超細全尾砂充填體動態(tài)力學(xué)特性研究

劉恩彥 劉福春 熊有為

（1.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙410000；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙410083）

充填開采既可以解決尾砂地表堆存的難題，又可以有效處理地下采空區(qū)，避免地表沉降，實現(xiàn)“一廢治兩害”的目標(biāo)，是地下金屬礦山的首選采礦方法［1-3］。充填體在井下可作為人工礦柱，發(fā)揮支撐頂板冒落、防止巖爆等多種作用，其力學(xué)性能是確保充填采礦作業(yè)安全高效實施的重要保障。因此，充填體的力學(xué)性能得到了研究者們的高度重視。Cui 等［4］研究了充填體結(jié)構(gòu)在配比、充填、圍巖和養(yǎng)護條件變化下的干縮過程，并結(jié)合充填體熱力、水力、機械和化學(xué)過程的耦合以及固結(jié)機理，建立了充填體干縮預(yù)測模型；Walske等［5］通過調(diào)整充填料漿的攪拌時間，測定容重和泌水率等物性參數(shù)及其微觀結(jié)構(gòu)，量化分析了攪拌時間對充填體強度的影響規(guī)律，并確定了最優(yōu)的攪拌時間；劉光生等［6］結(jié)合米切爾法和FLAC3D數(shù)值模擬方法，研究不了同介質(zhì)接觸作用對充填體側(cè)向推力的作用機理，并提出了米切爾法修正模型；張超等［7］基于廢石和風(fēng)砂開展堆積密度試驗，量化分析了堆積密度、灰砂比、質(zhì)量濃度等因素對充填體強度的影響規(guī)律，并獲得了最優(yōu)的混合骨料堆積密實度。充填材料特性和圍巖與充填體的相互作用等都影響了充填體的力學(xué)性能，但采礦爆破或鑿巖臺車、鏟運機等設(shè)備作業(yè)過程中形成的沖擊荷載也是不容忽視的影響因素。對此，張欽禮等［8］、楊偉等［9］分析了充填體受沖擊荷載作用后充填體試件抗壓強度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其受灰砂比和應(yīng)變率影響很大，同時充填體波阻抗較小，對彈性應(yīng)力波傳播有較強的阻尼作用；張云海等［10］分析了中等應(yīng)變率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，發(fā)現(xiàn)其抗壓強度及強度增長因子與應(yīng)變率成正相關(guān)性，同時基于Stenerding-Lehnigk 準(zhǔn)則推導(dǎo)了改進方程，并以此作為分層充填體的穩(wěn)定性判據(jù)；朱鵬瑞等［11］通過分離式霍布金森壓桿試驗技術(shù)研究了應(yīng)變率和充填體動態(tài)強度增強因子的相關(guān)性，并根據(jù)其應(yīng)力—應(yīng)變曲線分析了其破壞機理。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者普遍專注于充填體的靜載力學(xué)特性研究，較少涉及充填體的動態(tài)力學(xué)特性，主要著眼于灰砂比和應(yīng)變率對充填體的影響以及沖擊荷載下充填體能量的變化規(guī)律，但尾砂粒徑級配也是影響充填體性能尤其是動態(tài)力學(xué)特性的一個重要因素，不可忽視。為此，本研究針對超細粒徑全尾砂充填體，研究其在沖擊荷載下的力學(xué)特性及其變化規(guī)律，為超細全尾砂充填體的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗材料及試件制備

1.1 試驗材料

試驗采用的充填骨料為安徽某礦山全尾砂，膠凝材料為32.5 號普通硅酸鹽水泥，充填用水為普通自來水。全尾砂的粒徑分布、密度、成分組成等對充填體質(zhì)量存在不容忽視的影響［12］。通過室內(nèi)物理試驗測定全尾砂的密度、滲透性等參數(shù)，并采用Malvern激光粒度儀測定其粒徑分布，測定結(jié)果如圖1 和表1所示。結(jié)合Grice［13］和吳愛祥等［14］總結(jié)的全尾砂分類標(biāo)準(zhǔn)，試驗所用的全尾砂屬于細粒級全尾砂。

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本研究通過XRD 射線衍射儀測定了全尾砂的化學(xué)元素和主要礦物成分，結(jié)果如圖2 和表2 所示。全尾砂石英（SiO2）的含量達到30.04%，黃鐵礦（FeS2）占7.41%，高嶺石占37.26%，僅從化學(xué)成分看，對充填體強度沒有不利影響。

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1.2 充填體試件制備

充填體試件制備時，根據(jù)充填配比要求將全尾砂、水泥和水依次加入攪拌桶并充分?jǐn)嚢柚辆鶆?，再灌入?0 mm×50 mm 鋼管模具（模具涂油便于拆模），待充填料漿初凝后可脫模，充填體試件置入養(yǎng)護箱養(yǎng)護，制備流程如圖3 所示。養(yǎng)護箱溫度18 ℃，濕度95%。

2 充填體力學(xué)性能試驗

2.1 試驗方法

（1）單軸壓縮試驗。充填體單軸壓縮試驗［16］采用INSRON1246 液壓伺服材料試驗機，其最大載荷300 kN，其軸向變形最大測量范圍500 mm，測量精度優(yōu)于示值1%，加載速度設(shè)為0.05 mm/s，試驗通過計算機采集靜載作用下試件從加載至破壞過程中的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，試驗設(shè)備見圖4。

（2）分離式霍普金森桿單軸沖擊試驗?；趶椥砸痪S應(yīng)力波理論的分離式霍普金森（SHPB）壓桿試驗技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于巖石、混凝土等材料動態(tài)力學(xué)性能的測試［15-16］，該型試驗設(shè)備如圖5 所示。SHPB 試驗系統(tǒng)由發(fā)射裝置、沖頭、入射桿和透射桿等組成，試件置于兩個彈性桿（入射桿和透射桿）之間，控制沖擊氣壓調(diào)節(jié)充填體試件的應(yīng)變率，通過加載的應(yīng)變片采集試驗數(shù)據(jù)。

2.2 試驗方案及結(jié)果

在試驗之前通過調(diào)研獲得該礦山現(xiàn)階段二步驟采場充填體配比參數(shù)為：灰砂比1∶7、質(zhì)量濃度72%。以此為基礎(chǔ)確定本研究試驗方案，充填體試件灰砂比為1∶4、1∶7 和1∶10，質(zhì)量濃度為70%、72%和74%，養(yǎng)護齡期均為28 d。為便于充填體靜載和動載試驗結(jié)果的對比分析，充填體試件尺寸為φ50 mm×50 mm。單軸壓縮試驗分3組，測試結(jié)果見表3。本研究SHPB 試驗的沖擊氣壓為0.2～0.6 MPa，共進行了3 組試驗，部分試驗結(jié)果見表4。

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3 充填體動態(tài)力學(xué)性能分析

3.1 充填體動態(tài)力學(xué)特性

圖6 為充填體試件在動載作用下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。曲線上呈現(xiàn)出數(shù)個應(yīng)力波峰，而靜載下試件應(yīng)力—應(yīng)變曲線僅為單波峰且最大峰值應(yīng)力較低，同時波峰出現(xiàn)點也較為靠后，兩者相差較大。在較低沖擊荷載（0.3 MPa）作用下，動載應(yīng)力—應(yīng)變曲線達到第一峰值（4.32 MPa）后開始小幅度下降，隨后又逐步上升至最終的應(yīng)力峰值（6.12 MPa），充填體試件呈現(xiàn)“硬化”特性。而在較高的沖擊荷載（0.4 MPa）作用下，曲線的變化規(guī)律截然相反，應(yīng)力快速達到最大峰值（9.85 MPa）后迅速下降，隨后又小幅度上升達第二峰值（3.68 MPa），其應(yīng)力值遠小于第一峰值，充填體試件呈現(xiàn)“軟化”特性。

本研究通過動態(tài)強度增長因子K、動靜應(yīng)變比Ps和動靜彈模比Hs研究沖擊荷載和靜載條件下充填體試件的力學(xué)性質(zhì)區(qū)別。該類參數(shù)計算公式為［17-18］：

式中，σs為動態(tài)峰值應(yīng)力；σ為靜載峰值應(yīng)力；εs為動態(tài)峰值應(yīng)變；ε 為靜載峰值應(yīng)變；Es為動態(tài)峰值彈性模量；E為靜載峰值彈性模量。

圖7（a）為充填體動態(tài)強度增長因子變化曲線。由圖中可以發(fā)現(xiàn)充填體動態(tài)強度相對靜載強度明顯升高，但強度增長幅度受沖擊荷載影響，當(dāng)沖擊荷載較低時，其增長幅度較小，當(dāng)沖擊荷載增大時，強度增長速度也變快，同時該曲線存在峰值點，表明充填體存在強度極限。動靜應(yīng)變比曲線呈現(xiàn)出同樣的特性（圖7（b））。動載下試件的最大應(yīng)變均小于靜載時試件的應(yīng)變，如圖7（b）所示，試件應(yīng)變與沖擊荷載呈現(xiàn)線性相關(guān)性。由動靜彈模比曲線（圖7（c））分析發(fā)現(xiàn)，動載下試件的彈性模量快速增長，由3.7增長至19.1。

充填體質(zhì)量濃度和灰砂比對其動態(tài)峰值應(yīng)力和應(yīng)變的影響如圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)充填體質(zhì)量濃度越高、灰砂比越大，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變都顯著增長，但該兩個影響因素是協(xié)同作用于充填體的強度特性，并非相互獨立和線性的，如圖中可以劃分出較為明顯的3個區(qū)域。分析圖8（a）可知：峰值應(yīng)力低值區(qū)域（6.64～7.68 MPa）集中在左下角，占比為9.5%，該區(qū)域主要影響因素為灰砂比，質(zhì)量濃度次之；高值區(qū)域（12.91～15 MPa）集中在右上角，占比為16.8%；其余皆為中值區(qū)域（7.68～12.91 MPa），占比為73.7%，灰砂比和質(zhì)量濃度對這兩部分區(qū)域的影響相對一致。峰值應(yīng)變分布區(qū)域與之差別較大（圖8（b）），其低值區(qū)域（5.4‰～6.8‰）同樣集中在左下角，占比僅為5.4%，該區(qū)域的主要影響因素同樣為灰砂比，質(zhì)量濃度次之；高值區(qū)域（13.5‰～16.2‰）集中在上部，占比很高達到58.5%，該區(qū)域受質(zhì)量濃度影響最大，灰砂比較??；其余部分為中值區(qū)域（6.8‰～13.5‰），占比為36.1%，這一區(qū)域中，灰砂比和質(zhì)量濃度對應(yīng)變的影響趨于一致。

3.2 充填體破壞形式

沖擊荷載下，充填體的破壞形式變化極大，如圖9所示。當(dāng)沖擊荷載小于0.37 MPa時，充填體試件仍保持較為完整的形態(tài)，試件內(nèi)部僅發(fā)生了一定的彈性變形，仍能夠保持原有的穩(wěn)定性；當(dāng)沖擊荷載為0.37～0.4 MPa時，試件產(chǎn)生了少量的裂紋，有的裂紋貫穿整個試件，殘余強度有所降低，此時試件內(nèi)部在沖擊載荷作用下產(chǎn)生了一定程度的塑性變形，導(dǎo)致試件整體穩(wěn)定性降低；當(dāng)沖擊荷載大于0.4 MPa時，試件被壓碎，無殘余強度，處于完全失穩(wěn)破壞狀態(tài)。

3.3 充填體能量變化規(guī)律

3.3.1 充填體能量變化規(guī)律

充填體試件在沖擊過程中伴隨著能量的變化，灰砂比對比能量吸收（Specific Energy Absorption，SEA）的影響表現(xiàn)為單峰曲線，質(zhì)量濃度對SEA的影響體現(xiàn)為線性負相關(guān)，兩者相互耦合影響了充填體的能量吸收效果。質(zhì)量濃度越高、灰砂比越大，充填體比能量吸收越低。充填體能量參數(shù)計算公式為［19-20］式中，SEA為比能量吸收；Ws為吸收能；Vs為充填體試件體積；SUP 為能量吸收率；Wi為入射能；Wr為反射能；Wt為透射能。

充填體試件受沖擊荷載作用后的能量演變規(guī)律如圖10 所示。由該圖分析可知：入射能和反射能變化規(guī)律相似，兩者在數(shù)值上也較為相近，表明反射能緊密跟隨入射能的變化而變化，而透射能及其上升幅度均相對較??；入射能和反射能的曲線呈現(xiàn)線性相關(guān)特性，但透射能曲線呈多峰曲線，波動比較多，較為離散；充填體能量吸收基本隨著沖擊荷載的增加而逐漸遞增，呈現(xiàn)線性增長特性，表明該材料的吸能作用較好。

3.3.2 沖擊荷載對充填體吸能效率的影響

充填體試件比能量吸收情況如圖11所示。分析該圖可知：沖擊荷載越大，充填體比能量吸收值越大，呈線性增長；不同沖擊荷載下，充填體比能量吸收特性截然不同，當(dāng)沖擊荷載大于0.33 MPa 時，灰砂比越高，充填體比能量吸收越多，當(dāng)沖擊荷載小于0.33 MPa 時，同等沖擊荷載作用下，充填體比能量吸收與灰砂比不呈現(xiàn)相關(guān)性。充填體試件能量吸收率呈單峰曲線變化，如圖12所示。由該圖可知：充填體最大能量吸收率為4.2%～5.6%。

3.3.3 充填配比參數(shù)對充填體吸能效率的影響

充填體比能量吸收曲面特性如圖13（a）所示。分析該圖發(fā)現(xiàn)：灰砂比對SEA 的影響表現(xiàn)為單峰曲線，而質(zhì)量濃度對SEA 的影響體現(xiàn)為線性負相關(guān)，兩者相互耦合影響充填體能量吸收效果，質(zhì)量濃度越高，灰砂比越大，充填體比能量吸收越低，同時SEA曲面整體上近似一斜面，局部區(qū)域稍有卷曲，如質(zhì)量濃度為73%～74%和灰砂比為0.1～0.12 的區(qū)域。通過圖13（b）分析發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量濃度越高，灰砂比越大，充填體能量吸收率總體呈現(xiàn)下降趨勢，但局部區(qū)域有波動變化，表現(xiàn)為SUP 曲面呈現(xiàn)下凹型，如灰砂比為0.14～0.18 的區(qū)域，其形態(tài)差異主要在于灰砂比對SUP 的影響體現(xiàn)為下凹曲線。充填體比能量吸收和能量吸收率的變化規(guī)律表明，灰砂比為影響充填體吸能效率的主導(dǎo)因素，質(zhì)量濃度次之。

3.4 充填體微觀機理

材料的微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性能，充填體的微觀結(jié)構(gòu)是由水化產(chǎn)物、骨料和界面過渡區(qū)三相共同構(gòu)成，灰砂比和質(zhì)量濃度決定水化反應(yīng)速度和程度，該過程對充填體微觀結(jié)構(gòu)的組成及分布影響極大。本研究通過電鏡掃描技術(shù)對充填體微觀結(jié)構(gòu)進行分析，來研究灰砂比和質(zhì)量濃度對超細全尾砂充填體性能的影響規(guī)律。電鏡掃描結(jié)果如圖14 所示，圖中針狀物為鈣釩石（AFt），網(wǎng)絡(luò)絮狀物為C—S—H 凝膠，黑色區(qū)域為充填體孔隙。

灰砂比在微觀層次上表征水化產(chǎn)物和充填骨料的黏結(jié)效果，分析圖14（a）和圖14（b）可知，當(dāng)充填體質(zhì)量濃度為72%，灰砂比由1∶4轉(zhuǎn)變?yōu)?∶7時，水泥含量降低，致使生成的水化產(chǎn)物（鈣釩石和凝膠體）減少，水化產(chǎn)物和充填骨料之間的黏結(jié)面積降低，同時水化產(chǎn)物無法有效填滿充填骨料之間的孔隙，充填體孔隙率增大，兩相作用導(dǎo)致充填體宏觀強度降低。

充填體強度與孔隙率存在反比關(guān)系，分析圖14（b）和圖14（c）可知，當(dāng)充填體質(zhì)量濃度由72%增大至74%，同時灰砂比都為1∶7 時，充填用水量降低，表明水泥的水化反應(yīng)程度更充分，充填漿體固化過程中的泌水率更低，同時生成的水化產(chǎn)物更多并緊密結(jié)合在一起，最終形成的充填體孔隙體積大大減少，由此提高了充填體的強度。

4 結(jié) 論

（1）沖擊荷載作用下，充填體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線為多波峰曲線，峰值應(yīng)力較靜載充填體應(yīng)力顯著增大。不同沖擊荷載下，充填體應(yīng)力最大值出現(xiàn)的波峰位置也不相同，呈現(xiàn)充填體“硬化”或“軟化”特性。

（2）充填體質(zhì)量濃度越高，灰砂比越大，峰值應(yīng)力顯著增大，呈現(xiàn)正相關(guān)性，其主體部分為中值區(qū)域（7.68～12.91 MPa），灰砂比和質(zhì)量濃度對主體區(qū)域的影響相對一致。峰值應(yīng)變隨質(zhì)量濃度增高和灰砂比增大而增大，其主體部分為高值區(qū)域（13.5‰～16.2‰），但該區(qū)域受質(zhì)量濃度影響最大，受灰砂比影響較小。

（3）充填體的破壞形式受到?jīng)_擊荷載大小影響較大，當(dāng)沖擊荷載小于0.37 MPa 時，充填體試件仍保持較為完整的形態(tài)，試件內(nèi)部僅發(fā)生了一定的彈性變形，仍能夠保持原有的穩(wěn)定性；當(dāng)沖擊荷載為0.37～0.4 MPa時，試件產(chǎn)生了少量的裂紋，有的裂紋貫穿整個試件，殘余強度有所降低，此時試件內(nèi)部在沖擊載荷作用下產(chǎn)生了一定程度的塑性變形，導(dǎo)致整體穩(wěn)定性降低；當(dāng)沖擊荷載大于0.4 MPa 時，試件被壓碎，無殘余強度，處于完全失穩(wěn)破壞狀態(tài)。

（4）充填體能量吸收隨著沖擊荷載的增加而逐漸遞增，呈現(xiàn)線性增長特性，表明該材料的吸能作用較好。質(zhì)量濃度越高，灰砂比越大，充填體比能量和能量吸收率總體呈現(xiàn)下降趨勢，但局部區(qū)域有波動變化，兩者相互耦合共同作用于充填體能量吸收，其中灰砂比為影響充填體吸能效率的主導(dǎo)因素，質(zhì)量濃度次之。

（5）本研究主要分析了在沖擊荷載作用下超細全尾砂充填體的力學(xué)性能，為更充分了解充填體的動態(tài)力學(xué)特性，需對充填體在沖擊荷載作用下的聲發(fā)射現(xiàn)象和內(nèi)部裂隙演變規(guī)律進行進一步研究。