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,進行了不同加載速率下的單軸壓縮試驗,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,充填體的抗壓強度也越大;加載速率存在一個臨界值,當(dāng)超過該臨界值時,隨著加載速率的增大,充填體的抗壓強度反而減小;灰砂比越大,充填體強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
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)計和實施過程中,要滿足生產(chǎn)安全和經(jīng)濟可行的要求,確定合理的充填體類型和強度是其中的關(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)實驗研究了不同應(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)實驗研究了不同溫度條件下膠結(jié)充填體強度及變形特性;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,開展了充填體強度設(shè)計,并計算了充填體的穩(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際情況,通過反演和數(shù)值模擬計算了采場充填體的強度要求范圍。這些研究成果在礦山實際生產(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度提供基礎(chǔ)資料。
本次試驗對象為湖南某鉛鋅礦實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值的Cu、Zn和Pb等。
從礦山的實際情況來看,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 的標準制作了試樣,部分試樣可如圖1所示。
圖1 制作的部分試樣
本次試驗以單軸壓縮實驗為主,試驗設(shè)備為INSTRON 1342型電液伺服控制材料試驗機,試樣加載過程如圖2所示。試驗按照下述步驟進行:
(1)制作標準試樣,拆模后在養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d;
(2)對試驗機檢查標定,采用常規(guī)靜態(tài)方法(加載速率0.2 mm/min)進行試樣的壓縮實驗;
(3)按照0.5,1.0,1.5,2.0 mm/min的加載速率進行單軸壓縮實驗;
圖2 試樣加載過程
(4)整理實驗數(shù)據(jù),分析不同加載速率下充填體的力學(xué)特性。
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,這與其抗壓強度的規(guī)律基本一致。
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,充填體內(nèi)部裂隙有時間充分發(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,相應(yīng)的加載時間便會減少,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)部裂隙擴展越容易,需要的時間也越短,加載速率對裂隙擴展的抑制不明顯,宏觀上表現(xiàn)為強度增加較慢的現(xiàn)象。
(3)另外一個值得注意的現(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。
為了進一步分析充填體強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)的峰值強度提取出來,繪制成如圖5所示的充填體抗壓強度隨加載速率的變化曲線。
由圖5可知,充填體的抗壓強度隨著加載速率的增加而增大,但達到一個臨界值后,抗壓強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度;表示加載速率。
(1)總體來看,加載速率對充填體的強度存在顯著影響:在“臨界加載速率”之前,充填體的強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。苡绊懗潭纫苍叫?,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)部裂隙擴展速率的關(guān)系來影響充填體的強度特性的,較大的加載速率會限制充填體內(nèi)部裂隙的充分擴展。
[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度設(shè)計及穩(wěn)定性計算[J].采礦技術(shù),2017,17(6):30-33+34.
[5] 亓中華,張紀偉,胡建華,等.臥虎山礦充填體強度參數(shù)的反演計算與數(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度特性影響的試驗研究[J].金屬礦山,2016(12):150-153.
[7] JGJ/T70—2009.建筑砂漿基本性能試驗方法標準[S].
(2019-02-15)