動載下高濃度全尾砂膠結(jié)充填體的力學特性

楊偉，張欽禮，楊珊，王新民

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動載下高濃度全尾砂膠結(jié)充填體的力學特性

楊偉，張欽禮，楊珊，王新民

(中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙，410083)

為了研究動載下高濃度全尾砂膠結(jié)充填體(HTB)的力學性能，制備直徑×長度為50 mm×25 mm的HTB試件，通過靜態(tài)單軸壓縮試驗和分離式霍普金森桿(SHPB)單軸沖擊試驗，對試件的動靜荷載下的力學性質(zhì)進行比較，研究試件動態(tài)抗壓強度、動態(tài)應變、強度增強因子、比能量吸收與平均應變率之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明： HTB 試件對彈性波傳播有較強的阻尼作用；HTB 試件臨界破壞的平均應變率為103 s?1，最大應變率可達265 s?1；隨著應變率增大，試件的動態(tài)抗壓強度、動態(tài)強度增長因子、峰值應變隨之增大，應變率越高，達到峰值強度歷時越短；動載下HTB 試件出現(xiàn)1~2次破壞?壓實過程；在低應變率下，試件沿軸向呈現(xiàn)脆性劈裂破壞，在高應變率下，破壞形式為壓碎破壞；隨著入射能量增大，反射能、試塊吸收能量及比能量吸收均呈線性增長趨勢，由于波阻抗效應，透射能較小，試塊具有較強的吸收和反射能特性。

礦山開采；高濃度全尾砂膠結(jié)充填體；應變率；SHPB試驗；動態(tài)力學性能

相對于空場法采礦，充填法采礦具備回收率高、安全程度高、環(huán)境污染程度低等特點，現(xiàn)已廣泛用于國內(nèi)外大型地下礦山中[1?3]。目前，人們對充填采礦進行了大量研究，新型充填材料漸漸成為研究熱點。新型充填材料包括全尾砂膠結(jié)充填體、膏體、似膏體等材料[1?10]。其中，高濃度全尾砂充填體(HTB)具有固體物料質(zhì)量濃度高、早強、輸送性能好、水泥用量少等特點[4]。人們對高濃度全尾砂充填體的準靜態(tài)力學特性(應變率低于10?4s?1)進行了研究，如薛希龍[4]對黃梅磷礦HTB進行了準靜態(tài)單軸壓縮和劈裂試驗，得到了相關(guān)的應力?應變曲線。然而，礦山開采過程中的爆破等動載荷(應變率高于102s?1)會導致充填體產(chǎn)生損傷、斷裂、甚至局部垮塌現(xiàn)象，給礦山開采帶來很多安全隱患。研究材料動態(tài)力學特性的理想設(shè)備主要是分離式霍普金森桿系統(tǒng)(split Hopkinson pressure bars，即SHPB)[5]，采用該系統(tǒng)可研究材料的動態(tài)應 力?應變?應變率之間的關(guān)系[6?7]，也可以研究材料在沖擊過程中的能量變化問題[8?9]。為了研究動載下高濃度全尾砂膠結(jié)充填體(HTB)的力學性能，本文作者制備直徑×長度為50 mm×25 mm HTB試件，進行靜態(tài)單軸壓縮試驗；利用直徑為50 mm的SHPB試驗裝置，以不同速度沖擊試樣，測試試樣在應變率為103~265 s?1時的動態(tài)力學性能，分析比較動靜荷載下的力學性質(zhì)，研究試件動態(tài)抗壓強度、動態(tài)應變、強度增強因子、比能量吸收與平均應變率之間的關(guān)系，以便為其他礦山HTB動載下力學性質(zhì)研究及安全穩(wěn)定性評價提供 參考。

1 HTB試樣制備及靜載試驗

1.1 HTB試件制備

試件采用尾砂是河北某鐵礦全尾砂，所用水泥為525號硅酸鹽水泥。全尾砂的粒徑組成直接影響HTB 充填試塊的物理力學性質(zhì)[10]。表1所示為全尾砂粒徑組成。從表1可知：尾砂粒度為0.075 mm以下的顆粒質(zhì)量分數(shù)達69.1%；中值粒度50=0.049 mm，小于一般礦山所用充填尾砂粒度，可能對膠結(jié)充填體強度產(chǎn)生影響。

表1 全尾砂粒徑組成(質(zhì)量分數(shù))

試件料漿灰砂質(zhì)量比為1:6，固體物料質(zhì)量分數(shù)為75%。試驗所用模具為自制直徑×長度為50 mm× 25 mm鋼管模具，見圖1(a)。試件制備時，將拌好的料漿迅速倒入鋼管模具內(nèi)并震蕩均勻，脫模后放入恒溫恒濕箱內(nèi)保養(yǎng)28 d。圖1(b)所示為已制備的HTB試件。

(a) 自制模具；(b) HTB試件

1.2 HTB試件靜載力學性質(zhì)

HTB試塊的基本物理力學參數(shù)如表2所示，試塊28 d抗壓強度應力?應變曲線如圖2所示。從圖2可知：在靜態(tài)壓縮載荷下，HTB 試件應力在達到最大單軸抗壓強度之前具有明顯的彈性特征，應力在達到最大抗壓強度之后呈現(xiàn)較強的塑性特性；隨著應變增大，在完全破壞之前應力仍能保持在3.5 MPa以上，最大應變?yōu)?.100 6。

表2 靜載下HTB 試件的力學參數(shù)

圖2 靜載下HTB試件(28 d)單軸抗壓強度應力?應變曲線

2 SHPB試驗原理

SHPB試驗系統(tǒng)可用于金屬、礦巖等多種材料動態(tài)力學性能的測試[11?12]。圖3所示為SHPB壓縮試驗原理示意圖，試驗系統(tǒng)由發(fā)射裝置、沖頭、入射桿(波阻抗為4.23×107kg/(m2·s))、透射桿等組成，測試試樣被夾持在入射桿與透射桿之間，沖頭在高氣壓作用下撞擊入射桿，在入射桿端產(chǎn)生應力脈沖。在一維應力傳播的條件下，應力脈沖即彈性應力入射波在入射桿中以波速0向前傳播，與試樣接觸后分別在入射桿和透射桿中產(chǎn)生反射應力脈沖和透射應力脈沖，試件端部產(chǎn)生入射應變和反射應變，透射桿同時產(chǎn)生透射應變。

圖3 SHPB壓縮試驗原理示意圖

(2)

(3)

式中：為入射桿的橫截面積；s為試件的橫截面積；為壓桿的彈性模量；s為試件的厚度；為入射桿c1處的入射應變；為入射桿c1處的反射應變；為透射桿c2處的透射應變；0為彈性應力波波速；為試樣的動態(tài)應力；為試樣的應變率；為試樣的應變。根據(jù)一維應力假定，當試樣應力達到均衡時，有

則式(1)~(3)可化簡為

(5)

(7)

3 動態(tài)試驗結(jié)果及分析

3.1 SHPB設(shè)備波形圖

試驗記錄的典型入射波、反射波和透射波波形如圖4所示。由圖4可以看出：入射波與反射波波幅值近似相等，方向相反，而透射波波幅較小。該現(xiàn)象可用波阻抗理論來解釋[13]：當彈性波從高波阻抗材料入射到低波阻抗材料時，反射波與入射波異號，透射波應力幅值比入射波的小。由于入射桿的波阻抗(4.23×107kg/(m2?s))遠大于HTB試件的波阻抗(1.55×106kg/(m2?s))，透射波則在應力幅值上遠比入射波的小。由圖4可知HTB 試件對彈性波傳播有較強的阻尼作用。

3.2 HTB試樣動態(tài)壓縮特征及分析

對HTB 試件在不同應變率(103.19~265.57 s?1)下進行單軸沖擊壓縮試驗，所得應力與應變曲線見圖5，試驗基本參數(shù)及測試結(jié)果見表3。

圖4 SHPB 試驗裝置典型波形

表3 HTB 試件動態(tài)壓縮試驗結(jié)果

圖5 不同應變率下HTB試件應力?應變曲線

1) HTB 試件臨界破壞平均應變率為103.19 s?1，最大應變率可達265.57 s?1，比一般巖石的高[5]。

2) 隨著應變率增加，HTB 試件的動態(tài)抗壓強度也隨之增大，最高可達17.27 MPa。由圖6可知試件動態(tài)抗壓強度與平均應變率呈一定的線性關(guān)系。

3) 隨著應變率增加，動態(tài)強度增長因子顯著提高，最高可達4.27，即動態(tài)抗壓強度是靜態(tài)抗壓強度的4.27倍，而一般巖石的最大動態(tài)強度增長因子僅為1.20~2.50[15]。

4) 隨著應變率增加，達到峰值強度所用時間從19 μs降到17 μs，即應變率越大，達到峰值強度歷時越短，而一般巖石的達到峰值所用時間為100~ 200 μs[16]。

5) 隨著應變率的增加，達到峰值應變呈現(xiàn)遞增趨勢，從0.000 758增加到0.001 446；最大應變在 0.008 675~0.023 636之間，遠小于試件的靜態(tài)最大 應變。

6) 不同于一般脆性巖石動載下應力?應變曲 線[15?16]，HTB 試件在經(jīng)歷了峰值應力后，沒有馬上發(fā)生破壞，而是出現(xiàn)了1~2個低應力波峰后才完全破壞。這是由于試樣的應力達到峰值應力后，試件的一部分開始破壞，應力開始下降，同時，其余未破壞部分的微裂縫也開始被擠壓；隨著裂隙被被縮小密實，應力又逐漸上升，達到下一個低應力峰值。這種破 壞?壓實的過程會發(fā)生1~2次，直到試件完全破壞 為止。

圖6 HTB試件動態(tài)抗壓強度與平均應變率的關(guān)系

3.3 HTB試樣動態(tài)壓縮破壞形式

HTB試件動態(tài)壓縮破壞模式見圖7。從圖7可看出：應變率越大，試塊的破碎程度越高，大塊率也隨之減??；在臨界破壞應變率下，試件沿軸向呈現(xiàn)劈裂破壞(圖7(a))；隨著應變率增加，試件碎塊數(shù)目組建增大，并伴有粉末出現(xiàn)(圖7(b))；在最大應變率下，大部分試件被完全壓成粉末，小塊極少。從整體上看，HTB 破壞形式為壓碎破壞，類似于低強度混凝土的破壞形式[17]。

3.4 動態(tài)壓縮過程中HTB試樣能量變化分析

試件在沖擊過程中伴隨著能量的變化，入射能I、反射能R、透射能T及試塊吸收能s之間的關(guān)系為[14]：

/s?1：(a) 103.19；(b) 220.76

(10)

(11)

式中：I為試件的入射能；R為試件的反射能；T為試件的透射能；S為試件的試塊吸收能。

能量測試結(jié)果見表4。由表4可知，隨著入射能量的增大，反射能、試塊吸收能量呈線性增長趨勢，由于波阻抗效應，透射能較小，幾乎可以忽略。

表4 試驗中能量的測試結(jié)果

巖石動力學中常用比能量吸收量(EA)來衡量試件單位體積內(nèi)吸收能EA[16]：

式中：S為試件吸收的能量，J；S為試塊體積，cm3。由圖8可知：比能量吸收隨應變率的增加而呈線性增加，即應變率越大，試件單位體積吸收的能量越大，最高比能量吸收為0.19 J/cm3，這表明HTB 試件具有較好的吸能性能。

圖8 HTB試件比能量吸收與應變率關(guān)系

Fig. 8 Relationship between energy absorption ratio and average strain rate for HTB specimen

4 結(jié)論

1)研究了動載下HTB(高濃度全尾砂膠結(jié)充填體)破壞機理，制備了直徑×長度為50 mm×25 mm的HTB試件，進行了靜態(tài)單軸壓縮試驗和SHPB單軸沖擊試驗。

2) 由于SHPB入射桿的波阻抗遠大于HTB試件的波阻抗，透射波應力幅值遠比入射波的小，說明HTB試件對彈性波傳播有較強的阻尼作用。

3) 與普通巖石相比，HTB試件臨界破壞的平均應變率較高；隨著應變率增加，HTB試件的動態(tài)抗壓強度也隨之增大，動態(tài)強度增長因子顯著提高，達到峰值強度歷時越短，峰值應變呈現(xiàn)遞增趨勢，最大應變遠小于試件的靜態(tài)最大應變；動載下HTB試件會出現(xiàn)1~2次破壞?壓實過程，所以，應力在達到峰值后又出現(xiàn)1~2個低應力波峰，之后才完全破壞。在臨界破壞應變率下，試件沿軸向呈現(xiàn)劈裂破壞，在高應變率下，破壞形式為壓碎破壞。

4) 隨著入射能量增大，反射能呈增大趨勢；由于波阻抗效應，透射能較小，幾乎可以忽略。應變率越大，試件單位體積吸收的能量越大，最高比能量吸收為0.19 J/cm3，這表明HTB試件具有較好的吸能性能。

5) HTB作為一種礦山常用充填材料，具有較好的動態(tài)抗沖擊力學性能，當平均應變率低于103 s?1時，HTB仍具有較強的承載能力，不會發(fā)生整體破壞，并且具有較強的吸收和反射能量的特性，這可為其他礦山HTB動態(tài)力學性能的研究和安全穩(wěn)定性評價提供參考。

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(編輯 陳燦華)

Mechanical property ofhigh concentration total tailing cemented backfilling under dynamic loading

YANG Wei, ZHANG Qinli, YANG Shan, WANG Xinmin

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

To study the safety and reliability property of high concentrations of total cemented backfilling (HTB) under dynamic loading, 50 mm×25 mm HTB specimen was prepared, the static uniaxial compression test and the split Hopkinson pressure bar (SHPB) uniaxial impact test were carried out, the mechanical properties between static loading and dynamic loading were compared, the relationship among the stress and the strain of dynamic strain, dynamic compressive strength, the strength enhancement factor, the specific energy absorption and the average strain rate of the test specimen was analyzed. The results show that the HTB specimen has stronger damping effect on elastic wave propagation. Strain rate of damage critical is 103 s?1, and the maximum average strain rate can reach 265 s?1. With the increase of the average strain rate, the dynamic compressive strength, the dynamic strength and peak strain increase. The higher the strain rate, the shorter time to get the peak strain. Under the dynamic loading, HTB specimen occur 1?2 times failure-compaction processes. Under the low strain rate, specimens present brittle failure along the axial under higher strain rate, and specimens present crushing destruction. With the increase of the incident energy, reflective energy, absorption energy and specific energy absorption progressively increase. Because of the effect of wave impedance, the transmission energy is much smaller than incident energy. HTB has good energy absorption performance.

mining; high concentrations total tailing cemented backfilling; strain rate; split Hopkinson pressure bar (SHPB) test; dynamic mechanics performance

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.022

TD835

A

1672?7207(2017)01?0156?06

2016?01?08；

2016?03?22

國家自然科學基金資助項目( 51404305) (Project(51404305) supported by the National Natural Science Foundation of China)

楊偉，博士研究生，從事爆破與充填開采研究；E-mail: yangwei0412104489@126.com