程愛(ài)平 周成頌 王 平 陳國(guó)舉 周亞峰

(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.鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 金昌 737100)

我國(guó)礦產(chǎn)資源種類(lèi)繁多,性質(zhì)各異用途廣泛,經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的采礦作業(yè)和選礦工藝后,在產(chǎn)出有用礦物的同時(shí),也產(chǎn)生了大量的礦山固體廢棄物,也就是尾礦。尾礦庫(kù)的存在不僅造成了土地資源的浪費(fèi),而且隨著地下深部礦產(chǎn)資源的不斷開(kāi)發(fā),地表沉陷形成塌陷坑,嚴(yán)重破壞和影響地表環(huán)境?，F(xiàn)階段,針對(duì)采礦作業(yè)活動(dòng)引起的地表塌陷,常用的方法是直接利用礦山固體廢棄物對(duì)塌陷坑進(jìn)行回填[1],但是容易造成回填體大規(guī)模塌陷、井下泥石流等次生災(zāi)害,基于此,利用全尾砂固結(jié)回填[2]對(duì)礦山塌陷坑進(jìn)行治理,可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的“一廢治兩害”。

塌陷坑全尾砂固結(jié)體在井下開(kāi)采過(guò)程中主要受到拉破壞,固結(jié)體抗拉強(qiáng)度的大小除了與材料本身的濃度、配比、養(yǎng)護(hù)齡期、溫度等因素[3-6]有關(guān)以外,還與加載速率直接相關(guān),井下爆破擾動(dòng)、回采速度等都會(huì)影響固結(jié)體的受載速率,如何保證開(kāi)采過(guò)程中塌陷坑全尾砂固結(jié)體的穩(wěn)定性至關(guān)重要。目前,許多學(xué)者對(duì)加載速率影響下的巖石及類(lèi)巖石材料的抗壓強(qiáng)度特性開(kāi)展了廣泛研究,李福林等[7]對(duì)泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度特性及蠕變變形進(jìn)行了加載速率效應(yīng)研究,得出加載速率與蠕變變形量關(guān)系呈正相關(guān);侯永強(qiáng)等[8]開(kāi)展了5 種不同加載速率下的充填體單軸壓縮實(shí)驗(yàn),探討了不同加載速率下充填體的能耗演化過(guò)程,發(fā)現(xiàn)充填體的強(qiáng)度存在臨界加載速率現(xiàn)象;Cao 等[9]研究了固化180 d 的充填體抗壓強(qiáng)度和聲發(fā)射特性,結(jié)果表明加載速率對(duì)充填體的長(zhǎng)期強(qiáng)度具有強(qiáng)化效應(yīng);Fischer 等[10]研究得出了在應(yīng)力速率為0.01～100 MPa/s 的準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)下,2 d 養(yǎng)護(hù)齡期的水泥漿體抗壓強(qiáng)度隨加載速率的增加而增加的規(guī)律;唐一舉等[11]對(duì)煤巖材料單軸壓縮條件下的破壞特征進(jìn)行了加載速率效應(yīng)研究,試驗(yàn)結(jié)果顯示試樣破壞形態(tài)與能量演化均與加載速率密切相關(guān);王云飛等[12]分別對(duì)干燥和飽水狀態(tài)下的砂巖進(jìn)行了不同加載速率下的單軸壓縮試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)隨加載速率的增加,拉伸破壞裂隙所占百分比增加;Ma Qing 等[13]對(duì)煤巖復(fù)合材料進(jìn)行了加載速率效應(yīng)研究,研究結(jié)果表明煤巖復(fù)合材料的強(qiáng)度、變形、聲發(fā)射(AE)和能量演化均具有一定的加載速率效應(yīng)。

上述研究表明加載速率對(duì)巖石及類(lèi)巖石材料的抗壓強(qiáng)度特性影響較大。也有少量的學(xué)者對(duì)巖石及類(lèi)巖石材料抗拉強(qiáng)度的加載速率效應(yīng)開(kāi)展了相關(guān)研究[14-18],但對(duì)處于開(kāi)采活動(dòng)過(guò)程中的塌陷坑全尾砂固結(jié)體,這一特殊工況下低強(qiáng)度材料抗拉強(qiáng)度特性的加載速率效應(yīng)研究較少。

基于此,本文制作不同濃度及配比的全尾砂固結(jié)體試樣,開(kāi)展不同加載速率下的抗拉試驗(yàn),探討不同加載速率下固結(jié)體抗拉強(qiáng)度、變形、破壞模式及能量演化特征,揭示加載速率對(duì)固結(jié)體抗拉破壞的影響機(jī)理,為保障礦山安全開(kāi)采提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原料

全尾砂固結(jié)體抗拉試驗(yàn)所用尾砂均取自程潮鐵礦尾礦庫(kù),尾砂的選取采用以尾礦庫(kù)尾礦流出口向庫(kù)內(nèi)中心的延伸線為軸線,沿途每隔相同距離共選取6個(gè)點(diǎn),并從所選點(diǎn)獲取試驗(yàn)所需全尾砂的方法[19]。尾砂顆粒粒徑組成如圖1 所示,不均勻系數(shù)5.62,曲率系數(shù)1.25。采用32.5#普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料,試驗(yàn)用水為試驗(yàn)室內(nèi)自來(lái)水。

圖1 全尾砂顆粒粒徑組成Fig.1 Particle size composition of full tailings

1.2 試驗(yàn)原理

為了研究不同加載速率下全尾砂固結(jié)體的抗拉強(qiáng)度特性,試驗(yàn)參照《GBT 50081—2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,制作出抗拉試驗(yàn)所需的2 塊橫截面半徑為75 mm、長(zhǎng)100 mm、寬100 mm、厚20 mm 的鋼制弧形墊塊,以及長(zhǎng)度為100 mm,寬度為20 mm,厚度為3 mm 的木質(zhì)墊條,結(jié)合WDW-100kN型微機(jī)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)固結(jié)體進(jìn)行抗拉試驗(yàn),間接測(cè)得其抗拉強(qiáng)度?？估囼?yàn)原理見(jiàn)圖2。

圖2 抗拉試驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic diagram of tensile test

如圖2 所示,利用弧形鋼制墊塊給方形試樣沿中軸線施加徑向的線荷載,試樣在壓縮線荷載作用下沿著垂直于徑向加載方向的水平方向產(chǎn)生拉應(yīng)力,直至試樣發(fā)生破壞。由于全尾砂固結(jié)體的強(qiáng)度較低,墊條的存在是為了避免提供線荷載的墊塊與試樣直接接觸,產(chǎn)生局部破壞,進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)《GBT 50081—2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,全尾砂固結(jié)體抗拉強(qiáng)度按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中,fts為固結(jié)體劈裂抗拉強(qiáng)度,MPa(對(duì)于試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的方形試樣,算得抗拉強(qiáng)度值應(yīng)乘以尺寸換算系數(shù)0.85);F為試樣破壞荷載,N;A為試樣劈裂面面積,mm2。

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作3 種不同配比(1 ∶4、1 ∶6、1 ∶8)和不同濃度(68%、72%、76%)的全尾砂固結(jié)體試樣,設(shè)計(jì)采用5 種不同的加載速率(0.01、0.02、0.05、0.1、0.2 kN/s)進(jìn)行加載。為了減少試驗(yàn)誤差,同一加載速率、濃度、灰砂比制作3 個(gè)試樣,總計(jì)54 個(gè)試樣。試樣命名方式為L(zhǎng)(M、H)-4(6、8)-1(2、3、4、5),L、M、H 分別代表濃度68%、72%、76%,4、6、8 分別代表灰砂比1 ∶4、1 ∶6、1 ∶8,1、2、3、4、5 分別代表加載速率0.01、0.02、0.05、0.1、0.2 kN/s。例如H-6-2,即為濃度為76%,灰砂比為1 ∶6,加載速率為0.02 kN/s 的試樣。

根據(jù)《GBT 50081—2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,配置9 種全尾砂固結(jié)體料漿,料漿通過(guò)漏斗澆筑到方形鋼制模具中,充分振蕩,最終制作成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的方形試樣。試樣放置于養(yǎng)護(hù)環(huán)境為溫度20±0.5 ℃,相對(duì)濕度為96%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。在試驗(yàn)開(kāi)始前,對(duì)試樣表面進(jìn)行處理,用502 膠水將墊條粘貼固定在試樣的上下面中心處,然后將試樣放在試驗(yàn)機(jī)下承壓板的中心位置,在試樣與上下壓板之間放置弧形鋼制墊塊各1 塊,墊塊應(yīng)與試樣上下面的中心線對(duì)準(zhǔn);啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī),使試樣與加載臺(tái)接觸,采用應(yīng)力控制模式加載,試驗(yàn)流程見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)流程Fig.3 Test flow chart

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 為5 種不同加載速率下不同配比不同濃度全尾砂固結(jié)體試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。由圖4 可知,隨著配比及濃度的提升,全尾砂固結(jié)體試樣抗拉強(qiáng)度逐漸增大,抗拉強(qiáng)度最低的為濃度68%、灰砂比1 ∶8的6 個(gè)試樣,均低于0.1 MPa,抗拉強(qiáng)度最高的為濃度76%、灰砂比1 ∶4 的6 個(gè)試樣,在0.33～0.4MPa之間;灰砂比為1 ∶8 和1 ∶6 的全尾砂固結(jié)體整體強(qiáng)度都很小,濃度的變化對(duì)其抗拉強(qiáng)度影響并不大,隨著加載速率的增大,其抗拉強(qiáng)度整體有增大的趨勢(shì),灰砂比為1 ∶4 的固結(jié)體抗拉強(qiáng)度明顯受濃度影響較大;不同的加載速率下固結(jié)體試樣抗拉強(qiáng)度不同,低濃度低配比的固結(jié)體試樣抗拉強(qiáng)度受加載速率影響波動(dòng) 較大。

圖4 不同加載速率下全尾砂固結(jié)體抗拉強(qiáng)度壓應(yīng)力應(yīng)變曲線 Fig.4 The compressive stress-strain curves of the tensile strength of full tailings consolidation under different loading rates

3 討論

3.1 不同加載速率下固結(jié)體試樣抗拉強(qiáng)度與變形特征

圖5 為5 種不同加載速率下不同配比不同濃度全尾砂固結(jié)體試樣的強(qiáng)度變化曲線圖,本文以灰砂比為1 ∶4,濃度為76%的固結(jié)體試樣為例進(jìn)行分析。當(dāng)加載速率為0.01 kN/s 時(shí),固結(jié)體抗拉強(qiáng)度較高,這是由于固結(jié)體為人工制作的含不同粒徑的骨料、膠凝材料以及水混合而成的非均質(zhì)材料,固結(jié)體內(nèi)部含有大量孔隙和裂隙,低速率加載對(duì)固結(jié)體內(nèi)部的原始孔隙存在壓密效應(yīng),減少了試樣內(nèi)部的孔隙裂隙數(shù)量,略微提高了固結(jié)體的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)加載速率為0.02 kN/s 時(shí),固結(jié)體抗拉強(qiáng)度降低,此時(shí)壓密效應(yīng)減弱,部分孔隙和裂隙得到了充分的發(fā)育。當(dāng)加載速率為0.05 kN/s 時(shí),固結(jié)體抗拉強(qiáng)度降為最低,此時(shí)壓密效應(yīng)完全消失,固結(jié)體內(nèi)部的裂隙得到了充分的發(fā)育。當(dāng)加載速率為0.1 kN/s 時(shí),固結(jié)體抗拉強(qiáng)度值大幅增加,此時(shí)固結(jié)體破裂演化時(shí)間大幅度減少,對(duì)孔隙發(fā)育存在抑制效應(yīng)。當(dāng)加載速率為0.2 kN/s時(shí),固結(jié)體抗拉強(qiáng)度略微降低,孔隙發(fā)育抑制效應(yīng)趨于穩(wěn)定。

圖5 固結(jié)體抗拉強(qiáng)度與加載速率的關(guān)系Fig.5 The relationship between tensile strength and loading rate of consolidation

綜上可以看出,隨加載速率的不斷提高,固結(jié)體抗拉強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先減小后增加最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律性。將強(qiáng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)定為臨界加載速率[20],因此,本次試驗(yàn)存在雙臨界加載速率,分別是第一臨界加載速率0.05 kN/s,第二臨界加載速率0.1 kN/s。

通常情況下,應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率接近穩(wěn)定的階段即為彈性變形階段,材料抵抗彈性變形能力的大小稱(chēng)為彈性模量,單位為MPa;將峰值應(yīng)力點(diǎn)與原點(diǎn)間的割線斜率定義為變形模量,單位為MPa。圖6 給出的是不同加載速率下彈性模量與變形模量變化圖。由圖6 可知,固結(jié)體彈性模量和變形模量隨加載速率的變化規(guī)律與固結(jié)體的抗拉強(qiáng)度基本保持一致。在0.05 kN/s 的第一臨界加載速率下,固結(jié)體的彈性模量與變形模量達(dá)到最小值,說(shuō)明此時(shí)固結(jié)體抵抗變形的能力最弱。在0.1 kN/s 的第二臨界加載速率下,固結(jié)體的彈性模量與變形模量達(dá)到最大值,說(shuō)明此時(shí)固結(jié)體抵抗變形的能力最強(qiáng)。

圖6 不同加載速率下固結(jié)體彈性模量與變形模量變化Fig.6 Changes of elastic modulus and deformation modulus of consolidation under different loading rates

3.2 不同加載速率下固結(jié)體破壞模式

不同加載速率下的固結(jié)體最終破壞模式如圖7所示,固結(jié)體試樣整體主要破壞模式為拉伸破壞。

圖7 不同加載速率下固結(jié)體破壞模式Fig.7 Failure modes of consolidated body under different loading rates

進(jìn)一步對(duì)圖7 進(jìn)行分析可以得出:當(dāng)加載速率為0.01 kN/s 時(shí),固結(jié)體試樣沿著加載方向形成1 條上下貫通的主裂縫,并在上端部產(chǎn)生了1 條較短的次生裂縫,裂紋總條數(shù)為2 條。由于低速率的壓密效應(yīng),使固結(jié)體內(nèi)部的大量微孔隙閉合,在一定程度上抑制了裂紋數(shù)量的產(chǎn)生。當(dāng)加載速率為0.02 kN/s 時(shí),固結(jié)體中心產(chǎn)生上下貫通的主裂紋的同時(shí),在右下方產(chǎn)生了1 條較長(zhǎng)的次生裂縫,總裂紋條數(shù)為2 條,表明隨著加載速率的提高,壓密效應(yīng)減弱,固結(jié)體內(nèi)部微裂隙更易擴(kuò)展成裂紋。當(dāng)加載速率增加到第一臨界加載速率0.05 kN/s 時(shí),在試樣中心沿著加載方向產(chǎn)生了2 條相互交錯(cuò)的主裂紋,同時(shí)在這2 條裂紋的左上方和右下方各產(chǎn)生了1 條較短的次生裂縫,裂紋總條數(shù)為4 條,表明低速率的壓密效應(yīng)完全消失,固結(jié)體內(nèi)部裂隙得到了充分發(fā)育。當(dāng)加載速率增加到第二臨界加載速率0.1 kN/s 時(shí),固結(jié)體試樣沿著加載方向產(chǎn)生1 條上下貫通的主裂紋,同時(shí)在試樣中部位置沿水平方向產(chǎn)生了次生裂縫,裂紋總條數(shù)最少,為2 條。0.2 kN/s 的高加載速率左右兩邊各產(chǎn)生1 條次生裂縫,總裂紋條數(shù)為3 條,表明高加載速率對(duì)固結(jié)體內(nèi)部孔隙發(fā)育存在抑制效應(yīng)。

3.3 不同加載速率下固結(jié)體能量演化特征

對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行積分,即可得出外部荷載輸入的總應(yīng)變能。能量演化方程[21]如下:

式中,W表示外部的荷載所輸入的總應(yīng)變能;We和Wd分別表示應(yīng)變過(guò)程中儲(chǔ)存在巖石內(nèi)的彈性應(yīng)變能和巖石破碎時(shí)的耗散能。W、We和Wd的單位均為kJ/m3,彈性應(yīng)變能的計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為

其中E為初始彈性模量。定義耗散能與彈性應(yīng)變能在某一時(shí)刻的比值為耗彈比λ,計(jì)算公式為

式中,Wid和Wie分別表示應(yīng)變過(guò)程中第i時(shí)刻巖石破碎時(shí)的耗散能和儲(chǔ)存在巖石內(nèi)的彈性應(yīng)變能。

本文以濃度為76%、灰砂比為1 ∶4 的全尾砂固結(jié)體試樣為例,探討不同加載速率下的全尾砂固結(jié)體能量演化規(guī)律。由圖8 可知,在0.01 kN/s 低速率加載下(圖8(a)),固結(jié)體的彈性應(yīng)變能增加緩慢,耗散能增長(zhǎng)迅速,這是由于低速率作用下,試驗(yàn)機(jī)對(duì)固結(jié)體做的功中很大一部分用于固結(jié)體內(nèi)部孔隙的壓密與發(fā)育,導(dǎo)致用于抵抗固結(jié)體整體變形的彈性應(yīng)變能較小,試樣破壞緩慢。在0.05 kN/s 的第一臨界加載速率下(圖8(c)),當(dāng)彈性應(yīng)變能達(dá)到峰值點(diǎn)后近乎垂直下降,與此同時(shí)耗散能垂直上升,表明此刻試樣發(fā)生了劇烈破壞,彈性應(yīng)變能迅速被釋放,這與圖7中固結(jié)體試樣在0.05 kN/s 加載速率下的破壞模式相一致。在0.1 kN/s 的第二臨界加載速率下(圖8(d)),固結(jié)體彈性應(yīng)變能增長(zhǎng)較快,耗散能的增長(zhǎng)明顯被削弱,這是由于在較高速率的作用下,固結(jié)體內(nèi)部孔隙來(lái)不及發(fā)育就迅速被破壞,彈性應(yīng)變能的作用發(fā)揮到了最大化,此時(shí)固結(jié)體強(qiáng)度達(dá)到最大。

圖8 不同加載速率下固結(jié)體能量演化過(guò)程Fig.8 Energy evolution and dissipation coefficient of consolidated samples under different loading rates

為表征不同加載速率下全尾砂固結(jié)體能量耗散規(guī)律,將總應(yīng)變能分為峰前應(yīng)變能和峰后應(yīng)變能(如圖9 所示),定義全尾砂固結(jié)體在破壞過(guò)程中某一時(shí)刻的耗散能與彈性應(yīng)變能的比值為耗彈比,分別獲得峰值耗彈比與最終耗彈比(如圖10 所示)。

圖9 應(yīng)變能隨加載速率變化Fig.9 Strain energy variation with loading rate

由圖9 可知,隨加載速率的增加,固結(jié)體的總應(yīng)變能及峰前應(yīng)變能都有整體提升的趨勢(shì),0.01～0.2 kN/s 加載速率對(duì)應(yīng)總應(yīng)變能分別達(dá)到了3.74、4.04、3.96、4.59、4.39 kJ/m3,對(duì)應(yīng)的峰前應(yīng)變能分別占比為75.14%、68.33%、87.63%、79.30%、83.83%,即峰后應(yīng)變能對(duì)應(yīng)占比為24.86%、31.67%、12.37%、20.70%、16.17%;在0.05 kN/s 的第一臨界加載速率下,固結(jié)體的峰后應(yīng)變能占比最低,在0.1 kN/s 的第二臨界加載速率下,固結(jié)體的總應(yīng)變能最高。由圖10 可知,最終耗彈比先增大后減小,當(dāng)加載速率為0.05 kN/s 時(shí),最終耗彈比達(dá)到最大;峰值耗彈比先減小后增大,當(dāng)加載速率為0.1 kN/s 時(shí),峰值耗彈比達(dá)到最小。

圖10 耗彈比隨加載速率變化Fig.10 Ratio of dissipated energy to elastic strain energy changing with loading rate

4 結(jié)論

(1)低加載速率下,全尾砂固結(jié)體原始孔隙存在壓密效應(yīng),隨著加載速率的增加,壓密效應(yīng)逐漸消失。當(dāng)加載速率為0.05 kN/s 時(shí),全尾砂固結(jié)體抗拉強(qiáng)度最低。高加載速率下,全尾砂固結(jié)體孔隙發(fā)育存在抑制效應(yīng),隨著加載速率的增加,抑制效應(yīng)先增大后減小,當(dāng)加載速率為0.1 kN/s 時(shí),全尾砂固結(jié)體抗拉強(qiáng)度最高。全尾砂固結(jié)體彈性模量及變形模量的變化趨勢(shì)與抗拉強(qiáng)度一致。

(2)不同加載速率下,全尾砂固結(jié)體宏觀破壞模式均為拉伸破壞,裂紋數(shù)量隨加載速率變化顯著。當(dāng)加載速率低于0.05 kN/s 時(shí),隨著加載速率的增加,固結(jié)體次生裂紋條數(shù)逐漸增加,破壞愈加明顯,在0.05 kN/s 時(shí)其裂紋條數(shù)達(dá)到峰值,同時(shí)破壞最為劇烈,說(shuō)明此時(shí)固結(jié)體抵抗變形的能力最弱。0.1 kN/s加載速率下,固結(jié)體破壞較為迅速,破壞面完整,次生裂縫較少。

(3)當(dāng)加載速率低于0.05 kN/s 時(shí),隨著加載速率的增加,固結(jié)體彈性應(yīng)變能增長(zhǎng)緩慢,能量耗散較快。當(dāng)加載速率為0.05 kN/s 時(shí),峰前應(yīng)變能占比最高,峰后應(yīng)變能占比最低,最終耗彈比最大。當(dāng)加載速率高于0.05 kN/s 時(shí),固結(jié)體彈性應(yīng)變能增長(zhǎng)較快,能量耗散較緩。當(dāng)加載速率為0.1 kN/s 時(shí),固結(jié)體總應(yīng)變能最大,峰值耗彈比最小。

(4)全尾砂固結(jié)體抗拉強(qiáng)度特性存在明顯的加載速率效應(yīng),具有雙臨界加載速率:第一臨界加載速率(0.05 kN/s)作用下,固結(jié)體抵抗變形的能力較弱,整體抗拉特性較差;第二臨界加載速率(0.1 kN/s)作用下,固結(jié)體抵抗變形的能力較強(qiáng),整體抗拉特性較好。