(nèi)水化產(chǎn)物還未充分相互交錯在一起，充填體內(nèi)含有較多的水和空隙，在外力作用下水化產(chǎn)物之間易發(fā)生滑動而引起較大的變形，表現(xiàn)出一定的延性；齡期為7、9 d的充填體逐漸進入硬化階段，充填體的塑性和黏彈性減弱，脆性特性逐漸增強，表現(xiàn)出脆性材料的特性。

上述動載荷作用下充填體的變形特征與靜載作用下早齡期充填體隨齡期變化的變形特性(見圖5)基本一致。齡期為4、5 d的充填體強度較低，峰值應(yīng)變較大，表現(xiàn)出一定的延性，齡期為6、7 d的充填體峰值應(yīng)變變小，達到峰值應(yīng)變后應(yīng)力水平迅速降低，表現(xiàn)出脆性材料的特性。

圖5 不同齡期充填體靜載作用下應(yīng)力應(yīng)變Fig.5 Stress-strain of backfill at different ages under static loading

2.2 強度特征分析

由沖擊載荷作用下不同齡期充填體動態(tài)抗壓強度隨應(yīng)變率的變化(見圖6)可知，充填體動態(tài)抗壓強度隨齡期的增加而增加，二者呈指數(shù)關(guān)系。結(jié)果顯示，齡期從3 d增加到5 d，強度從3.35增長到3.59，增幅6.9%，齡期從5 d增加到7 d，強度從3.59增長到3.86，增幅7.5%，齡期從7 d增加到9 d，強度從3.86增長到4.31，增幅11.6%。在同一應(yīng)變率作用下，早齡期充填體動態(tài)抗壓強度對齡期的敏感性不同，齡期為3、5 d的充填體內(nèi)膠凝材料處于凝結(jié)向硬化轉(zhuǎn)換階段，水化產(chǎn)物還未充分相互交錯在一起，充填體內(nèi)含有較多的水和空隙，內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定階段，對沖擊作用的響應(yīng)度較弱；齡期為7、9 d的充填體膠凝材料逐漸進入硬化階段，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，逐漸形成機械強度，對沖擊作用的響應(yīng)度較強。因此，養(yǎng)護齡期的保障對充填體抗沖擊性能的影響至關(guān)重要。

圖6 沖擊載荷下早齡期充填體抗壓強度隨養(yǎng)護齡期變化規(guī)律Fig.6 Variation law of compressive strength of early-age backfill varies with curing time under impact loading

2.3 損傷特性分析

2.3.1 損傷模型

充填體是復(fù)雜介質(zhì)材料，通過骨料、膠凝材料、水及添加材料混合而成，在成型過程中，其內(nèi)部存在許多微孔和微裂紋。根據(jù)早齡期充填體的變形特性可知，充填體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系遵循胡克定律，強度服從統(tǒng)計分布，充填體的損傷是各向同性的。因此，基于Weibull分布的損傷統(tǒng)計模型可以描述早齡期充填體的損傷特性。

根據(jù)Lemaitre等效應(yīng)變假設(shè)，早齡期充填體的損傷本構(gòu)模型可建立為[16]

σ=Eε(1-D)

(4)

式中：D為損傷度，變化范圍為0～1;當(dāng)D=0時，表示材料未發(fā)生損傷;當(dāng)D=1時，表示材料完全破壞喪失承載能力。

根據(jù)Weibull分布的概率密度函數(shù)建立充填體的損傷統(tǒng)計本構(gòu)關(guān)系為[16]

(5)

式中：E為初始彈模，反映材料在未受損時的彈性模量；m、n為Weibull分布函數(shù)的參數(shù)。

2.3.2 損傷特性分析

由沖擊載荷作用下不同齡期充填體損傷特性(見圖7)可知，損傷度隨著應(yīng)變的增加而增加，損傷曲線主要表現(xiàn)為上凸型曲線，隨著齡期的增長，上凸趨勢越顯著，且呈先增長后降低的變化規(guī)律，即隨著應(yīng)變的增長損傷度的增長率呈先增大后減小，在齡期為7 d的充填體損傷度的增長率達到最高值。

圖7 沖擊載荷下不同齡期充填體的損傷Fig.7 Damage of backfill with different ages under impact load

由不同齡期充填體損傷破壞特征值(見表2)和沖擊載荷下不同齡期充填體變形與損傷特性(見圖8)可知，當(dāng)齡期為3 d時，充填體在沖擊載荷作用下?lián)p傷曲線上凸趨勢不顯著，在峰值應(yīng)變之前，損傷度隨著應(yīng)變的增加而增長，峰值應(yīng)變對應(yīng)的損傷值為0.52；峰值應(yīng)變之后損傷度增長速度略有降低，此時充填體試件的邊緣發(fā)生剝落，試樣整體沒有完全發(fā)生分離，仍具有一定的承載性。

表2 不同齡期充填體損傷破壞特征值

圖8 沖擊載荷下不同齡期充填體變形與損傷特性Fig.8 Deformation and damage characteristics of backfill at different ages under impact load

當(dāng)齡期為5 d時，充填體在沖擊載荷作用下?lián)p傷曲線呈上凸趨勢，與齡期3 d的相比上凸較為顯著，在峰值應(yīng)變之前，隨著應(yīng)變的增加損傷度增長較快，峰值應(yīng)變對應(yīng)的損傷值為0.6；峰值應(yīng)變之后損傷度增長速度略有降低，此時充填體試件的邊緣發(fā)生剝落并破碎成碎塊，試樣中心部分仍未發(fā)生分離，仍具有一定的承載性。

齡期為7 d時，充填體在沖擊載荷作用下?lián)p傷曲線呈顯著的上凸趨勢，在峰值應(yīng)變之前，隨著應(yīng)變的增加損傷度迅速增長，峰值應(yīng)變對應(yīng)的損傷值為0.82；峰值應(yīng)變之后損傷度增長速度降低并趨于平緩，此時充填體試件完全發(fā)生分離，喪失承載能力。

齡期為9 d時，充填體在沖擊載荷作用下?lián)p傷曲線呈顯著的上凸趨勢，在峰值應(yīng)變之前，隨著應(yīng)變的增加損傷度迅速增長，但與齡期7 d相比增長速度略有降低，峰值應(yīng)變對應(yīng)的損傷值為0.78；峰值應(yīng)變之后損傷度增長速度降低并趨于平緩，此時充填體試件完全發(fā)生分離，喪失承載能力。

綜上分析可知，充填體的養(yǎng)護過程是一個黏彈性和脆性相互影響的過程，充填體中膠凝材料經(jīng)歷水化、凝結(jié)、硬化等幾個階段后逐漸形成機械強度，在水化和凝結(jié)階段，充填體具有較強的黏彈性，在沖擊載荷作用下可發(fā)生較大的變形而不發(fā)生完全分離，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到改變；隨著齡期的增長，充填體中膠凝材料逐漸進入硬化階段，充填體的黏彈性逐漸減弱，脆性特性增強，在沖擊載荷作用下，結(jié)構(gòu)遭到破壞，整體發(fā)生分離破碎，完全失去承載能力。

3 結(jié)論

1)齡期為3、5 d的充填體強度較低，峰值應(yīng)變大，在達到峰值應(yīng)變后仍處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，表現(xiàn)出一定的延性，具有較強的塑性和黏彈性，未發(fā)生整體完全分離,但內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到改變，影響后期強度的形成；齡期7、9 d的充填體峰值應(yīng)變變小，到達峰值應(yīng)變后應(yīng)力水平迅速降低，表現(xiàn)出脆性材料的特性，在較高應(yīng)變率下完全分離，喪失承載能力。

2)隨齡期的增長，充填體動態(tài)抗壓強度逐漸增大，彈性逐漸增強，峰值應(yīng)變逐漸變??；齡期為3、5 d的充填體對沖擊作用的響應(yīng)度較弱，齡期為7、9 d的充填體對沖擊作用的響應(yīng)度較強.

3)損傷度隨著應(yīng)變的增加而增加，損傷曲線主要表現(xiàn)為上凸型曲線，隨著齡期的增長，上凸越顯著，隨著應(yīng)變的增長損傷度的增長率呈先增大后減小，在齡期為7 d的充填體損傷度的增長率達到最高值。

4)鑒于充填體的養(yǎng)護過程是一個黏彈性和脆性相互影響的過程，在實際生產(chǎn)過程中要充分考慮充填體早期養(yǎng)護齡期的保障，充填體中膠凝材料進入硬化階段后再開展生產(chǎn)作業(yè)。根據(jù)試驗結(jié)果，該鐵礦山在生產(chǎn)中應(yīng)保障充填體養(yǎng)護齡期為7 d及以上。